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Funktionsschema des Kompressionskälteaggregats.
© Uni Essen, FB 12 Thermodynamik

Eine Anhebung der Kaltwassertemperatur von 6°C auf 10°C bewirkt eine Leistungssteigerung um 14% bei Ammoniak und um 29% bei Wasser als Kältemittel.
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Die Wasser-Kältemaschine

Am Institut für Luft- und Kältetechnik in Dresden (ILK) wurde seit Mitte der neunziger Jahre eine Baureihe von Kompressionskältemaschinen mit Wasser als Kältemittel entwickelt. Bei Kaltwassertemperaturen zwischen 1°C und 14°C liegt der Leistungsbereich zwischen 500 und 1000 Kilowatt. Mit diesen Großkälteanlagen lassen sich z. B. Kinos, Produktionshallen und Sportstätten
klimatisieren. Die Kältemaschine hat ein Gewicht von rund zehn Tonnen, sie ist etwa 8,50 Meter lang und 2,60 Meter hoch. Damit passt sie in die üblichen Maschinenhallen für derartige Aggregate.

Im Verdampfer, dem ersten von fünf Teilsegmenten der Maschine, wird eintretendes Wasser zunächst bei 8-10 mbar verdampft. Der Wasserdampf wird vom ersten der beiden Verdichter abgesaugt, anschließend mit Wasser in einem Zwischenkühler annähernd auf Sättigungszustand abgekühlt. Nach der zweiten Verdichterstufe wird der Kondensationsdruck von 32-40 mbar erreicht und das überhitzte Kältemittel im direkten Kontakt mit Kühlwasser verflüssigt. Die Kondensationswärme wird in einem peripheren Plattenwärmetauscher an Kühlwasser abgegeben. Das im ersten Schritt durch die Verdampfung abgekühlte Wasser im Sumpf des Verdampfers wird ebenfalls durch einen peripheren Plattenwärmetauscher geführt und dem Verdampfer wieder zugeleitet.

Die Herausforderung lag besonders darin, einen Turboverdichter zu entwickeln, der große Wasserdampfströme mit geringer Dichte bei zugleich hohem Druckverhältnis verdichtet. Entwickelt wurde eine zweistufige Anlage mit Laufraddurchmessern bis zu 1,20 Meter. Die einzelnen Verdichter werden mit 6.000 bis 10.000 Umdrehungen pro Minute betrieben. Die zweistufige Ausführung und die hohen Drehzahlen sind notwendig, um die notwendige Verdichtung bis zu 6,25 zu erreichen. Bei der geringen Dichte des Wasserdampfes sind die Kräfte, mit denen das Fluid auf die Schaufeln wirkt, vernachlässigbar gegenüber den Radialkräften. Dies ermöglicht und bedingt zugleich den Einsatz von extrem leichten kohlefaserverstärkten Werkstoffen für die Laufschaufeln.

Der günstigste Einsatzbereich für Kompressionskältemaschinen mit Wasser als Kältemittel ist die kontinuierliche Erzeugung von Prozesskälte oder von Kaltwasser zur Klimatisierung. Ein taktender Betrieb der Anlage ist dagegen wenig sinnvoll. Häufiges An- und Abfahren führt beispielsweise zu erhöhtem Verschleiß der Turbinenschaufeln. Dies wirkt sich unmittelbar auf die Standfestigkeit der Anlage aus.

Leistung und Kaltwassertemperatur

Die Leistung einer Kältemaschine ist unmittelbar von der erzeugten Kaltwassertemperatur abhängig. Eine Anhebung der Kaltwassertemperatur bedeutet bei gleicher Maschine eine Steigerung der Kälteleistung. Diese Kurve verläuft bei Wasser deutlich steiler als etwa bei Ammoniak (Abb 4).

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