Wie funktioniert eine Kühlanlage?
Der Dampfkompressionskältekreislauf (VCRC) ist der weltweit am häufigsten verwendete Kältekreislauf. Er wird zur Kühlung von Gebäuden, Fahrzeugen, Kühlschränken und Gefriergeräten sowie zur Kühlung vieler industrieller Prozesse eingesetzt. Aber wie funktioniert er?
Der Dampfkompressionskreislauf ist ein Prozess, der ein Kältemittel verwendet, um zu kühlen und Wärme zu entfernen. Das Kältemittel zirkuliert durch vier Hauptkomponenten: einen Kompressor, einen Kondensator, ein Expansionsventil (Dosiervorrichtung) und einen Verdampfer.
Typisches Kühlsystem
Im Kompressor wird der Kältemitteldampf auf eine höhere Temperatur und einen höheren Druck komprimiert. Der Hochdruck-Kältemitteldampf wird dann an einen Kondensator abgegeben, wo Wärme vom Kältemittel auf ein externes Medium übertragen wird, wodurch die Temperatur des Kältemittels sinkt und es seinen Zustand in eine Hochdruck-Flüssigkeit ändert.
Das flüssige Kältemittel fließt dann durch ein Expansionsventil, das seinen Druck reduziert, wodurch es teilweise verdampft; dies führt dazu, dass eine Mischung aus flüssigem und dampfförmigem Kältemittel aus dem Expansionsventil austritt.
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Dampfkompressionskältekreislauf (VCRC)
Die Mischung fließt dann in einen Verdampfer und wird von einem externen Medium (normalerweise Wasser) erhitzt. Das Kältemittel absorbiert Wärme vom externen Medium, was dazu führt, dass seine Temperatur steigt, bis es verdampft und seinen Zustand ändert von einer Niederdruck-Flüssigkeit zu einem Niederdruck-Dampf. Die Aufnahme von Wärme durch das Kältemittel führt dazu, dass die Temperatur des externen Mediums sinkt, wodurch ein Kühleffekt entsteht. Sobald das externe Medium gekühlt wurde, kann es an einen anderen Ort gepumpt werden, um Wärme aus einem Raum zu entfernen.
Nach dem Verdampfer kehrt der Niederdruck-Kältemitteldampf zum Kompressor zurück und der Kreislauf wiederholt sich.
Was sind die Hauptbestandteile einer Kühlanlage?
Die Hauptbestandteile einer Kühlanlage sind unten aufgeführt.
Kaltwasserkreislauf
Wärme wird von einem Prozess oder Gebäude abgeführt und an den Verdampfer abgegeben. Der Verdampfer nutzt die Wärme des Kaltwassers, um das flüssige Kältemittel im Verdampfer zu verdampfen. Während das Kältemittel verdampft, wird das Kühlwasser gekühlt (Verdunstungskühlung).
Verdampfer
Der Verdampfer ist ein Rohrbündelwärmetauscher. Flüssiges Kältemittel taucht die Rohre ein und wird als „Schalenseite“ bezeichnet. Kaltwasser fließt durch die Rohre und wird als „Rohrseite“ bezeichnet. Niederdruck-Flüssigkältemittel wird durch das einströmende Kaltwasser erhitzt, bis es kocht und zu einem Niederdruck-Gas wird. Das Kaltwasser wird gekühlt, während das Kältemittel verdampft.
Kaltwasser wird oft aus Komfortheizungsbereichen (innerhalb eines Gebäudes), einem industriellen Prozess oder Serverräumen entnommen, aber die Anwendungen sind zahlreich.
Kompressor
Der Kompressor erhöht die Dichte des verdampften Kältemittelgases. Mit zunehmender Dichte des Kältemittelgases steigt auch seine Temperatur. Kältemittelkompressoren für große Kühlanlagen sind in der Regel Zentrifugalkompressoren, Hubkolbenkompressoren oder Getriebekompressoren; kleinere Kompressoren verwenden die Lobe- oder Scroll-Kompressordesigns.
Motor
Der Antriebsmotor für den Kompressor ist ein Elektromotor. Kleine Kompressoren können von Einphasenmotoren angetrieben werden, aber größere Kühlkompressoren werden von Drehstrom-Wechselstrommotoren (AC) angetrieben.
Kondensator
Hochdruck-Kältemittelgas vom Kompressor wird an den Kondensator abgegeben. Der Kondensator ist in der Regel als Rohrbündelwärmetauscher ausgeführt. Kältemittelgas ist das Schalenseitenfluid, während Kühlwasser (Kondensatorwasser) das Rohrseitenfluid ist.
Das Hochdruck-Kältemittelgas wird durch den Kühlwasserkreislauf gekühlt, wodurch das Gas zu einer Hochdruck-Flüssigkeit kondensiert; flüssiges Kältemittel wird dann an das Expansionsventil und anschließend an den Verdampfer abgegeben.
Expansionsventil
Hochdruck-Flüssigkältemittel wird über ein Expansionsventil an den Verdampfer abgegeben. Expansionsventile verringern den Druck, verringern die Temperatur und erhöhen das Volumen des flüssigen Kältemittels. Aufgrund der Druckreduzierung tritt das Hochdruck-Flüssigkältemittel im Verdampfer in einem Dampfzustand ein.
Steuerkasten
Die Elektronik (und in der Regel Schaltpläne), die zur Steuerung der Kühlanlage erforderlich sind, befinden sich im Steuerkasten. Temperatur-, Druck-, Durchfluss- und Füllstandssensoren übermitteln Informationen an den Steuerkasten. Der Steuerkasten steuert, wann der Kompressormotor ein- oder ausgeschaltet wird, und dient als Alarm- oder Abschaltvorrichtung, falls ein Betriebsproblem auftritt.
Moderne Motoren nutzen Frequenzumrichter (VFD); durch die Variation der Frequenz variiert die Geschwindigkeit des Motors und damit des Kompressors. VFDs sind nützlich, da es nicht notwendig ist, den Kompressor so häufig ein- und auszuschalten, wodurch seine Nutzungsdauer verlängert wird und gleichzeitig eine bessere Kontrolle über die Kühlkapazität der Kühlanlage ermöglicht wird.
Zusätzliche Ressourcen
https://en.wikipedia.org/wiki/Chiller
https://energy-models.com/chiller-plant-design
https://blog.senseware.co/2017/11/16/ultimate-guide-chiller-systems