Grundlagenwissen Kältetechnik

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1 Grundlagenwissen Kältetechnik Philipp Bruck M. Sc., TARA Ingenieurbüro Bremen

2 Unsere Leistungen Energieberatung Energiemanagementsysteme Energieaudits Energieeffizienznetzwerke Klimaschutz für Unternehmen Energieeffizienzgutachten Energiechecks Fördermittelberatung Vorträge Seminare

3 Gliederung 1. Einführung 2. Wie funktionieren Kompressionskältemaschinen? 3. Komponenten von Kompressionskältemaschinen 4. Wie funktionieren Sorptionskältemaschinen?

4 Wofür brauche ich überhaupt Kälte? Kühlung von Lebensmitteln Maschinenbau/ Kühlung Klimatisierung (inklusive IKT)

5 Drossel Kompressor Wie funktionieren Kältemaschinen? Beispiel Kompressionskältemaschine Kältemittelkreislauf zweigeteilt: Kalte Seite bei niedrigem Druck und geringer Temperatur (unten) Warme Seite bei hohem Druck und hoher Temperatur (oben) Umgebung Wärme Kondensator Kältemittel Verdampfer Wärme Kühlobjekt

6 Drossel Kompressor Wie funktionieren Kältemaschinen? Beispiel Kompressionskältemaschine Verdampfer: nimmt Umgebungswärme auf niedrigem Temperaturniveau auf Umgebung Wärme Kondensator Kältemittel Verdampfer Wärme Kühlobjekt

7 Drossel Kompressor Wie funktionieren Kältemaschinen? Beispiel Kompressionskältemaschine Kompressor/Verdichter: verdichtet unter Einsatz elektrischer Energie das Kältemittel und bringt es damit auf höhere Temperatur Umgebung Wärme Kondensator Kältemittel Verdampfer Wärme Kühlobjekt

8 Drossel Kompressor Wie funktionieren Kältemaschinen? Beispiel Kompressionskältemaschine Kondensator/Verflüssiger: gibt Wärme an Umgebung/Nutzung ab Umgebung Wärme Kondensator Kältemittel Verdampfer Wärme Kühlobjekt

9 Drossel Kompressor Wie funktionieren Kältemaschinen? Beispiel Kompressionskältemaschine Drossel/Expansionsventil: entspannt das Arbeitsmedium, wodurch es wieder abkühlt Umgebung Wärme Kondensator Kältemittel Verdampfer Wärme Kühlobjekt

10 Quelle: Wikimedia Commons, gemeinfrei Physikalische Grundlagen 1: Siedepunkt ist druckabhängig

11 Temperatur / C Physikalische Grundlagen 2: Phasenübergang ist energieaufwendig Enthalpie / Wh/kg

12 Gliederung 1. Einführung 2. Wie funktionieren Kompressionskältemaschinen? 3. Komponenten von Kompressionskältemaschinen 4. Wie funktionieren Sorptionskältemaschinen?

13 Drossel Kompressor Kreisprozess Kompressionskältemaschine Verdampfer: nimmt Umgebungswärme auf niedrigem Temperaturniveau auf Kompressor/Verdichter: verdichtet unter Einsatz elektrischer Energie das Kältemittel und bringt es damit auf höhere Temperatur Kondensator/Verflüssiger: gibt Wärme an Umgebung/Nutzung ab Drossel/Expansionsventil: entspannt das Arbeitsmedium, wodurch es wieder abkühlt Umgebung Wärme Kondensator Verdampfer Wärme Kühlobjekt Kältemittel

14 Temperatur (log.) Kreisprozess Kompressionskältemaschine flüssig flüssig Nassdampf gemischt Heißdampf gasförmig Enthalpie

15 Drossel Kompressor Temperatur (log.) Kreisprozess Kompressionskältemaschine Umgebung 4 3 flüssig Nassdampf Heißdampf Kondensator 3 4 Umgebung Verdampfer 1 2 Kühlobjekt 1 2 Enthalpie Kühlobjekt

16 Drossel Kompressor Druck (log.) Kreisprozess Kompressionskältemaschine Umgebung Wärmeleistung ሶ Q c 4 3 flüssig Nassdampf Heißdampf Kondensator 4 3 Verdampfer Kälteleistung ሶ Q 0 Enthalpie El. Leistung P el Kühlobjekt

17 Gliederung 1. Einführung 2. Wie funktionieren Kompressionskältemaschinen? 3. Komponenten von Kompressionskältemaschinen 4. Wie funktionieren Sorptionskältemaschinen?

18 Verdampfer Ziel: Dem zu kühlenden Medium Wärme entziehen (und dem Kältemittel zuführen). Direktes vs. indirektes System: Bei indirektem System zur Verdampfung drittes Medium zwischengeschaltet (zwischen zu kühlendes Medium und Kältemittel), z. B. Wasser-Glykol-Gemisch Bauarten: Flüssigkeitskühlung: Rohrbündel-, Plattenwärmeübertrager Luftkühlung (mit/ohne Ventilator) Eisspeicher (Latentwärmespeicher)

19 Verdichter/Kompressor Ziel: Dampfförmiges Kältemittel bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur aus dem Verdampfer absaugen Verdichten und dadurch auf höhere Temperatur und höheren Druck bringen Bauarten: Hubkolbenverdichter Rotationskolbenverdichter: Schrauben-, Scroll-, Turboverdichter usw.

20 Verdichter: Hubkolbenverdichter Funktionsweise wie Fahrradpumpe Bauarten: Antrieb innerhalb oder außerhalb des (mit Kältemittel gefüllten) Gehäuses? offen (selten) halbhermetisch (häufig in der Klimatechnik) vollhermetisch (insb. Kühlmöbel)

21 Verdichter: Rotationsverdichter Vorteile: nur drehende Bewegung, keine Ventile, stufenlose Drehzahlregelung Bauarten: Schraubenverdichter (einrotorig/zweirotorig) Grafik: Wikimedia Commons, user Motorhead, CC BY-SA 2.5.

22 Verdichter: Rotationsverdichter Vorteile: nur drehende Bewegung, keine Ventile, stufenlose Drehzahlregelung Bauarten: Scrollverdichter/Spiralverdichter: eine fixe, eine rotierende Spirale rollen ineinander Grafik: Wikimedia Commons, gemeinfrei

23 Verdichter: Rotationsverdichter Vorteile: nur drehende Bewegung, keine Ventile, stufenlose Drehzahlregelung Bauarten: Turboverdichter: Funktionsprinzip umgekehrte Turbine Grafik: Wikimedia Commons, gemeinfrei

24 Verdichter: Übersicht Bauart Vollhermetische Hubkolbenverdichter Halbhermetische Hubkolbenverdichter Offene Hubkolbenverdichter Kälteleistung von bis 50 kw 300 kw 1 MW Schraubenverdichter 200 kw 1 MW Scrollverdichter < 1 MW Turboverdichter 350 kw 30 MW Absorptionsverdichter (thermisch) 15 kw 6 MW Angaben: SIEMENS; eigene Recherchen.

25 Verflüssiger/Kondensator Ziel: Wärmeentzug der Energie, die bei Verdampfen und Verdichten zugeführt wurde. Wärmesenke: Heizsystem (Wärmepumpe) Wärmerückgewinnung/Abwärmenutzung Umgebungsluft Bauarten entsprechend: Wassergekühlte Verflüssiger, z. B. Rohrbündelwärmeübertrager Luftgekühlte Verflüssiger, z. B. statisch belüftet (wie beim Kühlschrank) oder mit Ventilator (Klimasplitgeräte)

26 Expansionsventil Ziel: Kältemittel auf niedrigeren Druck und niedrigere Temperatur bringen Menge des Kältemittels zum Verdampfer steuern Bauarten: Thermostatisches Expansionsventil Elektronisches Expansionsventil Überhitzung im Verdampfer wird laufend gemessen. Regler sorgt durch Kältemittelmenge für höchstmögliche Verdampfungstemperatur und damit möglichst geringe Überhitzung. Dadurch höhere Leistungszahlen insb. im Teillastbereich.

27 Kältemittelleitungen Dichtigkeit des Systems (hohe Drücke, entweichende Kältemittel) Dämmung der Leitungen

28 Gliederung 1. Einführung 2. Wie funktionieren Kompressionskältemaschinen? 3. Komponenten von Kompressionskältemaschinen 4. Wie funktionieren Sorptionskältemaschinen?

29 Drossel Kompressor Kreisprozess Absorptionskältemaschine Kondensator Kältemittel Verdampfer

30 Drossel Austreiber mit Rektifikation Kreisprozess Absorptionskältemaschine Kondensator thermischer Verdichter Lösungsmittel Kältemittel mit Kältemittel angereichertes Lösungsmittel Verdampfer Absorber

31 Drossel Austreiber mit Rektifikation Kreisprozess Absorptionskältemaschine Kondensator thermischer Verdichter Lösungsmittel Kältemittel mit Kältemittel angereichertes Lösungsmittel Verdampfer Absorber

32 Drossel Austreiber mit Rektifikation Kreisprozess Absorptionskältemaschine Rückkühlen Kondensator Lösungsmittel Heizen Verdampfer Absorber Kältemittel mit Kältemittel angereichertes Lösungsmittel Kühlen Rückkühlen

33 Absorptionskältemaschinen Einsatzbereiche ab 15 kw, bis > 5 MW Lohnen sich (nur), wenn viel ungenutzte Abwärme (> 70 C) zur Verfügung steht. Weitgehend geräuschloser, vibrationsfreier Betrieb Kombination mit Kompressionskälte (für Spitzenlast) möglich Häufigste Arbeitsstoffpaare: Kältemittel Wasser, Lösungsmittel Lithiumbromid (LiBr) (insbesondere für Klimakälte, sehr geringe Drücke) Kältemittel Ammoniak (NH 3 ), Lösungsmittel Wasser (insbesondere für TK-Anwendungen)

34 Adsorptionskältemaschinen Adsorption = Anlagerung an einen Feststoff Weil Feststoff nicht umgewälzt werden kann: diskontinuierlicher Prozess in zwei Phasen: Adsorption & Verdampfung Desorption & Kondensation Damit auch als Kältespeicher geeignet Vorteil: Antriebstemperaturen für Desorption um 60 C Nachteile: Geringe Wärmeverhältnisse (Arbeitszahl), hohe Investitionskosten, hohes Gewicht

35 Philipp Bruck, M. Sc. TARA Ingenieurbüro Bremen Geschäftsführung: Dr.-Ing. Anne Schierenbeck Parkstraße 10, Bremen Tel