Die Kälteanlage nimmt eine Sonderstellung unter den maschinellen Anlagen ein. Die sogenannten Kältemaschinen dienen als »Wärmetransformator«, indem sie die dem Kühlraum entzogene Wärmemenge mit niedrigem Temperaturniveau unter Energieaufwand auf ein höheres Temperaturniveau, nämlich auf das der Umgebung heben.
Die Eigenschaft der Gase, sich bei Kompression zu erwärmen und bei Expansion abzukühlen, führte schon frühzeitig zur Entwicklung eines Verfahrens zur Kälteerzeugung. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die atmosphärische Luft als Kältemittel genutzt werden kann. Jedoch haben die so genannten Kaltluftanlagen gegenüber den im Anschluß zu behandelnden Kaltdampfanlagen entscheidende Nachteile:
Trotz dieser Nachteile konnten sich die Kaltluftanlagen lange Zeit behaupten, bevor sie von den Kaltdampfanlagen abgelöst wurden. Erst nachdem die Tieftemperaturtechnik im Bereich unter 173 K industriell an Bedeutung ständig zunahm, hat ein verbessertes Luftexpansionsverfahren (Kaltluftanlage) wieder Einzug in die Technik halten können. In diesem Bereich sind heute die Kaltluftmaschinen den ansonsten einzusetzenden Kompressionskältemaschinen in Kaskadenschaltung überlegen.
Die Verdampfung eines im Kreislauf geführten flüssigen Kältemittels bildet die Grundlage für die Arbeitsweise der Kaltdampfanlagen. Schüttet man beispielsweise Ether auf die Hand, so spürt man deutlich eine intensive Kältewirkung. Der Ether verdampft an der Atmosphäre und entzieht die dazu notwendige Verdampfungswärme der Umgebung, also auch der Hand. Es ist bekannt, daß die Siede- bzw. Verdampfungstemperatur vom jeweiligen Druck über der Flüssigkeit abhängig ist. So siedet chemisch reines Wasser unter einem Druck von 1,013310 Pa bei 373 K, unter einem Druck von 0,04*10^5 Pa verdampft dieses Wasser bereits bei ca. 302 K und unter einem Druck von 2,933*10^5 Pa erst bei ca. 406 K. Der Wasserdampf ist jedoch als Kältemittel für die Kaltdampfanlagen ungeeignet, da er bei niedrigen Temperaturen ein sehr großes spezifisches Volumen hat und Wasser bei Temperaturen unter 273 K gefriert. Es werden Stoffe benötigt, die günstigere physikalische Eigenschaften besitzen.
In der Praxis haben sich ca. 30 Stoffe als Kältemittel bewährt. Neben dem klassischen
Kältemittel Ammoniak haben die fluorierten und chlorierten Kohlenwasserstoffe in
zunehmendem Maße an Bedeutung gewonnen. Dazu kommen noch die Derivate des
Ethans und Propans.
Die Kältemittel werden u. a. wie folgt eingeteilt:
Anorganische Verbindungen (z. B. SO2), Kohlenwasserstoffe und halogenierte Kohlenwasserstoffe (z. B. Chlortrifluormethan C2FCl).
Es werden von den Kältemitteln bestimmte physikalische, chemische und physiologische
Eigenschaften gefordert, die möglichst optimale Betriebsverhältnisse zulassen. Der Preis
des Kältemittels spielt bei Großanlagen eine entscheidende Rolle.
Verdampfer
Er befindet sich im Kühlraum. Das in den Verdampfer eingespritzte Kältemittel verdampft und entzieht dem Kühlraum die benötigte Verdampfungswärme. Dabei bleiben Druck und Temperatur konstant. Der Kältemittel dampf verläßt trocken gesättigt den Verdampfer.
Der Verdichter saugt den aus dem Verdampfer kommenden Dampf an und komprimiert ihn isentrop auf den erforderlichen Druck. Der Kältemitteldampf wird durch die Kompression im allgemeinen überhitzt und strömt zum Kühler.
Kühler
(Verflüssiger)
In ihm wird zunächst dem Kältemltteldampf die Überhitzungswärme entzogen. Dabei fallt die Temperatur des Dampfes. In der zweiten Zone des Kühlers (Verflüssiger) wird die Kondensationswärme bei gleichbleibender Temperatur abgeführt. Das Kältemittel ändert seinen Aggregatzustand. Je nacn Auslegung des Kühlers wird in der letzten Zone das Kältemittel zur Verbesserung der Leistungsziffer um einige Grad unterkühlt. Der Druck im Kühler bleibt konstant.
Drosselventil
(Regelventil)
Hier wird das aus dem Kühler kommende flüssige Kältemittel auf den gewünschten Verdampferdruck gedrosselt. Bei der Expansion entsteht Naßdampf mit geringem Sattdampf • anteil, der in den Verdampfer strömt und dort vollständig verdampft. Das Kältemittel durchläuft also bei den Kaltdampfanlagen eine geschlossene Folge von Zustandsänderungen. Es handelt sich um einen linksläufigen Kreißprozeß
Je tiefer der Verdampfungsdruck sinkt und je höher der Verflüssigungsdruck steigt, um so größer wird das Druckverhältnis. Damit ergibt sich zwangsläufig eine starke Überhitzung des Kältemitteldampfes. Temperaturen über 423 K müssen jedoch aus Sicherheitsgründen vermieden werden. Zu hohe Endtemperaturen bei der Kompression können zur Zersetzung des Schmieröles und zum Verschmieren der Ventile führen. Vor allem aber fällt der Liefergrad!
Wird also das Druckverhältnis zu groß, müssen zwei- oder mehrstufige Kompressionskälteanlagen eingesetzt werden. Von welchem Druckverhältnis ab auf mehrstufigen Betrieb übergegangen werden muß, ist von vielen Faktoren abhängig, z. B. vom zum Einsatz kommenden Kältemittel. Über dreistufige Anlagen geht man in der Praxis nicht hinaus. Werden besonders tiefe Temperaturen gefordert, so verwendet man Kaltluftanlagen oder Kompressionskälteanlagen in Kaskadenschaltung. Bei den mehrstufigen Kompressionskälteanlagen sind mehrere Schaltungsvariantcn möglich. Im folgenden soll die Wirkungsweise einer Kompressionskälteanlage mit zweistufiger Kompression Unterkühlung und einstufiger Entspannung näher erläutert werden. Es ist die Kälteanlage, die häufig in der chemischen Industrie eingesetzt wird.
Die Kompressionskälteanlage besteht aus einem Niederdruckkompressor (ND) und aus einem Hochdruckkompressor (HD). Zwischen beiden befindet sich ein Zwischenkühler, gefüllt mit flüssigem Kältemittel. Der Niederdruckkompressor saugt den aus dem Verdampfer kommenden trocken gesättigten Kältemitteldampf ab (Zustand 1), komprimiert ihn auf Mitteldruck (Zustand 2) und drückt ihn in den Zwischenkühler. Hier wird dem Kältemitteldampf die Überhitzungswärme entzogen (Zustand 3). Das führt zu einer partiellen Verdampfung des im Zwischenkühler stehenden flüssigen Kältemittels. Dieser Dampf wird vom Hochdruckkompressor zusammen mit dem Niederdruckdampf aus dem Zwischenkühler angesaugt und komprimiert (Zustand 4). Danach erfolgen im Kühler (Verflüssiger) die Abkühlung, Verflüssigung und eine schwache Unterkühlung (Zustand 5). Ein Teil des flüssigen Kältemittels im Zustand. 5 wird in den unter Mitteldruck stehenden Zwischenkühler direkt eingespritzt. Mit Hilfe dieser Menge wird die Überhitzungswärme
des vom Niederdruckkompressor kommenden Kältemitteldampfes abgeführt und der andere Teil des flüssigen Kältemittels im Zustand 5 im Zwischenkühler über Kühlschlange auf den Zustand G unterkühlt. Dieser Anteil wird anschließend im Drosselventil auf den gewünschten Verdampferdruck entspannt (Zustand 7) und danach dem Verdampfer zugeführt. Es ist zu erkennen, daß bei einer einstufigen Verdichtung eine höhere Überhitzungstemperatur (Tu) erreicht werden würde, und daß bei der zweistufigen Verdichtung mit Zwischenkühlung gegenüber der einstufigen der Energiebedarf um den Betrag der Fläche 2-3-4-1 sinkt.
Wie bereits im Abschnitt »Mehrstufige Kompreasionskälteanlagen« erwähnt, werden häufig bei benötigten Temperaturen unterhalb 203 K Kompressionekälteanlagen in Kaskadenschaltung eingesetzt. Sie arbeiten mit getrennten Kältemittelkreisläufen, wobei der Verdampfer der 1. Stufe zugleich der Verflüssiger der 2. Stufe ist, d. h., die Kälteleistung (der einen Stufe dient jeweils zum Abführen der Verflüssigungswärme der vorhergehenden Stufe. Damit fällt die Verdampfertemperatur von Stufe zu Stufe erheblich. In der Niederdruckstufe können verständlicherweise nur Kältemittel mit entsprechend tiefem Erstarrungspunkt eingesetzt werden, wie beispielsweise Propan (85 K), Ethylen (103,5 K) und Chlortrifluormethan (92 K).
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