Kältetechnik - energiekonsens.de · -50 0 50 100 0 200 400 600 800 1000 ° C Enthalpie / Wh/kg ... Vollhermetische Hubkolbenverdichter 50 kW Halbhermetische Hubkolbenverdichter 300

Kältetechnik: Grundlagenwissen

Grundlagenwissen

Kältetechnik

Philipp Bruck M. Sc., TARA Ingenieurbüro Bremen

21.06.2018 1


Unsere Leistungen

✓ Energieberatung

✓ Energiemanagementsysteme

✓ Energieaudits

✓ Energieeffizienznetzwerke

✓ Klimaschutz für Unternehmen

✓ Energieeffizienzgutachten

✓ Energiechecks

✓ Fördermittelberatung

✓ Vorträge

✓ Seminare

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Gliederung

1. Einführung

2. Wie funktionieren

Kompressionskältemaschinen?

3. Komponenten von

Kompressionskältemaschinen

4. Wie funktionieren Sorptionskältemaschinen?

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Wofür brauche ich überhaupt „Kälte“?

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Kühlung von

Lebensmitteln

Maschinenbau/

Kühlung

Klimatisierung

(inklusive IKT)


Wie funktionieren Kältemaschinen?Beispiel Kompressionskältemaschine

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Kältemittelkreislauf

zweigeteilt:

▪ „Kalte“ Seite bei niedrigem

Druck und geringer

Temperatur (unten)

▪ „Warme“ Seite bei hohem

Druck und hoher

Temperatur (oben)

Ko

mp

ress

or

Dro

ssel

Kondensator

Verdampfer

Umgebung

Kühlobjekt

Wärme

Wärme

Kältemittel



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▪ Verdampfer: nimmt

Umgebungswärme auf niedrigem

Temperaturniveau auf

Ko

mp

ress

or

Dro

ssel

Kondensator

Verdampfer

Umgebung

Kühlobjekt

Wärme

Wärme

Kältemittel



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▪ Kompressor/Verdichter:

verdichtet unter Einsatz

elektrischer Energie das

Kältemittel und bringt es damit

auf höhere Temperatur

Ko

mp

ress

or

Dro

ssel

Kondensator

Verdampfer

Umgebung

Kühlobjekt

Wärme

Wärme

Kältemittel



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▪ Kondensator/Verflüssiger: gibt

Wärme an Umgebung/Nutzung ab

Ko

mp

ress

or

Dro

ssel

Kondensator

Verdampfer

Umgebung

Kühlobjekt

Wärme

Wärme

Kältemittel



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▪ Drossel/Expansionsventil:

entspannt das Arbeitsmedium,

wodurch es wieder abkühlt

Ko

mp

ress

or

Dro

ssel

Kondensator

Verdampfer

Umgebung

Kühlobjekt

Wärme

Wärme

Kältemittel


Physikalische Grundlagen 1:Siedepunkt ist druckabhängig

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Qu

elle: W

ikim

edia

Com

mon

s, g

em

ein

frei.


Physikalische Grundlagen 2:Phasenübergang ist energieaufwendig

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-50

0

50

100

0 200 400 600 800 1000

Tem

pera

tur

/ °C

Enthalpie / Wh/kg

93 116 627


Gliederung

1. Einführung



3. Komponenten von



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KreisprozessKompressionskältemaschine

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▪ Verdampfer: nimmt

Umgebungswärme auf niedrigem

Temperaturniveau auf

▪ Kompressor/Verdichter:

verdichtet unter Einsatz

elektrischer Energie das

Kältemittel und bringt es damit

auf höhere Temperatur

▪ Kondensator/Verflüssiger: gibt

Wärme an Umgebung/Nutzung ab

▪ Drossel/Expansionsventil:

entspannt das Arbeitsmedium,

wodurch es wieder abkühlt

Ko

mp

ress

or

Dro

ssel

Kondensator

Verdampfer

Umgebung

Kühlobjekt

Wärme

Wärme

Kältemittel


Kreisprozess Kompressionskältemaschine

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Tem

pera

tur

(lo

g.)

HeißdampfNassdampf

flüssig gasförmig„gemischt“

Enthalpie

flüssig



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Tem

pera

tur

(lo

g.)

HeißdampfNassdampf

2

3

4

12

34

1Kühlobjekt

Umgebung

Kühlobjekt

Ko

mp

ress

or

Dro

ssel

Kondensator

Verdampfer

Umgebung

Enthalpie

flüssig



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Dru

ck (

log

.)

Enthalpie

flüssig HeißdampfNassdampf

2

3

2

34

1

Umgebung

Kühlobjekt

Ko

mp

ress

or

Dro

ssel

Kondensator

Verdampfer

4

1

Wärmeleistung ሶ𝑄c

Kälteleistung ሶ𝑄0 El. Leistung 𝑃el


Gliederung

1. Einführung



3. Komponenten von



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Verdampfer

▪ Ziel:

› Dem zu kühlenden Medium Wärme entziehen

(und dem Kältemittel zuführen).

▪ Direktes vs. indirektes System:

› Bei indirektem System zur Verdampfung drittes Medium

zwischengeschaltet (zwischen zu kühlendes Medium und

Kältemittel), z. B. Wasser-Glykol-Gemisch

▪ Bauarten:

› Flüssigkeitskühlung: Rohrbündel-, Plattenwärmeübertrager

› Luftkühlung (mit/ohne Ventilator)

› Eisspeicher (Latentwärmespeicher)

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Verdichter/Kompressor

▪ Ziel:

› Dampfförmiges Kältemittel bei niedrigem Druck und niedriger

Temperatur aus dem Verdampfer absaugen

› Verdichten und dadurch auf höhere Temperatur und höheren

Druck bringen

▪ Bauarten:

› Hubkolbenverdichter

› Rotationskolbenverdichter:

Schrauben-, Scroll-, Turboverdichter usw.

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Verdichter: Hubkolbenverdichter

▪ Funktionsweise „wie Fahrradpumpe“

▪ Bauarten: Antrieb innerhalb oder außerhalb des (mit Kältemittel

gefüllten) Gehäuses?

› offen (selten)

› halbhermetisch (häufig in der Klimatechnik)

› vollhermetisch (insb. Kühlmöbel)

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Verdichter: Rotationsverdichter

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▪ Vorteile: nur drehende Bewegung, keine Ventile, stufenlose

Drehzahlregelung

▪ Bauarten:

› Schraubenverdichter (einrotorig/zweirotorig)

Grafik: Wikimedia Commons, user

Motorhead, CC BY-SA 2.5.

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lysholm_screw_rotors.jpg

https://en.wikipedia.org/wiki/User:Motorhead

https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/deed.en



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Drehzahlregelung

▪ Bauarten:

› Scrollverdichter/Spiralverdichter:

eine fixe, eine rotierende Spirale rollen ineinander

Grafik: Wikimedia Commons, gemeinfrei



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Drehzahlregelung

▪ Bauarten:

› Turboverdichter: Funktionsprinzip „umgekehrte Turbine“

Grafik: Wikimedia Commons, gemeinfrei


Verdichter: Übersicht

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Bauart

Kälte-

leistung

von … bis …

Vollhermetische Hubkolbenverdichter 50 kW

Halbhermetische Hubkolbenverdichter 300 kW

Offene Hubkolbenverdichter 1 MW

Schraubenverdichter 200 kW 1 MW

Scrollverdichter < 1 MW

Turboverdichter 350 kW 30 MW

Absorptionsverdichter (thermisch) 15 kW 6 MW

Angaben: SIEMENS; eigene Recherchen.


Verflüssiger/Kondensator

▪ Ziel:

› Wärmeentzug der Energie, die bei Verdampfen und Verdichten

zugeführt wurde.

▪ Wärmesenke:

› Heizsystem (Wärmepumpe)

› Wärmerückgewinnung/Abwärmenutzung

› Umgebungsluft

▪ Bauarten entsprechend:

› Wassergekühlte Verflüssiger, z. B. Rohrbündelwärmeübertrager

› Luftgekühlte Verflüssiger, z. B. statisch belüftet (wie beim

Kühlschrank) oder mit Ventilator (Klimasplitgeräte)

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Expansionsventil

▪ Ziel:

› Kältemittel auf niedrigeren Druck und niedrigere Temperatur

bringen

› Menge des Kältemittels zum Verdampfer steuern

▪ Bauarten:

› Thermostatisches Expansionsventil

› Elektronisches Expansionsventil

› Überhitzung im Verdampfer wird laufend gemessen.

› Regler sorgt durch Kältemittelmenge für höchstmögliche

Verdampfungstemperatur und damit möglichst geringe

Überhitzung.

› Dadurch höhere Leistungszahlen insb. im Teillastbereich.

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Kältemittelleitungen

▪ Dichtigkeit des Systems (hohe Drücke, entweichende Kältemittel)

▪ Dämmung der Leitungen

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Gliederung

1. Einführung



3. Komponenten von



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KreisprozessAbsorptionskältemaschine

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Ko

mp

ress

or

Dro

ssel

Kondensator

Verdampfer

Kältemittel



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Dro

ssel

Kondensator

Verdampfer Absorber

Au

stre

iber

mit

Rekti

fikati

on

„thermischer Verdichter“

mit Kältemittel

angereichertes LösungsmittelKältemittel

Lösungsmittel



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Dro

ssel

Kondensator

Verdampfer Absorber

Au

stre

iber

mit

Rekti

fikati

on

Lösungsmittel

Kältemittel mit Kältemittel

angereichertes Lösungsmittel

„thermischer Verdichter“



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Dro

ssel

Kondensator

Verdampfer Absorber

Au

stre

iber

mit

Rekti

fikati

on

Lösungsmittel

Kältemittel mit Kältemittel

angereichertes Lösungsmittel

Kühlen

Heizen

Rückkühlen

Rückkühlen


Absorptionskältemaschinen

▪ Einsatzbereiche ab 15 kW, bis > 5 MW

▪ Lohnen sich (nur), wenn viel ungenutzte Abwärme (> 70 °C) zur

Verfügung steht.

▪ Weitgehend geräuschloser, vibrationsfreier Betrieb

▪ Kombination mit Kompressionskälte (für Spitzenlast) möglich

▪ Häufigste Arbeitsstoffpaare:

› Kältemittel Wasser, Lösungsmittel Lithiumbromid (LiBr)

(insbesondere für Klimakälte, sehr geringe Drücke)

› Kältemittel Ammoniak (NH3), Lösungsmittel Wasser

(insbesondere für TK-Anwendungen)

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Adsorptionskältemaschinen

▪ Adsorption = Anlagerung an einen Feststoff

▪ Weil Feststoff nicht umgewälzt werden kann: diskontinuierlicher

Prozess in zwei Phasen:

› Adsorption & Verdampfung

› Desorption & Kondensation

▪ Damit auch als Kältespeicher geeignet

▪ Vorteil: Antriebstemperaturen für Desorption um 60 °C

▪ Nachteile: Geringe Wärmeverhältnisse (Arbeitszahl), hohe

Investitionskosten, hohes Gewicht

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Philipp Bruck, M. Sc.

TARA Ingenieurbüro Bremen

Geschäftsführung: Dr.-Ing. Anne Schierenbeck

Parkstraße 10, 28209 Bremen

Tel. 0421 – 346 8815

[email protected]

www.tara-bremen.de

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