Die modernen fluorierten Kältemittel haben in der Regel kleinere Verdampfungsenthalpien als frühere FCKWs, was einen Nachteil für die Energieeffizienz von Kälteanlagen darstellt: Bei der Entspannung ohne vorherige Unterkühlung entsteht ein hoher Anteil Entspannungsdampf, der nicht zur Kälteerzeugung beiträgt. Typische Größen für Dampfanteile sind rund 15 % bei Ammoniak und 50-60 % bei fluorierten Kältemitteln. Im Verhältnis zur Kälteleistung muss hier ein großes Dampfvolumen verdichtet werden, was eine höhere Verdichterleistung erfordert. Eine maximal mögliche Unterkühlung des flüssigen Kältemittels vor der Entspannung ist deshalb ein wirksamer Ansatz zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit.
Auf der anderen Seite besitzen die fluorierten Kältemittel kleine κ-Werte nahe 1, was bei der Verdichtung einen geringen Temperaturanstieg zur Folge hat. Dadurch kann der Kälteinhalt des Kaltdampfes nach Austritt aus den Verdampfern maximal genutzt werden, ohne den Kompressor durch hohe Verdichtungs-Endtemperaturen zu gefährden. Für eine solche Prozessführung ist ein Wärmeübertrager erforderlich, mit dem Wärme vom flüssigen Kältemittelstrom aus dem Verflüssiger auf den Kaltdampf des Verdampfers übertragen wird und diesen Dampf bis auf Raumtemperatur von 20 bis 25 °C überhitzt.
Ein für solche Anwendungen optimierter Wärmeübertrager ist bei der EDEKA in Osterweddingen bei Magdeburg in Betrieb, der solche Überhitzungen auf 25 °C ermöglicht und sich durch extrem niedrige Druckverluste auf der Dampfseite auszeichnet. Varianten und Möglichkeiten der Prozessführung mit diesen Wärmeübertragern wurden hier in der KK bereits unter überwiegend theoretischen Aspekten vorgestellt *). Da das Gerät für den Wärmeübergang zwischen einer flüssigen und einer gasförmigen Phase optimiert ist, eignet es sich auch gut für die Auskopplung von Wärme für Heizungszwecke aus einem Kälteprozess.
Erstes Nachrüstprojekt bei Magdeburg
In der Praxis seien die Ringkanal-Wärmeübertrager bereits in einige Neuanlagen im In- und Ausland eingebaut worden und würden gute Ergebnisse liefern, wie Dr.-Ing. Hans Förster vom IFM Ingenieurbüro in Magdeburg mitteilt. Im Mai 2009 wurde ein erstes Nachrüstungsprojekt in einer Tiefkühlanlage mit dem Kältemittel R 404A bei der EDEKA in Osterweddingen südlich von Magdeburg realisiert. Die umgebaute Kälteanlage mit zwei Schraubenverdichtern hatte eine Kälteleistung von 109,2 kW und war bereits mit Economizern ausgestattet. Nachgerüstet wurde ein Sauggas-Wärmeübertrager, was sich bei einer Verdampfungstemperatur von -35 °C immer sehr günstig auswirke. Gestaltet wurde die Kombination zur Unterkühlung gemäß der Skizze mit dem Sauggas-Wärmeübertrager am warmen Ende der Unterkühlung. Diese Apparateschaltung wird als Kombination K3 in den schon genannten Literaturstellen *) detailliert beschrieben.
Sinn der Nachrüstung ist eine maximal mögliche Reduktion der Bildung von Entspannungsdampf vor der Nutzkälteerzeugung, um den Aufwand für die Verdichtung zu minimieren. Nach den Berechnungen sollte sich eine Einsparung an elektrischer Energie von 18,2 kW bei gleicher Kälteleistung ergeben. Bei einem angenommenen Nutzungsgrad der Anlage von 75 % und einem Tarif für die elektrische Energie von 0,2 €/kWh ergibt sich eine jährliche Einsparung von knapp 24 000 €/a, womit die Rückflusszeit für die eingesetzten Umrüstungskosten deutlich unter einem Jahr liegen würde.
Theorie wird in der Praxis bestätigt
Zur Prüfung der Berechungen hat Detlev Höhne, Abteilungsleiter Technik der Edeka-Miha Immobilien Service GmbH, der bei dem Projekt die Seite des Betreibers vertritt, vor den Umbaumaßnahmen zusätzliche Stromzähler installieren lassen. Bereits nach wenigen Monaten zeigte sich, dass die Berechnungen in der Praxis in erster Näherung bestätigt werden und dass sich der gewünschte Einspareffekt einstellt. Weil die Verbrauchswerte auch von der Kältelast, der Einschaltzeit und der Außentemperatur abhängen, hat Förster die Zusammenhänge rechnerisch untersucht. Die Ergebnisse sind im nachfolgenden Beitrag ab Seite 80 dargestellt. Zur Vertiefung sind die erforderlichen Formeln und Ableitungen in einem ausführlichen Text dargestellt; dieser kann auf den Internetseiten der KK mit dem Webcode 959 abgerufen werden.
Wegen der ursprünglich bereits installierten Economizer entstehen die zusätzlichen Einsparungen durch den nachgerüsteten Sauggas-Wärmeübertrager über die Entlastung der vorhandenen Economizer und durch die intensive Ölrückkühlung, die mit der Sauggasüberhitzung erforderlich wird. Die erzwungene Ölrückkühlung verbessere die Effizienz der Verdichtung mit Schraubenverdichtern, so Förster. Diese Zusammenhänge seien für künftige Anlagen und Nachrüstungen wertvoll und zeigten, dass die hohe Überhitzung durch den Sauggas-Wärmeübertrager für Schraubenverdichter mit erhöhter Ölkühlung beachtliche Vorteile ermöglicht, führt Förster weiter aus.
Auf lange Sicht seien also höhere Einsparungen zu erwarten. Die Erwartungen bezüglich der finanziellen Entlastungen bei den Betriebskosten sieht Höhne nach der derzeitigen Datenlage erfüllt und auch die erwartete Amortisationszeit von unter einem Jahr sei realistisch. Der Umbau, der zunächst als Pilotprojekt bei einer älteren Anlage gedacht war, wird deshalb in naher Zukunft auch bei neuen EDEKA-Kühlhäusern wahrscheinlich in Serie gehen. U. B. -
*) KK 3/2008 S. 24ff und KK 2/2009 S. 44ff
