Die Wärme der Kühltheken und -zellen wird mittels Verdampfung des Kältemittels im Verdampfer abgeführt. Je größer die Wärmeübertragungsfläche des Verdampfers ist, umso größer ist die Wärmeübertragung und folglich der Wirkungsgrad des Systems. In Systemen mit Trockenexpansion darf am Ausgang des Verdampfers nur Kältemittel im gasförmigen Zustand vorliegen, damit sich die Installation von Flüssigkeitsabscheidern erübrigt.
Mithilfe des Überhitzungswertes kann der Verdampfungszustand des Kältemittels am Ausgang des Verdampfers festgelegt werden. Tests haben ergeben, dass bei einer Überhitzung 2 bis 2,5 K im Fall von R404A und 2,5 bis 3 K im Fall von CO2 keine Flüssigkeit austritt.
Die Überhitzungsregelung im Bereich der genannten Grenzwerte ist gegenüber Schwankungen, beispielsweise durch die Unterkühlung oder den Druck des Kältemittels in der Druckleitung, besonders empfindlich.
Spezieller Regelalgorithmus
Eliwell hat gemeinsam mit einer Universität einen Regelalgorithmus entwickelt, der auf dem tatsächlich im Verdampfer ablaufenden thermodynamischen Prozess basiert. Da diese Regelung in unterschiedlichen Kühltheken- und -zellentypen integriert werden soll, wurde darüber hinaus ein System implementiert, das die Parameter der verschiedenen Typen in Echtzeit identifiziert und berücksichtigt.
Im Zuge der Entwicklung des neuen Regelsystems wurden auch die bei der Änderung des Expansionsventiltyps von einem Puls- auf ein Modulationsventil (Schrittmotor) erzielten Leistungsveränderungen analysiert. Dazu hat man diverse vergleichende Prüfaufbauten mit unterschiedlichen Thekentypen erstellt. Ein Resultat der Versuche war, dass die Präzision und Stabilität der Überhitzung nicht vom eingesetzten Expansionsventiltyp abhängt, sondern ausschließlich vom Regelalgorithmus. Bild 1 zeigt den Verlauf der Überhitzung bei zwei Ventiltypen.
Beim Pulsventil verhält sich das System während der Abkühlphase im Anschluss an eine Abtauung reaktiver. Im Bild 1 entspricht der Anfangspunkt der Kurven dem Beginn der Abkühlphase.
Die Laborergebnisse wurden daraufhin mit verschiedenen konkreten Kühlanlagen validiert:
drei Supermärkte mit transkritischem CO2-Booster-System;
ein Supermarkt mit CO2-Kaskadensystem;
ein Supermarkt mit synthetischem Kältemittel R404A.
Alle Anlagen wurden ausschließlich mit Puls-Expansionsventilen realisiert.
Im Rahmen der Analyse der mit den realen Anlagen gewonnenen Daten zeigt Bild 2 den Überhitzungsverlauf einer Obst-Lagerzelle in einer transkritischen CO2-Anlage mit auf 4 K eingeregelter Überhitzung.
Hieraus geht hervor, dass die Regelung den gewünschten Überhitzungswert von 4 K schnell erreicht und anschließend konstant hält. Darüber hinaus weist der Ventilöffnungsgrad Bereiche auf, in denen dieser trotz vorliegender Überhitzung für kurze Zeit abrupt auf 0 Prozent fällt. Dies ist durch das Verhalten des in der Regelung integrierten Modells bedingt, das auswertet, ob die in den Verdampfer eingespritzte Kältemittelmenge ausreicht, diesen auf Temperatur zu bringen und folglich der Durchfluss geschlossen werden soll. So wird vermieden, dass ein etwaiger Kältemittelüberschuss einen Abfall der Überhitzung unter den gewünschten Wert zur Folge hat.
In Bild 2 ist ebenfalls ersichtlich, dass der Regler bei Aktivierung der Flüssigkeitseinspritzung das Expansionsventil trotz Vorliegen einer Überhitzung von über 20 K mit einem Prozentsatz unter 100 Prozent (ca. 80 Prozent) betätigt. Dies resultiert aus der Kombination der auf dem Verdampfermodell und der durch das Identifizierungssystem vorgenommenen Charakterisierung der für jede Kälteanlage unterschiedlichen Regelstrecke. Die Regelung hat erkannt, dass das Potenzial des Ventils die reellen Erfordernisse der Anlage übersteigt, was zur Aktivierung bei einem Prozentsatz unter 100 Prozent führt. Diese Eigenschaft ermöglicht eine deutlich einfachere Auswahl der Expansionsventile, kann doch auf eine besonders präzise Dimensionierung zugunsten von baugrößeren Ventilen verzichtet werden.
Bild 3 zeigt die Verbraucher mit Plus-Temperatur eines Supermarkts mit transkritischem CO2-System bei saugseitigem Sollwert von 28 bar ( 7 °C). In dieser Anwendung erfolgt die Temperaturregelung der Verbraucher mit On- / Off-Modus. Die Überhitzung ist auf 4 K eingestellt.
Die Kältezentrale beinhaltet auf der Saugseite drei Verdichter gleicher Leistung, von denen einer frequenzgesteuert ist. Es ist zu sehen, dass die Last in der Zentrale die für diese Regelungsart typischen Schwankungen aufweist, die eine kurzzeitige Ein-/Aus-Aktivierung der Verdichter mit sich bringt.
In Bild 4 sind die Größen der gleichen Anlage wie in Bild 3 veranschaulicht, jedoch mit modulierender Regelung der Kühlthekenanlage. Hieraus geht hervor, dass die Kältezentrale bei dieser Regelungsart mit einer konstanten Last arbeitet und die Anzahl von Schaltungen der Ein-/Aus-Verdichter deutlich abnimmt. Unter gleichen Umgebungsbedingungen ergibt sich ein Rückgang der Ein-/Aus-Schaltungen von 50 bis 80 auf weniger als zehn pro Tag. Der Einsatz der kontinuierlichen Modulation ermöglicht darüber hinaus die Erhöhung des saugseitigen Sollwerts auf 30 bar (-4 °C). Bild 4 zeigt, dass die noch mit der Ein-/Aus-Regelung implementierten Kühlzellen die am meisten benachteiligten Verbraucher sind. Sollten diese beiden Verbraucher eine modulierende Regelung erhalten, so könnte der saugseitige Sollwert auf 32 bar (-2 °C) angehoben werden. Allerdings ist dies in diesem Falle nicht möglich, da der Verdampfer mit Ein-/Aus-Ventilatoren arbeitet und die modulierende Regelung den Feuchtigkeitsentzug des Frischprodukts erhöhen könnte.
Bild 5 veranschaulicht die Steuerung der Flüssigkeitseinspritzung bei aktivierter Modulationsregelung: Sie liegt durchschnittlich bei einem Öffnungsanteil von 9 Prozent, weist aber impulsartige Spitzen bis 60 Prozent auf. Während sich bei kontinuierlicher Modulation unerwünschter Reif ansammeln kann, minimieren die abrupten Schwankungen diesen Effekt, und die Kühltheke bleibt dennoch auf Solltemperatur.
Fazit
Die in diesem Beitrag beschriebene Technik eignet sich für Kühlsysteme mit Trockenexpansion (inklusive der transkritischen sowie CO2-Kaskadensysteme) und für die Nachrüstung bestehender Anlagen. Dem Anwender stehen dafür die Varianten des Reglers RTX 600 Domino für Puls- und Schrittmotorventile zur Verfügung.
In Bezug auf die transkritischen CO2-Systeme lassen sich mit dem RTX 600 Domino zusammen mit dem Verbundregler EWCM 9000 Pro-Anlagen aufbauen, die ebenso wie herkömmliche Installationen ohne spezielle Fachkenntnisse betrieben werden können. Damit wird das Fehlerrisiko minimiert und es stellen sich die geeignetsten Betriebsparameter ein.
Die Anwendung der Trockenexpansion mit einem saugseitigen Sollwert von 32 bar erlaubt den Verzicht auf einen Flüssigkeitsabscheider (Niederdrucksammler) in der Saugleitung der Pluskühlung, vereinfacht das Layout der Kältezentrale und die Regelung des Drucks nach dem Gaskühler. Zudem werden die hohen saugseitigen Sollwerte das ganze Jahr über konstant gehalten, ohne diese in komplexe Fernüberwachungssysteme integrieren zu müssen.
Francesco Castagna,
R & D Director Eliwell by Schneider Electric, Belluno, Italien
SmartGas: Kältemittel-Leckagen zuverlässig detektieren
Die robusten, vorkalibrierten NDIR-Gas-Sensoren der Serien BasicEvo und Connectevo von SmartGas für Kältemittel erkennen zuverlässig kleinste Mengen halogenierter Kohlenwasserstoffe wie R22, R134a, R404a, R125, R123 in der Umgebungsluft. Damit weisen sie frühestmöglich auf eventuelle Kältemittelleckagen hin. Die rechtzeitige Detektion von Leckagen schützt auch vor einem Trockenlaufen der Anlage und erhöht die Anlagenverfügbarkeit. Der Einsatz der NDIR-Gas-Sensoren verdoppelt den Abstand zwischen zwei Wartungen. Die driftarmen Gas-Sensoren mit kurzen Ansprechzeiten decken Messbereiche von 1 000 oder 2 000 ppm ab, standardisierte Schnittstellen erleichtern die Einbindung in Überwachungssysteme. Optional gibt es Zubehör für den sicheren Einbau mit IP54-Schutz inklusive aller erforderlichen Kalibriertools. Neben der Überwachung der Umgebungsluft in Kühlanlagen und Kühlhäusern eignen sich die NDIR-Gas-Sensoren für Kältemittel auch für die kontinuierliche Gasüberwachung in Klimaräumen.
Die robusten, vorkalibrierten NDIR-Gas-Sensoren der Serien BasicEvo und Connectevo von SmartGas für Kältemittel erkennen zuverlässig kleinste Mengen halogenierter Kohlenwasserstoffe wie R22, R134a, R404a, R125, R123 in der Umgebungsluft. Damit weisen sie frühestmöglich auf eventuelle Kältemittelleckagen hin. Die rechtzeitige Detektion von Leckagen schützt auch vor einem Trockenlaufen der Anlage und erhöht die Anlagenverfügbarkeit. Der Einsatz der NDIR-Gas-Sensoren verdoppelt den Abstand zwischen zwei Wartungen. Die driftarmen Gas-Sensoren mit kurzen Ansprechzeiten decken Messbereiche von 1 000 oder 2 000 ppm ab, standardisierte Schnittstellen erleichtern die Einbindung in Überwachungssysteme. Optional gibt es Zubehör für den sicheren Einbau mit IP54-Schutz inklusive aller erforderlichen Kalibriertools. Neben der Überwachung der Umgebungsluft in Kühlanlagen und Kühlhäusern eignen sich die NDIR-Gas-Sensoren für Kältemittel auch für die kontinuierliche Gasüberwachung in Klimaräumen.
