Elektronische Einspritzventile AKV(A) für Luftkühler mit Kältemittel CO 2 im überfluteten Betrieb

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1 MAKING MODERN LIVING POSSIBLE Elektronische Einspritzventile AKV(A) für Luftkühler mit Kältemittel CO 2 im überfluteten Betrieb REFRIGERATION & air CONDITIONING DIVISION Anwendungsbroschüre

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3 Inhalt Seite Traditionelle Direktverdampfungssysteme Flüssigkeitseinspritzung bei Verdampfern in überfluteten Systemen (Pumpensystemen) Traditionelle Einspritzventile Pulsbreitenmodulierte AKV(A) Einspritzventile für Luftkühler mit CO 2 als Kältemittel im überfluteten Betrieb Auswahl eines AKV(A) Ventils für überfluteten Betrieb Pumpensysteme mit ICF Ventilstation Danfoss A/S (RA Marketing), Mai 2010 DKRCI.PA.000.F1.03 / 520H4361 3

4 Traditionelle Direktverdampfungssysteme Flüssigkeitseinspritzung bei Verdampfern in Trockenexpansions-Systemen (TE): In einer Kälteanlage mit Direktverdampfung werden die Verdampfer an die trockene Saugleitung des Verdichters angeschlossen. In die Verdampfer wird über thermostatische oder elektronische Expansionsventil Flüssigkeit unter hohem Druck eingespritzt. Ein Expansionsventil hat zwei Hauptfunktionen: Versorgt den Verdampfer mit der größtmöglichen Menge an Flüssigkeit. Wird die gesamte Fläche des Verdampfers beaufschlagt, steigt die Effizienz des Verdampfers. Überprüft die Überhitzung am Verdampferausgang, um die Einspritzung einer zu großen Menge an Flüssigkeit zu verhindern. Denn wenn zuviel Flüssigkeit eingespritzt wurde und dann nicht mehr verdampfen kann, besteht die Gefahr von Flüssigkeitsschlägen im Verdichter. Ein Expansionsventil kann die Überhitzung über einen breiten Leistungsbereich regeln. Elektronische Expansionsventile passen die Menge an flüssigem Kältemittel automatisch an die jeweilige Verdampferlast an. So werden die Verdampfer grundsätzlich mit der richtigen Menge an flüssigem Kältemittel versorgt. Elektronische Expansionsventile von Danfoss gibt es in folgenden Varianten: Ventile mit Schrittmotor und stetiger Öffnung wie ETS, ICM und Danfoss Saginomiya Versionen. Ventile mit Pulsbreitenmodulation und Ein/ Aus Betrieb, wobei das Ventil während einer Periodenzeit (z.b. 6 Sek.) einmal öffnet und einmal schließt und damit die Überhitzung kontrolliert. Beispiele hierfür sind die AKV Ventile für fluorierte Kältemittel und CO 2 sowie die AKVA Ventile für CO 2 und NH 3. Flüssigkeitseinspritzung bei Verdampfern in überfluteten Systemen (Pumpensystemen) Der Vorteil von überflutetem Betrieb besteht in der erhöhten Effizienz der Kühler durch die bessere Nutzung der Verdampferfläche und den besseren Wärmeübergang (höherer Wärmeübergangskoeffizient). Außerdem lassen sich überflutete Systeme relativ einfach regeln. Die eingespritzte Flüssigkeit wird bei korrekter Temperatur vom Abscheider zu den Verdampfern gepumpt. Wird Flüssigkeit benötigt, öffnet sich ein Magnetventil vor dem Verdampfer. Um die erforderliche Fließrate einzustellen und das System hydraulisch auszubalancieren, wird normalerweise ein Handdrosselventil hinter dem Magnetventil installiert. Option 1 AKVA From liquid separator SVA FIA EVRA REG SVA Option 2 Evaporator SVA To liquid separator 4 DKRCI.PA.000.F1.03 / 520H4361 Danfoss A/S (RA Marketing), Mai 2010

5 Traditionelle Einspritzventile In einem traditionellen, überfluteten System wird die Flüssigkeitseinspritzung über einen Thermostaten geregelt, der die Lufttemperatur konstant misst. Das Magnetventil öffnet sich solange bis die Lufttemperatur den eingestellten Sollwert erreicht hat. Während der Einspritzung bleibt der Massenstrom des Kältemittels konstant. Dies ist eine sehr einfache Art, die Lufttemperatur zu regeln. Allerdings können durch das Hysterese des Thermostaten verursachte Temperaturschwankungen zu ungewollten Nebeneffekten führen wie z.b. Austrocknung des Kühlguts oder unpräzise Regelung. Die Leistung eines Luftkühlers Die Leistung eines Luftkühlers wird wie folgt gemessen: Kältemittelseite: Q Kühler = Massenstrom * Δh (1) Massenstrom [kg/s verdampfte Flüssigkeit] Δh [kj/k] Kältemittel / Luftseite: Q Kühler = k *A * ΔT (2) k [W/(m 2 * K]: Gesamter Wärmeübergangskoeffizient (abhängig vom Wärmeübergangskoeffizienten von Luft und Kältemittel, der wiederum vom Luft/Kältemittelstrom abhängt) und Wärmeleitfähigkeit der im Kühler eingesetzten Materialien. A [m 2 ]: ΔT [K]: Kühlerfläche Unterschied zwischen Verdampfungsund Lufttemperatur ein aus Pulsbreitenmodulierte AKV(A) Einspritzventile für Luftkühler mit CO 2 als Kältemittel im überfluteten Betrieb Anstelle periodischer Einspritzung, wie oben beschrieben, kann die Flüssigkeitseinspritzung über ein AKV(A) pulsbreitenmoduliertes Ventil auch konstant an den tatsächlichen Bedarf angepasst werden. AKV Öffnungsgrad % Die Lufttemperatur wird ständig gemessen und mit der Referenztemperatur verglichen. Wenn die Lufttemperatur den eingestellten Sollwert erreicht hat, wird die Öffnung des AKV(A) Ventils reduziert, so dass die Leistung während einer Periodenzeit sinkt und umgekehrt. Die Dauer einer Periodenzeit liegt im Normalfall 6 Sekunden und kann bei Bedarf auf bis zu 3 Sekunden reduziert werden. AKV ein AKV aus Periodenzeit Periodenzeit Zeit Bei überflutetem Betrieb bedeutet dies, dass der durchschnittliche Kältemittelfluss ständig geregelt und an den Bedarf angepasst wird. Daraus folgt, dass mehr Kältemittel verdampft, was zu einer gewissen Menge an überhitztem Gas im Luftkühler führt. Dies wiederum resultiert in einer höheren durchschnittlichen Oberflächentemperatur des Kühlers und damit einem geringeren ΔT zwischen Kältemittel und Luft. ein MTR Ref aus Aus Gleichung 1 und 2 ergibt sich, dass weniger Einspritzung zu folgenden Ergebnissen führt: Sinkendes ΔT (Verdampfungstemperatur nähert sich der Umgebungstemperatur an) Sinkender k Wert Sinkende Wärmeübergangsfläche am Luftkühler (weniger Oberfläche im "Nassbetrieb") Dies alles führt zu einer geringeren Leistung des Kühlers. Danfoss A/S (RA Marketing), Mai 2010 DKRCI.PA.000.F1.03 / 520H4361 5

6 Pulsbreitenmodulierte AKV(A) Einspritzventile für Luftkühler mit CO 2 als Kältemittel im überfluteten Betrieb (Fortsetzung) Diese Art der Flüssigkeitseinspritzung in einem überfluteten System ermöglicht höchste Flexibilität. Die Menge der eingespritzten Flüssigkeit kann genau geregelt werden, was zu effizienterem und präziserem Betrieb des Systems führt. Typische Anwendungen sind Kühlhäuser für Obst und Gemüse, wo Anpassungen an den aktuellen Bedarf häufig erforderlich sind. Für einen Kühlzyklus (AKV Ventil durchgängig geöffnet) wird wesentlich mehr Leistung benötigt als für einen Lagerzyklus (AKV Ventile im Pulsbreitenmodulations-Modus). Außerdem werden diese Kühlhäuser oft für verschiedene Mengen und Arten von Obst und Gemüse verwendet, so dass Lastanpassung zwingend erforderlich ist. Auswahl eines AKV(A) Ventils für überfluteten Betrieb Bei der Auswahl eines Ventils für ein überflutetes System müssen wir die maximal erforderliche Kühlerleistung und damit den maximalen Umwälzfaktor kennen mit anderen Worten, die maximale Menge an einzuspritzender Flüssigkeit. Außerdem müssen wir den Nettodruckabfall über das AKV(A) Ventil definieren. Die Auswahl kann ganz einfach über das Programm DIRcalc erfolgen. Bitten beachten Sie, dass der gesamte erforderliche Pumpendruck von verschiedenen Faktoren abhängt, wie zum Beispiel dem Druckabfall im System (Verteiler / Düsen der Luftkühler, Komponenten, Leitungen, Bögen, statische Höhe usw.). Der minimal für den korrekten Betrieb eines AKV(A) benötigte Druckabfall liegt in einem überfluteten System bei 1 bar. Falls genug Pumpendruck zur Verfügung steht, kann der Druckabfall auch höher gewählt werden. Beispiel: Kältemittel: CO 2 N = 1.5 T o = 8 C Verfügbarer Druckabfall über dem Ventil: 1 bar Kälteleistung: 30 kw DIRcalc Ergebnis: AKVA 15-4 (kv = 1 m³/h), 30 kw bei einem Umwälzfaktor von 1,5 und einem Druckabfall im Ventil von 1 bar. Wenn mehr Leistung benötigt wird, sollte ein größeres Ventil oder ein höherer Druckabfall im Ventil zur Verfügung gestellt werden. Bitte beachten Sie, dass alle AKVA Versionen mit 42 bar (Überdruck) zur Verfügung stehen, während dies bei AKV Modellen nur bei der AKV10 Reihe und bei AKV15-1,2,3 der Fall ist. 6 DKRCI.PA.000.F1.03 / 520H4361 Danfoss A/S (RA Marketing), Mai 2010

7 Pumpensysteme mit ICF Ventilstation Das Beispiel auf Seite 6 bezieht sich auf ein Standard AKVA Ventil. Eine multi-modulare ICF Station kann ebenfalls in dieser Anwendung einsetzt werden. Werden Kühler mit CO 2 als Kältemittel abgetaut, sollte ein Rückschlagventil am ICF ergänzt werden. CO 2 CVP-XP ICS CO 2 condensed liquid CO 2 wet return CO 2 pumped liquid ICM ICF special CO 2 hot gas Besondere Sorgfalt ist bei dem Magnetventil in der nassen Saugleitung geboten. Eine typische Abtautemperatur liegt bei 9-10 C, das heißt der Druck über dem Magnetventil liegt bei bar (a). Abhängig von dem Druck im Abscheider könnte die maximale Betriebsdruckdifferenz (MOPD) dieses Ventils nicht ausreichen, so dass es nicht öffnen kann. Daher empfiehlt es sich, ein kleines Bypassventil wie z.b. EVRST (50 bar Überdruck) einzusetzen, um zunächst den Druck auszugleichen, bevor sich das Hauptventil öffnet. Die MOPD der ICM Station ist 52 bar, also immer in der Lage zu öffnen, auch wenn sich der Abscheiderdruck in der Nähe des Tripelpunkts von 5,2 bar (a) befindet. Beim Einsatz eines ICM besteht der Vorteil darin, dass der Abtaudruck durch die langsame Öffnung des Ventils ausgeglichen werden kann. Eine kosteneffiziente Art hierfür ist der Betrieb des ICM im An/Aus Modus und die Auswahl einer sehr geringen Öffnungs-/Schließgeschwindigkeit (Parameter "i04"), oder aber im Moduliermodus, so dass Geschwindigkeit und Öffnung komplett über eine übergeordnete Regelung gemanagt werden kann. Danfoss A/S (RA Marketing), Mai 2010 DKRCI.PA.000.F1.03 / 520H4361 7

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