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Prozess-Klteanlagen

1. Klteprozess

Bei der Erzeugung von Klte ist ein thermodynamischer Kreislaufprozess notwendig. Es wird

einem Stoff/Krper Wrme entzogen und diese Wrme muss einem anderen Stoff/Krper

wieder zugefhrt werden. Zur Realisierung eines derartigen thermodynamischen

Kreisprozesses gibt es verschiedene Verfahren, die auf unterschiedlichen physikalischen

Vorgngen beruhen. Die Gebruchlichsten sind:

- Kompressionsklteprozess, unter Zufuhr mechanischer Energie

o Kaltdampfklteprozess mit Kltemitteln, bei denen verschiedene

Arbeitstemperaturen den Aggregatzustand zwischen Dampf- und

Flssigkeitsphase ndern

o Kaltluftklteprozess mit Luft als Kltemittel, ohne Aggregatzustandsnderung

o Dampfstrahlklteprozess beispielsweise mit Wasserdampf als Treibmittel und

Wasser als Kltemittel

- Sorptionsklteprozess, unter Zufuhr von Wrme-Energie

o Absorptionsklteprozess, wo das Kltemittel in einem Lsemittelkreislauf von

niedrigem auf hohes Temperaturniveau gehoben und durch Wrmezufuhr

wieder fr den Klteprozess freigesetzt wird.

o Adsorptionsklteprozess, wo das Kltemittel an einen festen Stoff angelagert

und periodisch durch Wrmezufuhr wieder freigesetzt wird. Durch zwei parallel

und wechselweise betriebene Anlagen wird ein stetiger Khlprozess erreicht.

In der Prozess-Kltetechnik kommen berwiegend Anlagen nach dem Kaltdampf-

Kompressionsklteprozess zum Einsatz. In einigen speziellen Anwendungsfllen wird auch

der Absorptionsklteprozess eingesetzt.

2. Kaltdampf-Kompressionsklteprozess

Ein mit entscheidendes Kriterium fr die Wirtschaftlichkeit von Kompressionsklteanlagen ist

die Leistungszahl (Epsilon), die sich wie folgt zusammensetzt:

P

Q0

[ 0Q = Klteleistung, P = elektrische Leistungsaufnahme]

Von vielen Herstellern werden heute statt der Leistungszahl COP-Werte (coefficient of

performance) angegeben, diese stellen inhaltlich das Gleiche dar.

Daher sollten die Kriterien fr eine effiziente Klteanlage bei einer hohen Klteleistung mit

einer geringer elektrischen Leistungsaufnahme liegen.

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Die Effizienz von Kompressionsklteanlagen hngt im Wesentlichen von folgenden Faktoren

ab:

- Verdampfungs- und Kondensationstemperatur

- Anlagenkomponenten

- Wrmerckgewinnung

Verdampfungs- und Kondensationstemperatur

Das grte Einsparpotenzial bei Klteanlagen liegt in der optimalen Auslegung von

Verdampfungs- und Kondensationstemperatur. Je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen

Verdampfung und Kondensation, desto geringer ist die Druckdifferenz, die vom Verdichter

berwunden werden muss, und somit der Energieaufwand fr den Betrieb der Anlage.

Fr eine um 1C hhere Verdampfungstemperatur wird der Energieaufwand am Verdichter um

etwa 4 Prozent gesenkt. Bei einer konstanten Khlleistung muss bei der Erhhung der

Verdampfungstemperatur der Luftdurchsatz an den Verdampfern erhht werden. Was durch

hhere Luftgeschwindigkeiten, die auch wiederum einen erhhten Energieaufwand bedeuten

oder durch grere Tauscherflchen, die wiederum mit hheren Investitionskosten verbunden

sind, realisiert wird. Es muss also ein Optimum zwischen den Betriebs- und Investitionskosten

gefunden werden.

Analog zur Verdampferauslegung bewirkt die Absenkung der Kondensationstemperatur um

1C eine Reduzierung des Verdichterenergiebedarfs um ca. 3 Prozent. Bei Einsatz von

luftgekhlten Verflssigern ist die Kondensationstemperatur von der Auentemperatur

abhngig. Speziell in den Sommermonaten bei hohen Auentemperaturen - wo die grte

Khlleistung bentigt wird - ist die Kondensationstemperatur sehr hoch, was einen hohen

Energieverbrauch nach sich zieht. Werden Verflssiger ohne Leistungsreserven auf die

genormte Auentemperatur von 32C ausgelegt, kann es bei hheren Auentemperaturen -

wie sie in der letzten Zeit oft auftraten - zu einer Verminderung der Klteleistung kommen.

Anlagenkomponenten

Kompressoren (Verdichter)

Durch die richtige Wahl des Verdichtertyps unter Bercksichtigung der Klteleistungszahl und

des Teillastverhaltens kann viel Energie eingespart werden. Am Markt werden verschiedene

Verdichtertypen angeboten. Bei kleinen Klteleistungen, 5 20 kW, kommen berwiegend

Spiral-(Scroll)-Verdichter zum Einsatz. Im Leistungsbereich darber bis ca. 500 kW werden

Hubkolbenverdichter, meist als halbhermetische Verdichter, eingesetzt. Schraubenverdichter

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werden am Markt im Leistungsbereich zwischen 80 und 1.200 kW Klteleistung angeboten.

Darber hinaus werden Turboverdichter eingesetzt, welche bei groen Leistungen von

Hochspannungsmotoren oder direkt von Dampf- bzw. Gasturbinen angetrieben werden. Die

Leistung groer Turboverdichter liegt oberhalb einem Megawatt bis etwa 60 MW.

Bild 1: Schaltung der wichtigsten Bauteile einer Kompressionsklteanlage, rechts mit innerem Wrmebertrager (Economiser)

Kltespeicher

Wird die Kltelast nur zu Spitzenzeiten voll gefordert, knnen durch das Einbeziehen eines

Kltespeichers Leistungsspitzen vermindert und somit Kosten eingespart werden. Reine

Kaltwasserspeicher haben eine geringe Speicherfhigkeit, da sie nur die spezifische

Wrmekapazitt von 4,18 kJ/(kg*K) nutzen knnen. Die Speicherdichte liegt bei ca. 1,16

kWh/(m3*K). Fr eine Zwischenspeicherung von 20 kWhKlte bei einem t von 6K wird ein

Speichervolumen von ca. 3 m3 bentigt. Wird ein Eisspeicher eingesetzt, dessen

Speicherdichte zwischen 40 und 60 kWh/m3 liegt, da die Schmelzwrme des Wassers von 332

kJ/kg genutzt werden kann, wird nur noch ein Speichervolumen von ca. 0,4 m3 bentigt.

Investitionen in Eisspeicher sind vor allem dann sinnvoll, wenn:

die Klteleistungsspitzen an geringen Tagen/Stunden im Jahr auftreten und durch

den Eisspeicher die Klteleistung und somit Investitionskosten reduziert werden

knnen.

bei einer bestehenden Klteanlage die Klteleistung erweitert werden soll ohne

Investitionen in die Anlagentechnik

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die elektrische Lastspitze an einem Sommertag liegt und durch die Abschaltung der

Klteanlage der zu zahlende Leistungspreis reduziert wird.

durch den Einsatz des Eisspeichers der Strombezug vergleichmigt wird und somit

die Benutzungsstunden des Strombezuges erhht werden.

der preiswerte Nachtstrom zur Klteerzeugung genutzt werden kann.

die Klteversorgung whrend eines Stromausfalls gewhrleistet werden muss.

Verflssiger

Speziell bei luftgekhlten Verflssigern ist der Verflssigungsdruck von der Auentemperatur

abhngig. Luftgekhlte Verflssiger sollten grundstzlich im Auenbereich an den Nordseiten

der Gebude oder auf dem Dach installiert sein, um den Verflssigungsdruck niedrig zu halten.

Allerdings muss wiederum bei sehr geringen Auentemperaturen der Verflssigungsdruck

ber einen Heigas-Bypass knstlich hochgehalten werden, da speziell das Expansionsventil,

aber auch der Verdichter einen Mindestdruck fr den sicheren Betrieb bentigt. Daher sollte

grundstzlich eine Verflssigungsdruckreglung eingesetzt werden.

Grnde fr eine Verflssigungsdruckreglung:

- Energieeinsparungen bis zu 20 Prozent

- stabile und gute Klteleistungen ber lngere Zeitrume

- konstantes Regelverhalten

- bessere Betriebsbedingungen der Verdichter

Die Verflssigungsdruckreglung wird durch eine Lfterdrehzahlregelung realisiert. Steigt der

Druck an, wird die Drehzahl erhht, somit auch die Khlleistung und der Druck sinkt wieder.

Lfterdrehzahlregelungen knnen durch Spannungsregler (Phasenanschnitt), Frequenz-

umformer und Ventilatoren mit EC-Technik realisiert werden.

Rckkhlung

Auch die Wahl des Khlmediums Luft oder Wasser beeinflusst den Energiebedarf. Die

Luftkhlung erfordert gegenber Rckkhlwerken oder Brunnenwasserkhlung bei gleicher

Spitzenlast-Klteleistung grere Verdichter und einen hheren Energieverbrauch der

Verdichter. Bei wassergekhlten Verflssigern wird beispielsweise ber einen Rohrbndel-

Verflssiger, bei kleineren Anlagen werden oft Koaxial-Verflssiger verwendet, die

Kondensationswrme an ein Wasserkreislaufsystem bertragen. Das Wasser wird in der

Regel durch offene oder geschlossene Verdunstungskhler rckgekhlt. Fr die

Rckkhltemperatur ist die Feuchtkugeltemperatur ausschlaggebend, welche in

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Westdeutschland in den Sommermonaten mit 21C angegeben wird und eine Abkhlung des

Wassers bis auf 25C ermglicht.

bliche Auslegungsdaten fr den Sommer

- Wasserkhlung: Wasser aus Rckkhlwerk, Erwrmung von 27C auf 32 C,

Kondensationstemperatur ca. 37C

- Luftkhlung: Auenluft, Erwrmung von 32C auf 42C, Kondensationstemperatur ca.

50C

Fr Klteanlagen werden auch sogenannte Economiser angeboten, bei denen es zwar zu

einer geringfgigen Erhhung der Leistungsaufnahme kommt, aber zu einer deutlichen

Verbesserung der Klteleistung.

Werden beide Optimierungspotenziale ausgenutzt, Economiser und wassergekhlter

Verflssiger, ist eine Verminderung der elektrischen Leistungsaufnahme um ca. 10 Prozent

und eine Erhhung der Klteleistung um ca. 30 Prozent mglich. Was eine Verbesserung der

Leistungszahl ergibt. Geht man davon aus, dass eine Erhhung der Klteleistung nicht

notwendig ist, kann bei der Verdichterauswahl auf kleinere Leistungsklassen zurckgegriffen

werden, was die Investitionskosten verringert und natrlich