Prozess-Kälteanlagen

1 Seite 1 Prozess-K lteanlagen 1. K lteprozess Bei der Erzeugung von K lte ist ein thermodynamischer Kreislaufprozess notwendig. Es wird einem Stoff/K rper W rme entzogen und diese W rme muss einem anderen Stoff/K rper wieder zugef hrt werden. Zur Realisierung eines derartigen thermodynamischen Kreisprozesses gibt es verschiedene Verfahren, die auf unterschiedlichen physikalischen Vorg ngen beruhen. Die Gebr uchlichsten sind: - Kompressionsk lteprozess, unter Zufuhr mechanischer Energie o Kaltdampfk lteprozess mit K ltemitteln, bei denen verschiedene Arbeitstemperaturen den Aggregatzustand zwischen Dampf- und Fl ssigkeitsphase ndern o Kaltluftk lteprozess mit Luft als K ltemittel, ohne Aggregatzustands nderung o Dampfstrahlk lteprozess beispielsweise mit Wasserdampf als Treibmittel und Wasser als K ltemittel - Sorptionsk lteprozess, unter Zufuhr von W rme-Energie o Absorptionsk lteprozess.

2 Wo das K ltemittel in einem L semittelkreislauf von niedrigem auf hohes Temperaturniveau gehoben und durch W rmezufuhr wieder f r den K lteprozess freigesetzt wird. o Adsorptionsk lteprozess, wo das K ltemittel an einen festen Stoff angelagert und periodisch durch W rmezufuhr wieder freigesetzt wird. Durch zwei parallel und wechselweise betriebene Anlagen wird ein stetiger K hlprozess erreicht. In der Prozess-K ltetechnik kommen berwiegend Anlagen nach dem Kaltdampf-Kompressionsk lteprozess zum Einsatz. In einigen speziellen Anwendungsf llen wird auch der Absorptionsk lteprozess eingesetzt.

3 2. Kaltdampf-Kompressionsk lteprozess Ein mit entscheidendes Kriterium f r die Wirtschaftlichkeit von Kompressionsk lteanlagen ist die Leistungszahl (Epsilon), die sich wie folgt zusammensetzt: PQ0 [0Q = K lteleistung, P = elektrische Leistungsaufnahme] Von vielen Herstellern werden heute statt der Leistungszahl COP-Werte (coefficient of performance) angegeben, diese stellen inhaltlich das Gleiche dar. Daher sollten die Kriterien f r eine effiziente K lteanlage bei einer hohen K lteleistung mit einer geringer elektrischen Leistungsaufnahme liegen. Seite 2 Die Effizienz von Kompressionsk lteanlagen h ngt im Wesentlichen von folgenden Faktoren ab: - Verdampfungs- und Kondensationstemperatur - Anlagenkomponenten - W rmer ckgewinnung Verdampfungs- und Kondensationstemperatur Das gr te Einsparpotenzial bei K lteanlagen liegt in der optimalen Auslegung von Verdampfungs- und Kondensationstemperatur.

4 Je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen Verdampfung und Kondensation, desto geringer ist die Druckdifferenz, die vom Verdichter berwunden werden muss, und somit der Energieaufwand f r den Betrieb der Anlage. F r eine um 1 C h here Verdampfungstemperatur wird der Energieaufwand am Verdichter um etwa 4 Prozent gesenkt. Bei einer konstanten K hlleistung muss bei der Erh hung der Verdampfungstemperatur der Luftdurchsatz an den Verdampfern erh ht werden. Was durch h here Luftgeschwindigkeiten, die auch wiederum einen erh hten Energieaufwand bedeuten oder durch gr ere Tauscherfl chen, die wiederum mit h heren Investitionskosten verbunden sind, realisiert wird.

5 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 um ca. 3 Prozent. Bei Einsatz von luftgek hlten Verfl ssigern ist die Kondensationstemperatur von der Au entemperatur abh ngig. Speziell in den Sommermonaten bei hohen Au entemperaturen - wo die gr te K hlleistung ben tigt wird - ist die Kondensationstemperatur sehr hoch, was einen hohen Energieverbrauch nach sich zieht. Werden Verfl ssiger ohne Leistungsreserven auf die genormte Au entemperatur von 32 C ausgelegt, kann es bei h heren Au entemperaturen - wie sie in der letzten Zeit oft auftraten - zu einer Verminderung der K lteleistung kommen.

6 Anlagenkomponenten Kompressoren (Verdichter) Durch die richtige Wahl des Verdichtertyps unter Ber cksichtigung der K lteleistungszahl und des Teillastverhaltens kann viel Energie eingespart werden. Am Markt werden verschiedene Verdichtertypen angeboten. Bei kleinen K lteleistungen, 5 20 kW, kommen berwiegend Spiral-(Scroll)-Verdichter zum Einsatz. Im Leistungsbereich dar ber bis ca. 500 kW werden Hubkolbenverdichter, meist als halbhermetische Verdichter, eingesetzt. Schraubenverdichter Seite 3 werden am Markt im Leistungsbereich zwischen 80 und kW K lteleistung angeboten. Dar ber hinaus werden Turboverdichter eingesetzt, welche bei gro en Leistungen von Hochspannungsmotoren oder direkt von Dampf- bzw.

7 Gasturbinen angetrieben werden. Die Leistung gro er Turboverdichter liegt oberhalb einem Megawatt bis etwa 60 MW. Bild 1: Schaltung der wichtigsten Bauteile einer Kompressionsk lteanlage, rechts mit innerem W rme bertrager (Economiser) K ltespeicher Wird die K ltelast nur zu Spitzenzeiten voll gefordert, k nnen durch das Einbeziehen eines K ltespeichers Leistungsspitzen vermindert und somit Kosten eingespart werden. Reine Kaltwasserspeicher haben eine geringe Speicherf higkeit, da sie nur die spezifische W rmekapazit t von 4,18 kJ/(kg*K) nutzen k nnen. Die Speicherdichte liegt bei ca.

8 1,16 kWh/(m3*K). F r eine Zwischenspeicherung von 20 kWhK lte bei einem t von 6K wird ein Speichervolumen von ca. 3 m3 ben tigt. Wird ein Eisspeicher eingesetzt, dessen Speicherdichte zwischen 40 und 60 kWh/m3 liegt, da die Schmelzw rme des Wassers von 332 kJ/kg genutzt werden kann, wird nur noch ein Speichervolumen von ca. 0,4 m3 ben tigt. Investitionen in Eisspeicher sind vor allem dann sinnvoll, wenn: die K lteleistungsspitzen an geringen Tagen/Stunden im Jahr auftreten und durch den Eisspeicher die K lteleistung und somit Investitionskosten reduziert werden k nnen.

9 Bei einer bestehenden K lteanlage die K lteleistung erweitert werden soll ohne Investitionen in die Anlagentechnik Seite 4 die elektrische Lastspitze an einem Sommertag liegt und durch die Abschaltung der K lteanlage der zu zahlende Leistungspreis reduziert wird. durch den Einsatz des Eisspeichers der Strombezug vergleichm igt wird und somit die Benutzungsstunden des Strombezuges erh ht werden. der preiswerte Nachtstrom zur K lteerzeugung genutzt werden kann. die K lteversorgung w hrend eines Stromausfalls gew hrleistet werden muss. Verfl ssiger Speziell bei luftgek hlten Verfl ssigern ist der Verfl ssigungsdruck von der Au entemperatur abh ngig.

10 Luftgek hlte Verfl ssiger sollten grunds tzlich im Au enbereich an den Nordseiten der Geb ude oder auf dem Dach installiert sein, um den Verfl ssigungsdruck niedrig zu halten. Allerdings muss wiederum bei sehr geringen Au entemperaturen der Verfl ssigungsdruck ber einen Hei gas-Bypass k nstlich hochgehalten werden, da speziell das Expansionsventil, aber auch der Verdichter einen Mindestdruck f r den sicheren Betrieb ben tigt. Daher sollte grunds tzlich eine Verfl ssigungsdruckreglung eingesetzt werden. Gr nde f r eine Verfl ssigungsdruckreglung: - Energieeinsparungen bis zu 20 Prozent - stabile und gute K lteleistungen ber l ngere Zeitr ume - konstantes Regelverhalten - bessere Betriebsbedingungen der Verdichter Die Verfl ssigungsdruckreglung wird durch eine L fterdrehzahlregelung realisiert.