Theorie und Praxis

31.05.2022 | Veröffentlicht in Ausgabe 06-2022

Bild: KältenKlub

Michael Hendriks auf dem PINK-Anhänger im Vortragsmodus

Die Kältebranche ist aus mehreren Gründen im Wandel. Einerseits gibt es Umweltschutz-Auflagen (Verwendungsverbote von synthetischen Kältemitteln, Energie-Effizienzkriterien), andererseits einen Mangel an gut ausgebildeten und qualifizierten Fachkräften.

Dadurch kann bei der Planung, der Montage, der Inbetriebnahme und der Wartung schnell etwas übersehen oder falsch gedeutet werden. Zudem neigt man nur zu gerne dazu, sich auf elektronische Komponenten, die Unterlagen und den Support der Komponenten- und Gerätehersteller zu verlassen.

Wenn aber eine Kälteanlage nicht optimal funktioniert, sind auch mit „viel Elektronik“ und insbesondere mit neuen Kältemitteln wie CO₂ oder synthetischen Kältemitteln (z. B. aus der Rubrik A2L) grundsätzliche Kenntnisse über die thermodynamischen Zusammenhänge sehr hilfreich. Daher soll mit den nachfolgenden Ausführungen bekanntes Wissen wieder aufgefrischt bzw. vertieft werden.

Überhitzung

Die Überhitzung ist eine Temperaturdifferenz, die in Kelvin (K) angegeben wird. Zur Ermittlung der Überhitzung werden also zwei Temperaturangaben (Messwerte) benötigt. Die Ermittlung der Überhitzung am Verdampferausgang und Verdichtereingang ist für die Beurteilung einer Kälteanlage erforderlich. Die Überhitzung auf der Druckseite (Heißgasleitung) kann als weiteres Kriterium dienen. Im Bild 1 werden die Messstellen in der Saugleitung gezeigt, in Bild 2 die Überhitzungsermittlung an einem Beispiel dargestellt.

Bei Kältemitteln mit Temperaturgleit wie den meisten Gemisch-Kältemitteln muss für die Ermittlung der Überhitzung die Sättigungstemperatur im Taupunkt berücksichtigt werden.

Unterkühlung

Auch die Unterkühlung ist eine Temperaturdifferenz, die in Kelvin (K) angegeben wird. In Bild 5 werden die erforderlichen Messstellen dargestellt und in den nachfolgenden Bildern die Ermittlung der Unterkühlung an einem Beispiel gezeigt.

Bei Kältemitteln mit Temperaturgleit wie den meisten Gemisch-Kältemitteln muss für die Ermittlung der Unterkühlung die Sättigungstemperatur im Siedepunkt berücksichtigt werden.

Überhitzungsgrad

Der Überhitzungsgrad ist eine Verhältniszahl (Gliederungszahl) und gibt an, wie groß (anteilig) die tatsächliche Überhitzung im Vergleich zur maximal möglichen Überhitzung im betrachteten Betriebspunkt ist.

Um den Überhitzungsgrad eines Luftkühlers zu ermitteln, der im Gegenstrom oder Kreuzstrom beaufschlagt wird, wird eine weitere Information benötigt: die Lufteintrittstemperatur. Für weitere Bilanzierungen ist auch die Luftaustrittstemperatur interessant. Die entsprechenden Messstellen sind im Bild 5 dargestellt.

**Bild 1: Kältemittelkreislauf mit Messpunkten am Verdampferausgang**

**Bild 2: Beispiel zur Ermittlung der Überhitzung am Verdampferausgang**

Zusammenspiel von Verdampfer und Expansionsventil bei Trockenverdampfung

Die Verdampferleistung, die Verdampferkennlinien und Expansionsventil-Kennlinien bei Trockenverdampfung (DX-Betrieb) sind abhängig von der Überhitzung und dem Überhitzungsgrad.

Beispiele finden Sie in Bild 7 und Bild 8.

Weitere Anmerkungen:

Die Verdampfer-Nennleistung wird nach Norm (EN328) auf einen ÜG von 0.65 bezogen. Dies ist für Vergleichszwecke sinnvoll, in der Praxis sollte der Verdampfer aber anhand der realen Betriebsbedingungen (Messdaten) bewertet werden.
Bei einer zu kleinen Überhitzung kann das Expansionsventil kein stabiles Regelverhalten erreichen (MSS-Punkt: Minimal Stable Signal/Superheat). Das Hunting, also das Schwanken der Überhitzung ist stark ausgeprägt. Bei weiter sinkender Überhitzung wird das Hunting zwar weniger, allerdings fährt der Verdampfer dann nass.
Das MSS eines Verdampfers ist kein fester Wert, sondern ändert sich mit veränderten äußeren Bedingungen. Daher muss auch bei elektronisch geregelten Einspritzventilen (EEV) die zuverlässige und stabile Funktion bei Voll- und Teillast bei allen unter Umständen auftretenden Betriebspunkten überprüft werden: min/max Verdampfungstemperatur, min/max Verflüssigungstemperatur, ggf. variable Lüfterdrehzahlen und die Bereifung. Regelparameter und Setpoints sind gegebenenfalls anzupassen!
CO₂-Kälteanlagen reagieren auf Fehler und Störungen schneller und stärker. Daher sind trotz mehr systembedingtem Regelungsaufwand und mehr Elektronik die grundsätzlichen thermodynamischen und anlagentechnischen Zusammenhänge bei Planung/Auslegung, Montage und Betrieb von großer Bedeutung. Insbesondere bei CO₂-Kälteanlagen kleiner Leistung wird das dynamische Verhalten oft unterschätzt. Kältemittelkreisläufe mit nur einem Verdampfer haben aber keine „dämpfenden“ Einflüsse durch Gleichzeitigkeiten und/oder ein großes saugseitiges Volumen.■