Berechnung eines Kältemaschine für Minusgrade

Einführung

Der Einsatz von Kältemaschinen bei niedrigen Temperaturen (-15…-40 °C in Bezug auf die Kühlmitteltemperatur) ist eine hochspezialisierte Aufgabe und kommt nicht sehr häufig vor. In der Mehrzahl der industriellen Kälteanlagen bei solchen Temperaturen werden vorzugsweise Systeme mit direkter Kältemittelverdampfung eingesetzt: Verdampfer, die ohne Zwischenkreislauf direkt auf das zu kühlende Objekt wirken. Dies ist sowohl auf die höhere Effizienz des Direktverdampfungssystems als auch auf die Vereinfachung der Konstruktion zurückzuführen.

Dennoch gibt es eine Reihe von Fällen, in denen der Kunde eine Lösung benötigt, die auf einer aggregierten Kältemaschine mit einem zwischengeschalteten Kühlmittel basiert. Typische Beispiele sind die pharmazeutische Produktion und die Lebensmittelverarbeitung, wo eine Trennung der Kreisläufe, hygienische Sicherheit und Temperaturstabilität für den Kältetransport über große Entfernungen erforderlich sind.

Der Betrieb von Kältemaschinen bei -15 … -40 °C stellt eine Reihe von Anforderungen, die bei „klassischen“ Maschinen, die für Wasser oder Glykole von 7 … 12 °C ausgelegt sind, nicht gegeben sind. Die richtige Auswahl des Kältemittels, der zuverlässige Betrieb des Verdichters, die Ölrückführung, die Anpassung des Hydrauliksystems an zähflüssige Lösungen und die Auswahl von Materialien, die gegen aggressive Medien und niedrige Temperaturen beständig sind, stehen im Vordergrund. Jede technische Entscheidung wird hier kritisch: eine falsche Wahl kann zu chronischer Instabilität, häufigen Abschaltungen oder einem katastrophalen Verlust der Lebensdauer der Anlage führen.

Wenn Sie Hilfe bei der Auswahl einer Kältemaschine für Ihre Anlage benötigen, wenden Sie sich an die EVROPROM-Ingenieure – wir werden die optimale Lösung unter Berücksichtigung Ihrer Wünsche und betrieblichen Besonderheiten finden.

Temperaturregime und sein Einfluss auf die Effizienz

Das Hauptmerkmal von Niedertemperaturkältemaschinen ist die Notwendigkeit, das Sieden des Kältemittels 5-10 °C unterhalb der erforderlichen Kühlmitteltemperatur zu organisieren. Wenn die Anlage Glykol mit einer Temperatur von -30 °C an den Verbraucher liefern muss, liegt der Siedepunkt des Kältemittels im Bereich von -35…-40 °C. Dies führt unweigerlich zu einer Erhöhung der spezifischen Verdichterarbeit und in der Folge zu einer Verringerung der Kälteleistungszahl (COP).

Die Praxis zeigt, dass jede Absenkung der Siedetemperatur um 1-2 °C die Maschine 1,5-3 % Effizienz „kostet“. Im Bereich von -10 bis -40 °C bedeutet dies Verluste im zweistelligen Prozentbereich im Vergleich zu Standard-Klimakühlmaschinen. Aus diesem Grund müssen solche Systeme sehr sorgfältig ausgelegt werden: Jeder zusätzliche Druckabfall im Verdampfer oder in den Rohrleitungen wird sofort in einen Anstieg des Energieverbrauchs umgewandelt.

Außerdem verschlechtert sich mit abnehmendem Siedepunkt das thermodynamische Verhältnis zwischen Kondensations- und Verdampfungstemperatur. Bei Anlagen, die mit einer Verflüssigungstemperatur von 30 … 40 °C arbeiten, wird ein Anstieg der Temperaturdifferenz auf 70-80 °C zu einer ernsthaften Prüfung für die Verdichtergruppe. Besonders empfindlich ist dies bei Scroll- und Schraubenverdichtern, die an der Grenze ihrer Betriebsbedingungen zu arbeiten beginnen.

Auswahl des Kältemittels für Niedertemperatur-Kaltwassersätze

Die Wahl des Kältemittels ist einer der Schlüsselfaktoren bei der Auslegung einer Kältemaschine für Temperaturen unter -15 °C. Ein Fehler in dieser Phase führt nicht nur zu einem Rückgang der Effizienz, sondern auch zu Problemen mit der Zuverlässigkeit, der Stabilität der Schmierung und der Lebensdauer des Verdichters.

Im klassischen „Komfortbereich“ für die Kältemaschine 0… 12 °C für das Kältemittel – R134a, R410A oder moderne HFO-Gemische sind weit verbreitet. Diese Kältemittel können jedoch nicht im Tieftemperaturbereich eingesetzt werden: Ihre thermodynamischen Eigenschaften und der Bereich der zulässigen Siedetemperaturen erlauben es nicht, ohne kritische Druckgrenzen unter -15…-20 °C zu gehen.

R507 und R404A sind im Bereich von -30…-40 °C nach wie vor am weitesten verbreitet. Diese Mischungen (auf der Basis von R125/R143a bzw. R125/R143a/R134a) sind in der Industrie gut entwickelt, ermöglichen ein stabiles Sieden bis zu -40 °C und haben eine akzeptable spezifische Kühlleistung. Ihr Hauptnachteil ist der hohe GWP-Wert (3900-4000), der ihre Verwendung in Europa und in Ländern mit strengen Umweltvorschriften langfristig problematisch macht.

In den letzten Jahren wurden R448A und R449A aktiv eingeführt. Diese Kältemittel sind Ersatzstoffe für R404A/R507 mit niedrigerem GWP (ca. 1400-1300) und werden von Herstellern wie Johnson Controls und Bitzer für Niedertemperaturanwendungen empfohlen. Sie haben etwas höhere Betriebsdrücke und eine geringere Kälteleistung, was eine Anpassung bei der Auswahl von Verdichtern und Wärmetauschern erfordert. Daikin und Trane haben ihrerseits R404A offiziell aus den Spezifikationen neuer Maschinen zugunsten von R448A/R449A gestrichen.

Die optimale Wahl des Kältemittels hängt von der Bilanz ab:

• für „heutige“ Projekte mit einer Betriebsdauer von 3-5 Jahren und ohne strenge Umweltauflagen sind R404A/R507 weiterhin geeignet;
• für langfristige Lösungen oder Lieferungen nach Europa ist es sinnvoller, R448A/R449A als Kompromiss in Bezug auf Effizienz und Umweltfreundlichkeit zu verwenden;
• für Tiefsttemperaturen (unter -40 °C) ist es notwendig, auf Kaskadensysteme oder spezielle Kältemittel (R23, HFO-HFC-Gemisch) umzustellen.

Schmiermittel und Schmiersystem

Der Betrieb von Kältemaschinen bei niedrigen Temperaturen hängt direkt von der Stabilität des Ölsystems ab. Während bei Standardmaschinen, die im Kühlmittelbereich von 0…10 °C betrieben werden, die Schmierung zweitrangig ist, wird sie bei -30…-40 °C zu einem entscheidenden Zuverlässigkeitsfaktor.

Für Tieftemperaturanwendungen werden fast immer POE-Öle (Polyester) verwendet. Mineral- und Alkylbenzolöle verlieren unter solchen Bedingungen ihre Eigenschaften – ihre Viskosität wird zu hoch, die Rückgewinnung wird beeinträchtigt und im Falle von halogenhaltigen Kältemitteln ist die Löslichkeit schlecht. POEs bieten das notwendige Gleichgewicht: Einerseits behalten sie bei -40 °C eine ausreichende Fließfähigkeit, andererseits lösen sie sich gut in Kältemitteln wie R404A, R507, R448A, was die Zirkulation und Rückgewinnung erleichtert.

Das Hauptproblem bei niedrigen Temperaturen ist der Viskositätsabfall des Öls aufgrund des sich darin auflösenden Kältemittels. Am Verdichtereintritt, wo der Druck niedrig ist, vermischt sich ein Teil des Kältemittels aktiv mit dem Öl und verringert dessen Schmierfähigkeit. In der Praxis bedeutet dies, dass bei einem Siedepunkt von -35 °C die tatsächliche Viskosität um 40-60 % gegenüber der Nennviskosität abfallen kann. Dies birgt die Gefahr von Verschleiß an Lagern und Kolbengruppen.

Die Ölhersteller (z. B. Emkarate RL, Suniso SL, Mobil EAL Arctic) geben in ihren technischen Unterlagen stets Löslichkeits- und Viskositätsdiagramme für bestimmte Kältemittel an. Die Nichtbeachtung dieser Daten bei der Auslegung führt zu einem vorzeitigen Verschleiß des Verdichters bereits in den ersten 2-3 Betriebsjahren. Daher werden im Kältekreislauf einer Niedertemperatur-Kältemaschine fast immer hocheffiziente Ölabscheider (Koaleszenztyp) eingesetzt. Schraubenverdichter von Bitzer, Johnson Controls, Frascold sind standardmäßig mit Ölabscheidern ausgestattet, die 99 % der Partikel bis zu einer Größe von 0,3 Mikron filtern.

Die meisten Ausfälle von Niedertemperatur-Kaltwassersätzen stehen im Zusammenhang mit dem Schmiersystem: entweder Ölmangel aufgrund schlechter Rückführung oder Zerstörung der Ölviskosität bei tiefem Siedepunkt.

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Verdichterbereich und Auswahl der Ausrüstung

Der Verdichter in einer Tieftemperatur-Kältemaschine ist das Element, das nicht nur die Stabilität des gesamten Systems, sondern auch dessen Lebensdauer bestimmt. Bei Siedetemperaturen von -30 … -40 °C arbeitet der Verdichter unter extremen Druckunterschieden und erhöhter spezifischer Arbeit, was besondere Anforderungen an seine Konstruktion, Schmierung und Systemlösungen stellt.

1. Scroll-Verdichter (Copeland, Danfoss, Mitsubishi Electric)
   • Begrenzt in Bezug auf Förderdruck und Fördergastemperatur.
   • Empfindlich gegenüber Ölrückfluss und Überhitzung.
   • In Niedertemperatur-Kaltwassersätzen werden sie häufiger als eine Stufe in Kaskadensystemen eingesetzt (z. B. obere Stufe bei R134a, untere Stufe bei R404A/R507).

2. Schraubenverdichter (Bitzer, Johnson Controls/Sabroe, Frascold, GEA)

1. • Am beliebtesten im Bereich von -15…-40 °C.
   • Sie haben einen größeren Arbeitsbereich und sind resistent gegen große Temperaturunterschiede.
   • Sie können mit zusätzlichen Flüssigkeits- oder Dampfeinspritzsystemen zur Kühlung und Stabilisierung ausgestattet werden.
   • Die Kaltwassersätze von Trane und Johnson Controls verwenden Schraubenverdichter mit einem zwischengeschalteten Economiser zur Verbesserung der Energieeffizienz.
   • Bei großen Siede- und Verflüssigungstemperaturverhältnissen werden zweistufig verdichtende Schraubenverdichter eingesetzt (Abb. 1)

3. Kolbenverdichter (Bock, Bitzer)

1. • Bewährt bei niedrigen Temperaturen durch knackigen Betrieb mit zweistufigen Kreisläufen.
   • Sie können bis zu -45 °C kochen.
   • Sie haben Kapazitätsbeschränkungen: große Systeme werden seltener gebaut als Schraubensysteme.
   • Sie reagieren empfindlicher auf Ölqualität und -rücklauf.

Abb. 1 – Kälteaggregat mit zweistufig verdichtendem Schraubenverdichter

Zweistufige und kaskadierte Systeme

Hersteller wie Trane und Daikin weisen in ihren technischen Katalogen ausdrücklich darauf hin, dass für den Betrieb unter -25 °C auf Schrauben- oder zweistufige Lösungen umgestellt werden muss.

Bei niedrigen Siedetemperaturen arbeiten die Verdichter mit hohen Verdichtungsverhältnissen, was zu Austrittstemperaturen von bis zu 100-120 °C führt. Ohne zusätzliche Kühlsysteme führt dies zu Ölverschlechterung und Motorüberhitzung (höhere Anforderungen an die Ölfiltration: Schmutz- oder Verlackungsablagerungen führen bei diesen Belastungen schnell zum Tod der Lager).

Abb. 2 – Aggregierte Kaskadenkältemaschine

Bei der zweistufigen Verdichtung mit Hubkolbenverdichtern wird das Gas zwischengekühlt, was die Austrittstemperaturen senkt und die Lebensdauer verlängert. Bei ultratiefen Temperaturen (-45 °C und darunter) werden häufig Kaskadenkältemaschinen eingesetzt, wobei eine Kältemaschine im oberen Bereich (z. B. R134a bei -10 °C) und die zweite im unteren Bereich (R23 oder R404A bei -40 °C) arbeitet. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für ein solches aggregiertes Kältesystem.

Abb. 3 – Zweistufiges Kompressionssystem

Abb. 4 – Kaskadensystem

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Zusätzliche Elemente des Kühlkreislaufs

Bei niedrigen Temperaturen sind Technologien zur Steigerung der Effizienz des thermodynamischen Kreislaufs von besonderer Bedeutung. So ist beispielsweise der Betrieb von Kältemaschinen im Bereich von -20 … -40 °C ohne spezielle Komponenten und Lösungen, die Effizienzverluste ausgleichen und die Zuverlässigkeit der Anlagen erhöhen, nicht möglich. In Tieftemperatursystemen spielt jedes Element des Kreislaufs eine entscheidende Rolle: Während bei Wasserkühlmaschinen (mit einer Versorgung von 7 °C) viele Optionen als zweitrangig betrachtet werden, werden sie bei Tiefkühlern zur Pflicht.

Vorwärmer

Ein Economiser ist eine zwischengeschaltete Dampfabsaugung im Verdichter (oder in einer separaten Stufe), die es ermöglicht:

• die Temperatur der Abgase zu senken,
• die Kühlleistung um 5-15% zu erhöhen,

In den Bitzer OS-Katalogen wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass beim Betrieb mit R404A/R507 bei -35 °C der Einsatz eines Economisers zwingend erforderlich ist.

Flüssigkeits- und Dampfeinspritzung

Einspritzsysteme werden zur Stabilisierung des Verdichters eingesetzt:

• Flüssigkeitseinspritzung – Einspritzung von unterkühlter Flüssigkeit in die Druckzone. Dadurch wird eine Überhitzung verhindert und das Öl innerhalb des zulässigen Temperaturbereichs gehalten.
• Dampfeinspritzung – Einspritzung vonDampf aus dem Economiser in den Zwischenraum des Schraubenverdichters. Diese Lösung ist komplizierter, bringt aber Effizienzgewinne und verringert das Verdichtungsverhältnis.

Diese Technologien werden in den Maschinen von Daikin, Trane und Carrier für industrielle Niedertemperatur-Kühlanlagen aktiv eingesetzt.

Flüssigkeitsunterkühler

Die Unterkühlung des flüssigen Kältemittels vor dem TRV ist eine weitere Möglichkeit zur Effizienzsteigerung. Bei niedrigen Temperaturen erhöht selbst eine geringe zusätzliche Unterkühlung (3-5 °C) die Kühlleistung erheblich. Bei einer Reihe von Lösungen werden Flüssigkeit-Flüssigkeit-Plattenwärmetauscher als Unterkühler eingesetzt.

Auswahl und Aufbereitung des Kühlmediums

Bei Tieftemperaturkältemaschinen spielt das Kühlmittel eine nicht minder wichtige Rolle als das Kältemittel. Im Bereich -15…-40 °C werden meist wässrige Lösungen von Ethylenglykol, Propylenglykol oder Salzlösungen (CaCl₂, seltener K₂CO₃) verwendet. Die wichtigsten Auswahlkriterien sind Gefrierpunkt, Viskosität und Kompatibilität mit den Systemmaterialien.

Ethylenglykol hat bessere thermische Eigenschaften und eine niedrige Viskosität bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, ist aber giftig, so dass seine Verwendung auf die Lebensmittel- und Pharmaindustrie beschränkt ist. Propylenglykol ist teurer und zähflüssiger, aber sicherer und wird häufiger dort eingesetzt, wo hygienische Anforderungen wichtig sind. Kalziumchloridlösungen sind kostengünstig und haben eine gute Wärmekapazität, wirken jedoch korrosiv auf Stahl und erfordern die Verwendung von Korrosionsschutzmitteln.

Mit zunehmender Konzentration eines Kühlmittels sinkt der Gefrierpunkt, aber gleichzeitig steigt die Viskosität, was die Zirkulation beeinträchtigt und die Belastung der Pumpen erhöht. Aus diesem Grund wird die optimale Konzentration immer mit einer Reserve von 3-5 °C gegenüber der minimalen Betriebstemperatur gewählt. Die Hersteller geben in ihren technischen Empfehlungen zulässige Konzentrationsbereiche an und weisen auf die Notwendigkeit einer regelmäßigen Qualitätskontrolle der Lösung hin, da der Abbau der Korrosionsinhibitoren im Laufe der Zeit die Zuverlässigkeit des Systems verringert.

Abb. 5 – Abhängigkeit des Gefrierpunkts von der Konzentration für gängige Kühlmittel

In der Praxis führen Fehler beim Kältemittel häufiger zu einem Leistungsabfall der gesamten Anlage als Fehlkalkulationen bei der Verdichterauswahl. Eine zu hohe Viskosität bei falscher Konzentration kann alle Bemühungen zur Optimierung des Kältekreislaufs zunichte machen.

Hydraulik

Der Hydraulikkreislauf einer Niedertemperatur-Kältemaschine ist aufgrund der hohen Viskosität des Kühlmittels einer erhöhten Belastung ausgesetzt. Die Pumpen müssen so ausgewählt werden, dass sie dem erhöhten hydraulischen Widerstand und dem Kavitationsrisiko Rechnung tragen. In der Praxis sind es die Umwälzpumpen, die im Betrieb bei -30 bis -40 °C zum schwachen Glied werden, wenn die veränderten Flüssigkeitseigenschaften nicht berücksichtigt werden.

Besondere Aufmerksamkeit ist bei Werkstoffen und Dichtungen erforderlich. Bei niedrigen Temperaturen verlieren Elastomere an Flexibilität und Standarddichtungen werden undicht. Daher empfehlen die Pumpenhersteller (Grundfos, Wilo) die Verwendung von Spezialwerkstoffen – EPDM oder Viton für Glykole, Teflon für aggressive Salzlösungen.

Ausdehnungsgefäße sollten für den geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten von Lösungen im Vergleich zu Wasser und für die geringere Umgebungstemperatur in Maschinenräumen ausgelegt sein. Die Unterschätzung dieser Faktoren führt zu „schwimmenden“ Drücken und häufigem Auslösen von Sicherheitsventilen.

Darüber hinaus ist bei Anlagen mit CaCl₂ und anderen Salzlösungen die Gefahr der Kristallisation in Leitungen und Wärmetauschern bei anormalen Abschaltungen zu berücksichtigen. Eine gute Wärmedämmung und die Aufrechterhaltung einer Mindestzirkulation im Kreislauf, auch während der Stillstandszeiten, sind hier wichtig.

Abb. 6 – Betrieb von Pumpen unter partiellen Vereisungsbedingungen

Schlussfolgerung

Die weltweiten Hersteller von Kaltwassersätzen und Komponenten (Trane, Johnson Controls, Daikin, Bitzer) betonen, dass die wichtigste Voraussetzung für die Auslegung von Niedertemperatursystemen die strikte Berücksichtigung der Betriebsdiagramme der Geräte ist. Die meisten Ausfälle sind nicht auf „minderwertige“ Komponenten zurückzuführen, sondern auf Verdichter und Pumpen, die außerhalb ihrer zulässigen Betriebsgrenzen arbeiten.

In den Empfehlungen der Hersteller wird besonders darauf geachtet:

• die Auswahl des Kältemittels unter Berücksichtigung der langfristigen Verfügbarkeit und der Umweltauflagen
• die Verwendung von hocheffizienten Ölabscheidern und Schmierstoffkontrollsystemen;
• obligatorische Kurbelgehäuseheizung und Verdichter-Softstart-System;
• regelmäßige Qualitätskontrolle des Kühlmittels und Aufrechterhaltung seiner Konzentration;
• einsatz von Economisern und Flüssigkeitsunterkühlern bei Temperaturen unter -25 °C.

Die praktische Erfahrung zeigt, dass ein Niedertemperaturkühler ratsam ist, wenn die Kälte über mehrere Zonen verteilt, über große Entfernungen transportiert oder die hygienische Sicherheit der Prozesse gewährleistet werden muss. Wenn das Hauptziel die Minimierung des Energieverbrauchs ist, sind Direktverdampfungssysteme vorzuziehen.

Die Arbeit mit Niedertemperaturkältemaschinen erfordert mehr technische Disziplin bei Konstruktion und Betrieb als bei Standardmaschinen. Jede technische Entscheidung – die Wahl des Kältemittels, des Öls, des Kühlmittels, der Pumpen und der zusätzlichen Elemente des Kreislaufs – wirkt sich direkt auf die Lebensdauer und Zuverlässigkeit aus. Ein Fehler in einem Detail kann alle Bemühungen zunichte machen. Daher sind solche Anlagen nur dann gerechtfertigt, wenn der Kunde den Kompromiss zwischen Effizienz und Sicherheit anerkennt und bereit ist, die strengen Anforderungen der Gerätehersteller zu erfüllen.

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Autor des Artikels:
Andrey Kohan, Ingenieur für Kältetechnik
17.09.2025