Kühlkühler: Eine Einführung

Wenn wir an Kältemaschinen denken, denken wir im Allgemeinen an Systeme, die die schwere Arbeit bei der Kühlung großer Einrichtungen übernehmen sollen – Einzelhandelsgeschäfte, Bürotürme, Einkaufszentren, Flughafenterminals, Hochschulgelände und dergleichen. Obwohl Kältemaschinen hauptsächlich zum Kühlen dienen, erzeugen sie Wärme, die oft mit Unterstützung auch für die Warmwasserbereitung im Haushalt oder sogar für die Raumheizung genutzt werden kann.

Einfach ausgedrückt nutzt ein Kühler ein Kältemittel und die Prinzipien der Thermodynamik, um einem klimatisierten Raum Wärme zu entziehen. „Kühler“ ist jedoch ein weit gefasster Begriff, der verschiedene Systemkonfigurationen, Kühltechnologien und Methoden zur Abführung der aufgenommenen Wärme umfasst.

Es gibt zwei Haupttypen von Kältemaschinen. Kompressionskühler verwenden ein mechanisches System, um den Zustand des Kältemittels zu ändern und es zu bewegen. Absorptionskältemaschinen nutzen eine Wärmequelle, um den Kältekreislauf anzutreiben.

Die NEWS haben kürzlich Experten aus der gesamten Branche gebeten, verschiedene Kühlsysteme und -technologien sowie die Vorteile, Einschränkungen und typischen Verwendungszwecke verschiedener Arten von Kühlgeräten zu erläutern. Hier ist, was sie zu sagen hatten.

Wie es funktioniert:„Die Hauptkomponenten eines Kompressionskühlers sind ein Verdampfer, ein motorisierter Kompressor, ein Kondensator und ein Expansionsventil“, sagte Rob Tanner, Produktmarketingdirektor für angewandte Ausrüstung bei Johnson Controls Inc.

Ein Kompressionskühler komprimiert ein Kältemittelgas mechanisch und leitet es durch den Kompressionskältekreislauf. „In diesem Kreislauf wird im Verdampfer gekühltes Wasser erzeugt und durch Kühlschlangen in den im gesamten Gebäude verteilten Klimageräten (AHUs) geleitet“, sagte Tanner.

HEIß UND KALT LAUFEN: Die YORK CYK-Wärmepumpe ist eine Kältemaschinen-Wärmepumpen-Kombination, die mit zwei Zentrifugalkompressoren im Vergleich zu einer Kältemaschine mit Wärmerückgewinnung höhere Wassertemperaturen liefert und gleichzeitig heißes und gekühltes Wasser liefern kann. Das Gerät kann im Vergleich zur Kombination eines Kühlers und eines Boilers zum Kühlen und Heizen Wasserverbrauch und Betriebskosten einsparen. (Mit freundlicher Genehmigung von Johnson Controls Inc.)

Luft wird über die Kühlschlangen geblasen, und die AHUs bewegen die gekühlte Luft durch das Gebäude und übertragen unerwünschte Wärme zurück in den Wasserkreislauf des Kühlers. Laut Jeff Sturgeon, Manager des südkalifornischen Schulungszentrums am National Comfort Institute (NCI), wird die Wärme vom durch den Wärmetauscher fließenden Kältemittel absorbiert und dann zum Kompressor zurückgeführt.

„Nachdem die Wärmeabgabe erfolgt ist, kehrt das gekühlte Wasser zum Kondensator zurück, um den Zyklus zu wiederholen“, sagte Tanner.

Ein Kompressionskühler nutzt eine von vier mechanischen Kompressionstechnologien.

„Radialkompressoren verwenden rotierende Laufräder, um dem Kältemittel kinetische Energie zu verleihen“, sagte Eddie Rodriguez, Senior Product Manager bei Danfoss. „Das Laufrad erhöht dann die Geschwindigkeit der Flüssigkeit, was Energie hinzufügt und den Druck erhöht“, sagte er.

Schrauben-, Scroll- und Kolbenkompressoren erhöhen alle den Kältemitteldruck, indem sie dessen Volumen verringern, sagte Rodriguez. Ein Schraubenkompressor verwendet eine rotierende Spiralschraube, ein Scrollkompressor kombiniert eine stationäre Spirale mit einer umlaufenden Spirale, um den Druck zu erzeugen, und ein Kolbenkompressor verwendet ein Kolbensystem; Alle drei Technologien werden als „positive Verdrängung“ bezeichnet, sagte Rodriguez.

TURBOCOR: Ein Turbocor TGS380-Radialkompressor von Danfoss, der in Dampfkompressionskühlern verwendet wird. Die Turbocor-Technologie nutzt ölfreie Magnetlager, einen Antrieb mit variabler Drehzahl, zweistufige Verdichtung und einen Permanentmagnet-Synchronmotor. (Mit freundlicher Genehmigung von Danfoss)

Anwendungen: Die Kühlleistung von Kompressionskältemaschinen variiert stark je nach Art der verwendeten Kompressionstechnologie. Spiral- und Kolbenkompressionskühler werden typischerweise für kleinere Anwendungen eingesetzt, Schraubenkompressionskühler für mittelgroße Anwendungen und Zentrifugalkompressionskühler für mittlere bis große Anwendungen, sagte Rodriguez.

„Dampfkompressionskühler sind dynamische Systeme, die so konzipiert werden können, dass sie ein breites Spektrum an Anlagenanforderungen und Dekarbonisierungszielen erfüllen“, sagte Tanner.

Laut Tanner können luftgekühlte Kältemaschinen mit Scrollkompressoren eine Kapazität von 15 bis 35 Tonnen Kälteleistung haben, während für größere Anwendungen einige Kältemaschinenmodelle, die mit jeweils zwei Radialkompressoren ausgestattet sind, bis zu 6.000 Tonnen liefern können.

„Je nach Kühllast kann der Einsatz mehrerer Kältemaschinen erforderlich sein“, sagte Tanner. „Darüber hinaus können mehrere Kältemaschinentypen kombiniert werden, um die gewünschte Last und Leistung zu erreichen. Redundanz im Kühlsystemdesign kann auch in kritischen Einrichtungen wie Krankenhäusern und Rechenzentren von Vorteil sein, um Ausfallzeiten zu minimieren.“

Vorteile:Zu den Vorteilen von Kompressionskühlern gehören laut Tanner ihr großer Leistungsbereich und ihre Fähigkeit, den großen Kühlbedarf großer Gebäude zu decken.

Überlegungen:Zu den Nachteilen gehören laut Experten der Kompressorlärm, der bei Kolbenkühlern höher sein kann, und der Bedarf an Platz in einem Keller oder Maschinenraum für die Unterbringung der Geräte (größere Kühllasten erfordern größere Stellflächen der Kühler).

Wie es funktioniert: Eine Absorptionskältemaschine ist auf eine Wärmequelle oder Abwärme angewiesen, um den Absorptionskältezyklus zu starten. Ein Kältemittel, normalerweise Wasser, wird mit einer anderen Lösung gemischt, die als Absorptionsmittel fungiert, normalerweise Lithiumbromid, manchmal aber auch Ammoniak, sagte Sturgeon.

Wenn die Mischung erhitzt wird, verwandelt sich das Wasser in Dampf, sagte Tanner. „Lithiumbromid kehrt in die Absorptionskammer zurück und der Wasserdampf steigt in den Kondensator auf“, sagte er. „Der Wasserdampf wandert dann zu einem Kühlturm, wo er wieder zu einer Flüssigkeit kondensiert und in einen Niederdruckverdampfer strömt. Aufgrund dieses plötzlichen Druckabfalls wird das Wasser schnell auf eine plötzlich niedrige Temperatur abgekühlt. Das gekühlte Wasser fließt.“ über einen separaten, versiegelten Wasserkreislauf, der unerwünschte Wärme aus dem Gebäudeinneren transportiert.“

Anwendungen: Die Einsatzmöglichkeiten von Absorptionskältemaschinen seien aufgrund ihrer Abhängigkeit von einer Wärmequelle traditionell begrenzt, sagte Tanner, aber die Nutzung rückgewonnener Abwärme erweitere die Einsatzmöglichkeiten. „Das US-Energieministerium hat Absorptionskältemaschinen als eines der wichtigsten Systeme der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) identifiziert, die für die Bereitstellung erschwinglicher, zuverlässiger und emissionsarmer Energie erforderlich sind“, sagte er.

Die Größe der Absorptionskältemaschinen kann von gasbetriebenen Kältemaschinen für den privaten Gebrauch, die zwei Tonnen Kälte liefern, bis hin zu großen Kältemaschinen mit einer Kapazität von bis zu 5.000 Tonnen reichen, sagte Sturgeon. Sie würden typischerweise für mittelgroße und große Gebäude sowie für den Bau von Campusgeländen verwendet, sagte er.

Vorteile: Zu den Vorteilen zählen laut Experten ein geringerer Geräuschpegel im Vergleich zum Einsatz von Kompressionskühlern; Effizienz, insbesondere wenn Abwärme als Heizquelle genutzt wird; und das Fehlen beweglicher Teile führt in der Regel zu geringeren Wartungskosten.

Überlegungen:Einschränkungen bestehen laut Tanner darin, dass eine Absorptionskältemaschine, die Abwärme nutzt, eine hochwertige Wärmequelle erfordert und dass die als Absorptionsmittel verwendete Lithiumbromidlösung kristallisieren kann.

Während Kältemaschinen einen Raum kühlen, müssen sie selbst gekühlt werden; Das heißt, die eingefangene Wärme muss aus dem System abgeführt werden. Dies kann durch Wasser, durch Luft und durch Verdunstung erfolgen.

Wie es funktioniert: Bei der Wasserkühlung wird die aufgenommene Wärme aus dem Gebäude abgeleitet, indem der Kondensator in einem Außenkühlturm, der sich normalerweise auf dem Dach oder neben dem Gebäude befindet, mit Wasser gekühlt wird. Ein Teil des zur Kühlung des Kondensators verwendeten Wassers verdunstet in die Atmosphäre.

Anwendungen: Wasserkühlung kann sowohl für Kompressionskühler als auch für Absorptionskühler verwendet werden, obwohl Tanner sagte, dass Zentrifugalkompressionskühler hauptsächlich wassergekühlt sind. Wassergekühlte Kältemaschinen können in Gebäuden verschiedenster Größe eingesetzt werden, sind jedoch in größeren Anlagen häufiger anzutreffen.

Vorteile: Wasserkühlung kann Wärme von Kältemaschinen mit der höchsten Wärmeabfuhrkapazität abführen; ist effizient, insbesondere bei großen Kühllasten; und senkt die Energiekosten im Vergleich zur Luftkühlung durch die Verwendung von Wasser anstelle von elektrischen Ventilatoren, sagte Tanner.

Überlegungen: Wassergekühlte Kältemaschinen erfordern eine konstante Wasserversorgung, was in Gebieten mit Wasserschutzvorschriften ein Problem darstellen könnte, sagte Tanner. Da wassergekühlte Kältemaschinen über mehr Komponenten verfügen, sind die Installations- und Wartungskosten höher und sie erfordern auch eine größere Systemfläche, sagte Rodriguez.

Wie es funktioniert:„Luftgekühlte Kältemaschinen verteilen die Wärme durch den Betrieb elektrischer Ventilatoren, die über einen offenen Kondensator laufen, an die Atmosphäre“, sagte Tanner.

„Die Wärme der Anwendungslast wird vom Verdampfer-Kaltwasserkreislauf auf das Kältemittel im Kondensator übertragen“, erklärte Rodriguez. „Die Wärme im Kondensator wird dann mithilfe von Ventilatoren an die Atmosphäre abgegeben.“

Anwendungen:Luftgekühlte Kältemaschinen können in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden und sind eher in kleineren Gebäuden zu finden.

Vorteile: Ein luftgekühlter Kühler hat im Vergleich zu einem wassergekühlten Kühler ähnlicher Kapazität eine kompaktere Stellfläche und macht einen Kühlturm überflüssig. „Systeme können oft auf dem Dach oder auf dem Boden installiert werden“, sagte Tanner. Luftgekühlte Kältemaschinen verbrauchen außerdem weniger Wasser und haben geringere Wartungs- und Installationskosten.

Überlegungen: Zu den Einschränkungen gehören jedoch geringere Kühlkapazitäten als bei wassergekühlten Kältemaschinen und eine geringere Energieeffizienz aufgrund der Verwendung von Elektrizität zum Antrieb der Kühlventilatoren. Wenn die Außenlufttemperaturen steigen, so Sturgeon, sinken die Kapazität und Effizienz einer luftgekühlten Kältemaschine.

Wie es funktioniert:Verdunstungskühlung könne als eine Mischung aus Wasserkühlung und Luftkühlung beschrieben werden, sagten Sturgeon und Troy Reineck, die die Ausbildung bei Evapco Inc. leiten, einem Unternehmen, das Wärmeübertragungsgeräte entwickelt und herstellt.

Während die Wasserkühlung oder indirekte Verdunstungskühlung eine gewisse Verdunstung am Kühlturm erfordert, „nutzt die direkte Verdunstungskühlung die Verdunstung am Eingang der Kondensatorschlange eines luftgekühlten Kühlers, um die Auswirkungen der Umgebungsluft auf Leistung und Effizienz zu verringern“, sagte Sturgeon . „Es braucht eine sehr heiße Umgebung und normalisiert sie teilweise, um Effizienz- und Kapazitätsverluste zu reduzieren.“

„Warmes Wasser aus einer Wärmequelle wird mit kühler Umgebungsluft vermischt“, sagt Reineck. „Ein kleiner Prozentsatz des Wassers verdampft, wodurch dem verbleibenden Wasser Wärme entzogen wird und warme Luft an die Atmosphäre abgegeben wird.“

Anwendungen:Verdunstungskühlung kann für Kältemaschinen verwendet werden, die Komfortkühlung für eine Vielzahl von Einrichtungen bieten, darunter Schulen, Wohngebäude und Büros, und wird auch in industriellen Prozessen eingesetzt, die große Wärmemengen erfordern, sagte Reineck.

Vorteile: „Wasser ist ein sehr effizientes Mittel zur Wärmeübertragung“, und Verdunstungskühlung erfordert nicht so viel Luftbewegung wie Luftkühlung, sagte Reineck. „Wenn ich weniger Luft bewegen muss, brauche ich nicht so viele Ventilatoren.“

Überlegungen: Das Wasser im Kühlsystem muss aufrechterhalten werden, um den Mineralgehalt zu regulieren und Korrosivität zu verhindern. Kann in einem Gebiet mit Wassernutzungsvorschriften oder einer begrenzten Wasserversorgung zu Problemen führen.

„Einige Gebiete werden oder können nicht so viel Wasser liefern, wie Sie benötigen“, sagte Reineck.

ABSORPTIONSZYKLUS: Eine vereinfachte Darstellung des Absorptionskältekreislaufs, der in Absorptionskältemaschinen verwendet wird. (Mit freundlicher Genehmigung von Trane)

KOMPRESSIONSZYKLUS: Eine vereinfachte Darstellung des Dampfkompressionskühlkreislaufs in einem Kühlsystem. (Mit freundlicher Genehmigung von Trane)

Matt Jachman ist der Gesetzgebungsredakteur bei den ACHR NEWS. Er verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung im Community-Journalismus und einen Bachelor-Abschluss in Englisch von der Wayne State University in Detroit.