In der heutigen Zeit wird es immer wichtiger, bei der Anlagenplanung und der Umsetzung technischer Lösungen ein Augenmerk auf die Klimafreundlichkeit der eingesetzten Komponenten zu richten. Dabei spielt zum einen die Energieeffizienz der Kältemaschine eine Rolle, da hier ein möglichst hoher Nutzen durch wenig eingesetzte elektrische Energie erreicht werden soll. Zum anderen sollten die eingesetzten Kältemittel betrachtet werden, da viele der heutzutage standardmäßig verwendeten Kältemittel durch die F-Gase- Verordnung und das PFAS- Verbot vor einem möglichen Aus stehen. Um zukunftssichere Kälteanlagen anbieten zu können, muss daher der Fokus auf natürliche Kältemittel gelegt werden. Im folgenden Beitrag wird die Umsetzung von Tiefkühlverdampfern für brennbare Kältemittel der Sicherheitsklassen A 2L und A 3 mit elektrischer Abtauung beschrieben. Zusätzlich werden Möglichkeiten genannt, wie die Vielfalt an Variationen der Geräteausführungen für die verschiedenen Einsatzbereiche deutlich reduziert werden kann.
Um einen Verdampfer für Kältemittel der Sicherheitsklassen A 2L und A 3 freizugeben, ist es wichtig zu gewährleisten, dass der Verdampfer keine Gefahr für eine Entzündung oder eine Explosion darstellt. Ein Problem sind hier die elektrischen Heizstäbe, da diese sehr hohe Oberflächentemperaturen erreichen können. In der EN 378-2 ist beschrieben, dass die maximale Oberflächentemperatur an einem Bauteil, welches im Leckagefall einem brennbaren Kältemittel ausgesetzt sein kann, die Selbstzündungstemperatur des zugelassenen Kältemittels minus 100 K nicht überschreiten darf. Um die Verdampfer also für die gesamte Breite an brennbaren Kältemitteln freizugeben, muss hier die geringste Selbstzündungstemperatur gewählt werden. Dabei handelt es sich um das A 2L- Kältemittel, R 1234 ze. Es hat eine Selbstzündungstemperatur von 368 °C. Abzüglich der laut Norm geltenden 100 K wird eine maximale Oberflächentemperatur von 268 °C vorgeschrieben. Nach dieser Erkenntnis wurden die Oberflächen an den bestehenden Heizstäben gemessen. Die maximal gemessene Temperatur betrug 345 °C. Damit sind die Standard-Heizstäbe für den Einsatz mit brennbaren Kältemitteln nicht zugelassen. Es muss eine Reduzierung der spezifischen Heizleistung durchgeführt werden, um die maximale Oberflächentemperatur zu drosseln.
Bild: Walter Roller
Neue Heizstäbe
Um das Gefahrenpotenzial während der Abtauung mit elektrischen Heizstäben zu minimieren, muss die spezifische Heizleistung des Heizstabes angepasst werden. Es werden Heizstäbe verwendet, welche eine geringere Leistungsaufnahme pro Fläche haben. Daraus resultiert eine geringere Oberflächentemperatur, und es wird weniger Energie durch die Heizstäbe in den Verdampfer eingeführt. Während der Überprüfung der maximalen Oberflächentemperatur wurde eine Versorgungsspannung von 265 V gewählt. Dieser Wert dient als eine zusätzliche Sicherheit, da die Oberflächentemperatur mit den üblichen 230 V, welche normalerweise im Einsatz herrschen, geringer ausfällt.
Um sicherzustellen, dass der Verdampfer weiterhin sorgfältig abgetaut wird, muss jedoch eine gewisse Menge an Energie eingebracht werden. Daher ist anzunehmen, dass die schwächeren Heizstäbe bei gleicher Abtaudauer das Eis bzw. den Reif nicht sorgfältig abtauen. Um dem entgegenzuwirken, wurde die Anzahl der verwendeten Heizstäbe erhöht. Standardmäßig hat der FHVT-Verdampfer nur einen Heizstab in der Tropfschale. In der A 2L / A 3- Ausführung hat der gleiche Verdampfer nun zwei Heizstäbe, wodurch weiterhin eine sichere Abtauung gewährleistet ist, trotz der reduzierten Leistung.
Diese Erhöhung der Anzahl hat zu dem Vorteil geführt, dass es zu einer besseren Wärmeverteilung im gesamten Wärmeübertrager kommt. Daher war es nicht in jedem Fall nötig, die Heizstabanzahl zu verdoppeln, wodurch ein Teil der elektrischen Energie für die Abtauung eingespart werden konnte. Um sicherzustellen, dass die Verdampfer bei verschiedensten Bedingungen vollständig abtauen, wurden einige Versuche gefahren. Bei diesen Versuchen wurden die Abtaudauer, die Position und das erbrachte Ergebnis mittels Überprüfung der abgeführten Kondensatmenge über einen längeren Zeitraum getestet.
Bild: Walter Roller
Gegenüberstellung
Die Verdampfer für brennbare Kältemittel unterscheiden sich von den Standardverdampfern hauptsächlich in der Anzahl der Heizstäbe. Das Rohrsystem und der zugelassene Betriebsdruck bleiben gleich. Daher kann der Verdampfer für brennbare Kältemittel ebenfalls für übliche HFO-Kältemittel eingesetzt werden. Es bietet sich an, die herkömmlichen Verdampfer grundsätzlich auf die brennbare Variante umzustellen. Grund hierfür ist die Energieeinsparung durch die in der Leistung reduzierten Heizstäbe während der Abtauung. Diese Zusammenführung der Baureihen würde einige Vorteile mit sich bringen.
Für die Produktion der Luftkühler müssten keine separaten Teile mehr gepflegt werden. Dadurch entfällt das Einkaufen mehrerer Komponenten und Lagerplätze würden frei werden. Zudem müsste bei der Anschaffung der Verdampfer nicht mehr zwischen den Baureihen unterschieden werden und Kunden, gerade im Bereich des Großhandels, könnten einfacher Geräte aufs Lager legen und mehrere Applikationen mit derselben Ausführung abdecken.
Um die Energieeinsparung durch die reduzierten Heizstäbe zu verdeutlichen, wird in einem Vergleich eines Verdampfers für herkömmliche mit einem für brennbare Kältemittel ein FHVT 612 betrachtet. Dieser hat in der Standard-Ausführung drei und in der brennbaren Ausführung vier Heizstäbe. Für die Berechnung wurde der Normpunkt SC 3 gewählt, welcher eine Verdampfungstemperatur von − 25 °C und ein DT 1 von 7 K vorgibt. Für die Leistung der Kälteanlage wurden 17 % auf die Leistung der Luftkühler aufgeschlagen. Dieser Faktor dient als eine Art Sicherheit, da die Kälteanlage für gewöhnlich eine höhere Kälteleistung als der Luftkühler hat. Bei dem Vergleich ist der ausschlaggebende Punkt die Leistungsaufnahme der Heizstäbe. Durch sie ist die Amortisationszeit für die höheren Investitionskosten überschaubar. In dem Beispiel beläuft sie sich auf circa 3,5 Jahre, trotz längerer Abtaudauer. Über die kubische Baureihe der A 2L / A 3- Ausführung können durchschnittlich circa 30 % an Heizleistung eingespart werden.
Fazit
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass zukünftig kein Weg an natürlichen Kältemitteln vorbei geht. Daher ist es wichtig, sich auf die Umstellung vorzubereiten und Vorkehrungen zu treffen. Eine sichere Alternative für die Verwendung von brennbaren Kältemitteln ist damit unumgänglich. Mit den in der Leistung reduzierten Heizstäben kann der Energiebedarf des Verdampfers gesenkt werden und damit zusätzlich zur Klimafreundlichkeit der Kälteanlage beigetragen werden. Die höheren Investitionskosten werden durch die geringere Leistung der Heizstäbe innerhalb der durchschnittlichen Lebenszeit des Verdampfers amortisiert. Die Amortisationszeit hängt dabei von den Energiekosten ab. Durch die Vereinheitlichung unterschiedlicher Baureihen können Lagerplätze, Einkaufteile und damit auch Transportwege gespart werden, welche ebenfalls einen Einfluss auf den gesamten CO2- Ausstoß haben. Somit bieten sich durch die Umstellung auf natürliche Kältemittel einige ökologische Vorteile.
Bild: Walter Roller
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Bild: Walter Roller / Joachim Herold
