Grundlagen und Kälteanwendungen

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1 Grundlagen und Kälteanwendungen 1. Kühlmethoden 2. Kreislauf Kältemaschine 3. Energiefluss durch Kälteanlage 4. Referenzgrössen, Wirkungsgrad 5. Kälteanwendungen 6. Zusammenfassung Rolf Gloor Dipl.Ing.ETH, NDU HSG Gloor Engineering CH 7434 Sufers Sufers (Graubünden) GLOOR ENGINEERING, CH-7434 SUFERS 11. April 2017, Folie 1

2 Verschiedene Kühlmethoden Prinzip Verfahren Bemerkungen Umgebungsluft im Sommer bis 35 C Fremdkühlung Grundwasser, Seewasser Bewilligung erforderlich Erdwärme etwa 10 bis 15 C Lokales Kältenetz Freie Verdunstung feuchte Luft Verdampfung Kältekompressor Sorbtionstechnik bei viel Abwärme Linde-Verfahren (Joule-Thomson) für Tieftemperatur Expansion Stirlingmotor bis 10 kw Druckluftkühlung bis 2 kw, dt 40 K Spezielle Effekte Peltierelement bis 100 W, dt 20 K Magnetokalorische Effekt in Entwicklung GLOOR ENGINEERING, CH-7434 SUFERS 11. April 2017, Folie 2

3 Kreislauf Kältemaschine p [bar] 40 C 0 C 40 C 80 C 120 C 30 Flüssigkeit Gas 10 Verflüssiger (Kondensator) 3 Expansionsorgan Verdichter 1 Verdampfer (Kühler) 0.3 Dampf h [kj/kg] Sufers (Graubünden) GLOOR ENGINEERING, CH-7434 SUFERS 11. April 2017, Folie 3

4 Kälteanlage mit mehreren Kreisläufen Einfache Anlage Komplizierte Anlage Abwärme- Abfuhr Rückkühler Wärmeträgerpumpe Abwärmenutzung Verflüssiger Verflüssiger Kälte- Erzeugung Expansionsorgan Verdichter Expansionsorgan Verdichter Verdampfer Verdampfer Kälteträgerpumpe Kälte-Bedarf Kälteabgabe GLOOR ENGINEERING, CH-7434 SUFERS 11. April 2017, Folie 4

5 Wärmetauscher Temperaturdifferenz Kühltemperatur von 7 C Kühltemperatur von -18 C 500% 100% Temperaturdifferenz je 10 K Temperaturdifferenz je 10 K 450% Temperaturdifferenz je 5 K 90% Temperaturdifferenz je 5 K 400% Temperaturdifferenz je 2 K 80% Temperaturdifferenz je 2 K 350% 70% Verlustleistung 300% 250% 200% Verlustleistung 60% 50% 40% 150% 30% 100% 20% 50% 10% 0% Umgebungstemperatur in C 0% Umgebungstemperatur in C GLOOR ENGINEERING, CH-7434 SUFERS 11. April 2017, Folie 5

6 Energiefluss durch eine Kälteanlage 100 kw Leistungsaufnahme 50 kw 10 kw Rückkühler 4 kw 10 kw Pumpe Kältenetz 4 kw 5 kw Verluste Verdichtermotor 2 kw 75 kw Verdichter-Abwärme 40 kw Kältemaschine Kältemaschine 100 kw Kälte-Abwärme 70 kw 20 kw Verteilverluste 10 kw 30 kw Transmissionsverluste 10 kw 50 kw Genutzte Kühlleistung 50 kw GLOOR ENGINEERING, CH-7434 SUFERS 11. April 2017, Folie 6

7 Referenzgrösse für Kühlleistung ε = EER = T Kühltemperatur T Umgebungstemperatur - T Kühltemperatur Kühlleistung = Aufnahmeleistung Theoretische Leistung für 1 kw Kälte Kelvin 350 K 300 K 250 K 200 K 150 K 100 K 50 K Celsius 100 C 0 C C C Aufnahmeleistung [W] Umgebungstemperatur 10 C 20 C 30 C 0 K C 0-25 C -20 C -15 C -10 C -5 C 0 C 5 C 10 C 15 C Kühltemperatur GLOOR ENGINEERING, CH-7434 SUFERS 11. April 2017, Folie 7

8 Wirkungsgrad Kaltwassersätze 7 Vergleich wassergekühlen Kälteanlagen (30/35 C und 12/7 C) 6 5 Kältezahl Kälteleistung in kw Die theoretisch maximale Kältezahl liegt bei (273 K + 7 K) / (35 K 7 K) = 10 Quelle: Eurovent, Datenbank mit 1294 Kaltwassersätzen GLOOR ENGINEERING, CH-7434 SUFERS 11. April 2017, Folie 8

9 Kühlräume Q(T U - T K ) Bereich Kühltemperatur Raumgestaltung Raumumgebung Wärmedämmung Lüftungsverluste Zugänge Innere Lasten Luftzirkulation Massnahmen Aufzeichnen dem Bedarf anpassen minimale Oberfläche (Kugelform) Unterteilung in abtrennbare Zonen für Teilabschaltung Kühlraum neben kühlen Räumen, Erdreich, Nordfassade Kühlräume nebeneinander, nicht verteilt im Gebäude kühle Vorzone beim Eingang U-Wert 0.15 W/m²K oder Wärmefluss 5 W/m² (EN-6 der EnFK) vermeiden von Wärmebrücken, wärmereflektierende Fenster Türdichtungen, Türen verkleinern Siphon überprüfen automatische Türen, Luftschleier, LKW-Isolier-Andockstelle warme Güter zuvor auf Raumtemperatur abkühlen effiziente Beleuchtung, Präsenzmelder für Sektoren effiziente Lüfter (Ventilatoren mit EC-Motoren) überwachtes Abtauen optimale Befüllung des Kühlraums für gute Luftzirkulation GLOOR ENGINEERING, CH-7434 SUFERS 11. April 2017, Folie 9

10 Abkühlung von Produkten Q(dm/dt) Bereich Kühltemperatur Vorkühlung Kältenutzung Produktebehälter Raum Wärmedämmung Lüftungsverluste Ein- und Ausgänge Innere Lasten Luftzirkulation Massnahmen dem Bedarf anpassen warme Produkte zuvor auf Raumtemperatur abkühlen Beim Wiedererwärmen von Produkten Kälterückgewinnung Behälter mit geringer thermischer Masse Benutzte Behälter gekühlt wieder verwenden (wenn möglich) Minimale Oberfläche Vermeiden von hohen Umgebungstemperaturen (Zusatzdämmung) U-Wert 0.15 W/m²K, Vermeiden von Wärmebrücken wärmereflektierende Oberflächen und Fenster Türdichtungen, Serviceöffnungen, Materialöffnungen Automatische Türen, Luftschleier Effiziente Beleuchtung, Betrieb nur wenn erforderlich Effiziente Lüfter (Ventilatoren mit EC-Motoren) Effiziente Förderanlagen (geringe Reibung) überwachtes Abtauen Optimale Luftführung auf zu kühlende Objekte GLOOR ENGINEERING, CH-7434 SUFERS 11. April 2017, Folie 10

11 Beispiel Serverraum GLOOR ENGINEERING, CH-7434 SUFERS 11. April 2017, Folie 11

12 Energieeffiziente Kälteanlagen 1. Stromverbrauch erfassen Alle Anlagenteile einbeziehen, Betriebsstunden, Stromzähler, Lastgang 2. Kälteanwendungen erfassen Kühltemperatur und Kältebedarf, Vergleich mit Stromverbrauch 3. Einstellungen optimieren Kühltemperatur, Druckverlust, Temperaturverlust, Abwärmenutzung 4. Anlagenteile optimieren Kühlraum, Verdichter, Motoren, Expansionsorgane, Wärmetauscher, Leitungen, Pumpen, Ventilatoren, Sensoren, Steuerung 5. Anlage gut betreiben Wartung, Schulung, Überwachung Anlagenzustand, Input und Output GLOOR ENGINEERING, CH-7434 SUFERS 11. April 2017, Folie 12