Von der Kaltdampfmaschine zum Turboverdichter

Vorgeschichte

Alle drei Systeme zur Kälteerzeugung, wie Kaltdampfmaschine, Absorptionsmaschine und Kaltluftmaschine waren nach Plank [1] Mitte des 19. Jahrhunderts schon bekannt Absorptionsmaschine und Kaltluftmaschine wurden schon erfolgreich industriell eingesetzt.

Die Geschichte der Kaltdampfmaschine beschreibt Plank [1] wie folgt: Jakob Perkins hat 1834 sein britisches Patent 6662 über eine Kaltdampfmaschine mit allen wesentlichen Teilen angemeldet, James Harrison entwickelte diese Bauart weiter. In den Jahren 1856 und 1857 meldete er seine grundlegenden britischen Patente an, wobei er den schon von Perkins verwendeten, sehr feuergefährlichen Äthyläther als Kältemittel beibehielt. Er baute eine solche Maschine und installierte sie auf dem Segler Norfolk. Auf der ersten Reise 1873 von Sydney nach London, mit Gefrierfleisch beladenen, entstand unterwegs ein Schaden an der Kältemaschine, der den Verlust der gesamten Ladung und damit den Ruin Harrisons zur Folge hatte. Der dritte bedeutende Förderer des Kaltdampfmaschinenbaues war Charles Tellier in Paris, der 1864 seine ersten Anlagen mit Methyläther als Kältemittel baute. Die Feuergefahr war damit zwar nicht behoben, aber doch einigermaßen gemindert; dafür aber musste Tellier viel höhere Arbeitsdrücke in seinen Maschinen in Kauf nehmen. Diese höheren Drücke bereiteten ihm durch Undichtigkeiten und Kältemittelverluste erhebliche Schwierigkeiten, die er nie ganz zu überwinden vermochte. Seine Konstruktionen wiesen erhebliche Mängel auf und konnten sich auf die Dauer nicht durchsetzen.

Zu ergänzen ist noch, dass nach verschiedenen Literaturquellen (Google) David Boyle 1872 in den USA den ersten Kältemittelverdichter mit Ammoniak entwickelte und baute.

Bau des ersten Kältemittelverdichters von Linde

Als C. Linde [2] 1868 seine Professur am Polytechnikum in München erhielt, wurden die Aussichten der Kaltdampfmaschinen ungünstig beurteilt, weil sie konstruktiv mangelhaft waren und die verwendeten Kältemittel Gefahren bargen, die man nur ungern in Kauf nahm. Linde beschäftigte sich eingehend mit der Theorie der Kältemaschinen und erkannte dabei den besonderen Vorteil der Kaltdampfmaschine für die Erzeugung der künstlichen Kälte. Er schrieb 1871 die viel beachtete Abhandlung Verbesserte Eis- und Kühlmaschine. 1873 trug er seine Gedanken auf dem internatio­nalen Brauerkongress in Wien vor und der Brauereibesitzer Sedlmayer aus München erklärte sich bereit, die Entwicklungskosten einer derartigen Kältemaschine zu übernehmen und die Versuche in der Spaten-Brauerei durchzuführen.

1874 wurde der erste Verdichter für diese Maschine von der Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg AG nach den Vorgaben von Linde gebaut. Dieser Verdichter hatte, um Undichtigkeiten sicher zu vermeiden, Quecksilber als Sperrflüssigkeit zur Abdichtung der Kolben und Glyzerin zur Schmierung und Abdichtung gegenüber der Atmosphäre. Als Kältemittel wurde Methyläther gewählt. Linde schreibt dazu: Diese Bauart konnte für die Erfordernisse der Praxis nicht als geeignete Lösung gelten. So erschien mir der Bau einer zweiten Maschine dringend wünschenswert.

Dienel [6] schreibt dazu: Das System war so sensibel, dass der Betrieb einem gewöhnlichen Maschinisten nicht anvertraut werden durfte. Der große apparative Aufwand machte die Maschine trotzdem nicht gasdicht. Der austretende Methyläther verursachte Explosionen im Maschinenraum; nach der schweren Verletzung eines Arbeiters und der ablehnenden Haltung des Maschinenmeisters der Brauerei, musste sich Gabriel Sedlmayr im Frühjahr 1874 sogar zur Einstellung der Versuche entschließen. Damit wären auch die Bemühungen Lindes zur Verbreitung der Kaltdampfmaschine vermutlich gescheitert.

Erst durch den Rat von Kraus, Anteile von Patentrechten des 1873 angemeldeten Patentes auf eine verbesserte Kälteerzeugungsmaschine an ein Konsortium (Kraus, Sedelmayer und von Buz) zu verkaufen, erhielt Linde ausreichende Geldmittel für weitere Entwicklungen. Dies führte dann zu der verbesserten 2. Ausführung mit Glyzerin als Sperrflüssigkeit und einem Ausgleichsdom. Als Kältemittel wurde jetzt NH₃ gewählt. Diese Ausführung erfüllte alle Erwartungen. 1877 erfolgte die erste Lieferung einer 2. Ausführung nach Triest in die Drehersche Brauerei, die dort zur vollsten Zufriedenheit bis 1908 in Betrieb war. Heute befindet sich diese Maschine im Technischen Museum in Wien als Erstling der Lindeschen Kältemaschine.

Danach erfolgte der Bau der 3. Ausführung als liegender doppeltwirkender Wechselstromverdichter mit Kolbenringen und Stopfbuchspackung in Anlehnung an Gaspumpen. Als Kältemittel wurde wiederum das jetzt schon bewährte NH₃ eingesetzt. Die Abdichtung der Kolbenstange erfolgte durch eine zweigeteilte Stopfbüchse, die im Mittelteil unter Saugdruck stand. Die Schmierung von Lagern, Kreuzkopf und Stopfbuchse wurde durch Tropfschmierung mit Laterne sichergestellt. Die Kältemit­tel­einspritzung erfolgte mittels Drosselventil nach der Druckgastemperatur. Mit dieser Ausführung gelang Linde der Durchbruch und damit begann der Siegeszug der Kaltdampfmaschine. Zur industriellen Verwertung wurde 1879 die Gesellschaft für Lindes Eismaschinen in Wiesbaden als Aktien­gesellschaft gegründet, womit der Aufstieg der Fa. Linde begann.

Die liegend-doppeltwirkende Ausführung des Verdichters dominierte den Markt im Bereich der Industriekühlung über Jahrzehnte und wurde von mehreren namhaften Unternehmen wie Borsig, Esslinger Maschinenfabrik, Germania, Hallesche Maschinenfabrik und Eisengießerei, MAN, Witt und Bergedorfer Eisenwerken hergestellt (Bild 4).

Erst in den 40er-Jahren baute man aus Platzgründen vertikale Verdichter, die jedoch z.T. immer noch mit Kreuzkopf, Kolbenstange und Stopfbüchse ausgerüstet waren und entsprechender Wartung bedurften (Bild 5).

Kolbenverdichter mit geschlossenem ­Kurbelgehäuse und Drehkolbenverdichter

Viel später erst kam es bei den Industrieverdichtern, wie im Fahrzeugmotorenbau und bei Kleinverdichtern seit langem üblich, zu Konstruktionen mit geschlossenem Kurbelgehäuse und direkter Pleuelverbindung zum Kolben.

1964 kamen die ersten Schraubenverdichter für Kälteanlagen auf den Markt. Bei diesen entfällt die für Kolbenverdichter notwendige Umwandlung der drehenden in eine hin- und hergehende Bewegung. Der Antrieb erfolgt zumeist durch zweipolige Asynchronmotoren, die Verdichtung drehend, wodurch sich baulicher Aufwand und Platzbedarf ganz wesentlich reduzieren. Heute spielen Kolbenverdichter im Industriekältebereich praktisch keine Rolle mehr. Bis zu Antriebsleistungen von ca. 250 kW stehen für die chlorfreien zeotropen und azeotropen Kältemittelgemische halbhermetische Schraubenverdichter zur Verfügung und offene Schraubenverdichter für größere Leistungen mit dem Kältemittel NH₃.

Turboverdichter zur Prozesskühlung und Klimatisierung

Schon in den 20er-Jahren versuchte man, offene Turboverdichter für große Leistungen einzusetzen, scheiterte aber anfänglich daran, dass hochmolekulare Kältemittel eingesetzt werden mussten, die auf der Saugseite im Unterdruckbereich arbeiteten. Ein Kuriosum, um ausreichende Dichtheit gegen eindringende Luft zu erreichen, stellt der von BBC Anfang der 30ger-Jahre entwickelte Frigoblock dar (Bild 9 und 10).

Der Frigoblock war ein in einem zylindrischen Gehäuse gekapselter kompletter Turbo-Kaltwassersatz für Klima- und Verfahrenstechnische-Anlagen mit R 11 und einem Leistungsbereich von 80000 bis 2000000 kcal/h. Die Maschinen wurden weltweit eingesetzt und sogar noch während des 2. Weltkriegs über die Schweiz in die USA geliefert!

Heute stehen auch für Großklimaanlagen halbhermetische Turboverdichter (Bild 11) mit dem Kältemittel R 134a für Kälteleistungsbereiche bis zu 4,5 MW zur Verfügung. Die Frage der Dichtheit ist bei allen Kälte- und Klimaanlagen eine Grundvoraussetzung.

Entwicklung der Kleinkälte- und gewerblichen Verdichter

Wesentlich dynamischer verlief die Entwicklung der Kleinkälteverdichter für den gewerblichen Bereich. Anfänglich wurde die liegende Ausführung der Industrieverdichter mit Kreuzkopf einfach kopiert, die Verdichter aus Platzmangel jedoch senkrecht gestellt. Diese Ausführung war allerdings, wie die Industrieverdichter, sehr wartungsbedürftig, bedingt durch Stopfbüchse und Kreuzkopfschmierung. Jeder Metzger musste für seine Kältemaschine extra einen Kältemeister beschäftigen oder einen Kältekurs belegen.

Um all diese Probleme zu vermeiden, verfolgte der französische Zisterziensermönch und Professor für Physik Marcel Audiffren einen völlig neuen Ansatz, er meldete 1894 eine Verdichter-Kältemaschine mit Pumpe in einem gasdichten Gehäuse eine hermetische Kältemaschine, die völlig wartungsfrei und dicht war, zum Patent an. Diese wurde dann ab 1905 in der Maschinenfabrik Singrün in Epinal serienmäßig hergestellt. Sie bestand aus zwei miteinander verbundenen Kugeln, wobei sich in der einen der Verdichter und der Verflüssiger, in der anderen der Verdampfer befanden. Als Kältemittel wurde SO₂ verwendet.

Die Maschine wurde AS-Rotor oder nach der Farbe der Kugeln Rot-Silber-Automat genannt und hat, in Lizenz von BBC gefertigt, über viele Jahre den Bedarf für Gewerbekühlanlagen abgedeckt. Für den nordamerikanischen Markt hat General Motors 1912 eine Lizenz erworben und bediente mit Erfolg dann auch diesen Markt.

Der wesentliche Vorteil dieser Maschine war, dass sie völlig dicht, konstruktionsbedingt eigensicher, praktisch wartungsfrei arbeitete und die Antriebsquelle frei gewählt werden konnte. Die Konstruktion war zudem sehr robust und betriebs­sicher. Das Konstruktionsprinzip des Verdichters starre Verbindung von Pleuel und Kolben, schwenkbarer Zylinder mit Steuerung des Kältemitteleinlasses ggf. auch Auslasses war jahrzehntelang Vorbild für viele Konstruktionen. Die Effektivität spielte noch keine große Rolle, Funktio­nalität und Wartungsfreiheit waren wichtiger! Auch heute, nach ca. 100 Jahren, gibt es noch voll betriebsbereite Anlagen mit Originalfüllung.

Nachteil dieser Konstruktion war allerdings, dass sie nur mit geringer Drehzahl betrieben werden konnte, da sonst die für die Verdichterfunktion nötige Schwerkraft durch die Fliehkraft aufgehoben wurde. Außerdem standen für die Wärmeübertragung nur die Außenflächen der beiden Gehäusekugeln zur Verfügung, was natürlich die Leistung begrenzte bzw. große Bauvolumen erforderte. Die Suche nach einer dichten, effektiven und preisgünstiger zu bauenden Maschine ging also weiter.

Ein weiteres Beispiel, die Kälteanwendung im gewerblichen Bereich wartungsfrei zu ermöglichen, ist der Kühlautomat Autofrigor. Escher Wyss Zürich entwickelt 1921 den Autofrigor, eine automatische Kleinkühlanlage, in der Verdichter und Rotor des elektrischen Antriebsmotors (Spaltrohrmotor), als auch Kondensator und Verdampfer in einem hermetischen geschlossenen Kreislauf einbezogen waren Kältemittel CH₃CL, SO₂ und später auch R 12. Das Konstruktionsprinzip des Verdichters entsprach dem des AS-Rotors.

Die Escher Wyss AG Zürich gründete in Lindau-Reutin das Zweigwerk EWL für die serienmäßige Fertigung dieser Maschine. Das Gerät wurde über 20 Jahre produziert und vornehmlich in gewerblichen Anlagen eingesetzt.

Ein weiterer interessanter Versuch, die Kälteanlage wartungsfreier zu betreiben, ist die von A. Freundlich später Rheinkälte entwickelte Autofrost-Maschine, ein stopfbuchsloser Hubkolbenverdichter mit integriertem Motor und NH₃ als Kältemittel. Damit es nicht zu Kurzschlüssen an der Motorwicklung kommen sollte, wurde die Spannung durch einen aufgesetzten Transformator auf 10 Volt reduziert.

Die Maschine war vermutlich der erste halbhermetische Verdichter überhaupt; sie wurde für Leistungen von 1500 bis 15000 kcal/h bei t_o = 10°C angeboten und noch 1932 ausführlich in der Zeitschrift Die Kälteindustrie Hamburg, Ausgabe 5/1932 gewürdigt.

Kältemittel und Dichtheit als Schlüsselfragen

In den frühen 20er-Jahren begann in den USA die Nachfrage nach Kälteanlagen mit mechanischer Verdichtung für Krankenhäuser, Theater, öffentliche Gebäude und Eisenbahnwagen immer größer zu werden [7]. Die Standard-Verdichter dafür hatten schon ein geschlossenes Kurbelgehäuse, die Abdichtung zur Atmosphäre erfolgte an der Antriebswelle über eine Gleitringabdichtung. Es wurden eine Vielzahl verschiedener Kältemittel verwendet, darunter Ammoniak, Schwefeldioxid, Methylchlorid, Äthylchlorid, Isobutan, Äthylen, Methylen­chlorid und Kohlendioxid. Die wahre Herausforderung beim Auf- und Ausbau der Kältetechnik hing mit der Dichtheit des offenen Verdichters und damit der Anlagen zusammen, da es mehrere Unfälle durch austretendes Kältemittel gab. Ein ­führender Hersteller dieser Verdichter war Frigidaire, ein Tochterunternehmen von General Motors.

Auch die ersten Haushaltskühlschränke wurden in den USA angeboten; so der 1926 erschienene M-9 von Frigidaire, er war seinerzeit der modernste Kühlschrank 1929 hatte das Unternehmen bereits eine Million Kühlschränke verkauft. Der Bedarf an Neugeräten auf dem US-Markt lag mittlerweile bei 200000 Geräten im Jahr. In der Kältemittelgeschichte von DuPont [7] heißt es dazu: Je mehr sich die mechanische Kälteerzeugung allgemein verbreitete, desto mehr wurde das Entweichen von Kältemittel und die damit verbundenen Risiken zum Problem. Besonders akut war dieses Thema bei Haushaltskühlschränken. Neben einer zunehmenden Zahl von Beschwerden von Verbraucherseite, kam es in Krankenhäusern und Theatern zu einer Reihe tödlicher Unfälle, die alle mit austretendem Kältemittel zusammenhingen. Die Dämpfe waren giftig und führten bei einigen Menschen, die sie eingeatmet hatten, tatsächlich zum Tod. Wegen dieser Gefährdung wurden die ersten Kühlschränke manchmal hinter dem Haus aufgestellt, statt in der Küche; in Krankenhäusern konnten sie überhaupt nicht eingesetzt werden.

Um eine bessere Akzeptanz zu erreichen, entwickelte 1926 General Electric, in Anlehnung an den AS Rotor, einen gekapselten Tauchkolbenverdichter mit eingebautem Motor und Kältemittel SO₂, ähnlich Bild 17. Die Ergebnisse waren aber, insbesondere wegen des Kältemittels, nicht befriedigend und es begann die Suche nach einem neuen, ungiftigen und unbrennbaren Kältemittel mit geeignetem Siedepunkt und neutralem Verhalten zu allen Verdichterwerk- und Isolierstoffen.

Am Ende des Jahres 1928 hatte Tom Midgely herausgefunden, dass Dichlor­fluormethan, kurz Freon 12, alle genannten Voraussetzungen erfüllte. DuPont entwickelte 1929 eine Pilotanlage zur kommerziellen Herstellung von R 11 und R 12 damit begann in den USA eine stürmische Entwicklung von hermetischen Tauch- und Rollkolbenverdichtern für Kühl­schränke, die sich danach auch in Europa fortsetzte.

Parallel dazu wurden für gewerbliche Anlagen Halbhermetikverdichter in den verschiedensten Ausführungen entwickelt, so von Copeland in den USA, später auch bei uns von Göldner und Bitzer

Heute werden nicht nur Kühlschränke und Kleinklimaanlagen mit hermetischen Verdichtern ausgerüstet neben Tauchkolben und Rollkolbenverdichtern stehen halbhermetische Kolbenverdichter und hermetische Scrollverdichter für alle Bereiche der gewerblichen Kühlung und Klimatisierung zur Verfügung.

Ausblick auf mögliche Entwicklungen der Zukunft

Als wir, ich glaube es war 1990 auf der IKK in Nürnberg, zum ersten Mal am Computer ein Verdichter-Auslegungsprogramm vorstellten, war ein junger Besucher ganz fasziniert von der Vorstellung, für jeden Betriebspunkt exakt die Leistung darstellen zu können. Er fragte ganz unbefangen: wann wird es so weit sein, dass wir mit dem Computer auch kühlen könnten? Bei aller Euphorie für das Machbare das wird es wohl nie geben!

Die Entwicklung der Kältemittelverdichter ist aber keinesfalls abgeschlossen und sie ist, wie am Anfang der Entwicklung, eng gekoppelt mit den zur Verfügung stehenden Kältemitteln und den Forderungen des Marktes. Zur Beantwortung dieser Fragen habe ich Kontakt aufgenommen mit allen mir bekannten Spezialisten, die mit Verdichterentwicklungen befasst sind.

In Anbetracht der bevorstehenden Revision der F-Gase-Verordnung ist zu erwarten, dass die z. Zt. genutzten HFCs über einen gewissen Zeitraum hinweg ersetzt werden. Hierzu sind im wesentlichen CO₂, KW, NH₃ und die neuen HFOs als Alternativen verfügbar. Einen Trend kann man dazu heute schon recht sicher voraussagen: Die Kolbenverdichter werden in Verbindung mit dem Kältemittel CO₂ eine gewisse Renaissance erfahren. Dazu sind effektivere transkritische Verdichter zu entwickeln bzw. weiterzuentwickeln.

Auch die Forderung nach höherer Energieeffizienz zwingt zu neuen Denkanstößen. So ist z. B. das Entwicklungspotenzial bei Kolbenverdichtern noch nicht voll ausgeschöpft. Neue reibungsärmere Materialpaarungen, höhere Fertigungsgüten, verbesserte Arbeitsventile, Synchron-Antriebsmotoren und die Forderung nach wesentlich kleinerem Gas- und Schmierölvolumen im Zusammenhang mit Microchannel-Wärmeübertragern, ermöglichen neue Konstruktionen mit z. T. wesentlich verbesserten Gütegraden.

Allein die Verwendung von PM-Motoren (Permanent-Magnet-Motoren) könnte einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Gütegrade leisten. PM-Motoren sind Synchronmotoren, d.h. es gibt keinen Rotor-Schlupfverlust wie bei Asynchronmotoren. Asynchron-Einbaumotoren haben einen Wirkungsgradverlauf von ca. 86 bis max. 93 Prozent, wobei das Maximum bei ca. 1/3 Last erreicht wird darunter und darüber fällt der Wirkungsgrad wieder ab. Synchronmotoren hingegen haben einen nahezu konstanten Wirkungsgradverlauf von ca. 97 Prozent und das auch im Teillastbereich, sie können allerdings nur mit Frequenzumformern gestartet und betrieben werden, was zwangsläufig höhere Kosten zur Folge hat. Variable Drehzahlen kommen aber der Forderung nach exakterer Leistungsanpassung entgegen und ermöglichen höhere Drehzahlen als 3000, bzw. 3600 min¹, was insbesondere Drehkolben- und Turbo-Verdichtern entgegenkommt. Kleinere Schraubenverdichter können so z. B. mit wesentlich höheren Drehzahlen betrieben werden, wodurch sich die Kosten reduzieren und die Effektivität steigt.

Soweit ein Ausblick auf mögliche Entwicklungen sie sehen, es gibt noch genug zu tun und es werden immer wieder Antworten auf neue Herausforderungen des Marktes gefunden. -

Der HKK stellt auf der Chillventa in Halle 1/Stand 125 aus.

Literatur

[1] Rudolf Plank, Die schöpferische Leistung von Carl von Linde im Spiegel der Entwicklung der Kältetechnik Jubiläumsfestschrift der Fa. Linde.

[2] Carl Linde; Aus meinem Leben und von meiner Arbeit, Oldenbourg Verlag

[3] M. Hirsch, Die Kältemaschine 1. Auflage, Springer­verlag 1924

[4] Firmenanzeige aus Die Kältetechnik 1955

[5] Unternehmensgeschichten der DKV Senioren http://www.vhkk.org/page/home/index.php

[6] Dienel, Die Linde AG, Geschichte eines Technologie-Konzerns 1879 2004, Verlag C.H. Beck 2004

[7] DuPont, Freon-Geschichte Firmenveröffentlichung 1999

[8] M. Hirsch, Die Kältemaschine 2. Auflage, Springerverlag 1932

[9] Plank / Kuprianoff, Die Kleinkältemaschine, Springerverlag 1948

Historische Kälte- und Klimatechnik e.V. (HKK), Maintal, Öffentlichkeitsarbeit