Heißgasabtauung mit WITT Hochdruck-Schwimmerreglern Typ HR

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Ziel einer Kälteanlage ist es, die Qualität und Sicherheit der Kühlung zu jedem Zeitpunkt sicher zu stellen. Für eine optimale Wärmeübertragung, d.h. optimale Kühlwirkung, müssen die Luftkühler daher regelmäßig abgetaut werden.

Die Abtauung wird dabei häufig als „lästiger“ Hilfsprozess angesehen und bei der Planung der Kälteanlage meist nicht intensiv betrachtet.

Eine genauere Betrachtung ist jedoch sinnvoll, denn die Betriebskosten einer industriell genutzten Kälteanlage über deren Lebenszeit betragen ein Vielfaches der Installationskosten.

Als Daumenwert werden bei einer 20-jährigen Laufzeit einer Industriekälteanlage ca. das 18-fache an Betriebskosten gegenüber den ursprünglichen Investitionskosten angesetzt. In den meisten Fällen werden Industriekälteanlagen auch noch länger betrieben.

1.   Methoden zur Abtauung

Zur notwendigen Abtauung der Verdampferoberflächen gibt es verschiedene Methoden. Gegenüber der Heißgasabtauung sind die anderen zur Verfügung stehenden Methoden (z.B. elektrische Abtauung oder Warmsolekreislauf) im industriellen Betrieb deutlich kostspieliger und werden daher eher bei kleineren und nur kurz genutzten Kälteanlagen angewandt.

Bei der Heißgasabtauung gibt es heute üblicherweise zwei Methoden:

  • die Konstant-Druckregelung mit einem Überströmventil oder
  • die Regelung durch Kondensat-Ableitung, hier auch Schwimmerregelung genannt.

Um eine optimale Kühlung zu gewähren ist das Ziel jeder Abtaumethode, die Verdampferoberflächen sicher und vollständig von Frost und Eis zu befreien. Eine gut funktionierende Heißgasabtauung sorgt also dafür, dass die Qualität der zu kühlenden Waren zu jeder Zeit gewährleistet wird. Um die eigentliche Kühlung durch die Verdampfer nur kurz zu unterbrechen, sollte der Hilfsprozess möglichst schnell ablaufen und wenig Energie verbrauchen.

Die einfache Installation und Verrohrung von Überströmventilen bei der Konstant-Druckregelung wird derzeit meist der Schwimmerregelung vorgezogen.

Die Abtauung durch eine Schwimmerregelung hat im Betrieb jedoch einige Vorteile, die bei der Anlagenplanung berücksichtigt werden sollten.

Zwischen 2015 und 2018 hat das Forschungsprojekt ELFORSK die verschieden Abtaumethoden durch Heißgas wissenschaftlich untersucht. Der vorliegende Artikel stützt sich auf die Ergebnisse dieses Forschungsprojektes.

Im Hinblick auf Geschwindigkeit und Menge an abgetauten Frost/Eis gibt es zunächst keine Unterschiede. Beide Methoden erreichen in einer vergleichbaren Zeitspanne das Ziel die Oberflächen sicher vom Eis zu befreien.

Abb. 1:gemessene Masse abgetautes Wasser

Abb. 1: gemessene Masse abgetautes Wasser [1]

[1] Eigene Darstellung auf Basis (Densk Energi ELFORSK, 2015-2018, p. 15)


Voraussetzung für den Versuch zur Ermittlung der Masse des abgetauten Frostes/Eises war, dass bei den beiden Methoden (Schwimmerregelung bzw. Konstant-Druckregelung) zu Beginn des Abtauprozess die gleiche Menge Heißgas bei gleichem Eintrittsdruck zugeführt wird. Im weiteren Verlauf wird erläutert, dass der Eintrittsdruck bei der Schwimmerregelung eigentlich niedriger eingestellt werden sollte.

In Abb. 1 erkennt man, dass sich beide Methoden im Hinblick auf den Zeitverlauf nur wenig unterscheiden. Die Masse an abgetautem Eis ist gleich, d.h. der Eisansatz im Kühlbetrieb unterscheidet sich nicht und eine vollständige Abtauung wird erreicht.

Beide Methoden entfernen das Eis gleich gut!

Im Hinblick auf die Energieeffizienz unterscheiden sich die beiden Methoden jedoch deutlich.

Die Schemata zeigen, dass bei der Konstant-Druckregelung Heißgas durch das Überströmventil zurück zum Abscheider geleitet wird, von wo es wieder dem Verdichter zugeführt werden muss. Bei der Schwimmerregelung wird (fast) ausschließlich Kondensat zurückgeleitet, so dass der Verdichter das Kältemittel nicht noch einmal komprimieren muss.

Entsprechend führt die Menge an Heißgas, die ungenutzt über das Überströmventil zurück in den Abscheider gelangt, zu einem höheren Energieverbrauch durch den Verdichter.

Abb. 2: Aufbau der Konstant-Druckregelung (oben) und Schwimmerregelung (unten)

Abb. 2: Aufbau der Konstant-Druckregelung (oben) und Schwimmerregelung (unten)


Abb. 3: gemessener Massenstrom Heißgas

Abb. 3: gemessener Massenstrom Heißgas [2]

[2] Eigene Darstellung auf Basis (Densk Energi ELFORSK, 2015-2018, p. 14)


Die Messungen zum Verbrauch des Heißgasmassenstroms zeigen anschaulich, dass bei der Konstant-Druckregelung nach Öffnen des Überströmventils eine nahezu konstante Menge Heißgas in den Verdampfer strömt.

Bei der Schwimmerregelung wird hingegen ausschließlich Kondensat durch den Schwimmer geleitet, weshalb der benötigte Heißgasmassenstrom im Verlauf des Abtauprozess immer weiter abnimmt.

Die Menge Heißgas zum Schmelzen von Eis wird somit automatisch auf den niedrigsten erforderlichen Wert geregelt.

2.   Aufteilung des Heißgasverbrauchs

Im nachfolgenden Diagramm wurde die für den Abtauprozess benötigten Energien näher betrachtet.

Abb. 4: Energieverteilung für einen Heißgas-Abtauzyklus

Abb. 4: Energieverteilung für einen Heißgas-Abtauzyklus [3]

[3] Eigene Darstellung auf Basis (Densk Energi ELFORSK, 2015-2018, p. 11)


Der rote Bereich stellt die benötigte und nicht vermeidbare Energie für die Konvektion von Wärme dar.

Der blaue Anteil ist der effektive Anteil, der zum Aufwärmen und Schmelzen des Eis benötigt wird.

Die Verluste, d.h. zusätzlich benötigte Menge ungenutztes Heißgas der Konstant-Druckregelung gegenüber der Schwimmerregelung, wird im gelben Bereich dargestellt.

Der Anteil ungenutztes Heißgas (gelber Bereich), der beim Abtauprozess eingespart werden kann, beträgt dabei je nach Abtauzeit 15 bis 25%.

3.   Energieaufteilung

Bei der Aufteilung der benötigten Energie wird deutlich, wo ein großer Teil der Heißgasenergie verbleibt:

Verglichen wurde eine Konstant-Druckregelung mit einer Schwimmerregelung, die mit einer Unterdruckdüse arbeitet und daher auch einen kleinen Anteil Heißgas zum Verdichter durchlässt. Die Schwimmerregelung mit einer Abtauzeit von 20 min wurde als Referenzwert (100%) angesetzt.

Der dunkelblaue, gelbe und graue Bereich repräsentiert dabei den eigentlichen „Nutzanteil“, d.h. das Aufwärmen des Verdampfers und des angesetzten Eis, sowie das Abschmelzen der Eisschicht.

Die Konvektion (orangener Bereich) muss in Kauf genommen werden und lässt sich nicht ganz vermeiden. Der hellblaue Bereich repräsentiert die benötigte Energie des Verdichters um ungenutztes Heißgas erneut zu verdichten.

Auch bei der Schwimmerregelung wird teilweise ein kleiner Teil ungenutztes Heißgas dem Verdichter erneut zugeführt. Dieser Anteil (üblicherweise < 5%) entsteht, wenn durch eine so genannte Unterdruckdüse Gas zur Niederdruckseite entspannt wird und dadurch im Schwimmergehäuse ein Unterdruck entsteht, der flüssiges Kältemittel entgegen der Schwerkraft ansaugen kann. Eine Unterdruckdüse erlaubt es, den Schwimmer frei zu positionieren, z.B. auch oberhalb der Stelle wo das Kondensat anfällt.

Dieser Verlust kann vermieden werden, wenn der Schwimmerregler unterhalb des Verdampfers montiert wird, d.h. das flüssige Kältemittel frei zu laufen kann und somit keine Unterdruckdüse benötigt wird.

Abb. 5: Verteilung der Energie (Basis 100% entspricht Prozess 20Min. Abtauung mit Schwimmerregelung)

Abb. 5: Verteilung der Energie (Basis 100% entspricht Prozess 20Min. Abtauung mit Schwimmerregelung) [4]

[4] Eigene Darstellung auf Basis (Densk Energi ELFORSK, 2015-2018, p. 19)


4.   Das Prinzip der Heißgasabtauung

Abb. 6: Phasen der Heißgasabtauung

Abb. 6: Phasen der Heißgasabtauung


Um die ablaufenden Prozesse besser zu verstehen, wird zunächst der Heißgasprozess näher erläutert:

Eis auf den Oberflächen reduziert die übertragbare Leistung des Verdampfers (Luftkühler). Dieses Eis wirkt isolierend und verschlechtert den Wärmeübergang. Außerdem wird der Luftstrom zwischen den Lamellen reduziert/behindert, was zusätzlich den Wärmeübergang des Verdampfers negativ beeinflusst.

Um die gleiche Raumtemperatur zu erreichen muss tiefer oder länger verdampft werden. Die Energieeffizienz ist entsprechend schlechter als bei einem vollständig eisfreien Verdampfungsprozess. Die Absenkung der Verdampfungstemperatur um 1K erhöht den Energiebedarf der Verdichter um ca. 3%.

Während der Heißgasabtauung wird mit Hilfe von Heißgas die Verrohrung im Verdampfer erwärmt um das an den Lamellen angesammelte Eis zu schmelzen. Das Heißgas kondensiert und die Flüssigkeit (Kondensat) wird in die Rücklaufleitung des Verdampfers entspannt und in den Niederdruck-Behälter zurückgeführt. Der Verdampfer wirkt jetzt als Verflüssiger.

Das Grundkonzept ist einfach. Das Management von Drücken, Temperaturen und flüssigem Kältemittel machen die Umsetzung der Heißgasabtauung jedoch komplexer.

In Abb. 6 sind die einzelnen Phasen des Heißgasabtauprozesses dargestellt und werden weitergehend erläutert.

4.1 Kühlphase (Normalbetrieb des Verdampfers)

Kühlphase (Normalbetrieb des Verdampfers)

Die Kühlphase beschreibt den normalen Betrieb eines Verdampfers.

Flüssiges Kältemittel wird mit Hilfe einer Kältemittelpumpe zu den Verdampfern geführt (A).

Die vor dem Verdampfer befindlichen Ventile (Magnetventil / Regelventil) regeln den Druck und die Menge der eintretenden Flüssigkeit in den Verdampfer (B).

Im Verdampfer wird die Wärme des Kühlraums vom Kältemittel aufgenommen (C). Je nach Umwälzrate verdampft ein Teil (oder das gesamte) Kältemittel während dieses Prozesses.

Das Kältemittel (Gas und Flüssigkeitsgemisch) tritt über ein Magnetventil oder ein geöffnetes motorisiertes Saugventil aus dem Verdampfer aus (D) und wird dann über die Verdampfer-Rücklaufleitung zurück zum Niederdruckabscheider abgesaugt (E).

Luftfeuchtigkeit im Kühlraum lässt die Oberfläche des Verdampfers dabei mit der Zeit immer stärker vereisen.

4.2 Entleerungsphase (Start der Abtauprozesses)

Entleerungsphase (Start der Abtauprozesses)

Das Eintrittsventil der Flüssigkeit in den Verdampfer schließt (B). Die Ventilatoren arbeiten weiter (C) und die restliche Flüssigkeit, die sich im Verdampfer befindet, verdampft. Das verdampfte Gas strömt weiter aus dem Verdampfer zum Niederdruck-abscheider (E), bis die Flüssigkeit im Verdampfer komplett ausgedampft ist.

Das vorherige Ausdampfen der Flüssigkeit erhöht die Effizienz der Heißgasabtauung, da das Heißgas direkt für das Schmelzen des Eises zur Verfügung steht, statt Energie für die Erwärmung von flüssigem Kältemittel zu verschwenden. Außerdem werden schädliche Druckstöße verhindert und damit die Sicherheit gewährleistet.

Entleerungsphase (Start der Abtauprozesses)

Am Ende dieser Entleerungsphase werden die Ventilatoren angehalten (C) und das Magnetventil am Austritt des Verdampfers wird geschlossen (D).

Eventuelle luftseitige Klappen vor den Verdampfern werden geschlossen um den Wärmeeintrag bei der anschließenden Heißgas-beaufschlagung in den Kühlraum zu minimieren.

4.3 kontrollierte Einspritzung von Heißgas

kontrollierte Einspritzung von Heißgas

Um das Heißgas möglichst langsam und kontrolliert in den Verdampfer zu leiten, wird eine zweistufige Öffnung mit Hilfs- (bzw. Pilotventil) und Hauptventil empfohlen.

Das Hilfsventil (F) lässt erst einmal nur eine geringe Heißgasmenge eintreten (10 bis 30%), bis das Material des Verdampfers sowie das Eis auf den Verdampferoberflächen erwärmt wurde.

Erst dann öffnet das Hauptventil (G) und leitet die Heißgasmenge in den Verdampfer, die zum Schmelzen des Eis benötigt wird.

Mit einer zweistufigen Heißgaszufuhr wird das Risiko von Temperaturschocks und Flüssigkeitsstößen minimiert.

Alternativ kann hier auch ein langsam öffnendes Motorventil eingesetzt werden.

kontrollierte Einspritzung von Heißgas

Heißgas sollte immer zuerst durch die Tropfwanne (C‘) unterhalb des Verdampfers strömen um diese zu erwärmen und Schmelzwasser sicher ableiten zu können. Ein zu kalte Tropfwanne führt sonst ggf. zu Eisblockbildung in der Wanne.

Erst anschließend strömt das Heißgas weiter in den eigentlichen Verdampfer (C). Ein Rückschlagventil (H) zwischen Tropfwanne und Kühlereintritt verhindert im Kühlbetrieb, dass flüssiges Kältemittel in die Wanne gelangen kann.

4.4 Heißgasphase

Bei jetzt voll geöffnetem Hauptventil strömt Heißgas über die Tropfwanne in den Verdampfer.

Durch den Wärmeeintrag des Heißgases wird das Eis in der Tropfwanne und den Lamellen im Verdampfer erwärmt und beginnt zu schmelzen. Die dabei abgegebene Wärmeenergie lässt das Heißgas kondensieren.

4.4.1 Heißgasphase mit Konstant-Druckregelung
Heißgasphase mit Konstant-Druckregelung

Bei der Konstant-Druckregelung steigt der Druck durch die Heißgaszuführung so lange an, bis das Überströmventil (I) öffnet.

Bis der Druck zum Öffnen des Überströmventils erreicht ist, entsteht im Verdampfer Kondensat, welches nicht direkt abgeleitet werden kann. Dadurch steigt der Druck im Verdampfer schneller im Vergleich zu einer Schwimmerregelung und das Kondensat erzeugt ein Sicherheitsrisiko:

Öffnet das Hauptventil zu schnell, strömt zu viel Heißgas in den Verdampfer und kann die dortige Flüssigkeit schlagartig beschleunigen (Flüssigkeitsschläge).

Während des Abtauvorgangs durchströmt Heißgas den Verdampfer solange über das Drucküberströmventil, bis der Abtauvorgang durch Schließen der Heißgas-Hauptventil beendet wird.

Auch wenn die Abtauzeit bedarfsgeregelt eingestellt wird, lässt sich nicht verhindern, dass am Ende der Abtauphase nicht nur Kondensat, sondern zunehmend auch ungenutztes Heißgas den Verdampfer verlässt.

4.4.2 Heißgasphase mit Schwimmerregelung
Heißgasphase mit Schwimmerregelung

Im Gegensatz zu dem fest eingestellten Kondensationsdruck bei einem Überströmregler passt sich der Kondensationsdruck beim Einsatz eines Hochdruck-Schwimmerreglers immer automatisch auf den niedrigsten erforderlichen Wert an.

Dabei steigt der Verflüssigungsdruck im Verdampfer vom Druck zu Beginn des Abtauzyklus (etwas höher als der Verdampfungsdruck, der im Kühlbetrieb herrschte) auf den Heißgaseintrittsdruck zum Ende der Abtauung.

Da die Heißgasmenge der Kondensation folgt, wird bei der Schwimmerregelung mit der Zeit immer weniger Heißgas benötigt. Auch wenn das Heißgasventil voll geöffnet ist, kann das Heißgas nicht ungenutzt entweichen, da der Schwimmer konstruktionsbedingt nur Kondensat durchlässt.

Kondensat bildet sich nur, solange noch Eis auf den Verdampfer-Lamellen vorhanden ist.

Heißgasphase mit Schwimmerregelung

Eine zu lang gewählte Abtauzeit wirkt sich in diesem Fall nicht negativ aus, da

  • bei unterhalb des Verdampfers montiertem Schwimmer ohne Unterdruckdüse keine Heißgasverluste entstehen bzw.
  • die Heißgasverluste über die Unterdruckdüse bei oberhalb montiertem Schwimmer sehr gering sind.

Nach dem Verdampfer ist ein Automatikventil (K) im Zulauf des Schwimmerreglers sinnvoll, um im Kühlbetrieb zu verhindern, dass sich flüssiges Kältemittel im Schwimmerregler ansammelt und in die Verdampfer-Rücklaufleitung abströmt.

4.5 Ausgleichsphase
Ausgleichsphase

In der Ausgleichsphase wird der Druck langsam (zweistufig) wieder auf den Verdampferdruck abgesenkt.

Dazu wird hinter dem Verdampfer ein kleines Pilotventil (J) (Ausgleichsmagnetventil), welches parallel zum größeren Hauptmagnetventil (D) installiert ist, geöffnet.

Durch das langsame Öffnen wird verhindert, dass Druckstöße entstehen können, die eventuell verbliebene Flüssigkeit schlagartig beschleunigen könnten. Außerdem wird so verhindert, dass schnell eine große Menge Dampf auf der Niederdruckseite des Systems entstehen kann, was zu einer plötzlichen Belastung des Verdichters führt.

4.6 Anfrierphase
Anfrierphase

Am Ende der Ausgleichsphase wird das kleine Ausgleichs-Magnetventil geschlossen und das Hauptventil wird geöffnet. Ebenso wird das Eintrittsventil (B) des Verdampfers geöffnet, damit die Pumpen den Kühler wieder mit kaltem flüssigen Kältemittel fluten.

Die Ventilatoren (C) werden nicht sofort gestartet und eventuell vorhandene luftseitige Klappen bleiben geschlossen. Die schnelle Temperaturabsenkung des Verdampfers bewirkt, dass Wassertropfen, die nach der Heißgasphase auf der Lamellenoberfläche zurückgeblieben sind, festfrieren und nicht in den Kühlraum geblasen werden.

4.7 Kühlphase (Normalbetrieb des Verdampfers)

Nach der Anfrierphase werden die Ventilatoren wieder eingeschaltet und die eventuell luftseitigen Klappen geöffnet, damit Kühlraumluft durch den Verdampfer (C) strömen und abkühlen kann.

Die Kühlphase dauert bis zum Beginn des nächsten Abtauzyklus an.

5. Abtauen einer Verdampfergruppe mit einem Schwimmerregler

Die Installation eines Hochdruck-Schwimmerreglers im Kühlraum wird meist als störend empfunden und eine Installation in der Ventilstation innerhalb der Zwischendecke über den Kühlräumen bevorzugt (Abb. 7). Hierbei ist die maximale Anhebung des Kondensats durch die Unterdruckdüse zu berücksichtigen (wird anwendungsbezogen ausgelegt). Bei kleineren Leistungen werden Verdampfer häufig in Verdampfergruppen mit nur einer Ventilstation zusammengefasst. Mit einem Hochdruck-Schwimmerregler können dann auch mehrere Gruppen abgetaut werden. Dabei ist zu beachten, dass immer nur Verdampfer einer Ventilstation gleichzeitig abgetaut werden dürfen.

Abb. 7: Installation eines Schwimmerreglers für zwei Verdampfer

Abb. 7: Installation eines Schwimmerreglers für zwei Verdampfer


6. Abtauen mehrerer Verdampfergruppen

Es ist auch möglich nur einen Hochdruck-Schwimmerregler zum Ableiten des Kondensats aus der Abtauung mehrerer Verdampfergruppen zu nutzen.

Die Einbindung des Schwimmerreglers erfolgt in einer gemeinsamen Kondensat-Sammelleitung (1).

Abb. 8: Abtauung mehrerer Verdampfergruppen mit einem Schwimmerregler

Abb. 8: Abtauung mehrerer Verdampfergruppen mit einem Schwimmerregler


Wie bei der einzelnen Verdampfergruppe muss auch hier die Größe des Hochdruck-Schwimmerreglers so bemessen sein, dass die Leistung der gleichzeitig abtauenden Verdampfer berücksichtigt werden (entsprechend 1,5 – 2-fache, jedoch sollte die Abtauleistung nicht mehr als 30% Gesamtleistung der Kälteanlage betragen).

Um mehrere Verdampfergruppen mit nur einem Schwimmerregler abzutauen ist eine sorgfältige Planung und Installation unerlässlich.

Die Regeln zur Flüssigkeitsabfuhr von 2-Phasenströmungen in Steigleitungen sind hier besonders wichtig!

Wenn die Kondensat-Sammelleitung (1) oberhalb der Pumpenrücklaufleitung (2) angeordnet ist, kann das Kondensat frei ablaufen. Andernfalls ist darauf zu achten das die Geschwindigkeit in der Steigleitung (3) die Flüssigkeit der 2-Phasenströmung mitreißen kann (mind. 12-15 m/s). Ein Unterbogen vor einer Steigleitung ist daher immer empfehlenswert.

Die Einbindungen der Leitung hinter dem Schwimmer in die Pumpenrücklaufleitung (2) muss (wie bei allen Steigleitungen) mit einem Überbogen (4) von oben angeschlossen werden, um zurückströmen von flüssigem Kältemittel zu verhindern.

Durch die im WITT Hochdruck-Schwimmerregler integrierte Unterdrückdüse wird nicht nur die Montage oberhalb der Verdampfergruppen ermöglicht, sondern auch ein unzulässiger Druckanstieg in der Kondensat-Sammelleitung verhindert.

In allen oben beschriebenen Fällen ist darauf zu achten, dass keine Flüssigkeitsfallen entstehen können (z.B. am Ende der Kondensat-Sammelleitung oder der Heißgasleitung). Es kann ansonsten zu spontaner Verdampfung bzw. Flüssigkeitsschlägen kommen.

Die Kondensat-Sammelleitung (1) wird dazu mit Gefälle (1-2%) zum Schwimmerregler verlegt.

Auch die Heißgasleitung (5) sollte mit Gefälle (1-2%) verlegt werden, damit kondensiertes, flüssiges Kältemittel über einen Kondensatableiter (6) sicher abgeleitet werden kann. Hier empfiehlt sich ein WITT Hochdruck-Schwimmerregler Typ HR1BW.

Wie immer muss ein Wärmeeintrag in den Hochdruck-Schwimmerreglers verhindert werden, damit nicht zu viel Flashgas entsteht. Insbesondere bei Außeninstallationen wird daher eine Isolierung des Schwimmerreglers empfohlen.

7.   Druckverlauf während des Abtauvorgangs

Der Druck der Konstant-Druckregelung (rote Linie) steigt zunächst an, da über das Hilfsventil mehr Heißgas zugeführt wird als im Verdampfer kondensiert. Wenn das Hauptventil öffnet, muss zunächst das Kondensat aus dem Verflüssiger durch das Überströmventil geschoben werden, bevor der Druck am Verdampferaustritt auf den eingestellten Druck bis zum Ende der Abtauzeit konstant gehalten werden kann.

Die blaue Linie für die Schwimmerregelung ist etwas flacher, da sofort Kondensat abgeleitet wird. Nach dem Öffnen des Hauptventils steigt der Druck langsamer an, bis er am Ende der Abtauphase den Heißgaseintrittsdruck erreicht hat.

Der Versuch wurde zur besseren Vergleichbarkeit beider Abtaumethoden mit gleicher Heißgasmenge und Eintrittsdruck durchgeführt. Tatsächlich könnte bei der Schwimmerregelung ein niedrigerer Heißgasdruck gewählt werden, was zu einer besseren Energieeffizienz führt.

Abb. 9: gemessener Heißgasdruck am Verdampferaustritt (Ablaufleitung)

Abb. 9: gemessener Heißgasdruck am Verdampferaustritt (Ablaufleitung) [1]

[1] Eigene Darstellung auf Basis (Densk Energi ELFORSK, 2015-2018, p. 17)


7.1 Benötigter Heißgasdruck

Der Druck hinter dem Verdichter (entsprechend dem Kondensationsdruck im Verflüssiger) schwankt in NH3 Anlagen zwischen 8 und 16 bar je nach Außentemperatur. Für eine sichere und konstante Abtauung sollte der Heißgasdruck so niedrig wie möglich sein, aber gleichzeitig noch ausreichend Wärme liefern, um das Eis auch im ungünstigsten Fall abschmelzen zu können.

Tatsächlich kommt der größte Teil der benötigten Wärme für das Schmelzen des Eises aus der „latenten Wärme“ (also der Kondensation) und nicht so sehr aus der Temperatur des Heißgas (also der Enthitzung). Die folgende Tabelle zeigt die latente Wärme für Ammoniak bei verschiedenen Temperaturen.

Enthizung auf Verflüssigungstemperatur

Eine Abtautemperatur von 21°C würde tatsächlich ca. 5% mehr Heißgas im Vergleich zu einer Abtautemperatur von 4°C erfordern, um die gleiche latente Wärme zu erreichen.

7.2 Einfluss der Abtautemperatur

Die Dauer der Abtauung ist von der Heißgastemperatur abhängig, allerdings wird deren Einfluss häufig überschätzt.

Tatsächlich können höhere Heißgastemperaturen die Abtauzeit nicht wesentlich verkürzen. Insbesondere bei Temperaturen über 15° C können noch maximal 2 Minuten eingespart werden.

Die Auswirkung unter einer Abtautemperatur von 10°C sind etwas größer: eine 8°C Kondensationstemperatur benötigt ca. 5 Minuten länger gegenüber 10°C und mit 6°C werden ca. 12 Minuten zusätzlich benötigt. Bei einer Verflüssigungstemperatur von 4°C müsste ca. 35 Minuten länger abgetaut werden im Vergleich zur 10°C Verflüssigungstemperatur.

Zu beachten ist, dass eine zu hohe Heißgastemperatur neben dem erhöhten Energieverbrauch zu einer höheren Luftfeuchtigkeit im Kühlraum führt und unerwünschte Wasserdampfbildung (Schwaden) in den Kühlräumen zur Folge hat. Dadurch vereisen die Verdampfer schneller und müssen entsprechend häufiger abgetaut werden.

Je niedriger die Abtautemperatur (= Verflüssigungstemperatur im Verdampfer) desto höherer die Energieeffizienz und desto niedriger die Belastung im Kühlraum durch Schwadenbildung.

Die besten Abtauergebnisse werden mit Heißgasdrücken zwischen 5 und 7 bar absolut oder 4 - 6 bar Überdruck erzielt, abhängig von der Anwendung (z.B.: Tiefkühlung oder Normalkühlung)

7.3 Vergleich der Heißgasabtaumethoden im log pH Diagramm

Bei der Schwimmerregelung wird das eintretende Heißgas vom überhitzten Zustand sofort kondensiert und das Kondensat wird im Schwimmerregler abgeleitet. Dadurch wandert Punkt D auf der Siedelinie vom niedrigen Druck am Anfang der Abtauung (ca. Verdampfungsdruck, der beim Kühlbetrieb vorliegt), bis zum maximalen Druck entsprechend dem Heißgaseintrittsdruck Punkt D‘ am Ende der Abtauung.

Hinter dem Schwimmer entsteht durch Absenken auf den Abscheidedruck nur ein geringer Flashgasanteil links vom Punkt E. Bei der Abtauung mit Schwimmerregler entsteht daher nur ein geringer Anteil Gas, welches mit der Flüssigkeit in den Abscheider gefördert wird. Am Ende der Abtauung (keine kondensierende Flüssigkeit mehr vorhanden) sorgt die spezielle Konstruktion des Schwimmers dafür, dass kein weiteres Heißgas mehr in den Abscheider expandiert.

Abb. 10: Log-P-H Diagramm NH3 mit Heißgasprozess

Abb. 10: Log-P-H Diagramm NH3 mit Heißgasprozess [1]

[1] Eigene Darstellung auf Basis (Böckh & Stripf, 2015, S. 365-412)


Im Gegensatz dazu wird das Heißgas bei der Konstant-Druckregelung zwar auch sofort kondensieren, aber da das Kondensat nicht abgeleitet werden kann, wird die Flüssigkeit unterkühlt (F). Erst wenn durch das nachströmende Heißgas der Druck des Überströmventils erreicht wird, kann das Kondensat abgeleitet werden (Achtung, Flüssigkeitsschläge möglich).

Nachdem das Überströmventil öffnet, wird der Druck am Verdampferaustritt konstant gehalten. Somit wandert der Punkt F immer weiter nach rechts ins Nassdampfgebiet bis zum Punkt F‘. Der Gasanteil, der durch das Überströmventil ungenutzt zum Abscheider geleitet wird, steigt damit ständig an (Anteil links von Punkt G), bis kein Kondensat mehr anfällt und Punkt F auf der Kondensationslinie bei F‘‘ angekommen ist. Ab hier expandiert 100% Gas im Bypass zum Verdichter zurück!

8. Benötigte Verdichterleistung

Die Verdichter sind häufig ausschließlich für den Kühlbetrieb ausgelegt. Es wird vernachlässigt, dass die benötigte Verdichterleistung im Abtaubetrieb deutlich höher sein kann, da höhere Temperaturen im Verdampfer herrschen und zum Ende mehr Gas entsteht.

benötigte Verdichterleistung

In einem Versuch mit 4 gleich großen Luftkühlern wurde die benötigte Verdichterenergie im Kühl- und Abtaubetrieb verglichen. Alle Kühler liefen im Kühlbetrieb bei -20°C Verdampfungstemperatur. Im Kühlbetrieb mit allen Luftkühlern ist die Verdichterleistung 100% (Abbildung links).

Bei der Abtauung sind nur noch drei Luftkühler im Betrieb und entsprechend wird nur 75% Verdichterleistung für den Kühlbetrieb benötigt (Abbildung rechts).

Im Verlauf des Abtauprozesses entsteht ein Gasanteil, der zusätzlich vom Verdichter verarbeitet werden muss.

Bei der Konstant-Druckregelung wird am Ende der Abtauphase 130% Verdichterleistung benötigt. Sofern die Kälteanlage während der Abtauung eines Luftkühlers unter Volllast läuft, wäre der Verdichter jetzt zu klein.

Mit einer Konstant-Druckregelung der Heißgasabtauung kann die Kühlleistung in Volllast erheblich beeinträchtigt werden!

Bei der Schwimmerregelung hingegen strömt konstruktionsbedingt kein bzw. fast kein ungenutztes Heißgas zurück zum Verdichter. Ein kleiner Gasanteil, der gegebenenfalls über die Unterdruckdüse dem Verdichter zugeführt wird, erfordert eine um weniger als 5% erhöhte Verdichterleistung.

Der Abtaubetrieb mit Schwimmerregelung beeinträchtigt den Kühlbetrieb somit nicht!

In der Praxis gibt es Kälteanlagen, die tagsüber aufgrund der zusätzlich benötigten Verdichterleistung nicht abtauen können und die notwendige Abtauung daher in die Nachtstunden verschoben wird. Darunter leidet entweder die Qualität der Kühlung oder die Verdampfungstemperatur wird weiter abgesenkt, was die Energieeffizienz der Anlage verschlechtert.

Abb. 11: Verdichterleistung während Abtauung - Druckgesteuert vs. Schwimmerregelung

Abb. 11: Verdichterleistung während Abtauung - Druckgesteuert vs. Schwimmerregelung [1]

[1] Eigene Darstellung auf Basis (Vestergaard, Version 2017-09-26, S. 10)


9. Planungshinweise

Führende Anbieter von Luftkühlern in Europa achten bei der Konstruktion ihrer Verdampfer darauf, dass sie selbstentleerend ausgeführt werden, d.h. kein Flüssigkeitssack im unteren Teil verbleibt. Dies ist in einigen Regionen dieser Welt nicht immer der Fall.

Bypassleitung

Beim Einsatz eines Verdampfers ohne Selbstentleerung muss dafür gesorgt werden, dass am Ende der Entleerungsphase die Flüssigkeit zwangsweise herausgesaugt wird. Dazu wird kurzzeitig ein Bypass hinter dem Verdampferaustritt zur Niederdruckseite geöffnet. Die Dimensionierung der Bypassleitung orientiert sich dabei am Totvolumen im Verdampfer. Die durch diesen Bypass entstehenden Verluste verschlechtern die Energieeffizienz der Heißgasabtauung.

9.1 Regelung der Heißgaszufuhr

Der Heißgasdruck zur Abtauung sollte so niedrig wie möglich sein, aber gleichzeitig noch ausreichend Wärme liefern, um das Eis auch im ungünstigsten Fall abschmelzen zu können. Der Druck hinter dem Verdichter (Kondensationsdruck) in NH3 Anlagen schwankt zwischen 8 und 16 bar a, je nach Außentemperatur. Ein Druckregulierventil in der Heißgasleitung (vor dem eigentlichen Heißgas-Regulierventil) ist in der Industriekälte daher üblich.

Das Druckregulierventil stellt unabhängig von der gewählten Abtaumethode den gewünschten Heißgasdruck sicher (üblicherweise zwischen 5 und 7 bar a).

9.2 Überströmventil bei der Konstant-Druckregelung

Zur Vermeidung von Heißgasverlusten soll der Gasanteil nach dem Verdampfer so gering wie möglich sein.

 

Ein Gasanteil = 0 bedeutet es wird nur flüssiges Kältemittel zum Abscheider geleitet

Ein Gasanteil = 1 bedeutet es kommt nur Gas.


Wird das Überströmventil für einen Gasanteil nahe 0 ausgelegt, kann es sehr klein sein, blockiert aber bei einem höheren Gasanteil und verzögert die Abtauung. Wenn der Gasanteil zu groß gewählt ist, wird das Ventil sehr groß und es wird viel Gas durchgelassen, d.h. es entstehen Energieverluste und eine instabile Betriebsweise, wenn am Anfang Flüssigkeit ankommt.

In der Praxis wird ein Überstromventil häufig fehlerhaft ausgelegt. Selbst bei korrekt ausgelegtem Überströmventil (z.B. ca. 0,05 Massenanteil Gas in Flüssigkeit) steigt der Gasanteil im Verlauf der Abtauung immer weiter an bis er 1 erreicht.

10. Auslegung des Schwimmerreglers

Für einen typischen Abtauzyklus von ca. 20 - 30 Min reicht für die Auslegung des Hochdruck-Schwimmerreglers eine 1,5 bis 2-fache Leistung der gleichzeitig abtauenden Verdampfer aus. Die konventionelle und einfache Methode um gerade Anlagen mit Einzelverdampfern sicher abzutauen besteht darin, jeweils einen Hochdruck-Schwimmerregler hinter jedem Verdampfer zu installieren.

Für kleine Abtauleistung kann hier ein WITT Hochdruck-Schwimmerregler Typ HR 1 (bis 40 kW), für große Abtauleistungen Typ HR 2 (bis 400 kW) genutzt werden (vgl. Berechnungsbeispiel in der Anlage).

Das Zusammenfassen von gleichzeitig abtauenden Verdampfern mit nur einem Hochdruck-Schwimmerregler (siehe Kapitel 6, Abbildung 8) ist besonders in großen Industriekälteanlagen mit vielen Verdampfergruppen vorteilhaft, da der Aufwand für die Installation und später auch für Kontrollen/Wartung stark reduziert werden kann. Hier ist der Schwimmerregler Typ HR 2 mit seiner großen Leistung bestens geeignet.

10.1 Abtauzeiten

Die Abtauzeit muss ausreichend bemessen sein um die Verdampferoberflächen vollständig abzutauen.

Eine zu kurze Abtauzeit hat zur Folge, dass „Resteis“ mit der Zeit Eisblöcke bildet. Eine zu kurze Abtauzeit muss in jedem Fall vermieden werden!

Eine zu lange Abtauzeit bewirkt, dass nach dem Abschmelzen des Eises Wärme durch Strahlung und Konvektion in den Kühlraum eingebracht wird. Diese Wärme muss dann zusätzlich durch die Kälteanlage abgeführt werden.

Außerdem wird bei der Konstant-Druckregelung am Ende unnötig Gas durchgelassen, welches vom Verdichter wieder verarbeitet werden muss und den Energieverbrauch unnötig erhöht. Durch den Einsatz einer bedarfsgesteuerten Abtauung mit einem Abtausensor kann die tatsächlich benötigte Abtauzeit besser eingestellt werden, allerdings lässt sich auch hier nicht vermeiden, dass am Ende der Abtauzeit immer mehr Gas ungenutzt durchgelassen wird.

Eine zu lange Abtauzeit bei der Schwimmerregelung ist weniger kritisch, da nur über die ggf. vorhandene Unterdruckdüse etwas Gas durchgelassen wird. Die tatsächlich benötigte Abtauzeit kann bei der Schwimmerregelung auch (einfach) über den Abtaudruck bestimmt werden.

10.2 Kältemittelfüllung

Bisher ist es meist üblich die Kältemittelfüllung (überwiegend im Verflüssiger und Rohrleitungen) abzuschätzen. Setzt sich der Trend zur Reduzierung der Kältemittelfüllung weiter fort, wird die Kältemittelfüllung genauer betrachtet.

Dann ist bei der Konstant-Druckregelung zu beachten, dass zu Beginn des Abtauvorgangs Kältemittel im Verdampfer zurück gestaut wird, bis das Überströmventil öffnet.

Im Projekt ELFORSK wurde ermittelt, dass bis zu 20% des Verdampferinhalts mit Flüssigkeit gefüllt wird, bis der Druck soweit angestiegen ist um den Überströmer zu öffnen.

Auch bei zu klein bemessenen Schwimmerreglern wird der Kondsensatablass begrenzt und Kondensat zurück gestaut. Durch die Verringerung der wirksamen Kondensationsoberfläche regelt sich der Prozess zwar automatisch, allerdings wird die Abtauzeit verlängert und auch hier unnötig Kältemittel im Verdampfer zusätzlich angestaut.

11. Zusammenfassung | Vorteile der Abtauung mit Schwimmerreglern

  • Durch Einsatz von Schwimmerreglern kann bis zu 55% Verdichterleistung gegenüber der Konstant-Druckregelung eingespart werden.
  • Die Verdichter können kleiner ausfallen, da keine zusätzliche Leistung während des Abtauvorgangs benötigt wird.
  • Die Kältemittelmenge, die am Anfang des Abtauvorgangs bei der Druckregelung im Verdampfer kondensiert anstaut, kann eingespart werden (Füllmengenreduzierung).
  • Die Sicherheit der Heißgasabtauung wird erhöht, da flüssiges Kältemittel sofort abgeleitet wird und so Flüssigkeitsschläge vermieden werden.
  • Die Verdichter werden nicht mit wärmerem Gas der Heißgasabtauung belastet. Der Verschleiß ist somit geringer.
  • Beim Einsatz von einem Schwimmerregler für mehrere Verdampfer(gruppen) können die Investitionskosten gesenkt werden.

12.   Anhang: Optimale Auslegung der WITT Schwimmerregler

Die Auslegung eines Schwimmerreglers zur Abtauuung von Verdampfern wird gemäß Kap. 7.1 bei einer Heißgasdruck von 6,1 bar a (THG 10° C) empfohlen.

Die besten Abtauergebnisse werden mit von Heißgas zwischen 5,5 und 7,5 bar absolut erzielt.

Der Vergleich verschiedener Auslegungen am Beispiel HR 1 mit unterschiedlichem Heißgasdruck bzw. -temperatur zeigt, das die Abtauleistung nur leicht voneinander abweicht. Die optimale Heißgastemperatur ist mit THG 10°C gewählt, da oberhalb (THG 14° C) es zu Schwadenbildung kommt und unterhalb (THG 6° C) die Enthitzungsleistung zu gering ist.

 

THG =   6°C è Q HR = 56kW            > Abtauleistung /1,5 = 37 kW

THG = 10°C è Q HR = 63kW            > Abtauleistung /1,5 = 42 kW

THG = 14°C è Q HR = 70kW            > Abtauleistung /1,5 = 47 kW

 

Die nachfolgenden Berechnungsbeispiele zeigen die optimale Auslegung eines Schwimmerreglers HR1 sowie HR 2 dar.

Abb. 12: Auslegung HR 1 (T0 = -10° C | THG = +10° C | 1,5fache Verdampferleistung)

Abb. 12: Auslegung HR 1 (T0 = -10° C | THG = +10° C | 1,5fache Verdampferleistung)

Abb. 13: Auslegung HR 2 (T0 = -10° C | THG = +10° C | 1,5fache Verdampferleistung)

Abb. 13: Auslegung HR 2 (T0 = -10° C | THG = +10° C | 1,5fache Verdampferleistung)


Verweise

Böckh, P. v., & Stripf, M. (2015). Technische Thermodynamik. Berlin; Heidelberg: Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg.

Densk Energi ELFORSK. (2015-2018). Optimization of hot gas defrost in industrial refrigeration systems. Lyngby Denmark: IPU.

Vestergaard, N. P. (Version 2017-09-26). Effective and cost-efficient hot gas defrost methods. Danfoss A/S.

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