Prozess-Kälteanlagen [ Q & 0. = Kälteleistung, P = elektrische Leistungsaufnahme] Seite 1

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1 Prozess-Kälteanlagen 1. Kälteprozess Bei der Erzeugung von Kälte ist ein thermodynamischer Kreislaufprozess notwendig. Es wird einem Stoff/Körper Wärme entzogen und diese Wärme muss einem anderen Stoff/Körper wieder zugeführt werden. Zur Realisierung eines derartigen thermodynamischen Kreisprozesses gibt es verschiedene Verfahren, die auf unterschiedlichen physikalischen Vorgängen beruhen. Die Gebräuchlichsten sind: - Kompressionskälteprozess, unter Zufuhr mechanischer Energie o Kaltdampfkälteprozess mit Kältemitteln, bei denen verschiedene Arbeitstemperaturen den Aggregatzustand zwischen Dampf- und Flüssigkeitsphase ändern o Kaltluftkälteprozess mit Luft als Kältemittel, ohne Aggregatzustandsänderung o Dampfstrahlkälteprozess beispielsweise mit Wasserdampf als Treibmittel und Wasser als Kältemittel - Sorptionskälteprozess, unter Zufuhr von Wärme-Energie o Absorptionskälteprozess, wo das Kältemittel in einem Lösemittelkreislauf von niedrigem auf hohes Temperaturniveau gehoben und durch Wärmezufuhr wieder für den Kälteprozess freigesetzt wird. o Adsorptionskälteprozess, wo das Kältemittel an einen festen Stoff angelagert und periodisch durch Wärmezufuhr wieder freigesetzt wird. Durch zwei parallel und wechselweise betriebene Anlagen wird ein stetiger Kühlprozess erreicht. In der Prozess-Kältetechnik kommen überwiegend Anlagen nach dem Kaltdampf- Kompressionskälteprozess zum Einsatz. In einigen speziellen Anwendungsfällen wird auch der Absorptionskälteprozess eingesetzt. 2. Kaltdampf-Kompressionskälteprozess Ein mit entscheidendes Kriterium für die Wirtschaftlichkeit von Kompressionskälteanlagen ist die Leistungszahl ε (Epsilon), die sich wie folgt zusammensetzt: Q& ε = 0 [ Q & 0 = Kälteleistung, P = elektrische Leistungsaufnahme] P Von vielen Herstellern werden heute statt der Leistungszahl COP-Werte (coefficient of performance) angegeben, diese stellen inhaltlich das Gleiche dar. Seite 1

2 Daher sollten die Kriterien für eine effiziente Kälteanlage bei einer hohen Kälteleistung mit einer geringer elektrischen Leistungsaufnahme liegen. Die Effizienz von Kompressionskälteanlagen hängt im Wesentlichen von folgenden Faktoren ab: - Verdampfungs- und Kondensationstemperatur - Anlagenkomponenten - Wärmerückgewinnung Verdampfungs- und Kondensationstemperatur Das größte Einsparpotenzial bei Kälteanlagen 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 überwunden werden muss, und somit der Energieaufwand für den Betrieb der Anlage. Für eine um 1 C höhere Verdampfungstemperatur wird der Energieaufwand am Verdichter um etwa 4 Prozent gesenkt. Bei einer konstanten Kühlleistung muss bei der Erhöhung der Verdampfungstemperatur der Luftdurchsatz an den Verdampfern erhöht werden. Was durch höhere Luftgeschwindigkeiten, die auch wiederum einen erhöhten Energieaufwand bedeuten oder durch größere Tauscherflächen, die wiederum mit höheren 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 1 C eine Reduzierung des Verdichterenergiebedarfs u m ca. 3 Prozent. Bei Einsatz von luftgekühlten Verflüssigern ist die Kondensationstemperatur von der Außentemperatur abhängig. Speziell in den Sommermonaten bei hohen Außentemperaturen - wo die größte Kühlleistung benötigt wird - ist die Kondensationstemperatur sehr hoch, was einen hohen Energieverbrauch nach sich zieht. Werden Verflüssiger ohne Leistungsreserven auf die genormte Außentemperatur von 32 C ausgelegt, kann e s bei höheren Außentemperaturen - wie sie in der letzten Zeit oft auftraten - zu einer Verminderung der Kälteleistung kommen. Anlagenkomponenten Verdichter Durch die richtige Wahl des Verdichtertyps unter Berücksichtigung der Kälteleistungszahl und des Teillastverhaltens kann viel Energie eingespart werden. Wird die Kältelast nur zu Spitzenzeiten voll gefordert, können durch das Einbeziehen eines Kältespeichers Seite 2

3 Leistungsspitzen vermindert und somit Kosten eingespart werden. Ein Eisspeicher erfordert zwar bei der Ladung einen höheren Energieaufwand (ca. 25 Prozent). Dieses kann allerdings zu Schwachlastzeiten erfolgen. Bild 1: Schaltung der wichtigsten Bauteile einer Kompressionskälteanlage, rechts mit innerem Wärmeübertrager (Economiser) Verflüssiger Speziell bei luftgekühlten Verflüssigern ist der Verflüssigungsdruck von der Außentemperatur abhängig. Luftgekühlte Verflüssiger sollten grundsätzlich im Außenbereich an den Nordseiten der Gebäude oder auf dem Dach installiert sein, um den Verflüssigungsdruck niedrig zu halten. Allerdings muss wiederum bei sehr geringen Außentemperaturen der Verflüssigungsdruck über einen Heißgas-Bypass künstlich hochgehalten werden, da speziell das Expansionsventil, aber auch der Verdichter einen Mindestdruck für den sicheren Betrieb benötigt. Daher sollte grundsätzlich eine Verflüssigungsdruckreglung eingesetzt werden. Gründe für eine Verflüssigungsdruckreglung: - Energieeinsparungen bis zu 20 Prozent - stabile und gute Kälteleistungen über längere Zeiträume - konstantes Regelverhalten - bessere Betriebsbedingungen der Verdichter Die Verflüssigungsdruckreglung wird durch eine Lüfterdrehzahlreglung realisiert. Steigt der Druck an, wird die Drehzahl erhöht, somit auch die Kühlleistung und der Druck sinkt wieder. Seite 3

4 Lüfterdrehzahlreglungen können durch Spannungsregler (Phasenanschnitt), Frequenzumformer und Ventilatoren mit EC-Technik realisiert werden. Rückkühlung Auch die Wahl des Kühlmediums Luft oder Wasser beeinflusst den Energiebedarf. Die Luftkühlung erfordert gegenüber Rückkühlwerken oder Brunnenwasserkühlung bei gleicher Spitzenlast-Kälteleistung größere Verdichter und einen höheren Energieverbrauch der Verdichter. Bei wassergekühlten Verflüssigern wird beispielsweise über einen Rohrbündel- Verflüssiger, bei kleineren Anlagen werden oft Koaxial-Verflüssiger verwendet, die Kondensationswärme an ein Wasserkreislaufsystem übertragen. Das Wasser wird in der Regel durch offene oder geschlossene Verdunstungskühler rückgekühlt. Für die Rückkühltemperatur ist die Feuchtkugeltemperatur ausschlaggebend, welche in Westdeutschland in den Sommermonaten mit 21 C angeg eben wird und eine Abkühlung des Wassers bis auf 25 C ermöglicht. Übliche Auslegungsdaten für den Sommer - Wasserkühlung: Wasser aus Rückkühlwerk, Erwärmung von 27 C auf 32 C, Kondensationstemperatur ca. 37 C - Luftkühlung: Außenluft, Erwärmung von 32 C auf 42 C, Kondensationstemperatur ca. 50 C Für Kälteanlagen werden auch sogenannte Economiser angeboten, bei denen es zwar zu einer geringfügigen Erhöhung der Leistungsaufnahme kommt, aber zu einer deutlichen Verbesserung der Kälteleistung. Werden beide Optimierungspotenziale ausgenutzt, Economiser und wassergekühlter Verflüssiger, ist eine Verminderung der elektrischen Leistungsaufnahme um ca. 10 Prozent und eine Erhöhung der Kälteleistung um ca. 30 Prozent möglich. Was eine Verbesserung der Leistungszahl ergibt. Geht man davon aus, dass eine Erhöhung der Kälteleistung nicht notwendig ist, kann bei der Verdichterauswahl auf kleinere Leistungsklassen zurückgegriffen werden, was die Investitionskosten verringert und natürlich auch die Leistungsaufnahme. Kältemittel Als Kältemittel werden größtenteils chemische Kältemittel aus der Gruppe der H-FKW, wie R 134a oder R 507, sowie natürliche Kältemittel, wie Ammoniak, eingesetzt. Bei der Wahl des Kältemittels sind verschiedene Kriterien zu beachten: - Umweltverträglichkeit - Investitions- und Betriebskosten Seite 4

5 Bei der Umweltverträglichkeit werden speziell die ODP- und GWP-Werte betrachtet. Der ODP-Wert (ozon depletion potential) stellt das Ozonabbaupotential dar. Dieser Wert ist bei den natürlichen Kältemitteln und den H-FKW Kältemitteln gleich Null. In Deutschland ist das Kältemittel R 22, welches ein ODP von 0,055 hat und zu den teilhalogenierten Fluorchlorkohlenwasserstoffen (H-FCKW) gehört, immer noch das am meisten verwendete Kältemittel. R 22 hat somit in Deutschland einen bedeutenden Anteil an den Gesamtemissionen der die Ozonschicht schädigenden Stoffe. Die heute in Kälteanlagen vorhandene Menge R 22 wird auf etwa Tonnen geschätzt, aus der sich jährliche Emissionen von etwa 2600 Tonnen (entspricht rund 140 Tonnen ODP) ableiten lassen. Aufgrund der am 01. Oktober 2000 in Kraft getretenen Verordnung (EG) Nr. 2037/2000 wird die vermarktete Menge an R 22 bis zum Jahr 2010 auf Null zurückgeführt. Die Verwendung von R 22 zur Wartung und zum Betrieb bestehender Kälte- und Klimaanlagen bleibt noch bis 31. Dezember 2014 erlaubt. Für Frischware ist der Einsatz bis 31. Dezember 2009 begrenzt, d.h. ab 2010 bis Ende 2014 darf in der EU nur noch recyceltes R22 eingesetzt werden, was zu einer Verknappung und auch Verteuerung des Kältemittels führen wird. Daher sollten Anlagen mit R22 aus Umweltgesichtspunkten und auch vor dem Hintergrund steigender Wartungskosten umgerüstet werden. Anders sieht es bei den GWP-Werten (global warming potential) aus. Dieser Begriff dient der Beurteilung des Treibhauseffektes, der von den Stoffen ausgeht, wenn sie in die Atmosphäre gelangen. Bei natürlichen Kältemitteln ist dieser Wert ebenfalls Null. Alle halogenierten Kältemittel, einschließlich der chlorfreien H-FKW, zählen zur Kategorie der Treibhausgase. Im Vergleich zu CO 2 dem in der Atmosphäre (neben Wasserstoff) überwiegenden Treibhausgas sind die Auswirkungen allerdings beträchtlich höher. So ist z.b. die Emission von 1 kg R134a (Zeithorizont 100 Jahre) etwa gleichzusetzen mit kg CO 2 (GWP ). Bei einem Kältesystem gibt es ein direktes und ein indirektes Treibhauspotential durch Kältemittel-Emission. Zur qualifizierten Beurteilung eines Systems wurde daher eine Berechnungsmethode entwickelt, mit der die gesamte Auswirkung auf den Treibhauseffekt bewertet werden kann. Dazu dient der sog. TEWI-Kennwert (Total Equivalent Warming Impact), dessen Ergebnis jedoch wesentlich von der CO 2 -Emission des zur Energieerzeugung bzw. Antriebes eingesetzten Verfahrens abhängig ist. Bild 2 zeigt eine übliche Formel zur Berechnung des TEWI-Kennwertes, in der die jeweiligen Einflussbereiche entsprechend unterteilt sind. Vor dem Hintergrund der Zielumsetzung zur Minderung des Treibhauseffektes gibt es die Empfehlung des Umweltbundesamtes, wo es technisch möglich ist, sollte auf den Einsatz Seite 5

6 von H-FKW Kältemitteln verzichtet werden und entsprechende natürliche Ersatzkältemittel, wie Ammoniak, Wasser oder CO 2 eingesetzt werden. Bild 1: Berechnungsmethode für TEWI-Kennwerte 1 Die Aussage, dass die Investitionskosten für Anlagen mit Ammoniak höher liegen als bei Anlagen mit H-FKW wird derzeit in der Fachwelt sehr kontrovers diskutiert. Bei Großanlagen kann davon ausgegangen werden, dass keine höhere Investitionskosten entstehen, wogegen bei Kleinanlagen evtl. ein Mehrkostenaufwand auftreten kann. Diese Mehrkosten können aber durch die günstigeren Betriebskosten in einem relativ nahen Zeitraum wieder aufgefangen werden. Mit als ein Kriterium für die Betriebskosten gilt die volumetrische Kälteleistung, die darstellt, wie viel Kälteleistung mit einem m 3 Kältemittel theoretisch möglich ist. Umso größer dieser Wert ist, umso weniger Kältemittel muss für eine bestimmte Kälteleistung gefördert werden, was die Leistungsaufnahme des Verdichters ist verringert. Die vol. Kälteleistung beträgt bei R 134a kj/m 3, bei R kj/m 3 und bei Ammoniak kj/m 3 bezogen auf eine Verdampfungstemperatur von 0 C un d einer Kondensationstemperatur von 40 C. Diese Werte sind aber nicht allein ausschlaggebend für die Betriebskosten einer Kälteanlage. So verändern sich die stofflichen Eigenschaften der verschiedenen Kältemittel unter bestimmten Druck- und Temperaturverhältnissen, sodass für jedes Kältemittel günstigere oder weniger günstigere Einsatzbereiche entstehen. 1 Bitzer Kältemittel-Report 13. Auflage Seite 6

7 Wärmerückgewinnung Bei Kälteanlagen stehen zwei Temperaturniveaus für die Wärmerückgewinnung zur Verfügung. Das aus dem Verdichter austretende Kältemittel kann je nach Auslegung der Anlagenkomponenten hohe Temperaturen ausweisen. Dieses Temperaturniveau liegt je nach Verdichtertyp zwischen 70 und 120 C und ist zu r Warmwassererzeugung gut geeignet. Die Temperatur dieser sensiblen Wärme fällt zwar bei der Wärmeübertragung schnell ab, dennoch lassen sich mittlere Warmwassertemperaturen von 60 C erzielen. Wenn moderne Schraubenverdichter eingesetzt sind, kann zusätzlich noch die Abwärme des Ölkühlers genutzt werden. Hierbei muss allerdings beachtet werden, wenn eine Wärmeabnahme nicht gewährleistet ist, muss der Ölkühler weiterhin beispielsweise über eine zuschaltbare Wasserkühlung gekühlt werden. Die eigentliche Kondensation erfolgt in der Regel über den Luftkondensator bzw. wassergekühlten Kondensator. Als Alternative zur ungenutzten Wärmeabgabe an die Umgebung kann auch die vollständige Einkopplung der Kondensationswärme zur Vorerwärmung des Brauchwassers erwogen werden. Allerdings dürfte das zu erreichende Temperaturniveau je nach Höhe der Verflüssigungstemperatur nur zwischen 30 und 40 C liegen. Bei dem höheren Temperaturniveau (Heißgas) stehen ca. 20 Prozent des Abwärmepotenzials zur Verfügung. Der Rest kann nur mit dem niedrigen Niveau genutzt werden. Bild 2: stufenweise Wassererwärmung 2 Bild 3: Kälteanlage mit Abwärmenutzung zur Warmwasserbereitung 2 Seite 7

8 Durch eine Kombination von zwei Wärmetauschern (Bild 2), die das hohe und niedrige Temperaturniveau nutzen, sowie durch eine Erhöhung der Verflüssigungstemperatur der Kälteanlage ist eine Wärmerückgewinnung bis zu 50 Prozent auch für Temperaturbereiche oberhalb von 50 C möglich. Es sollte aber weiterhin, wie im Bild 3 dargestellt, ein luftgekühlter Verflüssiger (V2) im System integriert sein, der für den Fall, dass eine Wärmeabgabe an die Wassersysteme nicht erfolgt, eine Notkühlfunktion übernimmt. 3. Absorptionskälteanlagen Durch Absorptionskälteanlagen kann Wärme in Kälte umgewandelt werden. Dadurch besteht die Möglichkeit, Abwärme zum Antrieb eines Kälteprozesses zu verwenden. Bei der Absorptionskältetechnik handelt es sich um ein sehr altes Kälteverfahren. Es wurde Anfang der zweiten Hälfte des vorletzten Jahrhunderts in Frankreich entwickelt und war für mehrere Jahrzehnte fast das einzige brauchbare Verfahren zur Erzeugung von industrieller Kälte, bis es durch die Entwicklung der elektrisch angetriebenen Kompressionskältemaschine abgelöst wurde. Durch die Einführung der Halogen- und Sicherheitskältemittel wurde die Absorptionstechnik noch weiter in den Hintergrund gedrängt. Aufgrund technischer Weiterentwicklung und den Restriktionen gegenüber vielen bekannten chemischen Kältemitteln gewinnt die Absorptionstechnik heute speziell in der Kraft-Wärme- Kälte-Kopplung und der Abwärmenutzung wieder mehr an Bedeutung. Im Gegensatz zur konventionellen Kälteerzeugung mit Kompressionskältemaschinen bieten Absorptionskälteanlagen wesentliche Vorteile: - Einsatz von umweltschonenden Kältemitteln - Antrieb durch Abwärme - keine drehenden oder bewegte Teile - geringer Wartungsaufwand - hohe Lebensdauer - geringe Schall- und Körperschallemissionen - stufenlose Regelbarkeit bis auf ca. 10 % Last ohne wesentliche Verluste - geringer elektrischer Eigenbedarf Das System besteht aus einem Kältemittel- und einem Lösungsmittelkreislauf, der sich jeweils aus einer Kette von Wärmetauschern, einem Abscheider, einem Drosselventil, 2 KI Luft- und Kältetechnik 2/2004, S.64/65, Artikel Abwärmenutzung einer Kälteanlage zur Warmwasserbereitung Teil 1/3, Autor Miroslav Petrák Seite 8

9 Armaturen und Rohrleitungen zusammensetzt. Die beiden Kreisläufe sind im Austreiber und Absorber miteinander gekoppelt. Bild 4: Fließbild (links) und anschauliche Darstellung (rechts) einer Absorptions-Kälteanlage Absorptionskälteanlagen werden heute hauptsächlich mit den Stoffpaaren Wasser / Lithium- Bromid (LiBr) oder Ammoniak (NH 3 ) / Wasser betrieben. Das Stoffpaar Wasser/Lithium-Bromid kommt im Bereich der Klimatisierung, oberhalb von 4 C, zum Einsatz, wobei das Wasser als Kältemittel und das Lithium-Bromid als Lösungsmittel verwendet wird. Im Bereich der Normal- und Tiefkühlung, Temperaturbereich von +5 C bis 60 C wird das Stoffpaar Ammoniak/Wass er, mit Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Lösungsmittel eingesetzt. Als Kennzahl des Absorptionskälteprozesses ist das Wärmeverhältnis ζ (Zeta) gebräuchlich, sozusagen der Wirkungsgrad, der die Kälteleistung Q 0 zur aufgewendeten Heizleistung Q HW in Beziehung setzt: ζ = Q0 QHW Die zum Antrieb der Absorptionskälteanlage benötigte Wärme im Austreiber kann in Form von Niederdruckdampf, Heißwasser oder durch direkte Befeuerung zur Verfügung gestellt werden. Die erforderlichen Austreibertemperaturen hängen von den Arbeitsstoffen und den Auslegungsbedingungen (Verdampfungstemperatur, Kondensationstemperatur) ab. Die gängigen Temperaturen liegen zwischen 100 und 180 C, bei denen ein Wärmeverhältnis von 0,7 erreicht wird, bei niedrigeren Temperaturen sinkt das Wärmeverhältnis ab. Da Absorptionskälteanlagen wesentlich höhere Investitionskosten erfordern als Kompressionskälteanlagen liegt das größte Einsatzfeld in Bereichen, wo Abwärme mit entsprechenden Temperaturniveau zur Verfügung steht. Weitere Einsatzgebiete erschließen Seite 9

10 sich bei der Abwärmenutzung von KWK-Anlagen, wodurch eine bessere Auslastung der Anlagen erreicht wird. Allerdings stehen bei der Abwärmenutzung von Blockheizkraftwerken nur Temperaturen von 75 bis 95 C zur Verfügung. Hie r sollten Absorptionskälteanlagen eingesetzt werden, die speziell für dieses Einsatzgebiet konzipiert wurden. MBA / Dipl.-Ing. (FH) Matthias Kabus, Wuppertal, Seite 10