Kaltwassersätze (Teil 1)

Kaltwassersätze sind in der Kältetechnik weit verbreitet. Was bei diesen Systemen zu beachten ist, beschreibt Teil 6 unserer Serie „Das 1 x 1 der Kältetechnik“. Diese Serie basiert auf den kostenfreien eLearning-Modulen von Danfoss, die für das interaktive Selbststudium mittels PC konzipiert sind. Die eLearning-Module bieten jeder Zielgruppe, vom Anfänger bis zum Kälteexperten, ein adäquates Angebot (www.learning.danfoss.de).

Kältewassersätze sind Kältesysteme, die eine Flüssigkeit abkühlen, die anschließend für die verschiedensten Anwendungen verwendet werden kann. Meist ist diese Flüssigkeit Wasser, es können aber auch andere Kälteträger – z.B. Solen – verwendet werden. Auch ist es möglich, das Wasser mit Zusätzen anzureichern, die meist zum Ziel haben, den Gefrierpunkt abzusenken, damit der Kälteträger auch bei niedrigen Temperaturen pumpfähig bleibt. Kaltwassersätze haben schon heute eine starke Marktstellung und es ist davon auszugehen, dass diese in Zukunft aufgrund Reglementierungen bei der Verwendung von F-Gasen noch weiter steigt. Der Grund ist die geringere Kältemittelfüllmenge, die für einen Kälteträger – verglichen mit einem Direktverdampfungssystem – benötigt wird.

Funktion

Ein Kaltwassersatz ist eine Maschine, die einer Flüssigkeit Wärme entzieht. Dies geschieht über einen Kompressions- oder einen Absorptionskältekreislauf. Diese Flüssigkeit zirkuliert im Nachgang durch Wärmeübertrager, um je nach Bedarf Luft oder Geräte direkt zu kühlen. Kaltwassersätze lassen sich nach dem im Verflüssiger­abschnitt zur Wärmeabgabe verwendeten Verfahren grob unterteilen. Als Medium für den Wärmeübertragungsprozess im Verflüssiger wird Luft, Wasser, Sole bzw. eine Kombination dieser Medien verwendet. Kaltwassersätze kommen auch in Fertigungsanlagen zum Einsatz, um dort für die Prozesskühlung von Maschinen zu sorgen.

Prozesskühlung

Kaltwassersätze für Prozesskühlung können in einem breiten Anwendungsspektrum eingesetzt werden. Bei der Kunststoffbearbeitung werden Kaltwassersätze zur Kühlung von heißen Kunststoffen sowie der eingesetzten Geräte verwendet. Das ist beispielsweise beim Spritzgießen, Blasformen, Extrudieren oder Prägen der Fall. Während der Kaltwassersatz einer Quelle Wärme entzieht – bspw. bei der Fertigung von Kunststoffprodukten –, könnten sie Wärme übertragen, um für eine effizientere Spritzgussphase zu sorgen.

Kaltwassersätze können auch beim Drucken verwendet werden und Wärme abführen. Diese entsteht bei der Reibung der Druckwalzen. Zudem kann das Papier nach der Trocknung der Tinte (Farbe) gekühlt werden. Auch bei Prozesslaserverfahren wird damit oft der Laser, der zum Schneiden oder zu Lichtprojektionen verwendet wird, inklusive seiner Stromversorgung temperiert.

Ein weiteres Feld ist die Gummiherstellung. Während der verschiedenen Prozesse der Gummifertigung ist die Temperaturregelung sehr wichtig. Häufig werden Kaltwassersätze verwendet, um das Temperaturmanagement zu übernehmen.

Aber auch medizinische Geräte, wie z.B. Magnetresonanztomographie (MRT)-Scanner, können mit Hilfe eines Kaltwassersatzes auf konstanter Temperatur gehalten werden. Ein letztes Beispiel sind Eloxierverfahren. Auch hier wird vorzugsweise mit Kälteträgern – meist Wasser – gearbeitet.

Eine Hauptanwendung von Kaltwassersätzen ist die gewerbliche Klimatechnik. In Groß-Komfortklimaanlagen z.B. wird kaltes Wasser an Kühlregister in Raumlufttechnischen Anlagen geleitet. Dort kühlt das Register die Luft im zentralen Lüftungsgerät, die anschließend in diverse Räume verteilt wird. Natürlich ist hierdurch auch eine Entfeuchtung – besonders im Sommer – möglich. Alternativ kann eine Klimatisierung eines Bürogebäudes auch mit einzelnen Kaltwassertruhen am Boden oder Kassettengeräten in abgehängten Decken realisiert werden.

Technologie

Bei Kaltwassersätzen gibt es im Wesentlichen zwei Technologien, die verwendet werden. Dies sind einerseits die sehr weit verbreitete Kompressionskältetechnik und andererseits das Absorptionverfahren.

Bei Absorptions-Maschinen ist kein wirklicher Verdichter verbaut. Der thermodynamische Kreislauf wird von einer Wärmequelle in Gang gesetzt. Das ist auch der Grund, warum Absorptionskaltwassersätze meist dort verwendet werden, wo Wärme oder Abwärme vorhanden oder sehr günstig zu haben ist. Diese Wärme wird dem Kaltwassersatz in der Regel über Dampf, Heißwasser oder Verbrennung zugeführt. In extrem sonnenreichen Klimazonen wird Solarenergie für den Betrieb von Absorptionskaltwassersätzen genutzt.

Das Prinzip der Absorption beruht auf der molekularen Interaktion zwischen Kälte- und Absorptionsmittel, die es ermöglicht, dass das Absorptionsmittel das Kältemittel absorbiert. Die Absorptionskammer ist mit Absorptionsmittel gefüllt. Das Absorptionsmittel kann Flüssigkeit aufnehmen und speichern, sodass das Kältemittel bei einer sehr niedrigen Temperatur verdampft. Während das Kältemittel im Verdampfer verdampft, kühlt es das Wasser. In diesen Systemen wird häufig Wasser als Kältemittel verwendet – und Lithiumbromid als Absorptionsmittel. In kleineren Absorptions-Kaltwassersätzen kann Ammoniak als Kältemittel dienen – und Wasser als Absorptionsmittel. Absorptions-Kaltwassersätze werden anhand der Anzahl der benutzten Wärmezufuhrstufen identifiziert. Außerdem werden sie danach klassifiziert, ob sie durch Verbrennung eines Brennstoffs direkt befeuert werden, oder Dampf bzw. Heißwasser als Wärmequelle verwenden.

Im Inneren eines Kompressions-Kaltwassersatzes werden Kältemittel wie beispielweise die F-Gase R134a, R407C, R410A oder R404A als Arbeitsmedium verwendet. Natürliche Kältemittel, wie z.B. Ammoniak (R717) oder Propan (R290) können auch verwendet werden. Dabei sind allerdings die spezifischen Eigenschaften der natürlichen Kältemittel, wie z.B. Toxizität oder Brennbarkeit, zu berücksichtigen.

Verdichterarten

In Kompressions-Kaltwassersätzen kommen hauptsächlich vier verschiedene Verdichtertypen zum Einsatz. Dies sind Hubkolben-, Scroll-, Turbo- oder Schraubenverdichter. All diese Verdichtertypen werden in der Regel durch einen Elektromotor angetrieben. Dieser Motor kann integriert oder extern angeordnet sein. Diese Verdichter erzeugen den Kühleffekt mithilfe des umgekehrten Rankine-Prozesses, der auch als „Kompression“ oder „Kaltdampfprozess“ bezeichnet wird.

Hubkolbenverdichter arbeiten im Prinzip wie Kolbenmotoren in Automobilen, haben also ein oder mehrere Zylinder, in denen sich Kolben auf und ab bewegen. Dabei wird der Zylinder aber nicht als Antrieb, sondern mittels Elektromotor zur Verdichtung von Kältemittel verwendet. Hubkolbenverdichter haben Saugventile, durch die das Kältemittel angesaugt und nach der Verdichtung über Druckventile wieder ausgestoßen wird. Die Drehrichtung ist bei Hubkolbenverdichtern beliebig.

Scrollverdichter sind ebenso wie Hubkolbenverdichter Verdrängungsmaschinen. Sie können nur in eine Richtung verdichten (Drehrichtung ist festgelegt). Die Verdichtung erfolgt in kleinen Verdichtungstaschen, die durch die beiden spiralförmigen Scrollschnecken beim Verdichtungsprozess eingeschlossen werden. Diese Taschen werden im Verdichtungsprozess immer kleiner und schieben das Kältemittel am Ende des Prozesses in der Mitte des Scrollsets aus.

Auch Schraubenverdichter sind richtungsgebunden und arbeiten nach dem Verdrängungsprinzip. Sie haben zwei Schrauben (fleischwolfähnliche Schnecken), die das Kältemittel verdichten und schließlich ausschieben. Hier können auch Gemische – wie auch bei den anderen Verdrängungsmaschinen – als Kältemittel genutzt werden.

Turboverdichter arbeiten nicht, wie die bereits beschriebenen Verdichter, nach dem Verdrängungsprinzip. Sie sind Strömungsmaschinen und haben eine radiale oder axiale Turbine. Bei diesem Prinzip können nur Einstoffkältemittel eingesetzt werden.

Teil 2 folgt in der nächsten Ausgabe

Das war ein allgemeiner Überblick über eine sehr verbreitete Art der Kälte- bzw. Kühltechnik. Im zweiten Teil lesen Sie mehr über die technischen Details der Kaltwassertechnologie.