Warum muss abgetaut werden?
An Kühlmöbeln kann sich abhängig von verschiedenen Faktoren, wie Feuchtigkeit, Oberflächentemperatur des Verdampfers und sogar dem Luftstrom, Eis bilden. Werden die Geräte dann nicht regelmäßig abgetaut, kann sich Eis am Verdampfer ansammeln und dadurch der Luftstrom gestört oder ganz unterbrochen werden – eine verminderte und ineffiziente Kälteleistung ist die Folge.
Ein unzureichender Luftstrom führt zu hohen Temperaturen in den Kühlmöbeln, wodurch Alarme wegen zu hoher Temperatur ausgelöst werden. Langfristig beeinträchtigen hohe Lufttemperaturen die Lebensmittelqualität und verursachen Verluste durch verdorbene Produkte. Abtauung ist also wichtig für einen sicheren und effizienten Betrieb. Allerdings erfordert sie auch ein gewisses Augenmaß.
Bei zu seltenen oder zu kurzen Abtauzyklen kann sich Eis auf dem Verdampfer bilden und eine vorzeitige Wartung erforderlich machen. Zu häufige oder zu lange Zyklen hingegen können sich negativ auf die Lebensmittelqualität auswirken. Außerdem wird dabei mitunter zu viel Energie verbraucht.
Warum ist die adaptive Abtauung so clever?
Die Betriebsbedingungen, sei es Luftfeuchte, Umgebungstemperatur oder Luftstrom, können etwa durch Überfüllung oder offen gelassene Kühlraumtüren stark variieren. Darauf kann kein noch so gut optimiertes Abtauprogramm reagieren. Nur ein adaptiver Algorithmus zur Abtauregelung kann hier sicherstellen, dass genau so viele Abtauzyklen durchgeführt werden, wie angesichts der vorherrschenden Bedingungen notwendig sind.
Gängige moderne Abtauverfahren
Die AK-CC-Verdampferregelungen von Danfoss verfügen über eine flexible Abtauregelungsfunktion, mit der die Kunden verschiedene Abtaumethoden sowie verschiedene Methoden zum Einleiten oder Anhalten des Abtauvorgangs einrichten können.
Abtauarten
Temperaturfühler im Danfoss AK-CC-Regler und ihre Positionen:
S3 – Luft zum Verdampfer – Rückluftfühler
S4 – Luft vom Verdampfer – Zuluftfühler
S5 – Abtaustopp – Abtaubeendigungsfühle
Abtauen durch Luftzirkulation
Welche die ideale Methode zum Abtauen ist, hängt von der Bauweise des Produkts und dem Temperaturbereich ab. Bei Anwendungen mit mittlerer Temperatur (5 °C) kann das Eis geschmolzen werden, indem lediglich die Kühlung abgeschaltet wird, sodass die Lüfter die Luft nur zirkulieren lassen.
Elektrische oder Heißgasabtauung
Bei Tieftemperaturanwendungen mit einer Temperatur von ca. -18 °C kann das Eis nur mithilfe einer Wärmequelle geschmolzen werden. Üblicherweise handelt es sich dabei um eine elektrische Heizung in der Nähe der Verdampferlamellen oder um im Verdampferrohr zirkulierendes Heißgas.
Methoden zum Einleiten des Abtauvorgangs
Abtau-Intervallschaltung
Die einfachste Methode, um den Zeitpunkt zum Einleiten der Abtauung festzulegen, ist eine Abtau-Intervallschaltung, die nach jedem Abtauzyklus zurückgesetzt wird.
Eine Intervallschaltung kann außerdem einspringen, sollten andere Methoden versagen. Wenn beispielsweise ein externes Gerät verwendet wird, das zweimal täglich ein Signal zum Starten eines Abtauzyklus sendet, das Signal aber unterbrochen ist, könnte die Intervallschaltung nach 16 Stunden eine Notabtauung einleiten und damit das System vor Schäden durch Frost schützen.
Abtauprogramm
Dies ist die gängigste Methode zum Einleiten des Abtauvorgangs – sie kann entweder mithilfe einer Bus-Schnittstelle vom Frontend aus initiiert werden oder ist durch ein integriertes Abtauprogramm voreingestellt. Ein Abtauplan kann dafür sorgen, dass die Abtauung außerhalb von Spitzenzeiten oder nach Ladenschluss durchgeführt wird.
Max. Betriebszeit des Thermostats
Weniger üblich ist die Einleitung der Abtauung anhand einer maximalen Thermostat-Betriebszeit zwischen den einzelnen Abtauvorgängen.
Einleitung des Abtauvorgangs durch externe Geräte oder manuell
Die Abtauzyklen können auch anhand eines digitalen Signals, mit einer App oder durch Drücken der entsprechenden Start-/Stopp-Schaltfläche auf dem Einstellungs-Display eingeleitet werden.
Alle Methoden zur Abtaueinleitung können parallel miteinander verwendet werden.
Methoden zur Beendigung der Abtauung Zeit
Neben der Entscheidung, wie die Abtauung eingeleitet werden soll, ist auch die Wahl der richtigen Methode zum Anhalten oder Beenden des Vorgangs wichtig. Bei Kühlmöbeln im mittleren Temperaturbereich kann die reine Luftzirkulation über einen festgelegten Zeitraum ausreichen. Beim Einsatz von elektrischen oder Heißgasabtauungen sind jedoch komplexere Methoden notwendig, um den Auftauvorgang nach dem Schmelzen des Eises anzuhalten, bevor das Gerät zu warm wird.
S5 Abtaufühler oder S4 Zuluft-Temperaturfühler
Häufig befindet sich ein Sensor zum Anhalten oder Beenden des Abtauvorgangs auf dem Verdampfer, also dort, wo sich üblicherweise Eis bildet. Durch Überwachung des Temperatursignals während der Abtauung wird der Zyklus gestoppt, sobald beim Fühler eine voreingestellte Temperatur erreicht wird. Bei den AK-CC-Reglern von Danfoss kann eine maximale Abtauzeit eingestellt werden, die in Kombination mit anderen Methoden zur Abtaubeendigung zusätzliche Sicherheit bietet.
Manuelles Anhalten des Abtauvorgangs
Die Abtauzyklen können auch manuell über das Frontend, mit einer App oder durch Drücken der entsprechenden Start-/Stopp-Schaltfläche auf dem Einstellungs-Display angehalten werden.
Adaptive Abtauung
Zu häufige oder zu lange Abtauzyklen können sich negativ auf die Lebensmittelqualität und den Wirkungsgrad des Systems auswirken. Die Folgen sind eine unzureichende Kühlung von Lebensmitteln und unvorhergesehene Temperaturalarme. Außerdem benötigt das System nach dem Ende eines jeden Abtauzyklus mehr Energie, um die Zieltemperatur wieder zu erreichen.
Mit einer adaptiven Abtauung in Verbindung mit einem S5-Temperaturfühler lassen sich Abtauzyklen optimieren.
Der Algorithmus für die adaptive Abtauung von Danfoss erkennt die Stärke der Eisbildung und kann eine geplante Abtauung annullieren. Alternativ kann er so eingestellt werden, dass nur dann eine Abtauung erfolgt, wenn der Verdampferluftstrom durch Frost- oder Eisansatz unterbrochen ist.
Bei dieser Methode wird die Energieaufnahme auf der Kältemittelseite mit der Energieabgabe auf der Luftstromseite verglichen. Ist der Verdampfer beispielsweise eisfrei, kann von einer neutralen Energiebilanz ausgegangen werden. Eine ungleiche Energiebilanz hingegen kann festgestellt werden, wenn sich Eis auf der Oberfläche des Verdampfers bildet und dadurch der Luftstrom gestört ist.
Die Berechnung und der Vergleich des Energieflusses zwischen Kältemittel und Luftstrom beruhen auf verschiedenen Sensorsignalen und Reglerdaten:
Überwachung
Eine Überwachungsfunktion kann parallel mit anderen Abtaumethoden verwendet werden und löst bei gestörtem Luftstrom oder Eisbildung am Verdampfer einen Alarm aus. Außerdem kann ein Flashgasalarm auf Störungen beim Kältemittelfluss hinweisen.
Automatisches Überspringen von Abtauzyklen bei Tag
Der Regler kann Abtauzyklen überspringen, wenn diese laut Plan tagsüber stattfinden würden. Damit kann die Abtauung ohne Unterbrechung über Nacht stattfinden.
Es können nur Abtauungen übersprungen werden, die im Rahmen eines Zeitplans im Frontend oder über das interne Abtauprogramm im Regler eingestellt wurden.
Bild: Danfoss
Automatisches Überspringen von Abtauzyklen bei Tag und Nacht
Bei dieser Konfiguration kann der Regler geplante Abtauzyklen rund um die Uhr überspringen. Aus Sicherheitsgründen können allerdings nur maximal drei aufeinander folgende Abtauvorgänge übersprungen werden. Die vierte geplante Abtauung wird dann unabhängig von der vorhandenen Eisbildung durchgeführt.
Voll adaptive Abtauung
Der Modus der voll adaptiven Abtauung eignet sich ideal für Anwendungen, bei denen eine Abtauung nicht zu einem bestimmten Zeitpunkt erfolgen muss, sondern dann durchgeführt werden soll, wenn der Luftstrom durch Eisbildung unterbrochen ist. Aus Sicherheitsgründen wird empfohlen, diesen Modus mit einer Abtau-Intervallschaltung oder einem Abtauplan zu kombinieren. Die manuelle Abtauung kann jederzeit unabhängig von der gewählten Abtaumethode durchgeführt werden.
Wichtige Aspekte beim Einrichten der Abtaufunktion sind:
Das Geheimnis der adaptiven Abtauung von Danfoss
Hintergrund
Die Logik hinter der adaptiven Abtauung beruht auf der sogenannten Energiebilanz. Die Energiebilanz wird ermittelt, indem verschiedene Formen von Energie gegeneinander aufgerechnet werden und beruht auf dem ersten Gesetz der Thermodynamik. Dieses besagt, dass Energie nicht erzeugt oder vernichtet, sondern nur umgewandelt werden kann.
Auf das Beispiel eines Verdampfers in einem Supermarkt übertragen bedeutet das Gesetz in der Konsequenz, dass die Wärme, die beim Strömen durch den Verdampfer/den Wärmetauscher abgegeben wird, auf der anderen Seite wieder an das Kältemittel abgegeben werden muss. Wenn Luft durch den Verdampfer strömt, wird sie kälter, ihr „Energiegehalt“ sinkt.
Nach dem ersten Gesetz der Thermodynamik ist zu erwarten, dass dieser Energieverlust (ΔQLuft) gleich dem Energiegewinn des Kältemittels (ΔQKältem.) ist. Als mathematische Formel ausgedrückt heißt das:
Gleichung 1:

Dabei steht m für den Massenstrom, der Index für das Medium (Luft bzw. Kältemittel) und Δh für die Änderung der Enthalpie auf der Luft- bzw. auf der Kältemittelseite über den Wärmeübertrager hinweg.
Das Prinzip der Bereifungserkennung
Bei Reifbildung kann weniger Luft durch den Wärmeübertrager strömen – eine Verringerung des Luftmassenstroms tritt ein. Der Luftstrom wird jedoch nicht gemessen, sodass er nicht zum Erkennen von Reifbildung herangezogen werden kann.
Der Massenstrom des Kältemittels sowie die Enthalpiedifferenz auf der gesamten Breite des Verdampfers auf der Luft- bzw. Kältemittelseite können mithilfe von Informationen und Sensordaten berechnet werden, über die der Kühlstellenregler verfügt. Mit Hilfe dieser Energiebilanzgleichung lässt sich dann abschätzen, wie viel Luft durch einen eisfreien Verdampfer strömen würde:
Gleichung 2:

In der Praxis wird der so berechnete, bei Eisfreiheit zu erwartende Massenstrom direkt nach einem Abtauzyklus erreicht und dient als Referenz für den erwarteten Massenstrom durch einen eisfreien Wärmeübertrager. Die Frosterkennung kann also feststellen, ob der Massenstrom im Vergleich zum Referenzwert abgenommen hat.
Mathematisch betrachtet wird dafür die folgende Energiebilanz unter Annahme eisfreier Bedingungen aufgestellt:
Gleichung 3:

Hinweis: Die Gleichung 3 ist wahr, wenn das Verdampferregister frostfrei ist. Sobald sich Eis am Register bildet, verringert sich der Luftmassenstrom und die linke Seite der Gleichung wird größer als die rechte. An einem solchen Ungleichgewicht erkennt der Algorithmus für die adaptive Abtauung Reifbildung. Das Prinzip der Eiserkennung anhand der Energiebilanz lässt sich mit einer Waage vergleichen:
Labordaten zur Veranschaulichung der adaptiven Abtauung
Um zu veranschaulichen, wie der Algorithmus für die adaptive Abtauung funktioniert, wurden hier Daten aus einem Laborversuch in unseren Algorithmus eingespeist. Mit diesem Experiment sollten Daten aus einem anfangs eisfreien Verdampfer gewonnen werden, bei dem sich Eis bis zur Unterbrechung des Luftstroms bildete.
Die Grafik 1 zeigt die Daten aus dem Experiment und die Ausgabewerte vom Algorithmus für die adaptive Abtauung. Die blaue und die rote Kurve unten zeigen die Temperatur der Luft beim Ein-/Ausströmen in den/aus dem Verdampfer an. Außerdem sind die Einschalt- und Abschaltgrenzwerte für das Thermostat in Gelb und Violett dargestellt. Zusätzlich zeigt die Kurve einer Zustandsvariable des Reglers an, ob der Verdampfer sich abkühlt oder erwärmt.
Das obere Diagramm zeigt die Ausgabewerte vom Algorithmus für die adaptive Abtauung, wobei „1“ eine Abtauanforderung ist. Mindestens 24 Stunden bevor die Temperatur die obere Grenze des Thermostatbands überschreitet, konnte Eis erkannt werden.
Zu dem Zeitpunkt, als die Eisbildung erkannt wurde, wäre es schwierig gewesen anhand der Temperaturen allein zu erkennen, ob eine Abtauung erforderlich ist. Beim Blick auf die Regelstatusvariable wird jedoch deutlich, dass die Arbeitslast des Thermostats nach dem Punkt, an dem die adaptive Abtauung eine Abtauung angefordert hätte, erheblich ansteigt – die Verdampferleistung war gesunken. Der Algorithmus für die adaptive Abtauung stellt sicher, dass eine Abtauung durchgeführt wird, sobald die Verdampferleistung nachlässt.
Hoher Wirkungsgrad dank frostfreier Verdampferregister
Damit ein Kältesystem eine gleichbleibend hohe Leistung erbringt, ist eine kontinuierliche Anpassung an sich ändernde Betriebsbedingungen von entscheidender Bedeutung. Damit wird Frostbildung im Verdampferregister vermieden und eine gute Gesamtsystemleistung gewährleistet.
Ein leistungsstarkes, frostfreies Verdampferregister in Kombination mit einer optimalen Einspritzregelung wie MSS oder ALC trägt dazu bei, die Verdampfungstemperatur für einen optimalen Wärmeaustausch zwischen dem Register und der vorbeiströmenden Luft zu maximieren und die Genauigkeit aufrechtzuerhalten.
Für einen effektiven Betrieb bei einer hohen Verdampfungstemperatur muss die Optimierung des Verdampfungsdrucks adaptiv erfolgen. Dadurch kann das System mit dem höchsten erreichbaren Saugdruck arbeiten, was die Leistungsaufnahme der Verdichter minimiert.
Mehrere adaptive Schichten intelligenter Komponenten tragen zu einer gleichbleibend hohen Effizienz der Geräte bei. Jede Schicht arbeitet dabei unabhängig, passt sich kontinuierlich den Bedingungen an und ermöglicht, dass selbst schwache Verdampferregister maximale Leistung erreichen.
Die adaptive Abtauung sorgt in Verbindung mit einer Abtaubeendigung bei einer bestimmten Temperatur für die optimale Anzahl von Abtauzyklen, um den Verdampfer eisfrei zu halten. Einfach gesagt hilft die adaptive Abtauung unseren Kunden dabei, die perfekte Balance zwischen optimaler Lebensmittelqualität und Energieeffizienz zu finden.
Bild: Danfoss
Bild: Danfoss/Luckmann
