In diesem Beitrag werden das Prinzip dieses Expansionsmoduls erläutert sowie Ergebnisse aus Messungen an realen Klima- und Wärmepumpenanlagen vorgestellt. Des Weiteren ermöglicht die individuelle Dosierung der Kältemittelmenge in die einzelnen Verdampferstränge weitere Möglichkeiten des Betriebs einer Anlage, wie z. B. die partielle Verdampferabtauung.
Einführung
In Klimaanlagen und Wärmepumpen werden Verdampfer typischerweise mit mehreren parallel durchströmten Rohrreihen ausgelegt, um sie hinsichtlich Wärmeübertragung und Druckverlust zu optimieren. Eine Herausforderung dieser Bauart besteht in der optimalen Verteilung des eingespritzten Kältemittels auf die parallelen Rohrreihen, sodass das Kältemittel jeder Rohrreihe vollständig verdampft und sich eine annähernd gleiche Überhitzung am Austritt jeder Rohrreihe einstellt. Dies wäre in einem System mit einem vollkommen gleichmäßig beaufschlagten Verdampfer mit vollkommen gleichmäßiger Kältemittelverteilung auf die parallelen Rohrreihen der Fall. In der Realität führen jedoch unterschiedlichste Ursachen zu einer nicht optimalen Aufteilung des Kältemittelmassenstroms. Beispiele für einige häufige Ursachen dafür sind:
- Ungleichmäßiger Luftdurchsatz: Durch die geometrische Gestaltung des Lüfters, des Verdampfers einschließlich der Lamellen oder durch eine ungleichmäßige Zuführung der Luftmenge aufgrund der Kanalgestaltung strömt mehr Luft durch einige Bereiche des Verdampfers als durch andere.
- Ungleichmäßige Lufttemperatur: Neben den zuvor bereits genannten Gründen des ungleichmäßigen Luftdurchsatzes kann auch die Abkühlung der Luft durch erste Rohrreihen zu anderen Oberflächentemperatur an weiteren Rohrreihen führen.
- Ungleiche Kältemittelqualität: Die Separation von gasförmigem und flüssigem Kältemittel zwischen der Expansion und dem Eintritt in die Rohrreihen, beispielsweise durch eine ungünstige Anbringung des Verteilers, kann zu einer stark unterschiedlichen Beaufschlagung der Rohrreihen führen.
- Unterschiedlicher Kältemittel-massenstrom: Der Kältemittelmassenstrom jeder Rohrreihe wird durch den Druckverlust bestimmt. Dieser wird vorgegeben durch die Geometrie des Verteilers, die Längen der einzelnen Rohrreihen, teilweise blockierte Rohrquerschnitte (z. B. eingeknickte Rohrbögen) oder Unterschiede in der Kältemittelqualität.
- Äußere Einflüsse: Verschmutzungen oder Vereisungen der Verdampferfläche sowie teilweise Blockaden der Luftzufuhr können ebenso zu einer ungleichmäßigen Beaufschlagung des Verdampfers führen.
Einige dieser Ursachen können sich zudem noch mit der Zeit ändern. Auch eine Regelung des Kältemittelmassenstroms aufgrund der Verdichterleistungsregelung, des Luftmassenstroms bei regelbaren Lüftern oder variierende Verdampfungstemperaturen resultieren in einer sich ändernden optimalen Verteilung des Kältemittels. Die Auslegung eines statischen Verteilers kann in solchen Fällen daher nur einen Kompromiss darstellen, sofern sie überhaupt durchführbar ist. Selbst eine gleichmäßige Verteilung wird aus den zuvor beschriebenen Gründen daher meist nicht optimal sein. In der Literatur [1, 2, 3] werden Leistungseinbußen durch nicht angepasste Kältemittelverteilung von bis zu 57 Prozent berichtet.
Im Falle einer nicht optimalen Befüllung der Rohrreihen ist die Überhitzungszone jedes Strangs unterschiedlich groß, somit treten auch Unterschiede in den Überhitzungstemperaturen am Austritt der Stränge auf (Bild 1). Der Strang mit der geringsten Überhitzung definiert dabei den Öffnungsgrad des thermostatischen oder elektronischen Expansionsventils. Eine weitere Öffnung des Ventils würde zu Flüssigkeitstropfen in der gemeinsamen Saugleitung führen, die vom Fühler registriert werden würden.
Somit wird nur eine Rohrreihe vollständig ausgenutzt, während in allen anderen eine unnötig hohe Überhitzung erzeugt wird. Im Ergebnis ist die Verdampfungstemperatur niedriger als möglich, was zu einem Verlust an Leistung und Leistungszahl führt. Ebenso kann eine schnellere Vereisung und damit einhergehend ein häufigeres Abtauen mit entsprechend negativen Folgen für die Effizienz der Anlage auftreten.
Funktion des Expansionsmoduls
Das Expansionsmodul unter der Markenbezeichnung EcoFlow wurde entwickelt mit dem Ziel, die Kältemittelmenge durch jeden der parallelen Stränge eines Verdampfers unabhängig voneinander regeln zu können, sodass jeder dieser Stränge, wie in Bild 2 dargestellt, optimal befüllt ist. Es wird in die Flüssigkeitsleitung vor dem Verdampfer eingesetzt und übernimmt die Funktionen des Expansionsventils und des Verteilers.
Die Funktion wird erreicht durch zwei aufeinander liegende Scheiben (Bild 2). Die obere Scheibe kann mittels eines Schrittmotors rotieren, während die untere Scheibe feststeht. Die untere Scheibe hat eine Anzahl von Durchgängen, jeweils einer ist mit einem Auslass verbunden, der zu einem Strang des Verdampfers führt. Die obere Scheibe besitzt nur einen Durchlass. Befindet sich nun der Durchlass der oberen Scheibe über einem der Durchgänge der unteren Scheibe, kann Kältemittel vom Einlass durch die beiden Scheiben über den Auslass in den betreffenden Verdampferstrang fließen. Befindet sich der Durchlass der oberen Scheibe dagegen nicht über einem Durchgang der unteren, kann kein Kältemittel in den Verdampfer gelangen.
Der Schrittmotor positioniert die obere Scheibe so, dass Kältemittel in den ersten Strang des Verdampfers gelangen kann. Anschließend wird die obere Scheibe etwas weiter gedreht, bis der Durchgang der oberen Scheibe zwischen dem ersten und zweiten Auslass der unteren Scheibe steht und somit kein Kältemittel eingespritzt wird. Im nächsten Schritt wird die obere Scheibe so ausgerichtet, dass Kältemittel in den zweiten Verdampferstrang gelangt. Nach einer vollständigen Umdrehung der Scheibe ist jeder Auslass einmal mit Kältemittel versorgt worden. Die Dosierung der Kältemittelmenge in jeden einzelnen Strang erfolgt durch Regelung der Zeit, in der die obere Scheibe den jeweiligen Durchgang freigibt.
Ein einziger Überhitzungssensor in der gemeinsamen Saugleitung dient zur Erkennung des Füllungsgrades der Verdampferstränge. Das Modul besitzt eine integrierte Regelelektronik, die selbstständig die minimale stabile Überhitzung ermittelt und einregelt sowie die Optimierung und Einstellung der Kältemittelaufteilung auf die Stränge des Verdampfers durchführt. Mittels einer Modbus-Schnittstelle kann eine Kommunikation mit externen Reglern erfolgen. Dies ermöglicht ein Auslesen der Parameter des Moduls, kann aber auch verwendet werden, um dem Modul bestimmte Werte, wie z. B. eine bestimmte Überhitzung oder Kältemittelverteilung, vorzugeben. Eine genauere Beschreibung des Regelalgorithmus erfolgte in einer Veröffentlichung von Mader und Thybo [4].
Messergebnisse
Im Folgenden werden einige Ergebnisse von Messungen dargestellt, die unter Laborbedingungen an handelsüblichen Geräten erzielt wurden.
Wärmepumpe
Die Luft/Wasser-Wärmepumpe eines europäischen Herstellers mit einer Nennleistung von 14 kW wurde entsprechend der EN 14511 unter Umgebungsbedingungen von 7 °C und 86,8 Prozent rel. Feuchte im Heizbetrieb bei Wasservor- und -rücklauftemperaturen von 35/30 °C vermessen. Der Verdampfer besteht aus acht parallelen horizontalen Sektionen, die übereinander angeordnet sind. Die Verdampferabtauung erfolgt durch einen internen Regler nach einem gewissen Zeitraum mit einer unterhalb 2 °C liegenden Verdampfungstemperatur.
Es erfolgte zunächst eine Messung an dem unveränderten Gerät, ausgestattet mit einem thermostatischen Expansionsventil und einem Kältemittelverteiler. In Bild 3 (links) sind die Temperaturen gemessen an den Ausgängen der acht Verdampferstränge sowie die aus dem Druck berechnete Verdampfungstemperatur dargestellt. Die Verdampfungstemperatur fällt aufgrund der Vereisung zunächst langsam, dann zunehmend stärker ab, bis eine Abtauung eingeleitet wird. Mit zunehmender Vereisung bzw. abfallender Verdampfungstemperatur weicht die Kältemittelverteilung zunehmend von der optimalen ab. Einige Stränge weisen eine relativ hohe Überhitzung auf, während ein anderer Strang quasi keinerlei Überhitzung erzielt.
Anschließend wurden das thermostatische Expansionsventil und der Verteiler durch das Expansionsmodul ersetzt. Die damit erzielten Ergebnisse sind im Bild 3 (rechts) dargestellt. Aufgrund der besseren Kältemittelverteilung kann von dem Modul eine geringe Gesamtüberhitzung eingeregelt werden. Dadurch bleibt die Verdampfungstemperatur knapp oberhalb 0 °C, sodass keine Eisbildung an der Verdampferoberfläche erfolgt und ein kontinuierlicher Betrieb ohne Abtauung möglich wird.
Die ermittelten Werte für die Heizleistung und die Wärmeleistungszahl sind in der Tabelle 1 zusammengefasst. Zum einen erfolgte eine Auswertung gemäß der EN 14511. Dabei wird nur der Zeitraum, der in Bild 3 (links) zwischen den beiden senkrechten gestrichelt dargestellten Linien liegt, ausgewertet. Dadurch bleibt die Abtauphase mit ihrem negativen Beitrag zur mittleren Heizleistung und Leistungszahl unberücksichtigt. Aus Sicht des Anwenders erscheint deshalb eine Auswertung des gesamten Zyklus, von Abtauung bis Abtauung, realistischer. Da mit dem Expansionsmodul keine Abtauphase mehr erforderlich ist, liegen die erzielten Steigerungen der Heizleistung und der Heizleistungszahl hier noch höher.
Bei einer niedrigeren Umgebungstemperatur als der in dem durchgeführten Versuch kann auch mithilfe des Moduls die Abtauung nicht mehr vermieden werden, aber aufgrund der etwas höheren Verdampfungstemperaturen ist sie seltener erforderlich. Damit liegen auch die erreichbaren Verbesserungen niedriger.
Klimaanlage
Ein weiterer Versuch wurde an einer kombinierten Klimaanlage / Luft/Luft-Wärmepumpe, wie sie in den USA zur Klimatisierung und Beheizung von Einfamilienhäusern üblich ist, durchgeführt. Diese bestehen meist aus einer Inneneinheit, die den im Haus befindlichen Wärmeübertrager, das Expansionsventil und den Kältemittelverteiler umfasst, sowie der Außeneinheit bestehend aus dem Verdichter und einem weiteren Wärmeübertrager. Die Inneneinheit ist in einem Luftkanal montiert, über den die gekühlte oder erwärmte Luft im Haus verteiltwird. Der Wechsel zwischen Kühl- und Heizbetrieb erfolgt mittels eines Vier-Wegeventils.
Im Wärmepumpenbetrieb kann die Verdampfungstemperatur unterhalb 0 °C liegen, sodass sich auf der Oberfläche des außen befindlichen Wärmeübertragers Eis bildet. Zur Aufrechterhaltung einer ausreichenden Leistung und Leistungszahl muss dieses Eis regelmäßig abgetaut werden, indem in den Kühlmodus umgeschaltet wird. Dabei wird Wärme aus dem Haus aufgenommen, die Wärmeabgabe im Verflüssiger (außen) lässt das Eis schmelzen.
Um verschiedene Leistungsklassen zu realisieren, werden Außengeräte passender Leistung mit den Innengeräten, die für dieselbe Nennleistung ausgelegt wurden, kombiniert (Bild 4). Eine Möglichkeit zur Erfüllung der verschärften Energievorschriften besteht darin, eine für eine höhere Leistung ausgelegte Inneneinheit zu wählen. In dem untersuchten Gerät wurde dazu eine für 15 kW dimensionierte Inneneinheit zusammen mit einer für 9 kW ausgelegten Außeneinheit als Kombination verkauft.
Wird nun die eigentlich passende Inneneinheit für eine Nennleistung von 9 kW mit dem Expansionsmodul ausgerüstet, kann aufgrund der besseren Verdampferfüllung und damit erhöhter Verdampfungstemperatur exakt die gleiche Kälteleistung des Gesamtsystems erzielt werden, wie zuvor mit der überdimensionierten 15 kW Inneneinheit. Auch die gemessene Leistungszahl liegt nur weniger als 1 Prozent unter dem ursprünglichen Wert.
Mit der Anwendung des Expansionsmoduls besteht damit die Möglichkeit, eine kleinere, kostengünstigere Inneneinheit zu verwenden. Dieser Vorteil kommt insbesondere zum Tragen, wenn eine bestehende Anlage durch ein energieeffizienteres Modell ersetzt werden soll. Eine größere Inneneinheit würde den Austausch des gesamten Luftkanals erfordern, einschließlich des Lüfters, des elektrischen Heizregisters und weiterer Komponenten. Mit der durch das Expansionsmodul erhöhten Leistung kann mit einer volumengleichen Inneneinheit in den bestehenden Kanälen die gewünschte höhere Effizienz mit deutlich reduziertem Umbauaufwand erreicht werden.
Partielle Verdampferabtauung
Wie bereits erläutert, kann mit dem Expansionsmodul der Kältemittelmassenstrom durch jeden Strang des Verdampfers unabhängig voneinander eingeregelt werden. Damit ist es auch möglich, in einen Strang für einen gewissen Zeitraum überhaupt kein Kältemittel einzuspritzen.
Dieser Effekt kann genutzt werden zur partiellen Verdampferabtauung. Liegt die Verdampfungstemperatur unterhalb 0 °C, die Temperatur der einströmenden Luft aberoberhalb 0 °C, kann das sich an der Verdampferoberfläche bildende Eis durch die Luft geschmolzen und entfernt werden. Dazu wird nacheinander in den einzelnen Sektoren des Verdampfers kein Kältemittel gegeben, bis das Eis durch die Wärme der zugeführten Luft abgeschmolzen ist (Bild 5). Anschließend wird dieser Vorgang für den nächsten Abschnitt des Verdampfers wiederholt. Der Vorteil liegt darin, dass die Anlage weiterhin im Heizmodus betrieben und kontinuierlich Heizleistung bereitgestellt werden kann. Es ist keine Kreislaufumkehr zur Abtauung erforderlich, die damit verbundenen Komforteinbußen durch Entnahme von Wärme aus dem Innenraum und die deutliche Reduzierung der Leistungszahl entfallen.
Zusammenfassung
Danfoss hat ein aktiv verteilendes Expansionsmodul entwickelt, das die optimale Kältemittelbefüllung jedes der parallelen Stränge eines Verdampfers ermöglicht. Die damit mögliche Kompensation von Fehlverteilungen kann zu einer höheren Leistung und Leistungszahl führen oder die Verwendung eines kleineren Verdampfers ermöglichen. Zudem sind damit zusätzliche Freiheiten in der Verdampfergestaltung möglich, da beispielsweise gleiche Druckverluste der Stränge nicht mehr erforderlich sind.
Unter gewissen Betriebsbedingungen kann die zur Entfernung des Eisansatzes erforderliche Abtauung verzögert oder sogar vollständig vermieden werden.
Dieses Expansionsmodul ist für die in den USA weitverbreiteten Klimaanlagen der Einfamilienhäuser verfügbar. Entwicklungen für weitere Anwendungen werden momentan untersucht. -
Literatur
[1] Aganda, A. A.; Coney, J. E. R.; Sheppard, C. G. W.: Airflow maldistribution and the performance of a packaged air conditioning unit evaporator. Applied Thermal Engineering, 20:515528, 2000
[2] Habib, M. A.; Ben-Mansour, R.; Said, S. A. M.; Al-Qahtani, M. S.; Al-Bagawi, J. J.; Al-Mansour, K. M.: Evaluation of flow maldistribution in air-cooled heat exchangers. Computers & Fluids, 38:677690, 2009
[3] Lee, J.; Domanski, P. A.: Impact of air and refrigerant maldistributions on the performance of finned-tube evaporators with r-22 and r-407c. DOE/CE/23810-81, 1997
[4] Mader, G.; Thybo, C.: An electronic expansion valve with automatic refrigerant distribution control. DKV-Tagungsbericht 2010, Band II. 2, Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein, 2010
Dr.-Ing. Thomas Tiedemann
Senior Application Manager, Danfoss GmbH, Offenbach
Dipl.-Ing. Stefan Pietrek
Global Application Director, Danfoss GmbH, Offenbach
