Leistungsdaten von Verflüssigungssätzen

Der Einfluss des Temperaturgleits

Verflüssigungssätze werden für den jeweiligen Anwendungsfall anhand der von den Herstellern angegebenen Leistungsdaten ausgewählt. Die Bedingungen, unter denen diese ermittelt werden, sind normiert. Anwender sollten allerdings – vor allem bei sensiblen Anwendungen – darauf achten, welches Kältemittel zum Einsatz kommt. Der bei nicht-azeotropen Kältemitteln vorhandene Temperaturgleit hat nämlich Auswirkungen auf die Leistung des Verflüssigungssatzes.

Ein Verflüssigungssatz ist nach der Norm DIN EN 13771-2:2007 ein „werksseitig montiertes Gerät, das einen Kältemittel-Verdichter und Motor, Verflüssiger und alle erforderlichen Zubehörteile beinhaltet“ [2, S.8]. Für die Auswahl und den Vergleich von Verflüssigungssätzen werden deren Leistungsdaten in Form der Kälteleistung Q .  o, der Leistungsaufnahme W.  und dem COP (Coefficient of Performance) von den Herstellern angegeben. Die Bedingungen, für die die Daten durch Versuche ermittelt und angegeben werden, sind in der Norm DIN EN 13215:2016 definiert [3]. Unter anderem wird in der Norm vorgegeben, bei welchen Verdampfungstemperaturen die Leistungsdaten ermittelt werden sollen. Die Verdampfungstemperaturen werden dabei definiert durch die Kältemitteltemperatur am Taupunkt. Bei Einstoffkältemitteln entspricht die Verdampfungstemperatur, bei konstantem Druck, im gesamten Nassdampfgebiet der Taupunkttemperatur. Anders verhält es sich bei nicht-azeotropen Kältemittelgemischen. Bei diesen Kältemitteln liegt die Siedepunkttemperatur bei gleichem Druck unter der Taupunkttemperatur. Bei derselben Taupunkttemperatur liegt die mittlere Verdampfungstemperatur des nicht-azeotropen Kältemittelgemisches somit unter derjenigen des Einstoffkältemittels.

Grundlagen

In diesem Kapitel werden die Grundlagen zur Angabe von Leistungsdaten von Verflüssigungssätzen sowie zur Problematik mit nicht-azeotropen Gemischen beschrieben.

Angabe von Leistungsdaten von Verflüssigungssätzen nach DIN EN 13215

Die Norm DIN EN 13215 beschreibt, welche Leistungsdaten von Verflüssigungssätzen und für welche Bedingungen diese angegeben werden sollen. Für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Simulationen wird ein Verflüssigungssatz mit konstanter Verdichterdrehzahl und luftgekühltem Verflüssiger ohne Unterkühlung angenommen. Daher werden im Folgenden nur die für diesen speziellen Fall in der Norm angegebenen Richtlinien erläutert. In Tabelle 1 sind die Norm-Bezugspunkte für luftgekühlte Verflüssigungssätze angegeben.

Die anzugebenen Leistungsdaten sind die Kälteleistung Q .  o, der Leistungsaufnahme des Verflüssigungssatzes inklusive der Hilfsantriebe und sonstigem Zubehör W.   und der COP der Anlage.

Problematik bei nicht-azeotropen Kältemittelgemischen

Für den Vergleich von verschiedenen Verflüssigungssätzen werden die Leistungsdaten für unterschiedliche Bedingungen, wie sie im vorigen Abschnitt beschrieben wurden, angegeben. Neben der Umgebungstemperatur wird auch die Verdampfungstemperatur variiert. In der Norm DIN EN 13215 wird die Verdampfungstemperatur am Taupunkt vorgegeben [3, S.9]. Für Einstoffkältemittel und azeotrope Kältemittelgemische ist diese Vorgabe sinnvoll, da diese Kältemittel keinen Temperaturgleit haben. Das bedeutet, dass die Verdampfungstemperatur während des gesamten Verdampfungsprozesses konstant ist und der Temperatur am Taupunkt entspricht.

Nicht-azeotrope Kältemittelgemische haben allerdings einen Temperaturgleit im Nassdampfgebiet, was bedeutet, dass die Temperatur des Kältemittels bei konstantem Druck während der Verdampfung ansteigt. In Abbildung 1 ist das T, s-Diagramm eines nicht-azeotropen Gemisches mit dem Temperaturgleit ΔTG für einen beispielhaften Verdampfungsdruck po dargestellt.

Somit gibt es mehrere Möglichkeiten, wie die Verdampfungstemperatur angegeben werden kann. Zum einen kann die Verdampfungstemperatur durch die Taupunkttemperatur definiert werden. Eine weitere Möglichkeit ist es eine mittlere Temperatur anzugeben. Eine Definition einer mittleren Temperatur ist die thermodynamische Mitteltemperatur Tm. Sie kann hinreichend genau mit den Enthalpien am Anfang und am Ende des Verdampfungsprozesses ho1 und ho2 sowie den zugehörigen Entropien so1 und so2 berechnet werden [1, S.120]

Gibt man eine Verdampfungstemperatur am Taupunkt vor, so liegt die thermodynamische Mitteltemperatur des nicht-azeotropen Kältemittelgemisches über den gesamten Verdampfungsprozess betrachtet unter der thermodynamischen Mitteltemperatur eines azeotropen Kältemittelgemisches bzw. eines Einstoffkältemittels. Für den Vergleich von Verflüssigungssätzen mit nicht-azeotropen Kältemittelgemischen und Einstoffkältemitteln bedeutet dies, dass die Leistungsdaten des Verflüssigungssatzes mit nicht-azeotropem Kältemittelgemisch bei einem höheren Druckverhältnis angegeben werden, als eigentlich notwendig wäre, um die Wärme bei derselben thermodynamischen Mitteltemperatur aufzunehmen, bei der ein Einstoffkältemittel die Wärme aufnimmt. Daraus folgen unter Umständen eine höhere Leistungsaufnahme des Verdichters und somit auch niedrigere Werte für den COP.

Je nach Kältemittel ist es möglich, dass der Temperaturgleit nur sehr gering ist und deshalb nur ein vernachlässigbar großer Unterschied zwischen Taupunkttemperatur und thermodynamischer Mitteltemperatur besteht. In Abbildung 2 ist die Temperaturdifferenz zwischen Siede- und Taulinie bei verschiedenen Verdampfungsdrücken, hier definiert durch die Taupunkttemperatur, dargestellt. Wie groß der Einfluss des Temperaturgleits auf die Leistungsdaten von Verflüssigungssätzen ist, wird im Folgenden anhand von Simulationsergebnissen gezeigt.

Ergebnisse

In diesem Kapitel werden die Simulationsergebnisse erläutert. Es werden die Kälteleistung Q .  o, die Leistungsaufnahme des Verdichters W.  v und der COP berechnet. Die Simulation wird für die Zustände bei tiefen und mittleren Verdampfungstemperaturen, die in Tabelle 1 aufgelistet sind, durchgeführt. Als Kältemittel werden R455A und R404A verwendet. Die Sauggastemperatur wird mit 20 °C festgelegt. Die Verdampfungstemperatur ist je nach Fall die thermodynamische Mitteltemperatur Tmo oder die Taupunkttemperatur To“. Der Einfachheit halber werden im Folgenden die Bezeichnungen

Fall 1              für die Definition von Tmo als Verdampfungstemperatur,

Fall 2             für die Definition von To“ als Verdampfungstemperatur

verwendet. Die Ergebnisse der beiden Fälle werden miteinander verglichen. Die prozentuale Abweichung zwischen den berechneten Größen Q .  o, W.  v und COP in den Fällen 1 und 2 wird mit

berechnet.

Ergebnisse bei Verwendung von R455A

Wie bereits zuvor beschrieben, hat das Kältemittel R455A im Vergleich zu anderen nicht-azeotropen Kältemittelgemischen, wie beispielsweise R404A, einen großen Temperaturgleit. Daher ist zu erwarten, dass es einen großen Unterschied zwischen den Leistungsdaten gibt, abhängig davon, wie die Verdampfungstemperatur definiert wird. Die Simulation bestätigt diese Vermutung. In Abbildung 3 a ist die Abweichung für die Kälteleistung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur TU, welche der Lufteintrittstemperatur in den Verflüssiger entspricht, dargestellt. Es wird ersichtlich, dass die Abweichung bei tieferen Verdampfungstemperaturen größer ist. Dies liegt daran, dass der Temperaturgleit von R455A mit sinkender Temperatur größer wird. Die mit steigender Umgebungstemperatur abnehmende Abweichung hängt damit zusammen, dass mit steigender Umgebungstemperatur auch der Verflüssigungsdruck ansteigt. Dadurch liegt, bei isenthalper Expansion, am Verdampfereintritt ein höherer Dampfgehalt vor und die Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Austritt des Verdampfers ist geringer als bei niedrigeren Verflüssigungsdrücken. Somit liegen die durch die thermodynamische Mitteltemperatur und die Taupunkttemperatur definierten Verdampfungsdrücke dichter beieinander.

Im Fall 1 wird in der Simulation auch eine höhere Leistungsaufnahme des Verdichters berechnet als im Fall 2. Die Abweichung bei der Leistungsaufnahme zwischen den beiden Fällen ist in Abbildung 3 b für die verschiedenen Bedingungen über die Umgebungstemperatur TU aufgetragen.

Der Grund hierfür ist die Betriebscharakteristik des Verdichtermodells in der Simulation. Mit zunehmender Taupunkttemperatur bei Verdampfungsdruck steigt die Leistungsaufnahme zunächst an und sinkt abhängig vom Verflüssigungsdruck ab einer gewissen Taupunkttemperatur wieder ab. Da die Taupunkttemperatur im Fall 1 höher ist als im Fall 2, ist auch die Leistungsaufnahme des Verdichters größer. Außerdem steigt die Leistungsaufnahme auch mit zunehmendem Verflüssigungsdruck an. Da eine höhere Kälteleistung bei gleichbleibendem Luftmassenstrom durch den Verflüssiger nur durch eine größere Temperaturdifferenz im Verflüssiger abgeführt werden kann, liegt im Fall 1ein höherer Verflüssigungsdruck vor als im Fall 2. Die Summe beider Einflüsse ergibt den in Abbildung 3 dargestellten Verlauf der Abweichung zwischen den Ergebnissen der Fälle 1 und 2.

Für die Abweichung zwischen den COP der beiden Fälle ergibt sich ein ähnlicher Verlauf wie bei der Abweichung der Kälteleistung. In Abbildung 4 ist die Abweichung zwischen dem COP aus Fall 1 und demjenigen aus Fall 2 in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur für verschiedene Verdampfungstemperaturen dargestellt.

Die Simulation zeigt, dass Verflüssigungssätze mit R455A, deren Leistungsdaten nach DIN EN 13215 für die Verdampfungstemperatur am Taupunkt angegeben werden, im Betrieb eine bis über 9 % größere Kälteleistung als angegeben bereitstellen können. Die höhere Kälteleistung im Fall 1 geht einher mit einer erhöhten Leistungsaufnahme von 0,5 bis 4 % im Vergleich zu Fall 2. Wird aus der Leistungsaufnahme und der Kälteleistung der COP gebildet, so ist dieser im Fall 1 3 bis 7 % höher als im Fall 2.

Ergebnisse bei Verwendung von R404A

Wird das Kältemittel R404A in den Simulationen verwendet, so ergeben sich für die Abweichungen zwischen den Ergebnissen in den Fällen 1und 2 ähnliche Verläufe wie im vorherigen Abschnitt mit dem Kältemittel R455A. Allerdings sind die Abweichungen, durch den geringeren Temperaturgleit, weitaus kleiner, wie unter anderem in Abbildung 5 a an der Abweichung der Kälteleistung Q .  o, zu sehen ist.

Die Abweichung der Leistungsaufnahme ist in Abbildung 5 b dargestellt. Sie ist im Fall 1 nur bei der tiefen Verdampfungstemperatur To“, Tmo = 238,15 K größer als im Fall 2. Bei der höheren Verdampfungstemperatur To“, Tmo= 263,15 K ist die Leistungsaufnahme des Verdichters im Fall 1 geringer als im Fall 2. Auch bei diesem Kältemittel liegt dies an der Betriebscharakteristik des Verdichters. Diese ist im Vergleich zu derjenigen mit dem Kältemittel R455A etwas anders. Der Abfall der Leistungsaufnahme beginnt bereits bei einer tieferen Verdampfungstemperatur als bei R455A. Trotz des erhöhten Verflüssigungsdrucks in Fall 1 ist die Leistungsaufnahme daher geringer. Aus den Abweichungen bei der Leistungsaufnahme und der Kälteleistung resultiert für R404A eine Abweichung des COPs zwischen 0,4 und 1 %.

Fazit und Ausblick

Durch die Simulationen wurde gezeigt, dass es bezüglich der Leistungsdaten abhängig vom Kältemittel einen großen Unterschied macht, ob die Taupunkttemperatur oder die thermodynamische Mitteltemperatur als Referenztemperatur für die Verdampfung verwendet wird. Bei nicht-azeotropen Kältemittelgemischen mit großem Temperaturgleit, wie beispielsweise R455A, ist die Kälteleistung bis zu 9 % größer, wenn die Verdampfung durch die thermodynamische Mitteltemperatur und nicht durch die Taupunkttemperatur definiert wird. Bei Kältemitteln mit kleinem Temperaturgleit, zum Beispiel R404A ist der Einfluss der Referenztemperatur der Verdampfung hingegen nur gering. Für die normierte Angabe der Leistungsdaten sollte deshalb die thermodynamische Mitteltemperatur als Referenz verwendet werden.

In der Praxis sollte hingegen bei der Wahl der Referenztemperatur auf die Anwendung geachtet werden. Darf das gekühlte Gut oder das Sekundärfluid eine gewisse Temperatur auf keinen Fall überschreiten, so muss die Verdampfungstemperatur durch die Taupunkttemperatur definiert werden. Sind in einer Strömung oder einem Raum allerdings wärmere und kältere Bereiche zulässig, so dass die vorgegebene Temperatur nur im Mittel erreicht werden muss, so sollte die thermodynamische Mitteltemperatur als Referenz verwendet werden. Nur so kann sichergestellt werden, dass die energetisch sinnvollste Wahl von Komponenten und Kältemittel getroffen wird.

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