Kltetechnik

Building Technologies

s

Inhaltsverzeichnis1.Thermodynamische Grundlagen 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.2.6 1.2.7 1.2.8 1.2.9 2.1 2.2 2.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.2.1 2.4.2.2 3.1 3.1.1 3.1.2 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.3 4.1 4.2 4.2.1 4.2.1.1 4.2.1.2 4.2.1.3 4.2.1.4 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.4 4.4.1 4.4.2 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 4.6 Ursprung der Kltetechnik Der thermoelektrische Prozess Temperatur-Enthalpie-Diagramm Wrmefluss Schmelzprozess Verdampfungsprozess berhitzung Verflssigungsprozess (Kondensation) Druck-Enthalpie-Diagramm Kltemittel Zusammenfassung Eigenschaften, Geschichtliches Bezeichnung der Kltemittel Physikalische Eigenschaften Aktuell eingesetzte Kltemittel Verbot von FCKW und HFCKW Ersatz-Kltemittel fr FCKW und HFCKW R134a als Alternative fr R12 R407C und R290 als Alternativen fr R22 resp. R502 Allgemein Zustandsbereiche und Erklrung der Begriffe Der Diagrammbereich fr Kltemittel Der Aufbau des Diagramms Die Koordinaten h, p Verhltnislinien x Isothermen t Spezifisches Volumen v Isentropen s Zusammenfassung Einleitung Der Verdichter Hubkolbenverdichter Offene Verdichter Halbhermetische Verdichter Hermetische Verdichter Leistung Schraubenverdichter Scrollverdichter Rollkolbenverdichter Turboverdichter Verflssiger (Kondensator) Wassergekhlte Verflssiger Luftgekhlte Verflssiger Verdunstungsverflssiger Die Expansion Thermostatische Drosselventile Elektronische Expanisonsventile Verdampfer Rohrbndelverdampfer Plattenverdampfer (Plattenwrmebertrager) Verdampfer zur Luftkhlung Eisspeicher Sicherheit im Kltekreislauf 6 7 7 8 9 9 10 11 12 12 13 15 16 17 19 19 20 20 21 22 24 25 25 25 27 27 28 29 30 31 32 32 33 34 35 36 36 37 38 38 39 40 40 41 42 42 44 44 46 47 48 48 49

2. Kltemittel

3. Das h, log p-Diagramm

4. Mechanischer Aufbau der Kompressionsanlage

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5. Der Kompressions-Klte-Kreislauf im h, log p-Diagramm

5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.2.6 5.2.7 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.4 5.5 5.6 6.1 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.4 6.5 6.5.1 6.5.1.1 6.5.2 6.5.2.1 6.5.2.2 6.5.2.3 6.5.3 6.6 6.6.1 6.6.2 6.7 6.7.1 6.7.1.1 6.7.1.2 6.7.1.3 6.7.2 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.3 7.4 7.4.1 7.4.2 7.5 7.5.1 7.5.2 7.5.3 7.5.4 7.5.5 7.6

Allgemein Bauelemente und ihre Funktion Kltemittel und seine Betriebszustnde Die Anlage Der Kltekreislauf im h, log p-Diagramm Der Flssigkeitssammler Das Expansionsventil Der Verteiler und der Verdampfer Die Saugleitung und der Wrmetauscher Der Verdichter Die Heissgasleitungen und der Verflssiger Druckhochhaltung im Flssigkeitssammler Weitere Anlagenteile und ihre Probleme Das Magnetventil vermeidet Schden Der ltransport Die Sicherheitsorgane Die energetische Bilanz Bestimmung der umlaufenden Kltemittelmenge Zusammenfassung Einleitung Funktionsprinzip der Wrmepumpe Die Wrmequellen Wrmequelle Aussenluft Wrmequelle Erdreich Wrmequelle Grundwasser Wrmepumpen-Benennung Betriebsarten Monovalenter Betrieb Spezialfall monoenergetischer Betrieb Bivalenter Betrieb Bivalent-alternativer Betrieb Bivalent-paralleler Betrieb Bivalent-parallel/alternativer Betrieb Wahl der Betriebsart Kennzahlen fr Wrmepumpen Die Leistungszahl Die Jahresarbeitszahl Die Regelbarkeit der Wrmepumpe Heizleistungsregelung direkt an der Wrmepumpe Heissgas-Bypass oder Saugdrossel Kompressor Ventilabhebung Kompressordrehzahlregelung Wrmepumpe Ein/Aus-Regelung Einleitung Einsatzgebiete fr Eisspeicher Einsatz in der Klimatechnik Einsatz in der Gewerbekhlung Aufbau und Funktion des Eisspeichers Auslegung des Kltespeichers Kltemaschine und -speicher decken Spitzenbedarf Teil- und Vollspeicherung Hydraulische Schaltungen mit Eisspeichern Ladebetrieb Entladebetrieb (Serieschaltung) Bypass-Betrieb Hydraulische Schaltung bei Vollspeicherung Unterschiedliche Betriebspunkte der Kltemaschine Regelung und Steuerung des Eisspeichers

50 50 50 51 53 53 53 54 55 56 58 59 59 59 59 60 62 63 64 65 65 67 67 67 68 68 69 69 69 70 70 71 72 72 72 72 73 74 74 74 74 74 74 76 76 77 77 77 80 81 81 82 82 83 83 83 84 84

6. Wrmepumpen-Technik

7. Eisspeicher

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7.6.1 7.6.2 7.6.3 7.7 8. Der Absorptions-Kreisprozess 8.1 8.2 8.3 8.3.1 8.3.2 8.4 8.5 8.6 8.6.1 8.6.1.1 8.6.1.2 8.6.1.3 8.6.2 8.6.2.1 8.6.3 8.7 8.7.1 8.7.2

Regelung der Glykolwasser-Mischtemperatur Steuerung des Umlenkventils je nach Betriebsart Steuerung der Eisspeicher-Ladung Wirtschaftlichkeitsberlegungen Einleitung Einsatzbereich der Absorptions-Kltemaschinen Arbeitsstoffpaare Kltemittelkreislauf Lsungsmittel-Kreislauf Der Kreisprozess der Absorptionsmaschine Wrmeverhltnis Aufbau und Ausrstung der Absorptions-Kltemaschine Die Zweikessel-Bauweise Das Entlftungs-System Umwlzpumpen Khlwasser Die Einkessel-Bauweise Entlftung Die zweistufige Absorptions-Kltemaschine Leistungsregelung der Absorptions-Kltemaschinen Leistungsregelung durch Drosselung der Betriebsenergie Bypassregelung der Lsungsmittelkonzentration AZ

84 85 85 85 86 87 88 89 89 90 91 92 92 93 93 94 94 95 95 95 96 96 97

Lexikon

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1.Thermodynamische Grundlagen1.1 Ursprung der Kltetechnik Naturgemss muss sich der Mensch seit Urzeiten mit dem Thema Khlung beschftigen und wir kennen auch die unterschiedlichsten Mglichkeiten der Khlung. In mit nassen Tchern umwickelten Tonbehltern oder in Feldflaschen, wurde die Flssigkeit (z.B. der Wein) im Behlter gekhlt (Wrmeentzug durch Verdunstung von Wasser). Die uns bekannten anfnglichen berlegungen zum Thema Kltetechnik stammen aus dem Jahr 1834, als Jacob Perkins in einer Patentschrift eine Kaltdampfmaschine mit geschlossenem Kreislauf und thylther beschrieben hat. Ca. 40 Jahre spter (1876) verwendet Carl Linde erstmals Ammoniak als Kltemittel bei einer Kaltdampfmaschine mit Kolbenverdichter. 1910 tauchen die ersten Haushaltskhlschrnke auf und 1930 werden die Kltemittel R 11, R 12, R 13, R 22, R 113 und R 114 entwickelt (siehe Kapitel Kltemittel). Die Ursachen fr die Forderung nach "Klte" stammen ursprnglich aus dem Bereich der Lebensmittelversorgung. Fr diesen Bereich wurden Grossanlagen fr Brauereien, Schlachthfe, Khlhuser und Eisfabriken sowie Khlschiffe gebaut. Nach dem ersten Weltkrieg wurde der Bedarf wesentlich grsser und man unterteilte die Bereiche in: Heutiger Stand: Grossklte (industrielle Klte) Kleinklte (kommerzielle Klte) Khlschrnke und Truhen (Haushalt Klte)

In der Lebensmittelbranche ist die Anwendung der Kltetechnik die beste und gesndeste Methode Lebensmittel ber lngere Zeitrume und ber verschiedene Klimazonen hinweg frisch zu halten und somit unsere Versorgung sicherzustellen. Im Maschinenbau kann durch die Anwendung der Kltetechnik schneller und preisgnstiger produziert werden. In der Klimatechnik wird neben der Heizenergie im Winter, fr den Sommerzeitraum Klteenergie zur Khlung und Entfeuchtung der Luft bentigt. Frher wurde fr diese Zwecke hufig Leitungs- oder Brunnenwasser verwendet. Diese Nutzungsart ist jedoch aus konomischen und energetischen Grnden nicht empfehlenswert. Der Einsatz der Kltetechnik ist ein wesentlicher Faktor fr unser Wohlbefinden an Arbeitspltzen und Aufenthaltsrumen allgemein. Heute wird im Bereich der Kltetechnik berwiegend die "Kompressions-Kltemaschine" zur Erzeugung der bentigten Klteenergie eingesetzt. Kltespeicher Wrmepumpen Wrmerckgewinnung in Klimatechnik

Energie- bzw. Wrmerckgewinnung ist ein sehr aktuelles Thema im Bereich der Kltetechnik. Einen grossen Aufschwung erlebte die Kltetechnik in den 70 80er Jahren, durch den verstrkten Einsatz von Wrmepumpen, hervorgerufen durch die "Energiekrise". Das theoretische Wissen der Kltetechnik umfasst den gesamten Bereich der Naturwissenschaften (Mathematik, Technik, Physik, Chemie usw.) In kaum einer Branche ist der Beruf so vielseitig wie in der Kltetechnik.

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Fr das Verstndnis ist es wichtig, die allgemeinen Grundlagen zu kennen, damit fr die Beratung des Lftungs-, Klima- und Klteanlagenbauers oder auch fr den Planer, das zum Einsatz der Regeltechnik erforderliche Grundwissen vorhanden ist. Selbstverstndlich steht der Bezug zur praktischen Anwendung der Regeltechnik in der Kltetechnik im Vordergrund dieses Seminars. 1.2 Der thermoelektrische Prozess Aufbau der Materie Aus dem Fachgebiet Thermo-Hydrodynamik kennen wir feste, flssige und gasfrmige Stoffe. Die Ursache ist in der Struktur und Eigenschaft der Molekle zu finden. So ist z.B. bei Metallen die Struktur der Molekle stark zusammenhngend (grosse Kohsionskrfte), die Molekle bilden eine feste Gitterstruktur (Fig. 1-1 links). Bei Flssigkeiten sind diese Krfte geringer, so dass der Stoff nicht fest ist (Fig. 1-1 Mitte). Gasfrmige Stoffe dagegen haben nur einen sehr losen Zusammenhalt, und deshalb sind diese Stoffe sehr flchtig (Fig. 1-1 rechts).53001DE

fest (Gitterstruktur)

flssig (Teilchen bleiben noch beieinander)

gasfrmig (Teilchen knnen sich frei und unabhngig voneinander bewegen)

Fig. 1-1

Gitterstruktur der Molekle fest: die Molekle sind fest beieinander flssig: die Molekle sind lose beieinander gasfrmig: die Molekle haben ihren Zusammenhalt verloren und knnen sich frei bewegen

1.2.1 Temperatur-Enthalpie-Diagramm

Die Aggregatzustandsnderung lsst sich mit Hilfe des TemperaturEnthalpie-Diagramms sehr leicht veranschaulichen. Ausgangspunkt des in Fig. 1-2 gezeigten Beispiels ist ein Kilogramm Wasser bei atmosphrischem Druck und 0 C:B0815

Fig. 1-2 A-B B-C C-D

Temperatur-Enthalpie-Diagramm (t, h-Diagramm) fr Wasser Sensible Wrme ( Erwrmung des flssigen Stoffes) Latente Wrme (Verdampfung, bergang flssig gasfrmig) Sensible Wrme (berhitzung des gasfrmigen Stoffes)

Wie Fig. 1-2 zeigt, wird fr die Enthalpie h die Masseinheit "kJ/kg" verwendet. Daraus ist ersichtlich, dass es sich um die in einem Kilogramm Masse im gegebenen Fall ist es Wasser enthaltene Wrmemenge handeln muss.

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Da bei der Enthalpie gewhnlich nur ihre nderungen also EnthalpieDifferenzen von Interesse sind, kann der Nullpunkt der EnthalpieSkala beliebig festgelegt werden. In Fig. 1 2, aber auch in den gebruchIichen Dampftabellen fr Wasserdampf, ist er identisch mit dem Gefrierpunkt des Wassers, also bei 0 C. Das bedeutet, dass z.B. die unter "1.2.3 Schmelzprozess" beschriebene Schmelzwrme in den angegebenen Enthalpiewerten nicht enthalten ist. Die Gerade A B stellt die sensible Wrme dar, die erforderlich ist, um das Wasser von 0 C auf 100 C zu erwrmen. An der Stelle B kann auf der Enthalpie-Skala eine Enthalpie von 419 kJ/kg abgelesen werden; die Wrme, die zugefhrt wurde, um das Wasser bis zum Siedepunkt zu erhitzen, ist also als Enthalpie des Wassers bei 100 C nach wie vor vorhanden. Die Gerade B C stellt den Verdampfungsprozess dar. Latente Wrme wird entlang dieser Geraden kontinuierlich zugefhrt, bis das Kilogramm Wasser bei Punkt C vollstndig in Dampf bergegangen ist. Die Enthalpie dieses trocken gesttigten Dampfes betrgt nun 419 + 2257 = 2676 kJ/kg, also die Summe aus sensibler und latenter Wrme. Wird der Dampf auf 115 C (Punkt D) berhitzt, betrgt die Enthalpie bei Punkt D 2676 + 28,3 = 2704,3 kJ/kg. Fr Klteprozesse ist aber nur die Aggregatszustandsnderung des Kltemittels, vom flssigen in den dampffrmigen, bzw. vom dampffrmigen in den flssigen Zustand von Interesse. Wie im Modul B01HV "Physikalische Grundlagen" beschrieben, entspricht jede Siedetemperatur einem ganz bestimmten Druck (Fig. 1-3). Hohe Siedepunkte setzen hohe Drcke, tiefe Siedepunkte geringe Drcke voraus.Log p (bar abs.) 100 10 1 0,1 0,01 0,001 -100Fig. 1-3B0816

0

100

200

300

400

C

Siedepunkte des Wassers

1.2.2 Wrmefluss

Wrme ist eine Form der Energie, die von selbst nur von einer Substanz mit hherer Temperatur auf eine Substanz mit niedrigerer Temperatur bergehen kann (Fig. 1-4). Das heisst: Wrme fliesst "von selbst" stets nur in einer Richtung, und ein Wrmefluss setzt eine Temperaturdifferenz voraus.

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Fig. 1-4

Wrmefluss

1.2.3 Schmelzprozess

Bekanntlich knnen feste Krper, denen Wrme zugefhrt wird, in den flssigen Zustand bergehen. Diese Wrme, die ein Schmelzen des festen Krpers verursacht, wird Schmelzwrme genannt. Um z.B. 1 kg Eis von 0 C zu schmelzen oder in Wasser von 0 C zu verflssigen ist eine Wrmemenge von 335 kJ (Fig. 1-5) erforderlich. Dabei ist zu beachten, dass sich die Temperatur durch die Wrmezufuhr nicht verndert. Der Schmelzprozess findet bei konstanter Temperatur statt. Aus diesem Grund wird diese Wrme, die eine Aggregatzustandsnderung hervorgerufen hat, als latente Wrme bezeichnet.B0812

Fig. 1-5

Schmelzwrme von Eis

1.2.4 Verdampfungsprozess

Wenn dem Kilogramm Wasser von 0 C, Wrme zugefhrt wird, steigt die Temperatur des Wassers stetig an, bis sie schliesslich den Siedepunkt erreicht. Im Gegensatz zur latenten Wrme, die eine Aggregatzustandsnderung hervorgerufen hat, ist diese Wrme jedoch messbar, fhlbar, und wird deshalb sensible Wrme genannt. Die Wrmemenge, die zur Erhhung der Temperatur um 1 K erforderlich ist, betrgt 4,19 kJ. Daraus folgt, dass eine sensible Wrmemenge von 419 kJ zugefhrt werden muss, um die Temperatur des Wassers auf 100 C zu erhhen. Vorausgesetzt, dass Normaldruck (atmosphrischer Druck auf Meereshhe, d.h. absoluter Druck von 1,013 bar) herrscht, ist diese Temperatur der Siedepunkt des Wassers. Es ist der Punkt, bei dem das Wasser zu verdampfen beginnt (Fig. 1-6).

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B0813

Fig. 1-6

Verdampfungsprozess und Enthalpie von Wasser

Der Dampf, der nun entsteht, hat eine Temperatur von 100 C und ist in der Fachsprache als trocken gesttigter Dampf bekannt. Die Umwandlung von Wasser zu Dampf ist wiederum eine Aggregatzustandsnderung, die durch die ununterbrochene Zufhrung von Wrme hervorgerufen wird. Um das Kilogramm Wasser von 100 C vollstndig zu verdampfen, d.h. in ein Kilogramm Dampf von 100 C zu verwandeln, muss eine latente Wrmemenge von 2257 kJ zugefhrt werden. Diese latente Wrmemenge ist die Verdampfungswrme. Addiert man zu dieser Verdampfungswrme von 2257 kJ die 419 kJ, die aufgewendet wurden, um 1 kg Wasser von 0 auf 100 C zu erwrmen, so erhlt man mit 2676 kJ den Wrmeinhalt oder die Enthalpie von 1 kg Dampf von 100 C, bezogen auf 1 kg Wasser von 0 C (Fig. 1-2). 1.2.5 berhitzung Wird der nunmehr entstandene, trocken gesttigte Dampf von 100 C z.B. in eine offene Rohrschlange geleitet, durch die ihm weiterhin Wrme zugefhrt wird, erfolgt eine berhitzung des Dampfes (Fig. 1-7). Bei der berhitzungswrme handelt es sich wieder um sensible Wrme, d.h. es findet eine Temperaturerhhung des Dampfes statt. Um z.B. die Temperatur des im Verdampfungsprozess gewonnenen Kilogramm Dampfes von 100 C auf 115 C zu erhhen ist eine sensible Wrmemenge von 28,3 kJ erforderlich. Dies folgt aus folgender Formel:

Q = m c (t-ts) = 1 1,88 (115 - 100) = 28,3 (kJ) cp m t ts mittlere spezifische Wrme des berhitzten Dampfes (kJ/kg K) Masse (kg) Temperatur des berhitzten Dampfes (C) Siedetemperatur des Dampfes (C)

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B0814

Fig. 1-7

berhitzter Dampf und Enthalpie von Wasser

1.2.6 Verflssigungsprozess (Kondensation)

Der Prozess der Aggregatzustandsnderung von flssigem in den dampffrmigen Zustand ist umkehrbar, d.h. der Dampf kann auch in Flssigkeit umgewandelt werden. Dieser Prozess, der als Verflssigung bekannt ist, findet statt, wenn dem Dampf dieselbe Menge Wrme entzogen wird, die ihm whrend des Verdampfungsprozesses zugefhrt worden ist. In Fig. 1-8 ist der Verflssigungsprozess ersichtlich.B0818

Fig. 1-8 Legende 1 2 3 4

Verflssigungsprozess (Kondensation)

Dampf, 100 C KhIwasser, kalt Khlwasser, warm Wasser, 100 C

Die Aggregatzustandsnderung von Flssigkeit zu Dampf und von Dampf zu Flssigkeit ist fr den mechanischen Klte- bzw. Wrmepumpen-Kreislauf aus folgendem Grund von grsster Wichtigkeit: Die Aggregatzustandsnderung erfordert die bertragung einer relativ grossen Wrmemenge pro Kilogramm Substanz (Kltemittel). Wie gezeigt wird ist es genau diese Wrmebertragung im Kltemittelkreislauf (vgl. Fig. 1-2 C - B), die den gewnschten Nutzeffekt (Khlung bei Kltemaschinen, Heizung bei Wrmepumpen) bewirkt.

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1.2.7 Druck-Enthalpie-Diagramm

In der Klte- bzw. Wrmepumpentechnik benutzt man statt des in Fig. 1-2 dargestellten Temperatur-Enthalpie-Diagramms vorzugsweise das Druck-Enthalpie-Diagramm (Fig. 1-9). In diesem Diagramm ist die Enthalpie nicht mehr in Abhngigkeit der Temperatur bei Normaldruck dargestellt, sondern sie kann fr verschiedene Drcke und die entsprechenden Temperaturen abgelesen werden. Vor allem aber knnen sogenannte Kreisprozesse wie im folgenden gezeigt mit Hilfe dieses Diagramms leicht veranschaulicht und berechnet werden.B0817

Fig. 1-9 1 2 3 4 5 6

Druck-Enthalpie-Diagramm fr Wasser Flssigkeitslinie (Verdampfungsbeginn) Unterkhlungsgebiet (Flssigkeit) Kritischer Punkt berhitzungsgebiet (Dampf) Sattdampflinie Nassdampfgebiet (Flssigkeit/Dampf) A B Verdampfungswrme (2257 kJ/kg)

Die vom Nullpunkt zum kritischen Punkt hoch zeigende Linie (1) ist die Linie gesttigter Flssigkeit, whrend die Fortsetzung dieser Linie (5), die vom kritischen Punkt (jener Punkt, bei dem kein Unterschied zwischen Flssigkeit und Dampf mehr besteht) hinunter zur EnthalpieSkala fhrt, den Zustand gesttigten Dampfes bestimmt. Zieht man bei einem bestimmten Druck eine Horizontale durch die beiden Linien, kann bei Punkt A die Enthalpie der gesttigten Flssigkeit und bei Punkt B die Enthalpie des gesttigten Dampfes abgelesen werden. Die Differenz der Werte A und B entspricht der Verdampfungswrme. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass die Verdampfungswrme mit steigendem Druck und steigender Temperatur immer geringer wird, um schliesslich beim kritischen Punkt einen Zustand zu erreichen, bei dem keine Verdampfungswrme mehr vorhanden ist. Bei Wasserdampf betrgt der kritische Druck 221,2 bar und die kritische Temperatur 374,1 C. 1.2.8 Kltemittel Als Kltemittel bezeichnet man das in einer Kltemaschine bzw. Wrmepumpe umlaufende Arbeitsmedium. Zur Erluterung der Grundlagen des Klteprozesses war bisher ausschliesslich von Wasser die Rede, und tatschlich besitzt Wasser viele der Eigenschaften, die von einem Kltemittel verlangt werden. Wasser ist billig, reichlich vorhanden, ungiftig, nicht brennbar und besitzt eine relativ grosse Verdampfungs- bzw. Verflssigungswrme. Es ist deshalb nicht erstaunlich, dass bei Dampfstrahl und Absorptions-Kltemaschinen

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bzw. -Wrmepumpen die nachfolgend beschrieben werden, Wasser als Kltemittel verwendet wird. Fr den Kompressions-Kreisprozess ist Wasser als Kltemittel nicht geeignet, da die Drcke und Temperaturen, bei denen die Aggregatzustandsnderungen erfolgen sollen, ungnstig liegen. Vielmehr werden bei diesem Prozess Kltemittel verwendet, die leicht flchtiger sind als Wasser, d.h. Substanzen, die bei relativ niedrigen Temperaturen und den entsprechenden hohen Drcken verdampfen. Ozonersetzend wirken vor allem die FCKW, die aufgrund ihrer hohen chemischen Stabilitt eine lange atmosphrische Verweilzeit aufweisen, so dass theoretisch die gesamten freigesetzten Mengen in die Stratosphre diffundieren und sich dort zersetzen. Das hierbei frei werdende Chlor zerstrt die vor gefhrlichen UV-Strahlen schtzende Ozonschicht. Aus diesem Grund drfen heute nur noch chlorfreie Kltemittel verwendet werden. Weitere Informationen im Kapitel "2 Kltemittel" 1.2.9 Zusammenfassung Stoffe, in der Kltetechnik die Kltemittel, mit tiefen Siedepunkten nennt man Gase, weil diese unter normalem Druck und bei normalen Temperaturen (unsere Umgebungsbedingungen) sofort verdampfen. Hier erkennt man bereits eine kritische Situation fr den Transport, das Aufbewahren und die Anwendung von Kltemitteln. Im Kltekreislauf erfhrt das Kltemittel die Aggregatzustnde flssig dampffrmig sowie die bertragung von latenter und sensibler Wrme.

In einem thermodynamischen Kreisprozess wird durch die Verdampfung von Kltemittel dem zu khlenden Medium Wrme entzogen. Dieser Vorgang erfolgt entweder direkt durch die Kltemaschine, oder indirekt durch einen zwischengeschalteten Kaltwasserkreislauf. Eine Khlanlage ist eine Maschine, die einem Stoff oder einem Raum Wrme entzieht. Die Klteleistung ist die Fhigkeit, in einem bestimmten Zeitraum eine bestimmte Wrmemenge abzufhren. Q0 = m c Q0 m c t = = = =

t

Klteleistung [kJ/h oder kW] Massenstrom [kg/s] spezifische Wrme [kJ/kgK] Temperaturdifferenz [K]

Die spezifische Wrme c ist jene Energie (in kJ), welche man bentigt, um 1 kg eines bestimmten Stoffs um 1 K zu erwrmen. Die spezifische Wrme ist vom Aggregatzustand abhngig. In der nachfolgenden Tabelle sind einige Werte von typischen, in der Kltetechnik zum Einsatz kommenden Stoffen, zusammengestellt: Stoff Wasser Ammoniak NH3 Kltemittel R22 cfest 2.03 kJ/kgK cflssig 4.18 kJ/kgK 4.44 kJ/kgK 1.09 kJ/kgK cGas 2.05 kJ/kgK 2.18 kJ/kgK 0.16 kJ/kgK13

Man unterscheidet zwischen sensibler (fhlbarer) und latenter (nicht fhlbarer) Wrme. sensible Wrme: Wrme, bei der eine nderung des Energie-Inhalts immer auch mit einer Temperaturnderung verbunden ist. Wrme, welche zum Wechsel des Aggregatzustandes aufgewendet bzw. abgegeben werden muss. Sie fhrt zu keiner nderung der Temperatur, vielmehr wird diese Energie zur Umwandlung der Molekularstruktur eines Stoffs bentigt. Die latente Wrme ist sehr stark druck- und temperaturabhngig. Der Wrmeinhalt ist die Enthalpie h. die die die die Enthalpie der Flssigkeit bezeichnet man mit h' Enthalpie des Dampfes mit h'' zum Verdampfen bentigte Enthalpie mit r Masseinheit ist jeweils kJ/kg

latente Wrme:

Unterschiedliche Stoffe haben auch unterschiedliches Temperaturverhalten, d.h. der Temperaturwert fr Schmelz- und Siedepunkt ist unterschiedlich. Schmelz und Siedepunkt sind druckabhngig. z.B. Wasser bei 1 bar: Schmelzpunkt = 0 C und Siedepunkt = 100 C. Die Abhngigkeit kann im Druck-Enthalpie-Diagramm nachvollzogen werden. bertrgt man die Werte aus der Wasserdampftafel in ein h, log p-Diagramm, erhlt man eine graphische Darstellung der Zusammenhnge. Die in der Kltetechnik verwendeten Kltemittel knnen Siedepunkte bis zu -120 C erreichen.

Im Bereich der Klimatechnik bewegen wir uns bei Siedetemperaturen um +2 bis -20 C.

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2. Kltemittel2.1 Eigenschaften, Geschichtliches Patentschrift Auszug aus einer Patentschrift zu Kltemittel, aus dem Jahr 1834: ....."Was ich beanspruche, ist ein Patent fr eine Vorrichtung, die es mir ermglicht, ein leichtflchtiges Medium zu verwenden, dass das Khlen und Gefrieren eines andern Mediums ermglicht, und doch gleichzeitig kontinuierlich, leichtflchtiges Medium kondensiert und in den Kreislauf ohne Verluste weitergefhrt werden kann." ..... Grundstzlich lassen sich alle Stoffe als Kltemittel verwenden, da es lediglich um folgendes geht: "Siede- und Verflssigungspunkt mssen bei technisch erreichbaren Drcken liegen". Im weiteren sind die Anforderungen an ein ideales Kltemittel jedoch so gross, dass sich nur wenige Stoffe wirklich eignen. physikalische Eigenschaften chemische Eigenschaften Aggregatzustandsnderung flssiggasfrmig bei "kleinen" Drcken grosse Verdampfungswrme bestndig nicht explosiv unbrennbar nicht toxisch nicht tzend nicht korrosiv geruchlich gut feststellbar oder in kleinen Konzentrationen einfach messbar chemisch stabil, d.h. darf auch in extremen Situationen nicht in seine atomaren Bestandteile zerfallen.

Vom physikalischen und chemischen Gesichtspunkt gesehen, wre Wasser ein ideales Kltemittel. Fr Verdampfungstemperaturen (t0) ab +4 C oder unter 0 C ist dessen Einsatz jedoch undenkbar. Aus den Anfngen der Kltetechnik sind hauptschlich drei Kltemittel bekannt: SO2 Schwefeldioxyd CH3Cl Chlormethyl NH3 Ammoniak Diese Kltemittel erfllen im Wesentlichen den im "Patent" geusserten Wunsch. In Bezug auf Aggressivitt, Brennbarkeit und Hygiene bleiben jedoch viele Wnsche offen, z.B.: Toxizitt: SO2 0,5 1 Vol % tdlich in 5 min. NH3 0,5 1 Vol % tdlich in 60 min. CH3Cl 2 2,5 Vol % bleibende Schden in 120 min. Durch das FCKW-Verbot kommt heute trotz toxischem Gefahrenpotential das Kltemittel NH3 (Ammoniak) auch in der Klimatechnik wieder vermehrt zum Einsatz, unter Einhaltung entsprechender Sicherheitsmassnahmen.

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2.2 Bezeichnung der Kltemittel

Ein Kltemittel soll bei atmosphrischem Druck einen mglichst tief liegenden Siedepunkt, ein kleines Dampfvolumen und einen technisch leicht zu beherrschenden Verflssigungsdruck besitzen. Ausserdem darf es die Bau- und Schmierstoffe der Klteanlage nicht angreifen und soll mglich nicht giftig, nicht brennbar und nicht explosiv sein. Damit diese Eigenschaften erfllt werden, haben Herstellerfirmen wie z.B. die Fa. Dupont Kltemittel durch Derivationen(*) aus Methan CH4 und Aethan C2H6 entwickelt. Die Derivat-Molekle enthalten die Stoffe (mit chem. Zeichen): Kohlenstoff Fluor Chlor Wasserstoff(*)

"C" "F" "Cl" "H"

Derivat = Abkmmling einer chemischen Verbindung Derivation = Ableitung

Die Namen

Name Freon Frigen Arcton Kaltron

Hersteller Dupont Hchst Imperial chemical Industrie Kali Chemi

Ort USA Frankfurt England Hannover

Fr die gebruchlichsten Kltemittel wird das Buchstabensymbol R und eine Nummer als Kurzzeichen verwendet. Die Namen sind Firmenbezeichnungen fr diese Derivate. Gelegentlich wird anstelle von R auch das Wort Kltemittel und/oder die Handelsbezeichnung (z.B. Freon) verwendet. R und max. 3-stellige Zahl Zahl der Hunderter +1 Zahl der Zehner -1 Zahl der Einer

= Zahl der C - Atome (Kohlenstoff) = Zahl der H - Atome (Wasserstoff) = Zahl der F - Atome (Fluor)

Dabei wird die Null an der Hunderterstelle nicht geschrieben, so dass sich fr die Methan-Derivate (z.B. R22) eine zweistellige Zahl ergibt. Die Wasserstoff (H) Atome werden durch die Halogene Cl (Chlor), F (Fluor), Br (Brom) ersetzt. Beispiele: R 114 chem. Formel C2Cl2F4 Tetrafluordichlorthan FCKW 4 Fluor Atome -1 kein Wasserstoff Atom und somit 2 Chlor Atome +1 2 Kohlenstoff Atome R 134a chemische Formel C2H2F4 Tetrafluorethan H-FKW 4 Fluor Atome -1 2 Wasserstoff Atome +1 2 Kohlenstoff Atome R 22 chemische Formel CHClF2 Difluormonochlormethan H-FCKW 2 Fluor Atome -1 1 Wasserstoff Atom und somit 1 Chlor Atom +1 1 Kohlenstoff Atom Die Anforderungen, welche an ein Kltemittel gestellt werden, knnten noch beliebig erweitert werden, z.B. Wrmebertragungs-, Strmungseigenschaften usw.16

2.3 Physikalische Eigenschaften l als Schmiermittel im Kltekreislauf

In Kompressions-Klteanlagen muss fr die Verdichter ein geeignetes l zur Schmierung verwendet werden. Die spezifischen Eigenschaften der verschiedenen Kltemittel erfordern auf das Kltemittel abgestimmte Maschinenle. Das l wird zur Schmierung des Kompressors bentigt und durch den Arbeitsprozess (ungewollt) durch den Kltekreislauf mitgerissen. Weil bei hohen Temperaturen chemische Reaktionen wie Korrosion und Surebildung auftreten, entsteht eine Zusatzgefahr, da die Verdichtungstemperaturen meist hher als 100 C liegen. Aus diesem Grund muss Kltemaschinenl bestimmten Voraussetzungen entsprechen. Im Bereich der Kltetechnik haben sich drei Gruppen von len bewhrt: Mineral-le Halbsynthetische le Synthetische le z.B. fr R 12, R 12B1 z.B. fr R 22, R 23 z.B. fr R 134a, R 23

Fr die neuen chlorfreien Kltemittel sind weder Mineralle noch die bisher verwendeten synthetischen Alkyl-Benzole verwendbar, sondern nur synthetische le auf Ester-Basis, auch Esterle genannt. Mischbarkeit Die Mischbarkeit von l und Kltemittel hat sowohl Vor-, als auch Nachteile: Vorteile Systemteile knnen gut geschmiert werden das l kann relativ gut aus dem System in den Verdichter zurckgefhrt werden. Nachteile: Verdnnung und Erhitzung des ls im Verdichter nderung der Fliessfhigkeit auf der Verdampferseite (kalt) und damit Probleme der lrckfhrung. lrckstnde im Verdampfer bringen schlechte Wrmebertragung und Regelprobleme mit sich. Verhalten bei Undichtigkeiten im System Es gibt viele Faktoren, welche das Verhalten eines Kltemittels bei Undichtigkeiten bestimmen. Druck, Viskositt und Dichte sind nur einige davon.53004DE

NH

3

R 22

Fig. 2-1

Unterschiedliches Verhalten von Kltemitteln bei Undichtigkeiten 1 Molekl 2 Molmasse = 17,03 g/mol 3 Molmasse = 86,48 g/mol

Je hher die Molmasse kg/kmol (frher Molekulargewicht M), desto geringer ist die Neigung des Kltemittels, bei Undichtigkeiten auszutreten. z.B. R 717 (NH3, Ammoniak) 17,03 kg/kmol R 407C (23 % R32, 25 % R125, 52 % R134a) 86,20 kg/kmol R 134a (C2H2F4) 102,03 kg/kmol

17

Geruch

Bei einigen Kltemitteln kann ein leichter Geruch von Vorteil sein, da dadurch jede Undichtigkeit sofort auffllt und Gegenmassnahmen getroffen werden knnen, bevor die gesamte Fllung verloren geht oder Schden an Systemteilen auftreten, z.B. Geruch von R 22 ist Ammoniak "leicht therisch" "stechender Geruch"

Fig. 2-2

Geruch

Giftigkeit

Als "giftige Kltemittel" werden gewhnliche Kltemittel bezeichnet, die fr den Menschen schdlich sind. Alle Kltemittel knnen natrlich eine Erstickungsgefahr herbeifhren, wenn sie in so starken Mengen auftreten, dass der Sauerstoff der Luft verdrngt wird; manche sind jedoch bereits schdlich, wenn sie nur in ganz kleinen Mengen in Erscheinung treten. Der Grad der Schdlichkeit hngt von der Konzentration, der Art des Kltemittels und der Zeitdauer ab, whrend welcher der Mensch dem Kltemittel ausgesetzt war.

Fig. 2-3

Giftigkeit, R-717 Ammoniak (NH3)

Brennbarkeit

Kltemittel sind in bezug auf ihre Brennbarkeit sehr verschieden. Einige, wie z.B. R-170 (Aethan) oder R290 (Propan), verbrennen so leicht und vollstndig, dass sie als Brennstoff verwendet werden. Andere Kltemittel sind nicht brennbar, wie z.B. R 22 und R134a

Fig. 2-4

Brennbarkeit, R-170 Aethan, R-178 Wasser

18

2.4 Aktuell eingesetzte Kltemittel 2.4.1 Verbot von FCKW und HFCKW Einfluss auf die Ozonschicht

Die Emission von FCKW in die Atmosphre fhrt erwiesenermassen zu Umweltschden. Obwohl der Anteil der dazu noch in einem geschlossenen Kreislauf verwendeten Kltemittel nur 10% der gesamten FCKW-Produktion ausmacht (der berwiegende Teil wird in Spraydosen und Dmmschumen sowie in Lsungsmitteln verwendet), muss doch der Umweltschutz beachtet werden. ca. 3000 t/anno in Europa, 10% gehen beim Transport, Ab- und Einfllen verloren. Die Umweltschdigung von FCKW- (Fluorchlorkohlenwasserstoff) Kltemitteln basiert hauptschlich auf deren Ozon-Zerstrungs- und Erderwrmungspotential (Treibhauseffekt). Ozonzersetzend wirken vor allem die FCKW, die aufgrund ihrer hohen chemischen Stabilitt eine lange atmosphrische Verweilzeit aufweisen, so dass theoretisch die gesamten freigesetzten Mengen in die Stratosphre diffundieren und sich dort zersetzen. Das hierbei freiwerdende Chlor zerstrt die vor gefhrlichen UV-Strahlen schtzende Ozonschicht. Das empfindliche Gleichgewicht zwischen Sauerstoff und Ozon wird dadurch nachhaltig gestrt. Die lange atmosphrische Verweilzeit und der damit verbundene Anreicherungseffekt in der Atmosphre ist auch fr das hohe Erderwrmungspotential dieser Verbindungen verantwortlich. Komponenten FCKW 11 FCKW 12 FCKW 113 FCKW 114 FCKW 115 H-FCKW 22 H-FCKW 123 H-FCKW 124 MP 39 (R 401) HP 80 (R402) H-FKW 134a H-FKW 152a H-FKW 32 H-FKW 125 H-FKW 23 HP 62 AC 9000 Lebensdauer 60 Jahre 120 Jahre 90 Jahre 200 Jahre 400 Jahre 15 Jahre 2 Jahre 7 Jahre ODP 1 1 0,8 0,7 0,4 0,05 0,02 0,02 0,03 0,02 0 0 0 0 0 0 0 GWP 1 3,1 1,4 4 7 0,34 0,02 0,1 0,21 0,63 0,26 0,03 0,12 0,84 6 0,94 0,28

Leckagen

FCKWs

H-FCKWs

H-FKWs

16 Jahre 2 Jahre 7 Jahre 41 Jahre 310 Jahre

Tabelle 2-1 Umweltdaten verschiedener Kltemittel OPD: GWP: FCKW: Ozonabbaupotential Erderwrmungspotential, Treibhauseffekt bezogen auf FCKW 11 = 1 Fluorchlorkohlenwasserstoffe, vollhalogeniert (kein Wasserstoffatom im Molekl) Vertreter: R 11, R 12, R 13, R 113, R 114, R 115 (R 500 und R 502 sind Gemische, welche R 12 bzw. R 115 enthalten) H-FCKW: Fluorchlorkohlenwasserstoffe, teilhalogeniert (eines oder mehrere Wasserstoffatome im Molekl) Vertreter: R 22, R 123 H-FKW: Fluorkohlenwasserstoffe, teilhalogeniert (enthalten neben Fluor- auch noch Wasserstoffatome im Molekl) Vertreter: R 134a, R 227

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H-FCKW und H-FKW sind teilhalogenierte Verbindungen mit wesentlich krzerer atmosphrischer Verweilzeit. Das Ozonabbau-Potential der H-FCKW liegt nur noch bei Bruchteilen dessen der FCKW. H-FKW, z.B. R 134a, sind chlorfrei und weisen kein OzonabbauPotential auf. Auch der Erderwrmungseffekt ist bei beiden Verbindungen gering. Massnahmen Seit 1.1.1995 sind FCKW Kltemittel in Europa und ab 1.1.1996 weltweit nicht mehr erhltlich. Sptestens seit 1.1.2000 darf in Europa auch das HFCKW Kltemittel R22 nicht mehr fr Neuanlagen eingesetzt werden. Weltweit und fr andere HFCKW Kltemittel ist der Ausstieg schrittweise geplant, d.h. Reduktion um 35 % ab 1.1.2004 und bis 2020 auf 50 %.

2.4.2 Ersatz-Kltemittel fr FCKW und HFCKW 2.4.2.1 R134a als Alternative fr R12

Fr typische R12 Anwendungen hat sich der umweltvertrgliche Ersatzstoff R 134a in der Praxis bewhrt.Temperatur Druck Spez. Volumen der Flssigkeit v' l/kg 0,692 0,699 0,706 0,713 0,720 0,728 0,736 0,744 0,753 0,762 0,772 0,782 0,793 0,804 0,816 0,828 0,842 0,856 0,871 0,888 0,907 0,927 0,949 0,974 1,003 1,036 1,076 1,127 1,194 1,298 1,544 Spez. Volumen des Dampfes v'' l/kg 596,88 459,14 357,66 281,87 224,55 180,67 146,71 120,15 99,17 82,45 69,01 58,11 49,22 41,89 35,83 30,77 26,52 22,94 19,89 17,29 15,05 13,12 11,44 9,97 8,68 7,53 6,50 5,56 4,68 3,83 2,80 Enthalpie der Flssigkeit h' kJ/kg 137,72 143,48 149,34 155,32 161,40 167,59 173,88 180,28 186,76 193,34 200,00 206,74 213,57 220,46 227,44 234,48 241,61 248,81 256,11 263,50 271,02 278,69 286,53 294,59 302,95 311,68 320,93 330,91 342,02 355,20 374,97 Enthalpie des Dampfes h'' kJ/kg 366,32 369,55 372,78 375,99 379,18 382,34 385,48 388,57 391,62 394,62 397,56 400,44 403,26 406,00 408,66 411,24 413,71 416,08 418,33 420,45 422,41 424,19 425,76 427,09 428,10 428,71 428,81 428,17 426,40 422,55 411,79 Verdampfungswrme r kJ/kg 228,60 226,08 223,44 220,67 217,78 214,75 211,59 208,29 204,85 201,28 197,56 193,70 189,69 185,54 181,23 176,76 172,11 167,27 162,23 156,94 151,39 145,51 139,24 132,49 125,15 117,03 107,87 97,26 84,38 67,36 36,83

t C - 50 - 45 - 40 - 35 - 30 - 25 - 20 - 15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

p bar 0,299 0,396 0,516 0,666 0,848 1,067 1,330 1,642 2,008 2,435 2,929 3,497 4,146 4,883 5,716 6,651 7,698 8,865 10,160 11,592 13,171 14,907 16,811 18,894 21,170 23,651 26,353 29,292 32,487 35,958 39,728

Tabelle 2-2 Dampftafel von R134a

20

Fig. 2-5 h, log p -Diagramm fr R134a

2.4.2.2 R407C und R290 als Alternativen fr R22 resp. R502

Fr typische R22 Anwendungen und auch fr R502 Anwendungen, die bis anhin durch R22 ersetzt wurden, werden hauptschlich zeotrope 2oder 3-Stoff-Gemische eingesetzt, wobei man fr normale Anwendungen einen mglichst kleinen Temperaturgleit (siehe zeotrope Gemische) anstrebt. Diese haben einen neuen gemeinsamen Siedepunkt, welcher in der Regel zwischen den Siedepunkten der einzelnen Komponenten liegt. Gemisch aus zwei oder mehr Komponenten. Die Eigenart zeotroper Gemische besteht darin, dass jede Komponente ihren eigenen Siedepunkt beibehlt und damit die Verdampfung resp. Verflssigung mit gleitender Temperatur geschieht. Die Temperaturdifferenz zwischen Anfang und Ende des jeweiligen Vorganges wird als "Temperaturgleit" bezeichnet. Daraus ergibt sich auch, dass bei einer Undichtigkeit unterschiedliche Anteile des Gemischs austreten und diese Kltemittelgemische flssig eingefllt werden mssen. Als Ersatz fr R22 wird oft R407C eingesetzt, ein 3-Stoff-Gemisch mit folgender Zusammensetzung: - 23 % R32 - 25 % R125 - 52 % R134a R407C wird von den Herstellern unter verschiedenen Namen angeboten, die teilweise nicht mehr einen direkten Bezug zur Kltemittelkennzeichnung aufweisen, z.B.: DuPont Hoechst ICI AC 9000 Reclin 407C (vormals HX3) KLEA 66

Azeotrope Gemische

Zeotrope Gemische

Beim Einsatz von R407C ist zu beachten, dass die Fllmenge auf Grund der unterschiedlichen Dichte nur etwa 90 % der R22-Fllmenge betrgt. Die Leistungszahl reduziert sich um ca. 3 5 %. Speziell in Wrmepumpenanlagen kommt das Kltemittel R290 (Propan) zum Einsatz. Auf Grund der Brennbarkeit und Explosionsgefahr, wird dieses jedoch nur bis zu einer bestimmten Baugrsse der Wrmepumpe verwendet.21

3. Das h, log p-Diagramm3.1 Allgemein Die zur Kltetechnik gehrenden thermodynamischen Vorgnge sind recht komplex. Sie lassen sich nur mit einem erheblichen Aufwand an Formeln und Tabellen berechnen. In Dampftafeln werden in Abhngigkeit der Siedetemperatur t oder des Siededruckes p die dem Medium eigenen Grssen, wie spezifisches Volumen v, Dichte p, Enthalpie h und Entropie s fr das siedende und das gesttigte Medium tabellarisch festgehalten. Ein Beispiel (siehe Tabelle 3-1): Bei einer Siedetemperatur t = 0 C steht das Kltemittel unter einem Druck p von 2.929 bar. Dies ist der Siededruck fr die entsprechende Temperatur t. Sein Volumen betrgt im siedenden Zustand 0,772 l/kg (dm3/kg)Kltemittel. Die Dichte p, als Kehrwert des spez. Volumens (p = 1/v), betrgt in diesem Punkt 1,29 kg/l (kg/dm3). Die relative Enthalpie h' wurde mit 200 kJ/kg angesetzt (t = 0 C ist der Bezugspunkt dieses Kltemittels fr das besprochene h, log pDiagramm). Mit der Enthalpie h" wird der relative Wrmeinhalt des bei gleichem Druck gesttigten Kltemitteldampfes angegeben. Er betrgt fr das gewhlte Beispiel 397,56 kJ/kg. Die Differenz h" - h' bestimmt die absolute Verdampfungs- oder Kondensationswrme r bei einem gegebenen Druck p. Allgemein beziehen sich Werte mit einem Strich, z.B. v', h', s' etc. auf den siedenden Zustand des Mediums und Werte mit zwei Strichen (v", h", r" etc.) auf den gesttigten, gasfrmigen Zustand.Temperatur Druck Spez. Volumen der Flssigkeit t C - 50 - 45 - 40 - 35 - 30 - 25 - 20 - 15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 p bar 0,299 0,396 0,516 0,666 0,848 1,067 1,330 1,642 2,008 2,435 2,929 3,497 4,146 4,883 5,716 6,651 7,698 8,865 10,160 11,592 13,171 14,907 16,811 18,894 21,170 23,651 26,353 29,292 32,487 35,958 39,728 v' l/kg 0,692 0,699 0,706 0,713 0,720 0,728 0,736 0,744 0,753 0,762 0,772 0,782 0,793 0,804 0,816 0,828 0,842 0,856 0,871 0,888 0,907 0,927 0,949 0,974 1,003 1,036 1,076 1,127 1,194 1,298 1,544 Spez. Volumen des Dampfes v'' l/kg 596,88 459,14 357,66 281,87 224,55 180,67 146,71 120,15 99,17 82,45 69,01 58,11 49,22 41,89 35,83 30,77 26,52 22,94 19,89 17,29 15,05 13,12 11,44 9,97 8,68 7,53 6,50 5,56 4,68 3,83 2,80 h' kJ/kg 137,72 143,48 149,34 155,32 161,40 167,59 173,88 180,28 186,76 193,34 200,00 206,74 213,57 220,46 227,44 234,48 241,61 248,81 256,11 263,50 271,02 278,69 286,53 294,59 302,95 311,68 320,93 330,91 342,02 355,20 374,97 h'' kJ/kg 366,32 369,55 372,78 375,99 379,18 382,34 385,48 388,57 391,62 394,62 397,56 400,44 403,26 406,00 408,66 411,24 413,71 416,08 418,33 420,45 422,41 424,19 425,76 427,09 428,10 428,71 428,81 428,17 426,40 422,55 411,79 r kJ/kg 228,60 226,08 223,44 220,67 217,78 214,75 211,59 208,29 204,85 201,28 197,56 193,70 189,69 185,54 181,23 176,76 172,11 167,27 162,23 156,94 151,39 145,51 139,24 132,49 125,15 117,03 107,87 97,26 84,38 67,36 36,83 Enthalpie der Flssigkeit Enthalpie des Dampfes Verdampfungswrme

Dampftafeln

22

Tabelle 3-1 Auszug aus einer Dampftafel fr R134a

Der deutsche Ingenieur Richard Mollier (1863-1935) entwickelte ein Zustandsdiagramm. Es erlaubt die fr den Kltefachmann wichtigen physikalischen Grssen von Kltemedien und die entsprechenden Prozesse grafisch darzustellen. Wrmemengen, Arbeit, Druckdifferenzen erscheinen als abmessbare Strecken, was die Berechnung der Prozessgrssen und damit die Dimensionierung der kltetechnischen Bauteile wesentlich vereinfacht. Aufgrund dieser Eigenschaften haben die Enthalpie-Druck-Diagramme in der Kltetechnik eine weite Verbreitung gefunden. Die Anwendung des Diagramms auf den Kltekreislauf einer Kompressions-Kltemaschine wird gesondert ausfhrlich geschildert. Enthalpie-Druckdiagramm Allgemein zeigt das Enthalpie-Druckdiagramm die Aggregatszustnde eines Stoffes in Abhngigkeit der Wrmezufuhr und des Druckes auf Enthalpie ist gleichbedeutend wie Wrmeinhalt und wird mit h bezeichnet, und da der Druck p meist logarithmisch aufgezeichnet wird, spricht man unter Fachleuten vom h, log p-Diagramm.

Fig. 3-1 Legende: 1 2 3 4 5 a b c d e f g i r K L

Schematische Darstellung des h, log p-Diagramms

Festkrper-Gebiet Schmelzkrper-Gebiet Gebiet unterkhlter Flssigkeit Nassdampf-Gebiet Gebiet berhitzter Dampf Schmelzlinie Erstarrungslinie Siedelinie Sattdampflinie Tripellinie Desublimationslinie Sublimationslinie Schmelz- bzw Erstarrungswrme Verdampfungs- bzw. Verflssigungswrme Kritischer Punkt Festkrper / Gasgemisch ("Rauch")

Das Diagramm zeigt folgende Zustandsbereiche: Festkrpergebiet Schmelzkrpergebiet Gebiet unterkhlter Flssigkeit Nassdampfgebiet Gebiet des berhitzten Dampfes Sublimationsgebiet eine Phase: zwei Phasen: eine Phase: zwei Phasen: eine Phase: zwei Phasen: fest fest und flssig flssig flssig und gasfrmig gasfrmig fest und gasfrmig23

3.1.1 Zustandsbereiche und Erklrung der Begriffe

Die Schmelzlinie a und die Schmelzwrme i: Zum Schmelzen eines festen Krpers ist eine bestimmte Wrmemenge i erforderlich (Schmelzenthalpie). Ist die Schmelztemperatur erreicht, kann dem Krper weiterhin Wrme zugefhrt werden, ohne dass die Temperatur ansteigt, bis der ganze Krper in den flssigen Zustand berfhrt ist. Man spricht von latenter oder verborgener Wrme, wenn trotz Wrmezufuhr oder -abfuhr keine Temperaturnderung eintritt. Die Schmelzlinie a ist die Verbindung der Schmelzpunkte. Sie werden bestimmt durch den Druck p und den Wrmeinhalt h. Die Erstarrungslinie b und die Erstarrungswrme i: Wird umgekehrt der Flssigkeit Wrme entzogen, bleibt die Temperatur solange konstant, bis der ganze Krper erstarrt ist. Die abgefhrte Erstarrungswrme i entspricht der Schmelzwrme i. Die Verbindung der Erstarrungspunkte ist die Erstarrungslinie b. Das Gebiet der unterkhlten Flssigkeit und die Siedelinie c: Erwrmt man eine Flssigkeit, so nennt man sie unterkhlt, bis sie den Siedepunkt erreicht. Dieser Punkt ist abhngig von der Siedetemperatur und dem Siededruck. Die Siedepunkte werden durch die Siedelinie c verbunden. Das Nassdampfgebiet und die Verdampfungswrme r: Um eine Flssigkeit in den gasfrmigen Zustand zu bringen, ist weitere Wrmezufuhr erforderlich. Ist der Siedepunkt bei gleichbleibendem Druck erreicht, steigt die Temperatur trotz zugefhrter Wrme nicht weiter an, bis die ganze Flssigkeit verdampft ist. Die zugefhrte Wrme bewirkt das Verdampfen der Flssigkeit. Das whrend der Verdampfung vorhandene Gemisch aus siedender Flssigkeit und Dampf nennt man Nassdampf. Die zur Erzeugung von 1 kg Dampf bei einem bestimmten Druck erforderliche Wrme ist die spezifische Verdampfungsenthalpie (Verdampfungswrme) r . Die Sattdampflinie d und berhitzter Dampf: Ist die Flssigkeit restlos verdampft, ist der Dampf trocken und gesttigt. Fr jeden Sttigungsdruck gibt es eine bestimmte Sttigungstemperatur; sie bilden zusammen die Sattdampflinie d . Wird Sattdampf weiter erwrmt, steigt seine Temperatur rasch. Man spricht dann von berhitztem Dampf oder Heissgas. Die Verflssigungswrme: Wird berhitztem Dampf durch Abkhlung Wrme entzogen, sinkt seine Temperatur. Er wird erst zu Sattdampf und verflssigt sich anschliessend, ohne jedoch seine Temperatur zu ndern. Dem Dampf ist die gleiche Wrme wieder zu entziehen, wenn er in den flssigen Zustand berfhrt werden soll (Verflssigung-Kondensation). Die spezifische Verdampfungsund Verflssigungswrme r ist bei gegebenem Druck gleich gross. Der kritische Punkt K: Die spezifische Verdampfungswrme r wird mit steigendem Druck (und steigender Temperatur) immer geringer, um schliesslich bei einem bestimmten Zustand des Dampfes ganz zu verschwinden. Man nennt den Punkt, bei dem kein Unterschied mehr zwischen siedender Flssigkeit und Sattdampf besteht, den kritischen Punkt. Er trennt die Siedelinie von der Sattdampflinie. Oberhalb des kritischen Punktes besteht kein Unterschied mehr zwischen Flssigkeit und Dampf. Das Medium befindet sich im kritischen Zustand.

24

Die Sublimationslinie g und die Desublimationslinie f: Feste Krper knnen bei Temperaturen, die unterhalb des Schmelzpunktes liegen, auch unmittelbar in dampffrmigen Zustand bergehen (Sublimation) oder umgekehrt (Desublimation). Beispiel ein Schneekristall verdampft: Im Winter kann beobachtet werden, dass dnne Eisschichten bei Temperaturen unterhalb von 0 C und bei trockener Luft auch ohne Einwirkung der Sonnenstrahlen nach wenigen Tagen verschwunden sind. Desublimation kann beobachtet werden, wenn feuchte Luft bei Temperaturen unter 0 C ohne vorgngige Kondensation "Reif" bildet. Auch Schneekristalle entstehen durch Desublimation. 3.1.2 Der Diagrammbereich fr Kltemittel Fr die Praxis der Kltetechnik wurde ein geeigneter Bereich des Mollier-Diagrammes ausgewhlt. Darin erscheinen nur noch die Zustandsarten "flssig" und "gasfrmig", sowie ihre Mischformen.

Fig. 3-2 Legende: a b c d e f g K

Diagrammbereich fr Kltemittel

Schmelzlinie Erstarrungslinie Siedelinie Sattdampflinie Tripellinie Desublimationslinie Sublimationslinie Kritischer Punkt

3.2 Der Aufbau des Diagramms

Anhand des in der Praxis hufig verwendeten Kltemittels R134a werden die Zustandsgrssen und Zustandsnderungen schrittweise entwickelt und erlutert. Auf der waagerechten Achse, der Abszisse, wird der Wrmeinhalt (Enthalpie h) mit einer linearen Skala abgetragen. Die Enthalpie drckt aus, wieviel Wrme (in kJ) pro kg Masse in einem Stoff enthalten ist. Da der Diagrammbereich je nach Problemstellung gewhlt wird, handelt es sich nicht um die absolute, sondern um die relative Enthalpie. Sie ist deshalb immer auf einen bestimmten Punkt bezogen, z.B. auf siedende Flssigkeit bei 0 C. Der Ursprung des Koordinationssystems wird meist mit einer ganzen, runden Zahl, wie 0, 100, 200 kJ/kg gewhlt. Der zahlenmssige Bereich der Skala ndert je nach Kltemittel. Die vertikalen Linien sind die Isenthalpen, Linien gleichen Wrmeinhaltes.

3.2.1 Die Koordinaten h, p

25

Fig. 3-3 Grundraster Legende: 1 Isobaren 2 Isenthalpen

Auf der senkrechten Achse, der Ordinate, wird der Druck p aufgetragen. Um in den meistbenutzten Bereichen die Diagramme bersichtlicher zu gestalten, wird der Druck in logarithmischem Massstab dargestellt. Logarithmisch bedeutet, dass zeichnerisch gleiche Abstnde zwischen den Potenzen bestehen. Die horizontalen Linien sind die Isobaren, Linien gleichen Druckes. Im h, log p-Diagramm lsst sich die Flle von Werten aus der Dampftafel auf eine einfache Art abbilden. Fr jeden Druck p wird der Dampftafel der entsprechende Wrmeinhalt der siedenden Flssigkeit h' und des Sattdampfes h" entnommen und auf das Diagramm bertragen. Beispiel: p = 2,929 bar, Enthalpie der siedenden Flssigkeit h' = 200 kJ/kg, Enthalpie des gesttigten Dampfes h" = 397,56 kJ/ kg. Die Verdampfungswrme h"-h' kann als Strecke r direkt auf dem Diagramm abgemessen werden.

Fig. 3-4

Siedelinie und Sattdampflinie

26

Legende: 1 Flssigkeit 2 Nassdampf 3 Heissgas

Die Werte fr h' und h" bilden die jeweiligen Grenzkurven fr die Siedelinie links und der Sattdampflinie rechts vom kritischen Punkt K. Durch die Grenzkurven sind die Bereiche "flssig", "Nassdampf" und "Heissgas" klar getrennt. Man stellt weiter fest, dass die Verdampfungswrme r mit steigendem Druck abnimmt, um im kritischen Punkt K ganz zu verschwinden. 3.2.2 Verhltnislinien x Nassdampf ist ein Gemisch aus siedender Flssigkeit und Sattdampf. Mit den Verhltnislinien x knnen die Gas- bzw. Flssigkeitsanteile im Nassdampfgebiet bestimmt werden. x drckt den Anteil Gas im Nassdampfgebiet aus, 1-x den Flssigkeitsanteil. Entlang der Linie x = 0,4 liegt also ein Gemisch aus 40 % Gas und 60 % siedendem Kltemittel vor. x wird tabellarisch nicht aufgefhrt, weil es sich um reine Verhltniszahlen handelt.R134a50.00 40.00 30.00 9Q165n

20.00

Pressure [Bar]

10.00 9.00 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00

2.00

x = 0,10 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 140 160 180 200

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

220

240

260

280

300

320

340

360

380

400

420

440

460

480

500

520

540

560

Enthalpy [kJ/kg]

Fig. 3-5

Verhltnislinien x = konstant

3.2.3 Isothermen t

Isothermen sind Linien gleicher Temperatur. Sie ndern ihre Verlaufsform sprungartig beim Wechsel des Aggregatszustandes. In realen Kltemitteldiagrammen sind die Isothermen im Flssigkeitsund Nassdampfgebiet aus Grnden der bersichtlichkeit nicht ausgezogen. Deren Verlauf ist aber durch kleine Winkel auf der Siedelinie angedeutet. Im Nassdampfbereich verlaufen die Isothermen waagrecht, parallel zu den Isobaren. Eine Zufuhr von Wrme wird ausschliesslich fr die Verdampfung des Mediums gebraucht (latente Wrme). Beispiel: Beim Druck p = 2,929 bar wird siedendes Kltemittel von 0 C durch die Wrmezufuhr r = 197,56 kJ/kg in Sattdampf von 0 C umgewandelt.

Im Heissgasbereich fallen die Isothermen steil ab. Eine geringe Wrmemenge gengt hier, um die Temperatur rasch ansteigen zu lassen (sensible Wrme). In diesem Bereich liegen die Isothermen deshalb merklich nher beieinander. Ein Ansteigen der Temperatur bewirkt ein Durchschneiden der Isothermen von links nach rechts. Wird Sattdampf von 0 C durch eine Wrmezufuhr von 80 kJ/kg berhitzt, steigt die Temperatur auf ca 80 C.

27

R134a100 50.00 40.00 30.00 80

9Q166n

50 C90

100 90 80

0 C60 20.00 50

70

70 60

50 C

50 40

Pressure [Bar]

20

10.00 9.00 8.00 7.00 6.00 10 5.00 4.00

30

40

30 20 10

32 C3.00 -10

0 C

0

0

2.00 -20

-10

-20 -30

1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 -40

-30

-40 x = 0,10 140 160 180 0,20 200 0,30 220 0,40 240 0,50 260 0,60 280 0,70 300 0,80 320 340 0,90 360 -40 380 -20 0 20 420 40 440 60 460 80 480 100 500 120 520 140 540 160 560

Enthalpy [kJ/kg]

400 397,56

Fig. 3-6 Linien gleicher Temperatur (Isothermen, t = konstant)

Im Flssigkeitsbereich fallen die Isothermen mit zunehmender Entfernung vom kritischen Punkt von oben nach unten steiler ab. Das heisst wiederum, dass eine nderung des sensiblen Wrmeinhalts sich auf die Temperatur unmittelbar auswirkt. Beispiel: Wird siedendem Kltemittel von 0 C, Wrme von 40 kJ/kg entzogen, so khlt es sich auf - 32 C ab. Die kritische Temperatur durchschneidet das Nassdampfgebiet nicht mehr. Sie berhrt lediglich den kritischen Punkt. Isothermen, deren Temperatur ber kritisch liegen, verlaufen ausschliesslich im berhitzten Gasbereich. 3.2.4 Spezifisches Volumen v Eine weitere wichtige Grsse im Diagramm ist das spezifische Volumen v. Es wird blicherweise in m3/kg angegeben und zeigt, wie gross das Volumen von einem Kilogramm Masse bei einem gegebenen Druck p tatschlich ist. In der Dampftafel werden zwei grundverschiedene spezifische Volumina angegeben, nmlich das von siedender Flssigkeit mit v' und dasjenige von Sattdampf mit v". Wie stark diese Werte vom Aggregatszustand abhngen, zeigt ein Vergleich auf der Dampftafel fr R134a Tabelle 3-1. Bei einem Druck p von 2,929 bar und einer Temperatur t von 0 C betrgt v' = 0,772 dm3/kg, (= 0,000772 m3/kg, Punkt A), whrend bei gleichem Druck Sattdampf ein Volumen von 0,0691 m3/kg einnimmt (Punkt B). Das Volumen von Dampf vergrssert sich also um etwa das 89-fache. Weil das Gasvolumen pro kg bei gewissen Drcken wesentlich grsser als dasjenige der Flssigkeit ist, wird die Einheit fr v" von dm3/kg vielfach auf m3/kg gewechselt (1'000 dm3 = 1 m3).

28

0. 00

R134a10050.00

0.0100

0 02

15

0.0

030

0.00

40

0.00

50

9Q167n

90

40.00 30.00

90

80

80

60

20.00

Pressure [Bar]

20

10.00 9.00 8.00 7.00 6.00

0 02 0,0 = 30 0 0,0 = 0 40 0,0 = 0 06 0,0 = 80 ,00 =0 10 0,0 =0 = 5 ,0110

70

70 60 50 40 30 20

10

5.00 4.00

30

40

50

0 =

0 ,020

0

3.00

0 =

0 ,03 0 ,04

-10

A

0 =

B-10

C D

2.00

-20

=

60 0,00 ,08-20

=0

1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50

-30

,10 =0 ,150 =0-30

,20 =0-40

-40x = 0,10 140 160 180

0,20 200

0,30 220

0,40 240

0,50 260

0,60 280

0,70 300

0,80 320 340

0,90 360

-40 380

-20 400

0

20 420

40 440

60 460

80 480

100 500

120 520

140 540

160 560

Enthalpy [kJ/kg]

Fig. 3-7

Linien gleichen spezifischen Volumens. (Isochoren, v = konstant)

Dem spezifischen Volumen kommt in der Kltetechnik grosse Bedeutung zu. Allgemein stellt man fest, dass das spezifische Volumen von Kltemittel mglichst klein sein soll, um mit kleinem Volumen eine mglichst grosse Kltemittelmenge m zu transportieren. Es besteht zwischen der Kltemittelmenge m und dem spez. Volumen v folgender Zusammenhang: V: m=V v m: v: Volumenstrom in m3/h Kltemittelmenge in kg/h spez. Volumen in m3/kg

Angenommen, ein Verdichter mit konstantem Frdervolumen V transportiert bei einem bestimmten Druck p1 eine gewisse Kltemittelmenge m. Eine Drucknderung auf p2 wrde das spez. Volumen v und somit die transportierte Kltemittelmenge nachhaltig beeinflussen. Beispiel: v1 = 0,08 m3/kg, p1 = 2,929 bar (Punkt C), v2 = 0,10 m3/kg, p2 = 2,5 bar (Punkt D).

Die gefrderte Kltemittelmenge m sinkt um 20%. 3.2.5 Isentropen s Im Nassdampfbereich und im Gebiet des berhitzten Dampfes befinden sich die Isentropen. Es sind dies Linien gleicher Entropie s. Die Entropiezunahme ist ein Mass fr die bei technischen Prozessen entstehenden Wrmeverluste. Sie ist eine kalorische Grsse wie die Enthalpie und hat in jedem Zustand einen bestimmten Wert. Die absolute Grsse der Entropie ist unbestimmt. Sie wird von einem willkrlichen Punkt, meist dem Normzustand (bei R134a: 0 C) gerechnet. Die Einheit der Entropie s ist kJ . kgK

29

R134a100 50.00 90 40.00 30.00 70 80 100 90 80 70 60 20.00 50 60 50 40 40 30 301,7 51,70

9Q168n

1,8 5

20

1,9 0

Pressure [Bar]

=

=

10

10 4.00 0 3.00 -10 0

=

5.00

2,0 0

6.00

20

=

1,9 5

10.00 9.00 8.00 7.00

=

p2= 1,8 0

=

=

2,0 5

p12,1 0 2,1 5 =

2.00 -20

-10

= =

1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 -40

-30

-30

-40 x = 0,10 0,20 s = 1,00 200 0,30 220 0,40 1,20 240 0,50 260 0,60 0,70 1,40 280 300 0,80 0,90 1,60 320 340 360 -40 380 -20 400 0 20 420 40 440 60 460 80 480 100 500 120 520 140 540 160 560

140

160

180

Enthalpy [kJ/kg]

h1

P

h2

Fig. 3-8

Linien gleicher Entropie (Isentropen, s = konstant)

Die Isentropen sind fr den Kltefachmann vor allem im Gebiet des berhitzten Dampfes von Nutzen. Entlang einer solchen Linie gleicher Entropie folgt die Verdichtung in einem idealen, d.h. verlustfreien Verdichter. Die lsentropen erlauben somit, die ideale (theoretische) Verdichtungsarbeit P pro kg Kltemittel durch den Vergleich der Anfangs- und der Endenthalpie (nach der Kompression) zu bestimmen. Dies wiederum ermglicht es, auf den tatschlichen Leistungsbedarf eines Verdichters zu schliessen. Beispiel: Ein Verdichter saugt Kltemittel im Zustand h1/p1 an und verdichtet es auf h2/p2. Die technische Arbeit P entspricht dabei der Enthalpiedifferenz h2 - h1. Ein realer Verdichtungsvorgang wre mit einer Zunahme der Entropie verbunden (Verluste). Die Arbeitskurve kme daher rechts vom Punkt h2/p2 zu liegen (gestrichelte Linie ---). 3.3 Zusammenfassung Der Aufbau des h, log p-Diagramms ist nun abgeschlossen. Mit seiner Hilfe lassen sich die Zustnde des Kltemittels in seinen verschiedenen Phasen genau beschreiben. Dazu stehen die sechs Grssen zur Verfgung: Bezeichnung 1. Druck 2. Enthalpie 3. Dichte 4. Spezifisches Volumen 5. Flssig- Dampfanteil 6. Temperatur 7. Entropie Symbol p h r v x t s Dimension bar kJ/kg kg/dm3 dm3/kg * 100 in % C kJ/kg K

Mit dem h, log p-Diagramm kann man insbesondere Klteprozesse mit den Betriebspunkten der Kltemaschine bersichtlich darstellen und die Wirkung von Regeleingriffen auf die Maschine klar aufzeigen.

30

=

2,2 5

2,2 0

-20

4. Mechanischer Aufbau der Kompressionsanlage4.1 Einleitung In der Klte und Klimatechnik kommt heute zu mehr als 90% der Kompressions-Klteprozess zur Anwendung. Wesentliches Merkmal fr diesen Prozess ist die Verwendung von Kltemitteln, welche bei der Verdampfungstemperatur t0 dem zu khlenden Medium eine mglichst grosse Verdampfungswrme entziehen, dabei verdampfen und bei der Kondensationstemperatur tc unter beherrschbaren Drcken wieder verflssigt werden knnen. Der Verdichter erbringt die Arbeitsleistung und sorgt fr den Kltemitteltransport. Es handelt sich hier um den sogenannten Kaltdampf-Klteprozess. Eine andere Art der Klteerzeugung ist mit dem AbsorptionsKlteprozess mglich. Hier wird das Kltemittel mit einem Lsungsmittel im Absorber absorbiert und unter Zufuhr von Wrme im Generator (Austreiber) wieder ausgetrieben. Die Funktionsweise der Absorbtionskltemaschine wird im Kapitel "Der Absorptions-Kreisprozess" erlutert.

Fig. 4-1

Mglichkeiten des Wrmeentzugs, Luft und Wasser, Verdunstung

31

4.2 Der Verdichter Zweck der Verdichtung

Der Zweck des Verdichters besteht darin, das dampffrmige Kltemittel bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur aus dem Verdampfer abzusaugen, es zu verdichten und durch diesen Vorgang auf einen hheren Druck und eine hhere Temperatur zu bringen, bei welcher das Kltemittel wieder verflssigt werden kann. Bei den Verdichtern unterscheidet man zwischen: Hubkolbenverdichter offene halbhermetische vollhermetische

Verdichter Bauarten

Rotationskolbenverdichter Schrauben-, Scroll-, Zellenrad,Wankel-, Turboverdichter 4.2.1 Hubkolbenverdichter In der Klimatechnik ist die hufigste Anwendung der Hubkolbenverdichter.

Fig. 4-2

Schnitt offener Tauchkolbenverdichter, Baureihe D, Firma Linde AG mit 2 Zylindern

32

Legende: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Zahnrad-lpumpe Saugseite Zylinderbuchse Kolben Arbeitsventile Druckseite berstrmventil Gleitringdichtung Kurbelwelle lfilter Pleuelstange Kurbelgehuseheizung lschauglas

Arbeitsweise Zylinder des Hubkolbenverdichters

Der Verdichter besteht aus einem Zylinder mit Ventilen, in welchem ein Kolben durch Motorantrieb hin und her bewegt wird. Beim Vergrssern des Zylinderholraums schliesst das obere Ventil. Bei angehobenem Ventil wird durch die untere ffnung das Kltemittel angesaugt. Der Kolben komprimiert das Gas beim Verkleinern des Zylindervolumens und drckt es in den oberen Raum, zugleich wird durch diesen Vorgang das Kltemittel im Kltekreislauf bewegt (siehe Fig. 4-3 und Fig. 4-4).

Fig. 4-3

Schnittzeichnung Zylinderkopf

Fig. 4-4

Schematische Darstellung der Funktionsweise

Legende: 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Einlassventil Dichtungen Zylinderkopf Ventilplatte Auslassventil schdlicher Raum Kolben Zylinderwand Zylinder

Den Komprimierungsvorgang kann man sehr leicht durch den Vergleich mit dem Aufpumpen eines Fahrradreifens erklren: Beim Einpumpen der Luft in den Reifen wird die Luft komprimiert und ber das Ventil in den Reifen gepresst. Das untere Ende der Luftpumpe wird warm, der Druck im Reifen erhht. Die fr diesen Vorgang bentigte Arbeit wird durch den Menschen erbracht. Durch mechanische Arbeit wird eine Druck- und Temperaturerhhung erzielt. Die vom Verdichter erbrachte Leistung muss bezahlt werden. 4.2.1.1 Offene Verdichter Die Unterscheidung zwischen offenen, hermetischen und halbhermetischen Verdichtern hat nichts mit der Art der Kolben oder hnliches zu tun. Vielmehr bezieht sich diese Ausdrucksweise nur auf das Verhltnis Verdichter /Antriebsmaschine. Der offene Verdichter hat ein geschlossenes, unter Kltemitteldruck stehendes Gehuse. Der Antrieb erfolgt ausserhalb vom Gehuse an der Antriebswelle.33

Fig. 4-5 offener Verdichter mit Keilriemenantrieb

Fig. 4-6 offener Verdichter mit Direktantrieb

Antriebe:

Vorteil: Nachteil: Anwendung:

alle mglichen Kraftmaschinen (Elektro-, Gasmotoren und hnliches), entweder direkt auf der Welle oder mit Riementrieb. Motor leicht austauschbar, bessere Mglichkeit der Reparatur. Abdichtung der Wellendurchfhrung, Reibungs- und Antriebsverluste. Fr Leistungen von 0 1 MW geeignet, in der Klimatechnik eher weniger angewendet.

4.2.1.2 Halbhermetische Verdichter

Beim halbhermetischen Verdichter ist der elektrische Antriebsmotor zusammen mit dem Verdichter im gleichen Gehuse untergebracht.

Fig. 4-7

Halbhermetischer Verdichter (R22-Motorverdichter, Carrier)

Legende: 1 Druckabsperrventil 2 Kolben 3 Kurbelwelle 4 lpumpe 5 Lager 6 lsaugleitung 7 lfilter 8 Zylinderkopf

9 10 11 12 13 14 15 16

Kurbelgehuse 17 Motorgehuse 18 Hauptlager 19 Ansaugfilter 20 Gasdruckausgleich 21 Saugabsperrventil lwannen-Anschluss ldruckregulierungsventil

lstand ldruck-Rckflussventil Motor Druckausgleichrohr Gaseintritt

34

Das Gehuse mit dem Antriebsmotor und dem Verdichter ist zusammengeschraubt (gekapselt), der Motor ist mit einer Spezialisolierung zum Betrieb im Kltemittel versehen und wird durch den (kalten) Kltemitteldampf gekhlt. Da mit steigender Klteleistung die Khlwirkung besser wird, knnen die Antriebsmotoren auch klein dimensioniert werden. Vorteil: Trotz der gekapselten Bauweise ist eine Reparatur am Motor leicht mglich. Die Nachteile der Welleabdichtung entfallen. Empfindlich gegen Verunreinigungen, es darf keinerlei Feuchtigkeit oder Schmutz im Kltesystem sein. Das gesamte Kltesystem muss vor der Inbetriebnahme evakuiert werden. Fr Leistungen von etwa 3 500 kW geeignet. Grosses Anwendungsgebiet in der Klimatechnik.

Nachteil:

Anwendung:

4.2.1.3 Hermetische Verdichter

Motor und Verdichter sind in einem verschweissten, dicht geschlossenen Gehuse untergebracht.

Fig. 4-8 Legende: 1) A B C D E F G H

Hermetischer Verdichter

Gehuse geschweisst Rotor Stator Zylinder Kolben Pleuel Kurbelschleife Kapselgehuse elektrische Anschlsse

Der Name sagt bereits alles ber die Bauart aus, das heisst es handelt sich um ein von aussen nicht mehr zugngliches, vollstndig verkapseltes Gert.

35

Vorteil:

Durch die kompakte Bauweise preiswert. Hufig werden diese Verdichter bereits im Herstellwerk komplett mit Verdampfer und Verflssiger zusammengebaut. Schutz gegen Verunreinigungen, Grossserienbauweise; die hohe Przision bei der Fertigung ermglicht eine lange Lebensdauer. Keine Reparaturmglichkeit, lkontrolle und Auswechseln der Ventile nicht mglich. Im unteren Leistungsbereich, Khlmbel, kleine Klimagerte.

Nachteil:

Anwendung:

Wichtig Bei allen Verdichterarten muss fr eine ausreichende Khlung und Schmierung der beweglichen Teile gesorgt werden. Die Khlung erfolgt meist durch den im Kreislauf vorhandenen kalten Kltemitteldampf oder durch Khlrippen und Umgebungsluft (ausgenommen beim offenen Verdichter). Die Schmierung erfolgt meist durch entsprechendes l, wobei das Kriterium der lrckfhrung im Kltekreislauf durch geeignete Massnahmen beachtet werden muss.

4.2.1.4 Leistung

Die Leistung des Verdichters Q0 wird durch den vom Verdichter gefrderten Kltemittelmassenstrom mk und die Zunahme der spezifischen Enthalpiedifferenz des Kltemittels im Verdampfer h1 - h3 bestimmt. h3 ist die Enthalpie des flssigen Kltemittels vor dem Expansionsventil, h1 die Enthalpie des verdampften Kltemittels am Verdampferaustritt. Q0 = mk (h1 - h3) Hauptfaktoren, welche die Leistung des Verdichters beeinflussen, sind:

a. mechanische Konstruktion

-

Hubvolumen, Funktion von Bohrung, Hub und Zylinderzahl Toter Raum, verbleibender Raum zwischen Kolben und Zylinder Saug- und Druckventile, Form und Grsse sind Auslegungsfaktoren Drehzahl Saugdruck Verdichtungsdruck Kltemittel

b. die Anwendung

-

4.2.2 Schraubenverdichter a. Einrotoriger Schraubenverdichter

Man unterscheidet zwei verschiedene Arten: Eine mit Nuten versehene Walze wird angetrieben. Die Verdichtung erfolgt durch eine oder mehrere in die Nuten eingreifende Zahnscheibe. Die Verdichtung erfolgt durch ineinanderkmmende Walzen, von denen die Antriebsseite schraubenfrmig angeordnete Vorsprnge, die andere schraubenfrmige Nuten hat. Durch unterschiedliche Gangzahl, meistens Antrieb = 4, Nuten = 6, entstehen in axialer Richtung wandernde Verdichtungsrume. Nur drehende Bewegung, keine Ventile, stufenlose Drehzahlregelung.

b. Zweirotoriger Schraubenverdichter

Vorteile gegenber Hubkolben36

Arbeitsweise: Fig. 4-9 Legende: 1 2 3 4 Schraubenverdichter

Zylinder Steuerschieber Ansaug Ausschub

4.2.3 Scrollverdichter

Der Scrollverdichter oder auch Spiralverdichter genannt, zhlt wie der Schrauben- und der Rollkolbenverdichter zur Gruppe der Rotationsverdichter. Die Verdichtung erfolgt durch eine fixe und eine rotierende Spirale. Die Spiralen rollen ineinander und erzeugen durch die spiralfrmige Rotation die Verdichtung. Das verdichtete Gas wird im Zentrum ausgestossen (Fig. 4-10, H). Da sich die Spirale fortlaufend dreht, befindet sich zu jedem Zeitpunkt Kltemittel mit unterschiedlichstem Druck im Verdichter. Daher luft der nachfolgend gezeigte Prozess nicht schrittweise sondern "endlos" (Fig. 4-10 A - H).

Fig. 4-10 Funktionsprinzip der Verdichtung mit einer rotierenden und einer fixen Spirale

Fig. 4-11 Typischer Scrollverdichter in vertikaler Bauweise

37

Der Scrollverdichter drfte zurzeit die fortschrittlichste Verdichterbauart sein und wird zuknftig den Hubkolbenverdichter im Kleinstleistungsbereich (1 50 kW) immer mehr verdrngen. Die Rotationsverdichter eignen sich fr kontinuierliche Drehzahlsteuerung mittels FrequenzUmformer, und dies verspricht einen noch effizienteren Energieeinsatz. 4.2.4 Rollkolbenverdichter Die Verdichtung erfolgt durch an der Innenwand eines Kreiszylinders abrollenden, auf der Welle exzentrisch gelagerten Kolbens. Anwendung nur im Bereich hermetischer Verdichter.

Verdichtungshub beginnt, Saugund Druckseite sind geschlossen Fig. 4-12 Rollkolbenverdichter Legende: 1 Druckleitung 2 Trennschieber 3 Saugleitung

Ansaugen von Kltemitteldampf und Verdichten

4.2.5 Turboverdichter

Die Verdichtung erfolgt durch Beschleunigung des Gasstroms im Laufrad und anschliessender Umsetzung der kinetischen Strmungsenergie in Druckerhhung im Diffusor. Der Aufbau und das Betriebsverhalten ist mit dem Radialventilator vergleichbar. Wegen der grossen Volumen ist der Anwendungsbereich eher bei grossen Klteleistungen anzutreffen. Vorteile: Dynamische Laufeigenschaften, geringer Verschleiss, gute Regelbarkeit.

Fig.4-13 Turboverdichter

38

Legende: Turbo-Motorverdichter mit Direktantrieb (Trane. Typ Cen Tra Vac). Rotor des Elektromotors (6) und die beiden Laufrder (37 = erste Stufe, 18 = zweite Stufe) sitzen auf gemeinsamer Welle (33), von zwei Gleitlagern (12) mit axialem Bund getragen. Axialer Schubausgleich durch Gegeneinanderrichtung der Laufrder. Beide Lager durch Deckel (5) und Dichtringe (17) gegen laustritt gedichtet. Drucklzufluss von lpumpe (21) ber Leitung (3), Abfluss ber Leitung (32) zum lbehlter. Motorgehuse mit Spiralgehusen (10 und 31) zusammengeflanscht, abgedichtet durch Labyrinthdichtung (13). Motorkhlung durch Kltemitteldampf, der aus Verdampfer ber Kanal (8) mittels Ventilatoren (9) durch Motorgehuse gesaugt und ber (nicht sichtbare) Verbindungsrohre wieder in den Verdampfer zurckgefrdert wird. Bei Motorkhlung mit Wasser nur Zirkulation im geschlossenen Mantelraum. Dralldrosseln (14) an beiden Stufen. Klteleistung im Klimabereich 0,8 bis 2,5 MW.

Leistungsbereiche von Kompressions- und Absorptionsmaschinen fr den Einsatz in der Klte-, Klima- und WrmepumpentechnikKompressions- und Absorptionsmaschinen fr den Einsatz in Klte-, Klima- und Wrmepumpen-Anlagen Vollhermetische Verdichter (meist in Hubkolbenbauart, aber auch als Roll- oder Drehkolbenverdichter einschl. Sonderbauarten) Halbhermetische Hubkolben-Verdichter Offene Hubkolben-Verdichter Schrauben-Verdichter Absorptions-Maschinen (mit indirekter Beheizung: Dampf oder Heisswasser) Hermetische Turbo-Verdichter Offene Turbo-Verdichter Leistungsbereiche bei t0 0 C

>0

50.000 W

>0 >0 0,2 0,35

300.000 W 1 MW 5 MW 6 MW

0,35 0,35

6 MW 30 MW

Fig. 4-14 Leistungsbereiche von Kompressions- und Absorptionsmaschinen

4.3 Verflssiger (Kondensator)

Durch den Verdichtungsprozess im Kltekreislauf hat das Kltemittel eine Druck- und Temperaturerhhung erfahren. Vorteil des hheren Druckniveaus: Das Kltemittel hat eine hhere Verdampfungstemperatur. Betrachtet man den Verflssigungsvorgang, so stellt man fest, das Kltemittel bei hohem Druck durch Wrmeentzug kondensieren kann.

Zweck

Wrmeentzug der zum Verdampfen und durch Verdichten des Kltemittels zugefhrten Energie (Abwrme) Wrmeabgabe an ein Heizsystem (Wrmepumpe) oder Wrmerckgewinnung der zum Verdampfen und durch Verdichten des Kltemittels zugefhrten Energie In beiden Fllen geht es immer darum, dem dampffrmigen Kltemittel soviel Wrme wie mglich zu entziehen und es vom gasfrmigen in den flssigen Zustand zurckzufhren. Verflssiger Bauarten: Wassergekhlte Verflssiger Luftgekhlte Verflssiger Verdunstungsverflssiger

39

4.3.1 Wassergekhlte Verflssiger

Arbeitsweise: Bei den wassergekhlten Verflssigern sind in der Klimatechnik die Rohrbndel- oder Rhrenkesselverflssiger die gebruchlichsten.

Fig. 4-15 Schnittzeichnung durch einen Rohrbndelverflssiger Legende: 1 2 3 4 5

Khlmittel aus Khlmittel ein Innenrohre berhitzter Kltemitteldampf tritt ein zur Flssigkeitsleitung

Die Arbeitsweise ist bei diesen Bauarten sehr hnlich: Das kalte Khlmittel durchstrmt die Innenrohre, whrend sich das heisse Kltemittel im Mantelraum oder in der Kltemittelleitung zunchst abkhlt und dann verflssigt. Khlmedien: Stadtwasser (Leitungswasser); teuer, unwirtschaftlich Brunnen-, Flusswasser; nicht berall erlaubt Seewasser; Salzgehalt Kreislaufverbundene Systeme; Wrmerckgewinnung

4.3.2 Luftgekhlte Verflssiger

Bei den luftgekhlten Verflssigern wird das durch eine Rohrleitung strmende Kltemittel mittels der Umgebungsluft abgekhlt und ndert dabei auch seinen Aggregatzustand. Wird die Umgebungsluft nicht mechanisch bewegt, spricht man von statisch belftetem Verflssiger, z.B. Khlschrank-Rckseite. Anwendung bei kleineren Khlleistungen. In der Klimatechnik werden jedoch Lamellenverflssiger angewendet, welche direkt in einem Luftkanal zur Wrmerckgewinnung montiert sein knnen oder, mit einem Ventilator versehen, hufig auf dem Dach eines Gebudes montiert sind.

Fig. 4-16 Luftgekhlte Verflssiger

40

Legende: 1 Axialventilator 2 Anschluss fr Druckleitung 3 Anschluss zum Kltemittelsammler

Vorteile gegenber wassergekhlten Veflssigern: 4.3.3 Verdunstungsverflssiger Wartungsfreier Betrieb, leichte Reinigung mglich Wasser zu teuer, aggressiv, unrein keine Vereisungsgefahr

Beim Verdunstungsverflssiger wird meist zustzlich zur Luftkhlung ein Wasserstrom umgewlzt und ber die Oberflche der Khlschlangen mit dem Kltemittel gefhrt.

Fig. 4-17 Verdunstungsverflssiger Legende: 1 2 3 4 5 6 7 8 Radiallfter Riemenschutzgitter Elektromotor Luftaustritt Sprhdsen Wassertropfenabscheider Sprheinrichtung Kltemitteleintritt 9 Drosselklappe 17 Fundamentstreifen 10 Druckausgleichsanschluss 18 Ansauggitter 11 Kltemittelaustritt 12 Schwimmerventil 13 Entleerung 14 Saugsieb 15 Autom. Abschlmmeinrichtung 16 Verflssigerschlangen

In diesem Kreislauf wird nur der Wasserstrom umgepumpt, welcher zum Benetzen der Verflssigerrohre erforderlich ist. Das verdunstete Wasser wird ber eine Schwimmerregelung nachgefhrt. Im Winter ist wegen der Frostgefahr das System zu entleeren und der Verflssiger nur mit Luftkhlung zu betreiben. Verflssigerleistung Damit eine Klteanlage richtig arbeiten kann, muss die Verflssigungstemperatur bzw. der Verflssigungsdruck innerhalb bestimmter Grenzen gehalten werden. Hohe Verflssigungsdrcke verursachen einen hheren Leistungsbedarf am Verdichter, was zur berlastung des Antriebsmotors fhren kann. Aus diesem Grund wird die Hochdruckseite mit entsprechenden Begrenzungs- und Sicherheitsgerten abgesichert. Niedrige Verflssigungsdrcke ergeben am Expansionsventil einen zu geringen Druck der Kltemittelflssigkeit, was zur unregelmssigen und instabilen Versorgung des Verdampfers und somit der eigentlichen Klteleistung fhren kann.41

Die Leistung einer Klteanlage steigt, wenn der Verflssigungsdruck in zulssigen Grenzen = Arbeitsbereich des Expansionsventils sinkt. Die Leistung des Expansionsventils ist, wie beim Ventil im Wasserkreislauf, vom Druckabfall ber dem Ventil abhngig. 4.4 Die Expansion Nachdem das Kltemittel nun wieder im flssigen Zustand am Austritt des Verflssigers zur Verfgung steht, kann es wieder dem Verdampfer zugefhrt werden. Dieser Vorgang erfolgt ber das Drosselorgan. Das Drosselorgan, Regler oder meist Expansionsventil genannt, hat im Klteprozess die Aufgabe, das flssige Kltemittel von einem hheren Druck und einer hohen Temperatur auf einen niederen Druck und eine niedere Temperatur zu bringen. Das Kltemittel wird entspannt. Eine weitere Aufgabe besteht darin, dem Verdampfer nur soviel flssiges Kltemittel zuzufhren, wie bei dem jeweiligen Betriebszustand der Anlage verdampfen kann. Kapillarrohr handgesteuerte Drosselorgane automatische Drosselorgane thermostatische Drosselorgane elektronische Drosselorgane

Zweck der Expansion

Bauarten der Expansionsorgane

Arbeitsweise der Expansionsorgane

Die Entspannung beginnt im Drosselventil sofort nach der engsten Stelle, z.B. am Ventilsitz. Bei diesem Vorgang verdampft bereits ein Teil des Kltemittels und entzieht dem flssigen Anteil die Verdampfungsenthalpie. Dadurch sinkt die Kltemitteltemperatur auf die Verdampfungstemperatur (Druck) t0, ohne dass Wrme an die Umgebung abgegeben wird h = konstant. Nachfolgend wird die Funktion des thermostatischen Expansionsventils erklrt, da diese in der Lftungs-/Klima-Technik die hufigste Anwendung findet.

4.4.1 Thermostatische Drosselventile

Mit den Ventilen wird nicht der Verdampferdruck sondern die berhitzungstemperatur nach dem Verdampfer geregelt. Die Ventilauswahl wird durch das verwendete Kltemittel bestimmt.

Fig. 4-18 Hauptbestandteile eines thermostatischen Ventils

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Legende: 1 2 3 4 5 6 7 8

Kapillarrohr Regelorgan Regelfeder Sitz Ventilkegel Gehuse Einstellschraube Temperaturfhler

Die Funktion des Ventils wird durch den Verdampferdruck p0 und durch den Fhlerdruck p1 bestimmt.

Fig. 4-19 Schematischer Aufbau eines thermostatischen Ventils Legende: 1 2 3 4 5 6 7

Flssigkeitsleitung Raum 2 Verdampfer Temperaturfhler Saugleitung Druckstift Regelfeder

Im Raum 2 herrscht der Fhlerdruck p1. Die Kraft F1 aus Fhlerdruck und Membranflche wirkt immer als ffnungskraft. Durch den Druckstift wird die Bewegung der Membrane auf den Ventilkegel bertragen. Im Raum unter der Membrane steht der Verdampferdruck p0 und die Kraft F0 an und bewirkt die Schliessrichtung. Mit der Regelfeder kann man nun genau bestimmen, bei welcher Differenz zwischen Fhlerund Verdampfungsdruck das Ventil zu ffnen beginnen soll. Durch diesen Zusammenhang wird auch die Fllung des Verdampfers bestimmt.

Fig. 4-20 Druckverhltnisse und Fllung des Verdampfers p1 = p0 + p3

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Der Kltemitteleintritt ist bei A. Bei B soll das Kltemittel verdampft sein, um es zwischen B und C zu berhitzen. An C hhere Temperatur als an B, durch Regelfeder eingestellt. Durch die Einstellschraube wird also die Arbeitsberhitzung vorgewhlt. Je kleiner die berhitzung, desto vollstndiger die Fllung der Verdampferoberflche. Punkt B wandert nach rechts. Die berhitzung kann nicht willkrlich gewhlt werden, sondern ist von der Verdampferbauart, der Temperaturdifferenz zwischen dem zu khlenden Medium und Verdampfungstemperatur sowie von der Konstruktion des Drosselventils abhngig. Ausserdem schtzt die berhitzung den Verdichter gegen nicht ganz verdampftes Kltemittel. 4.4.2 Elektronische Expanisonsventile Ein elektronisches Expansionsventil ist im Gegensatz zum thermostatischen Expansionsventil ein Regelsystem, das Hilfsenergie bentigt und das normalerweise aus folgenden Komponenten besteht: Regelkreis dem eigentlichen berhitzungsregler dem elektronischen Stellglied Drosselventil Sensorik ( Temperaturfhler, Druckfhler)

Im Gegensatz zum thermostatischen Expansionsventil welches als reiner P-Regler zu betrachten ist, verhlt sich der Regelkreis mit elektronischem Expansionsventil als PID-Regelkreis, mit den entsprechenden Vorteilen.3371S05a

berhitzungsregler Druckfhler

Filter Klteventil

Verdampfer

Temperaturfhler

Fig. 4-21 Regelkreis mit elektronischem Expansionsventil

Funktion

Der berhitzungsregler kontrolliert (berechnet) die Temperaturdifferenz zwischen der Sauggas- und der berechneten Verdampfungstemperatur (TOH-TO), vergleicht diesen mit dem eingestellten Sollwert T und regelt das elektronische Einspritzventil entsprechend (stetig). Der Sollwert T ist einstellbar zwischen 4 und 10 K. Das Klteventil besteht aus einer in sich geschlossenen Armatur, die robust und wartungsfrei und nach aussen hermetisch dicht ist. Durch die przise Stellungsregelung besitzt das Ventil eine hohe Auflsung. Die elektronische Schnittstelle ist fr AC 24 V Betriebsspannung und ein Stellsignal DC 0...10 V oder DC 4 ... 20 mA ausgelegt und hat eine Stellungsrckmeldung von DC 0...10 V. Stromlos ist das Ventil geschlossen. Je nach Betrachtungsweise oder Anwendung der Kltemaschine liegt der Hauptverwendungszweck entweder beim Verdampfer (WrmeEntzug) oder beim Verflssiger (Wrmeabgabe). Bei einem Wrmerckgewinnungssystem sind beide Aggregate gleichwertig eingebunden.

4.5 Verdampfer

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Zweck der Verdampfung

Der Verdampfer hat die Aufgabe, einem zu khlenden Medium Wrme zu entziehen. Die Temperatur im Verdampfer muss also immer tiefer sein als das zu khlende Medium. Der Verdampfer hat also nur den Zweck eine nicht gewnschte Wrmemenge aufzunehmen und ihn an das im Verdampfer befindliche Kltemittel abzugeben. Bei diesem Vorgang verdampft das Kltemittel. Verdampfer zur Flssigkeitskhlung Verdampfer zur Luftkhlung Direkte Verdampfung Indirekte Verdampfung Direkte Verdampfung Bei der direkten Verdampfung wird das zu khlende Medium direkt durch das verdampfende Kltemittel gekhlt.

Verdampfer Bauarten

Arbeitsweise der Verdampfer

Fig. 4-22 Direktverdampfer Legende: 1 Flssigkeit, Verdampfereintritt 2 zu khlende Luft 3 Gas Verdampferaustritt

Indirekte Verdampfung Der einzige Unterschied zur direkten Verdampfung besteht darin, dass zwischen Verdampfer und dem zu khlenden Medium ein zweites Medium (meist Wasser oder Wasser-Glykolgemisch) zwischengeschaltet ist.Direkte Verdampfung niedrigere Anschaffungskosten hhere Kltemitteltemperaturen kleinere Klteverdichter geringere Energiekosten Einsatz nur in Verbindung mit Einzelverdampfern oder wenigen Verdampfern zweckmssig Indirekte Verdampfung einfache Planung, Installation und Betrieb einfache Regelung an den Verbrauchern besserer Teillastbetrieb Undichtigkeiten sind weniger kritisch keine lrckfhrungsprobleme

Kltemaschinen und Zubehr liegen wartungstechnisch gnstig im zentralen Maschinenraum Khlen und Heizen ist mglich beste Lsung bei weit verzweigten Anlagen

Tabelle 4-1 Vor- und Nachteile der direkten und indirekten Verdampfung

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4.5.1 Rohrbndelverdampfer

Die am meisten verwendete Art ist der Rohrbndelverdampfer zur Flssigkeitskhlung. Bei dieser Ausfhrung verdampft das flssige Kltemittel in den Verdampferrohren und das Khlmittel umstrmt die Rohre. Diese Art von Verdampfung nennt man auch trockene Verdampfung. Die Verdampferleistungen knnen zwischen 4 und 3500 kW liegen. Der Einsatz erfolgt in der Klimatechnik meist bei grossen und verzweigten Lftungsanlagen zur Khlung von Kaltwasser. Die Regelgrsse fr den Kltekreislauf ist die Kaltwassertemperatur, meist 6/12 C t = 6K. An dem kleinen t kann man erkennen, dass Luftkhler grosse Oberflchen haben.

Der trockene Verdampfer

Fig. 4-23 Schnitt durch einen Rohrbndelverdampfer Legende 1 2 3 4 5 6

flssiges Kltemittel Ein Khlmittel-Eintritt Khlmittel-Austritt Kltemittelrohre Rohrboden gasfrmiges Kltemittel Aus

Die Bauart unterscheidet sich unwesentlich von einem RohrbndelVerflssiger.53035b

TC

Fig. 4-24 Schema einer Kaltwasser-Khlanlage im Klimabereich 1 2 3 4 5 6 7 8 Ausdehnungsgefss 3-Weg-Ventil Luftkhler Magnetventil thermostatisches Regelventil Kaltwasserumwlzpumpe Bndelrohrverdampfer Kolbenverdichter 9 10 11 12 13 14 15 Verflssiger Kaltwasserrcklaufleitung Bypass-Leitung Kaltwasservorlaufleitung Flssigkeitsleitung Saugleitung Druckleitung

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4.5.2 Plattenverdampfer (Plattenwrmebertrager)

Plattenwrmebertrager sind kompakte Apparate aus Edelstahlplatten. Sie werden in der gesamten Verfahrenstechnik und energieerzeugenden Industrie eingesetzt. Ihre hauptschlichen Vorteile gegenber anderen Wrmetauschern sind: hohe Wrmebertragungsleistung bei kleinem Bauvolumen, damit hoher Wrmerckgewinn und minimale Wrmeverluste geringer Flssigkeitsinhalt, damit kurze Aufheiz- und Abkhlzeiten, hohe Dynamik bzgl. Temperaturnderungen bei Steuer- und Regelvorgngen modularer Aufbau, damit verbunden leichte und preisgnstige Anpassung an vernderte Leistungsanforderungen sowie leicht wartbares Bauprinzip geringeres Verschmutzungsrisiko und einfache chemische Reinigung durch stark turbulente Strmung und fehlende Totrume, einfache Demontage Die Prgung der Platten erzeugt einen hochturbulenten Durchfluss. Dies ermglicht eine sehr effektive Wrmebertragung schon bei geringen Volumenstrmen.

Fig.4-25 Plattenwrmebertrager in verschiedenen Bauformen und profilierte Platten

Aufbau

Bauteile eines Plattenwrmebertragers: Das Plattenpaket, bestehend aus einer definierten Anzahl von einzelnen profilierten Platten (Fig. 4-25). Bei einem Einsatz von Plattenwrmetauschern in Klteanlagen mssen diese Kltemittel bestndig sein. Um das Austreten von Kltemittel zu verhindern, werden die einzelnen Platten kltemittelseitig miteinander verltet. Wasserseitig kommen meistens die blichen Dichtungen zum Einsatz. Durch die Anschlsse werden die am Wrmetausch beteiligten Medien hinein- und herausgefhrt.

Funktion und Stromfhrung

Aneinandergereihte, profilierte Platten mit Durchlassffnungen bilden ein Paket von Fliessspalten. Diese werden wechselseitig von den am Wrmetausch beteiligten Medien durchstrmt. blicherweise werden einwegige Plattenwrmebertrager eingesetzt. Sie zeichnen sich durch 100%igen Gegenstrom der beiden Medien aus. Die zu- und abgefhrten Rohrleitungen sind an der Festplatte angeschlossen. Mehrwegige Plattenwrmetauscher erreichen ebenfalls einen 100%igen Gegenstrom beider Medien, wenn die Wegezahl fr beide Produkte gleich ist. Das hat den Vorteil, dass die Temperaturdifferenz der zwei am Wrmetausch beteiligten Medien voll genutzt wird.

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4.5.3 Verdampfer zur Luftkhlung

Die luftgekhlten Verdampfer (und die Verflssiger) haben gleiche Bauformen. Wichtig ist die mechanische Konstruktion und Anordnung der Rohrreihen, damit eine gute Wrmebertragung stattfinden kann. Die Zuleitung des flssigen Kltemittels in den Verdampfer erfolgt ber einen Verteiler (Spinne), damit die Oberflche des Verdampfers gleichmssig bestrmt wird.

Fig. 4-26 Verteilerdse p1-p3 E F G H

Fig. 4-27 Verteilung am Verdampfer

= Gesamtdruckabfall im Verteiler = Prall- und Staustrecke mit momentaner Umlenkung der Strmung = Drosselplatte (Staublende) = strkste Einschnrung der Strmung = Turbulenzzone infolge unkontrollierter Expansion

In der Klimatechnik kommen berwiegend Verdampfer fr den Anwendungsbereich "T0 > 0 C und zu khlende Luft > 0 C" vor. Bei der Lebensmittelkhlung liegen diese Werte hufig unter 0 C. Die Problematik des Arbeitspunktes um 0 C ist in der Mglichkeit der Betauung zu erklren, d.h., es mssen geeignete Massnahmen ergriffen werden, dass die Oberflche des Verdampfers nicht betaut, bzw. dass sie bei Betauung enteist werden muss. Die am hufigsten angewendeten Abtau-Methoden sind: 4.5.4 Eisspeicher Abtauen durch Ventilatornachlauf Abtauen mit elektrischer Heizung (eher bei Khlrumen) Abtauen mit heissem Kltemitteldampf

Eine andere Art von Khlmittelkhlung ist der Eisspeicher. Die Anwendung erfolgt hufig dort, wo kurzfristige Lasten auftreten oder zur berbrckung von Stillstandszeiten des Verdampfers. Also immer dort, wo Kltereserven erforderlich sind.

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Fig. 4-28 Schnitt durch einen Eiswassertank

Legende: 1 Khlmittelschlange 2 Wasserstand 3 Eis-Reserve

Der Verdampfer ist in einem mit Wasser gefllten Behlter eingebaut. Durch den Verdampfungsprozess entsteht an der Oberflche des Verdampfers eine Eisschicht, wodurch das Wasser lnger khl bleibt. Weitere Erklrungen und Beispiele folgen im Kapitel "Kltespeicher". 4.6 Sicherheit im Kltekreislauf Wie wir sptestens jetzt erkannt haben, handelt es sich beim Kltekreislauf um ein kritisches Gebilde. Warum? Medium kann flssig und gasfrmig sein es herrschen unterschiedliche Drcke im System Medium ndert bei unterschiedlichen Drcken seinen Aggregatszustand es muss sichergestellt sein, dass das Medium an bestimmten Stellen im Kreislauf definierte Zustnde hat ausreichende Khlung und Schmierung der Aggregate muss gewhrleistet sein

Damit diese Bedingungen erfllt sind, befinden sich im Kltekreis weitere Bauelemente: Sicherheitsventile Absperrventile berdrucksicherheitsschalter Unterdrucksicherheitsschalter Differenzdruck-Pressostate Niederdruck, Hochdruck-Pressostate Trockner Sammler Schauglser berhitzer Eine Einrichtung, welche die Schalthufigkeit begrenzt (z.B. max. 6 mal pro Stunde) Schaltung fr maximalen Arbeitsdruck (Maximal Operating Pressure MOP)

Diese Bauteile und Funktionen sind eher fr den Klteanlagenbauer von besonderer Wichtigkeit und werden in diesem Kapitel nur erwhnt.53016

49Fig. 4-29 Mglichkeiten der Klteregulierung

5. Der Kompressions-Klte-Kreislauf im h, log p-Diagramm5.1 Allgemein Mit ber 90 % aller installierten Anlagen hat die Kompressions-Kltemaschine zurzeit die grsste Bedeutung erlangt. Besonderes Gewicht findet die Abbildung der jeweiligen Prozesszustnde im h, log p-Diagramm. Die Mglichkeit der Sauggasregelung wurde ebenfalls mit in die Erluterungen eingebunden. Weitere Mglichkeiten der Leistungsregelung von Kltemaschinen werden in der Broschre "Stetige Leistungsregelung im Kltekreislauf" behandelt. Eine Kltemaschine besteht im wesentlichen aus vier Elementen: Verdampfer (Fig. 5-1, 1): In ihm verdampft flssiges Kltemittel bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur. Die fr die Verdampfung erforderliche Wrme wird dem zu khlenden Medium (Luft, Wasser) entzogen. Verdichter (Fig. 5-1, 2): Er saugt den Kltemitteldampf ber die Saugleitung aus dem Verdampfer weg. Das Gas wird verdichtet und ber die Druckleitung in den Verflssiger ausgestossen. Das Kltemittel verlsst den Verdichter mit hohem Druck und in stark berhitztem Zustand (ca. 60 - 120 C), immer noch gasfrmig. Verflssiger (Fig. 5-1, 3): In ihm gibt das heisse Gas seine Wrme an das Khlmedium (Luft, Wasser usw.) ab und kondensiert. Die Verdampfungswrme und die in Wrme umgewandelte Arbeit des Verdichters muss hier abgefhrt werden. Das flssige Kltemittel wird anschliessend meistens in einen Flssigkeitssammler gefhrt. Expansionsventil (Fig. 5-1, 4): Es hat die Aufgabe, den hohen Druck der Kltemittel-Flssigkeit auf den im Verdampfer herrschenden Niederdruck zu reduzieren. Im weiteren regelt das Expansionsventil die Fllung des Verdampfers unter den verschiedenen Lastbedingungen. Dies erfolgt durch die Regelung der Gasberhitzung am Verdampferausgang.9Q169a

5.1.1 Bauelemente und ihre Funktion

p [bar] 3

4 2

1

p

h [kJ/kg]

Fig. 5-1 Legende 1 2 3 4

Kltekreislauf mit wichtigsten Komponenten im h, log p - Diagram

Verdampfer Verdichter Verflssiger (Kondensator) Expansionsventil

5.1.2 Kltemittel und seine Betriebszustnde

Der eigentliche Wrmetrger ist das Kltemittel. Es bernimmt den Transport der Wrme im Kltekreislauf. Grundstzlich kann jeder Stoff als Kltemittel verwendet werden, welcher sich bei technisch erreichbaren Drcken und bei den gewnschten Temperaturen verflssigen und verdampfen lsst.

50

Wenn sich aber nur wenige Stoffe als Kltemittel einfhren und behaupten konnten, so liegt das an den mannigfaltigen Anforderungen, die an die physikalische und chemischen Eigenschaften zu stellen sind und welche durch die Konstruktion und Arbeitsweise der Kltemaschine bestimmt werden. Die Wahl des Kltemittels hngt vom Anwendungsbereich der Kltemaschine ab. In der Klimatechnik sind heute die Kltemittel R134a, R407C, R404A, R507 die gebruchlichsten. Die Zustnde des Kltemittels in einer Kltemaschine lassen sich allgemein darstellen:6a