Immer ausreichend Überhitzung am Verdampferaustritt

Funktion

Thermostatische Expansionsventile stellen sicher, dass immer eine ausreichende Überhitzung am Verdampferaustritt gewährleistet ist, damit der Verdichter stets Kältemitteldampf ansaugt und keinen Schaden nimmt. Die Überhitzung ist die Differenz zwischen dem gemessenen Temperaturwert am Verdampferausgang und der Nassdampftemperatur des am Manometer abgelesenen Drucks. Gleichzeitig wird so erreicht, dass die gesamte Austauschfläche des Verdampfers genutzt wird. Ein thermostatisches Expansionsventil ist ein selbsttätiger mechanischer Regler ohne Fremdenergie. Das heißt, es braucht keinen elektrischen Anschluss oder höheren, extern herbeigeführten Druck zur Funktion.

Das thermostatische Expansionsventil besteht aus einem thermostatischen Element mit Fühler, einer Fühlerfüllung, einer Membrane, einer Verbindung mittels Stößel zwischenMembrane und Ventilsitz und einem Gehäuse. Am Expansionsventil steht vom Sammler kommend flüssiges Kältemittel aus der Flüssigkeitsleitung an. Diese Flüssigkeit wird nun durch das Expansionsventil geregelt und über die Einspitzleitung und ggf. einen Kältemittelverteiler in den Verdampfer eingespritzt. Der Fühler wird am Verdampferausgang angebracht und es muss Sorge getragen werden, dass stets der Verdampfungsdruck unter der Membrane im Expansionsventil ansteht.

Kältemittel

Der erste Schritt, um das richtige thermostatische Expansionsventil auszuwählen und zu dimensionieren, ist die Auswahl des Kältemittels. Expansionsventile gibt es in einer sehr großen Vielfalt. Dies ist nicht zuletzt darauf zurückzuführen, dass praktisch für jedes Kältemittel ein anderes Expansionsventil eingesetzt wird. Der Grund dafür ist die Fühlerfüllung des Expansionsventils, die auf die Temperaturen und Drücke des spezifischen Kältemittels abgestimmt sein muss. Ausnahmen hierzu sind R 507 und R 404 A. Bei diesen beiden Kältemitteln ähneln sich die Druck-Temperatureigenschaften so sehr, dass die gleiche Ventilserie verwendet werden kann.

Auch bei R 22-Expansionsventilen mit einstellbarer Überhitzung ist ein Betrieb mit dem Kältemittel R 407 C möglich. Hierzu muss nur die Überhitzung entsprechend angepasst werden. Bei Kältemitteln, deren Druck-Temperaturkurven deutlich voneinander abweichen wie beispielsweise bei R 134 a und R 404 A sollte in jedem Fall das Expansionsventil ausgewählt werden, welches spezifisch für das eingesetzte Kältemittel gedacht ist. Wird dies ignoriert, sind entweder flüssiges Kältemittel vor dem Verdichter oder unzureichende Verdampferbeaufschlagung das Resultat.

Unterkühlung

Die Größe des benötigten Expansionsventils variiert außerdem mit unterschiedlichen Unterkühlungswerten der Anlage. Die Unterkühlung ist die Verflüssigungstemperatur abzüglich der Flüssigkeitstemperatur vor dem Expansionsventil. So benötigt man bei ansonsten identischen Anlagendaten ein kleineres Ventil bei großer Unterkühlung (z. B. 40 K) als bei z. B. 4 K. Das liegt an den Angaben, die üblicherweise zur Dimensionierung zur Verfügung stehen. Der Druckabfall eines Ventils hängt maßgeblich vom Volumenstrom ab. Diese Angabe ist aber in der Gewerbekälte-Branche nicht üblich. In der Realität stehen zur Auslegung meist nur Kälteleistung, Kältemittel und Verdampfungstemperatur zur Verfügung. Die Unterkühlung und die Verflüssigungstemperatur sind oft schon die ersten beiden Annahmen.

Für die Praxis macht es keinen Unterschied, ob 4 oder 5 K Unterkühlung herrschen, wohl aber bei 4 oder 40 K. Um wie viel kleiner ein Expansionsventil werden darf, wenn das Kältemittel zusätzlich um 40 K unterkühlt wird, zeigt sich bei der Auslegung mittels Datenblätter an den Korrekturfaktoren. In solchen Fällen reduziert sich die benötigte Leistungsgröße des Expansionsventils bei R 134 a um 30 Prozent (Korrekturfaktor 1,42). Bei anderen Kältemitteln werden abweichende Korrekturfaktoren angewendet. Diese Unterschiede in der Ventilgröße sind auf den Zusammenhang der Kälteleistung mit der Enthalpiedifferenz und dem Massenstrom, der sich wiederum aus Volumenstrom und Dichte zusammensetzt, zurückzuführen. Der Massenstrom multipliziert mit der Enthalpie­differenz ist die Kälteleistung. Steigt nun die Enthalpiedifferenz aufgrund größerer Unterkühlung an, so wird der Massenstrom bei gleicher Kälteleistung kleiner. Da die Dichte gleich bleibt, verringert sich der Volumenstrom. Das bedeutet ein kleineres Ventil.

Druckdifferenzen

Der nächste Schritt ist die Berechnung der Druckdifferenzen über dem Expansionsventil. Dieser Wert wird benötigt, sobald man in einem Auslegungsdatenblatt zum definierten Kältemittel in einer Tabelle zur Verdampfungstemperatur der Anlage die entsprechende Leistungsgröße des Ventils ermitteln will. Mit der Verdampferkälteleistung, die bereits um die Unterkühlung korrigiert ist, soll nun die Düsengröße bestimmt werden. Zur Auswahl stehen verschiedene Spalten mit unterschiedlich hohen Druckabfällen. Bei R 134 a sind dies 2, 4, 6, 8 und 10 bar. Diese Werte erscheinen hoch, wenn man sie mit der Dimensionierung von Ventilen in der Saug-, Flüssig- oder Heißgasleitung vergleicht. Dort sind schon Druckabfälle von 1 bar bei R 134 a als hoch anzusehen.

In diesem Punkt hat das Expansionsventil eine Sonderstellung. Es ist ein Drosselorgan und bringt das Kältemittel vom hohen Druck- wieder zurück zu Niederdruckniveau. Dies ist praktisch die Umkehrung des Verdichtungsprozesses, bei dem niedriger Saugdruck zu hohem Heißgasdruck verdichtet wurde. Somit ist zur Bestimmung dieser Druckdifferenz der Verdampfungsdruck vom Verflüssigungsdruck abzuziehen. Allerdings entspricht das Ergebnis nur grob dem Wert, der in der Auslegungstabelle gewählt werden sollte. Druckabfälle, z. B. über den Verteiler (z. B. Venturiverteiler) des Verdampfers, sind noch nicht berücksichtigt. Für die Praxis ist es ausreichend, einen Pauschalwert von 1 bar in Abzug zu bringen.

Ist der berechnete Wert nun nicht direkt im Auslegungsblatt wiederzufinden, so nimmt man die Spalte mit dem nächstniedrigeren Wert. Bei z. B. 6,5 bar wäre das die Spalte mit den korrigierten Verdampferleistungen bei 6 bar. Nun kann direkt die geeignete Ventilbaureihe mit der genauen Düsengröße aus der Zeile der Auslegungstabelle entnommen werden.

Auslegungsbeispiel

Betrachtet wird dies nun anhand einer konkreten Kälteanlage. Folgende klassische Beispielanlage soll ein thermostatisches Expansionsventil bekommen: Ein Kühlraum mit 7 kW bei 10 °C Verdampfung, 45 °C Kondensation und 10 K Unterkühlung, zum Einsatz kommt das Kältemittel R 134 a. Für die Auswahl des Datenblatts sind Kältemittel und Verdampfungstemperatur entscheidend. In unserem Fall heißt das: Verwendung des Datenblatts für R 134 a und Verdampfungstemperaturbereich +10 bis 40 °C.

Zuerst muss die Kälteleistung mit dem Korrekturfaktor für die Unterkühlung korrigiert werden, der in der kleinen Tabelle unten abgelesen werden kann (siehe Tabelle Auslegungsbeispiel). Bei 10 K beträgt er 1,08. 7 (kW) dividiert durch 1,08 ergibt 6,5 (kW). Da 10 °C explizit als eigene Tabelle ausgewiesen ist, kann die passende Düsengröße für die Kälteleistung 6,5 kW direkt abgelesen werden. Außerdem wird der Druckabfall über dem Expansionsventil benötigt, da die Verflüssigungstemperatur im Datenblatt nicht direkt angegeben ist.

Der Kältemittelschieber schafft Abhilfe: Hier können wir ablesen, dass Verflüssigungs- und Verdampfungstemperatur 9,6 bar (10,6 bar 1 bar) auseinanderliegen. Um dem Druckabfall über dem Verteiler am Verdampfer gerecht zu werden, ziehen wir pauschal nochmals 1 bar vom Resultat ab. Daraus ergeben sich 8,6 bar. Wir orientieren uns an 8 bar Δ p, 6,5 kW Kälteleistung, 10 °C Verdampfungstemperatur und können nun nach der passenden Düsengröße schauen. Der Wert ist 6,9 und die zugehörige Düsengröße 5. Somit kann ein TEN 2-Ventil (E steht für externen Druckausgleich und N steht für das Kältemittel R 134 a) mit Düse 5 für unseren Kühlraum in diesem Beispiel ausgewählt werden.

Maximaler Arbeitsdruck MOP

Wird statt eines Standard-Expansionsventils ein MOP-Ventil eingesetzt (MOP = maximum operating pressure bzw. maximaler Arbeitsdruck), dann mit dem Ziel, zu hohe Verdampfungstemperaturen zu vermeiden. Solche MOP-Ventile werden besonders gerne bei Tiefkühlanlagen verwendet, da Tiefkühlverdichter im Vergleich zu Normalkühl- oder Klimaverdichtern einen schwächeren Elektromotor haben und mit dieser Maßnahme vor Überlast geschützt werden. Die einzige technische Änderung bei einem MOP-Ventil gegenüber einem Standardventil ist die begrenzte Fühlerfüllung. Ist bei einer bestimmten Temperatur die komplette Fühlerfüllung verdampft, so vergrößert sich der Fühlerdruck praktisch nicht mehr (bzw. nur noch vernachlässigbar). Daraus ergibt sich eine Begrenzung des Verdampfungs­druckes nach oben. Für den Praktiker ist wichtig zu wissen, dass es speziell bei MOP-Ventilen zu höheren Überhitzungen kommen kann, ohne dass eine Fehlfunktion oder gar ein zu klein projektiertes Ventil vorliegt.

Dimensionierung der Flüssigkeitsleitung

Beim Einsatz thermostatischer Expansionsventile sollte der Dimensionierung der Flüssigkeitsleitung ein hoher Stellenwert eingeräumt werden. Allgemein ist bei der Auslegung des Durchmessers der Flüssigkeitsleitung eine Geschwindigkeit von 1 m/s als Richtwert anzustreben. Deutlich höhere Geschwindigkeiten können in bestimmten Fällen zu Strömungs- oder gar Pfeifgeräuschen am Expansionsorgan führen. Zusätzlich bedeuten niedrigere Strömungsgeschwindigkeiten gleichzeitig immer niedrigere Druckabfälle. Niedrige Druckabfälle verhindern die Bildung von Flashgas.

Flashgas, also die Blasenbildung im an­sonsten flüssigen Kältemittel vor dem Expansionsventil, kann dazu führen, dass das Expansionsventil plötzlich für den Betriebszustand der Anlage zu klein ist, da der Auslegung die Annahme von voll flüssigem Kältemittel am Eintritt des Expansionsventils zugrunde legt. Treten nun verstärkt Dampfblasen vor der Drosselung auf, so reicht die Leistungsgröße des Expansionsventils unter Umständen nicht mehr aus. Die Symptome dabei sind Blasen im Schauglas trotz ausreichender Kältemittelfüllmenge und eine zu große Überhitzung. Dieser Effekt wird zusätzlich durch Flüssigkeits-Steigleitungen und höhere Druckabfälle befördert. Bei Flüssigkeitsleitungen mit Strömungsrichtung nach unten und der Lage des Expansionsventils weit unterhalb des Verflüssigers / Sammlers, ist kaum mit der Bildung von Flashgas zu rechnen.

Fazit

Damit schließen wir das Thema Auslegung von thermostatischen Expansionsventilen. Berücksichtigt man die aufgeführten Punkte wie Kältemittel, Unterkühlung, Druckdifferenz über dem Ventil, MOP und eine ausreichend große Flüssigkeitsleitung, so steht dem optimalen Betrieb der projektierten Kälteanlagen hinsichtlich Verdampfereinspritzregelung nichts mehr entgegen. -

Regional Support Manager, Danfoss GmbH, Kältetechnik, Offenbach