Hauptventile

Tipps für den Monteur (Teil 17)

In dieser Ausgabe geht es um Hauptventile, wie sie vor allem in größeren Gewerbe- und Industriekälteanlagen eingesetzt werden. Sie sind äußerst flexibel und für die verschiedensten Verwendungszwecke geeignet. So können sie Verdampfungs-, Verflüssigungs- und Diffferenzdrücke, Start, Leistung und vieles mehr regeln – vorausgesetzt, sie sind mit den jeweiligen Pilotventilen ausgestattet.

Aufbau | In der Folge werden wir exemplarisch die Bestückung und konkrete Anwendung von „ICS“-Hauptventilen behandeln (gilt auch für PM-Hauptventile, deren Pilotanschlussports und Schaltung exakt denen des „ICS“ entsprechen). „ICS“-Hauptventile gibt es in der „1 Pilot“- und der „3 Pilot“-Version. Bei der „1 Pilot“-Version kann ein Pilotventil direkt auf das Hauptventil aufgeschraubt werden, wohingegen bei der „3 Pilot“-Version bis zu drei Pilotventile auf das Hauptventil montiert werden können. Mit der „1 Pilot“-Version kann eine einzige Funktion geregelt werden, wie z.B. der Verdampfungsdruck oder der Verflüssigungsdruck. Das „3 Pilot“-“ICS“ kann sogar noch mehr. Es besitzt zwei Pilotanschlüsse, die in Reihe geschaltet sind und noch einen weiteren Pilotanschluss, der zu beiden parallel geschaltet ist. Die in Reihe bzw. in Serie geschalteten Anschlüsse sind mit „S1“ und „S2“ für „Serie“ bezeichnet. Der „P“-Anschluss steht für „parallel“ und ist auch parallel zu  „S1“ und „S2“ geschaltet. Damit sind Schaltungsvarianten wie beispielsweise Verflüssigungsdruckregelung mit zusätzlichem Zwangsöffnen oder Zwangsschließen möglich. Sollte die Anzahl der Pilotanschlüsse aufgrund einer besonders komplexen Schaltung nicht ausreichen, dann kann mittels externen Pilotgehäusen sowie darauf montierten Piloten in externen Pilotleitungen eine fast unendliche Anzahl von Schaltungsmöglichkeiten geschaffen werden. Zur Erleichterung der Inbetriebnahme bieten „ICS“-Hauptventile die Möglichkeit der manuellen Zwangsöffnung. Mit der mittig am Ventilkopf angebrachten Handspindel kann das Hauptventil von Hand geöffnet werden. Diese Handspindel sollte in jedem Fall für den Regelbetrieb wieder in die Ausgangsposition zurückgedreht werden (gegen den Uhrzeigersinn bis zum Anschlag). Das „ICS“-Hauptventil besteht aus einem Gehäusegrundkörper, der direkt in die Rohrleitung eingelötet (bzw. eingeschweißt, bei Ammoniak als Kältemittel) wird. In diesem Grundkörper ist ein Funktionsmodul eingesetzt, welches im Servicefall einfach ausgetauscht werden kann, ohne dass die Rohrleitungsanschlüsse tangiert werden. Bei der Auslegung von Hauptventilen muss darauf geachtet werden, dass es sich hierbei um Servoventile handelt, die einen Mindestdruckabfall benötigen. Dieser ist zwar sehr niedrig, was eine sehr gute Teillastfähigkeit bedeutet, aber dennoch nicht vernachlässigbar. Sollte in einer Anwendung wie z.B. der Tiefkühlung tatsächlich ein Ventil ohne Mindestdruckabfall benötigt werden, dann ist dies mit dem „ICS“ und externer Ansteuerung durch einen höheren Druck möglich. Zu diesem Zweck kann ein externer Pilotanschluss am „ICS“ montiert werden. Das Ventil, welches in der Saugleitung montiert ist, wird durch den Heißgas- oder Kaltgasdruck, der durch eine Steuerleitung herangeführt wird, geöffnet. Bestückung hierzu: „ICS“ „3 Pilot“-Version, externer Anschluss an „S1“, „EVM“ auf „S2“ und Blindstopfen „A+B“ auf „P“. Alternativ kann auch ein „PML(X)“ als Spezialhauptventil für exakt diese Anwendung verwendet werden.

Magnetventilfunktion | Die einfachste Anwendung eines Hauptventils ist die Mag­netventilfunktion. Bei dieser Funktion wird die „1 Pilot“-Version des Hauptventils mit einem „EVM“-Pilotventil ausgestattet. Dieses Pilotventil kann direkt auf das Hauptventil aufgeschraubt werden. „NC“ (normally closed) ist die gebräuchlichste Anwendung für Magnetventile und bedeutet, dass das Mag­netventil in stromlosem Zustand geschlossen ist. Hierfür eignet sich das Pilotventil „EVM“ in NC-Version. Wird nun die Spule des „EVM“ (NC) bestromt, dann öffnet das Pilotventil. Damit wird der interne Regelkanal im „ICS“ zwischen Ventileintritt und internem Druckraum über dem „ICS“-Leistungskolben geöffnet, so dass der höhere Druck vom Eintritt des Hauptventils in den Druckraum über dem Leistungskolben strömt und diesen nach unten drückt. Damit wird das Hauptventil geöffnet. Beim Schließvorgang wird der Kanal durch das „EVM“ geschlossen und der höhere Druck über dem Leistungskolben wird durch eine kleine Bohrung zum Austritt des Ventils wieder abgebaut. Bei entgegengesetztem Wirksinn ist ein „EVM“ (NO) einsetzbar („NO“ steht für „normally open“, also „stromlos offen“). „EVM“ (NO)-Pilotventile unterscheiden sich von „EVM“ (NC) neben dem Wirksinn dadurch, dass eine etwas stärkere Spule (12 W im Wechselstromeinsatz) verwendet wird und eine zusätzliche Nut am unteren Teil des Ankerrohrs eingepresst ist.


Verdampfungsdruckregelung | Verdampfungsdruckregler werden beispielsweise bei Mehrverdampferanlagen hinter dem Verdampfer montiert, der auf einem höheren Druckniveau als die anderen Verdampfer betrieben werden soll. Oft findet man auch in Kaltwassersätzen einen Verdampfungsdruckregler als zusätzliche Sicherheit gegen das Einfrieren des Wassers im Verdampfer. Verdampfungsdruckregler bei größeren Leistungen ist ein Hauptventil mit aufgeschraubtem Pilotventil „CVP 7“. Zur Einstellung des Sollwerts, unterhalb dessen das Ventil anstaut (Ventil schließt) und oberhalb dessen es das Kältemittel durchlässt (Ventil öffnet), sind zwei Niederdruckmanometer ideal. Eines wird an den Saugstutzen des Verdichters angeschlossen und das andere dient zur Anzeige des Drucks zwischen Verdampfer und Verdampfungsdruckregler. Dieses zweite Manometer kann mit dem Serviceanschluss des „ICS“ verbunden werden, da an diesem Bauteil eingangsseitig ein 7/16“ UNF-Messanschluss am Manometeranschluss nachgerüstet werden kann. Nun kann der Sollwert direkt am „CVP“ justiert werden. Bei Drehung im Uhrzeigersinn (in „+“-Richtung) wird der Sollwert erhöht, bei Drehung gegen den Uhrzeigersinn (in „-“-Richtung) wird der Sollwert reduziert. Erhöht sich der Druckabfall durch die Einstellung des Sollwerts bei laufender Anlage, so genügt es, den gewünschten Eingangsdruck am Regler einzustellen. Hat man nur ein ND-Manometer zur Messung des Verdampfungsdrucks zur Verfügung und ergibt sich durch die Erhöhung des Sollwerts auf den gewünschten Wert bei laufender Anlage ein entsprechend höherer Verdampfungsdruck, so ist der Regler korrekt eingestellt. Vorsicht bei Verdampfungsdruck-Istwerten, die höher sind als der gewünschte Sollwert: Hier ist eine sofortige Einstellung nicht ohne weiteres möglich, da der Regler nun grundsätzlich bei allen Sollwerten, die unter den Istwerten liegen, öffnet. In einem solchen Fall muss zunächst der Verdampfungsdruck gesenkt werden. Dies ist beispielsweise bei einem zwangsbelüfteten Verdampfer möglich durch Abschalten der Lüfter. Nach Einstellung des „CVP“ sollte der Lüfter dann wieder gestartet werden. Mit Hauptventilen kann auch eine Umschaltung von zwei verschiedenen Verdampfungstemperaturen realisiert werden. So kann durch An- und Abschalten des „EVM“ und mit Hilfe eines „3 Pilot“-Hauptventils, zwei auf unterschiedliche Verdampfungstemperaturniveaus eingestellter „CVP“ und eines „EVM“-Pilots von einem auf den anderen Verdampfungsdruck umgeschaltet werden.

Verflüssigungsdruckregelung | Verflüssigungsdruckregler werden verwendet, um ein zu tiefes Absinken der Kondensationstemperatur in einer Kälteanlage – besonders in der kalten Jahreszeit – zu verhindern. Für den Einbau eignen sich die Heißgasleitung in Flussrichtung nach dem T-Stückabgang zum Sammlerdruckregler oder die Kondensatleitung. Bei Einbau in der Heißgasleitung darf auf keinen Fall auf das Rückschlagventil in der Kondensatleitung verzichtet werden, da sonst das Kältemittel von hinten in den kalten Verflüssiger einströmen kann und der gewünschte Effekt des schnellen Druckaufbaus vor dem Expansionsventil auch im Winterstart nicht eintritt. Die am häufigsten verwendete Variante ist der Einbau des Verflüssigungsdruckreglers in der Kondensatleitung (zwischen Verflüssiger und Sammler). Der Verflüssigungsdruckregler für größere Leistungen ist fast identisch mit dem Verdampfungsdruckregler. Es handelt sich um ein Hauptventil „ICS“ (oder „PM“) mit aufgeschraubtem Pilotventil „CVP 28“ oder „CVP 22“ für R134a. Die Zahl nach dem „CVP“ steht für den maximalen Regeldruck des Pilotventils, hier 28 bar bzw. 22 bar. Es ist nicht weiter verwunderlich, dass sich die benötigten Bauteile für die Verdampfungs- und Verdampfungsdruckregelung ähneln, wird doch in beiden Fällen ein bestimmter Mindestdruck definiert, der nicht unterschritten werden soll. Allein die Gesamtdrucklage ist in beiden Anwendungsfällen unterschiedlich. Zur Einstellung sollte mindestens ein Hochdruckmanometer an den eingangsseitigen Manometeranschluss des „ICS“ angeschlossen werden (Manometeranschluss ist für „ICS“ als Zubehör erhältlich und ggf. nachrüstbar). Optimal ist der zusätzliche Anschluss eines Hochdruckmanometers am Sammler. Die weitere Vorgehensweise ist identisch mit dem Verdampfungsdruckregler „CVP“. Ideal ist, wenn sich beim Betrieb der Anlage mit „entspanntem“ „CVP“ (sehr niedriger Sollwert) eine deutlich unter dem gewünschten Einstellwert liegende Verflüssigungstemperatur einstellt. Bei Erhöhung des Drucks (Einsatz eines HD-Manometers), bzw. bei deutlicher Erhöhung des Druckabfalls durch die Einstellung eines höheren Sollwerts (Einsatz von zwei HD-Manometern), kann hier direkt der gewünschte Sollwert eingestellt werden. Ist das Druckniveau auf der Hochdruckseite zu hoch, kann beispielsweise die Inbetriebnahme von einem besonders heißen Tag auf einen kühleren Moment verlegt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, z. B. bei einem Verdichterverbund maximal einen Verdichter während der Einstellung des Verflüssigungsdruckreglers zu betreiben. In schwierigen Fällen kann auch eine Absenkung des Druckniveaus auf der ND-Seite – wie im Kapitel „Verdampfungsdruckregler“ beschrieben – sinnvoll sein. Durch eine solche Maßnahme wird in aller Regel auch auf der Hochdruckseite die Drucklage abgesenkt. Auch hier kann eine Umschaltung – wie beim Verdampfungsdruck – zwischen zwei verschiedenen Verflüssigungstemperaturen realisiert werden. Dies ist mit einem „3 Pilot“-Hauptventil, zwei auf unterschiedliche Verflüssigungstemperaturniveaus eingestellten „CVP“ und einem „EVM“-Piloten machbar.

Startregelung | Eine Startregelung ist dann angebracht, wenn der Verdichter der Anlage – oft ein Tiefkühlverdichter – vor zu hohen Drücken geschützt werden soll. Der Einbau erfolgt in der Saugleitung. In letzter Zeit wurde den Startreglern durch individuell und elektronisch einstellbare MOP-Punkte bei elektronischer Einspritzregelung etwas der Rang abgelaufen. Trotzdem behaupten sie sich weiter als Klassiker der Druckregelung. Für größere Leistungen empfiehlt sich ein Hauptventil „ICS“ (oder „PM“) mit aufgeschraubtem Pilotventil „CVC“. An den „CVC“-Piloten muss nach dem Hauptventil noch eine Stichleitung in Flussrichtung von der Hauptleitung herangeführt werden. Damit wird der Istwert der zu regelnden Druckgröße zwischen Ventil und Verdichter dem Startregler zugeführt. Die Einjustierung eines Startreglers ist bei laufender Anlage kein Problem, wenn die Verdampfungstemperatur über dem gewünschten Sollwert liegt. Der „CVC“ benötigt keinen gesonderten Messanschluss, da der Verdichtersaugstutzen im Allgemeinen mit einem solchen ausgestattet ist. Dieser Messanschluss dient zur Einstellung. Auch hier gleicht die Vorgehensweise den „CVP“-Varianten – allerdings in umgekehrter Weise. Das heißt, wenn sich der Saugdruck vor dem Verdichter bei laufender Anlage durch Betätigung des „CVC“ direkt absenken und auf den gewünschten Sollwert einstellen lässt, so ist das Gerät bereits betriebsfertig. Dies wird noch deutlicher, wenn ein weiteres Niederdruckmanometer z.B. am Verdampferausgang angeschlossen wird. Hier zeigt sich, dass es ohne „CVC“ nicht zum Druckabfall kommen würde und dass mit dem einjustierten Wert ein Druckabfall auf den gewünschten Sollwert vorliegt. Problematisch sind nur sehr niedrige Saugdrücke vor der Einstellung des Startreglers, wofür es jedoch eine einfache Lösung gibt. Da es sich in einem solchen Fall meist um Tiefkühlung handelt, kann z. B. die Abtauheizung genutzt werden, um den Saugdruck zu erhöhen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass sich der TK-Raum auf höhere Temperaturen als im Betrieb erwärmt. Während der Bauphase ist dies im Normalfall kein Problem.
Bei Hauptventilen sind Kombinationen aus verschiedenen Funktionen möglich. Um z.B. Start- und Verdampfungsdruckregelung zu kombinieren reicht es, die Pilotventile „CVP“ und „CVC“ auf den Anschlüssen „S1“ und „S2“ auf dem Hauptventil in Reihe zu schalten. Damit wird sowohl der Verdampfungsdruck konstant gehalten als auch eine Überschreitung des maximalen Saugdrucks verhindert.

 
Leistungsregelung (Heißgasbypassregelung) | Leistungsregler werden gerne in Anlagen eingesetzt, bei denen Phasen der Teillast selbsttätig ausgeglichen werden sollen. Dies beruht auf dem Prinzip, dass der Saugdruck absinkt, wenn der Wärmeeinfall in den Verdampfer geringer als bei Volllast ausfällt. Das heißt, der Sollwert eines Heißgasbypassreglers wird geringfügig unterhalb des Saugdrucks bei Volllast im Beharrungszustand eingestellt. Fällt nun der Saugdruck, verschiebt sich das Verhältnis von Verdichter- zu Verdampferkälteleistung zugunsten des Verdichters, der Leistungsregler öffnet und lässt Heißgas von der Hochdruck- auf die Niederdruckseite strömen. So wird ein weiteres Absinken des Saugdrucks verhindert. Die Investitionskosten für eine solche Leistungsregelung sind gering verglichen mit einem Verbundregler plus Druckaufnehmer und Verdichterverbund. So wird bei letzterem ein ähnlicher Effekt der Saugdruckstabilisierung durch Zu- und Abschalten von Verdichtern erreicht. Ein Nachteil der Heißgasbypassregelung ist der energetische Aspekt. Prinzipiell wird zwischen zwei Arten von Heißgasbypassregelung unterschieden: Bei Anlagen mit einem Verdampfer handelt es sich um Bypassregelung in der Einspritzleitung (zwischen Expansionsventil und Verdampfer), bei Mehrverdampferanlagen um den Heißgasbypass in der Saugleitung, bei dem meist noch eine Nacheinspritzung zur Enthitzung des Kältemittels vorgesehen wird. Für größere Leistungen ist bei beiden Einsatzfällen ein Hauptventil „ICS“ (oder „PMC“) mit aufgeschraubtem Pilotventil „CVC“ die richtige Wahl. Für die Einstellung des Heißgasbypassreglers wird ein ND-Manometer benötigt. Ideal für den Einregelvorgang ist ein Verdampfungsdruck unter dem Sollwert. In diesem Fall kann der Bypassregler direkt auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Das Strömungsgeräusch ist ein deutlicher Indikator dafür, ob ein Bypass eingesetzt wird oder nicht. Bei zu hohem Verdampfungsdruck gilt dieselbe Maßnahme wie im Abschnitt „Verdampfungsdruckregler“ beschrieben. Noch ein kleiner Hinweis zum Nacheinspritzventil, falls der Bypass direkt in die Saugleitung gehen soll. Es gibt klassische Nacheinspritzventile, deren Fühler auf der Druckseite des Verdichters montiert werden. Es können aber auch normale Expansionsventile mit internem Druckausgleich zu Nacheinspritzventilen umfunktioniert werden. Dazu muss nur die Überhitzungseinstellung nach oben angepasst und der Fühler an der Saugseite vor dem Verdichter montiert werden. Als praktikabler Faustwert gilt 15 K. Damit stört das Nachspritzventil das normale Einspritzventil nicht und sorgt trotzdem dafür, dass am Verdichter keine zu hohen Ansaugtemperaturen entstehen.
Sehr zweckmäßig bei einem Leistungsregler ist die Zwangsschließfunktion. Diese ist mit einem „EVM“-Pilotventil, welches in Reihe zum „CVC“-Pilotventil geschaltet wird (beide Piloten auf „S1“ und „S2“), und einem Blindstopfen auf Anschlussport „P“ mit nur einem „ICS“ realisierbar. Den Blindstopfen gibt es in zwei Versionen: Version „A“, bei der er nur einen Abschluss nach außen darstellt und Version „A + B“, bei der er auch die internen Kanäle verschließt.

Sammlerdruckregelung | Sammlerdruckregelung wird in der Regel in Kombination mit Verflüssigungsdruckregelung eingesetzt. Ein Sammlerdruckregler wird einerseits für den Bypass des Verflüssigers bei Anlagenstart im Winter benötigt und andererseits, um den Bypass bei Erreichen des Betriebszustands wieder zu schließen. Mit dieser Maßnahme wird ein zügiger Druckaufbau vor dem Expansionsventil – auch bei kalten Außentemperaturen – sichergestellt, unerwünschte Anlagenabschaltungen über den Niederdruckschalter werden vermieden. Danfoss (www.danfoss.de) bietet für größere Leistungen „ICS“ (oder „PM“)-Hauptventile mit Differenzdruckpilotaufsatz „CVPP“ an. Bei „ICS“ mit „CVPP“ wird nach dem Differenzdruck geregelt, der nach Wunsch eingestellt werden kann. Die korrekte „CVPP“-Einstellung sollte am besten im Winterbetrieb vorgenommen werden. Hierzu wird die Kälteanlage zunächst in Betrieb genommen und dann gewartet, bis sich der Druck auf der Hochdruckseite aufgebaut hat. Der Verflüssigungsdruckregler ist noch geschlossen. Die Differenz zwischen dem Hoch- und dem Sammlerdruck ist beim Startvorgang hoch. Damit strömt zunächst das Kältemittel über den Bypass zum Sammler. Ein praktikabler Faustwert für die Einstellung des „CVPP“ ist 1,5 bar. Ein Drehen im Uhrzeigersinn erhöht diesen Wert bei Bedarf.


Differenzdruckregelung | Neben der Sammlerdruckregelung gibt es eine weitere Anwendung für die Regelung des Differenzdrucks. Diese betrifft Systeme mit Heißgasabtauung, da hier das Heißgas im Abtaufall durch den Verdampfer in Richtung Flüssigkeitsleitung fließen muss. Dabei sollte dieser „künstliche“ Differenzdruck in Betriebsphasen ohne Abtauung abschaltbar sein. Für diesen Fall empfiehlt sich der Einsatz eines „ICS“- (oder „PM“-) Hauptventils mit Differenzdruckpilotaufsatz „CVPP“, wie schon zuvor erwähnt. Um die im Sammlerregelbetrieb nicht benötigte Differenzdruckregelung abzuschalten, ist ein weiterer Pilot erforderlich: ein „EVM“-Magnetventil zur Direktmontage auf „ICS“ (oder „PM“). Werden die beiden Pilotventile „CVPP“ (Stichleitung zur Hauptleitung in Flussrichtung nach dem Ventil nicht vergessen) und „EVM“ parallel auf ein „ICS“ für max. drei Pilotventile montiert, dann ist die Differenzdruckfunktion des „CVPP“ bei geschlossenem „EVM“ aktiv. Bei geöffnetem „EVM“ wird kein (erhöhter) Differenzdruck gefahren. Zur Einregelung eines Hauptventils „ICS“ mit „CVPP“ und „EVM“ ist das Magnetventil „EVM“ zu schließen. Vorsicht, denn es gibt diese Pilotventile sowohl stromlos geschlossen (NC), als auch stromlos offen (NO). Somit wäre beispielsweise ein stromlos geschlossenes „EVM“ bei nicht erregter Spule geschlossen. Dann kann bei laufender Anlage direkt der Differenzdruck eingestellt werden, nachdem die beiden Hochdruck-Manometer vor und hinter dem Regelventil angeschlossen wurden. Als Mess-Stelle in Flussrichtung vor dem Ventil kann der Verdichterdruckstutzen, oder besser noch, der seitliche Manometeranschluss am „ICS“-Ventil (immer Ventileingangsdruck) genutzt werden. Nach dem Ventil kann eine Messstelle am Verflüssiger oder Sammler oder ein entsprechender T-Nippel an der Stichleitung zum „CVPP“ verwendet werden.

Ausblick | In der nächsten Ausgabe befassen wir uns mit drehzahlregelbaren Verdichtern. Verdichter stufenlos zu regeln, ist sehr elegant und bietet die verschiedensten Vorteile. Allerdings gibt es dabei auch einiges zu beachten. Mehr zu dieser Thematik in der nächsten Ausgabe.

Thematisch passende Artikel:

Ausgabe 2019-Großkälte

Zuverlässige und praxisgerechte Ventillösungen

Einsatz- und Wirkungsweisen von Ventilen in der Großkälte

Im Folgenden werden verschiedene Einsatz- und Wirkungsweisen von Ventilen im Rahmen von Großkälteanwendungen vorgestellt, u.a. in der Funktion als Magnetventil, Verdampfungs- oder...

mehr
Ausgabe 2019-06 Sanhua

Elektronisches Expansionsventil

Die elektronischen Expansionsventile von Sanhua sind für den Einsatz in Klimaanlagen, Kühlgeräten und Wärmepumpen entwickelt worden. Das elektronische Expansionsventil „LPF“ ist für...

mehr
Ausgabe 2011-Großkälte Danfoss

Flexible Hauptventile

Das modulare „ICV“-Konzept bietet ein hohes Maß an Flexibilität für anwendungsgerechte und zweckoptimierte Ventile. Jedes Ventilgehäuse ist in unterschiedlichen Anschlussgrößen erhältlich und...

mehr
Ausgabe 2018-Großkälte Danfoss

Magnetventil optimiert Heißgasabtauung

Die Heißgasabtauung ist eine weit verbreitete und effiziente Methode zur Enteisung von Verdampfern in industriellen Kälteanlagen. Um die Anlagensicherheit zu erhöhen, hat Danfoss mit dem...

mehr
Ausgabe 2014-05 Dixell

Selbstschließendes Expansionsventil

Das selbstschließende Expansionsventil „EX3“ von Dixell ist ein unipolares Schrittmotorenventil mit direkt aufgebautem Magnetventil, welches vom Drosselorgan sowohl mechanisch als auch elektrisch...

mehr