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Einflussfaktoren der Kühlleistung auf Rückkühlern

Rückkühler sind tiefgekühlte Flüssigkeitskühlsysteme, die in verschiedenen Industriezweigen, einschließlich der medizinischenmilitärischenlaser-bezogenen und analytischen Gerätesteuerung, Anwendung finden.  Kühler werden dazu verwendet, eine Komponente wie zum Beispiel einen Laserkopf, eine Anzeigenkonsole oder andere temperaturabhängigen Instrumente bei konstanter Temperatur zu halten und/oder deren Restwärme aufzufangen, um ein Überhitzen der relevanten Komponenten zu vermeiden.

Bei der Auswahl eines Kühlers sollten verschiedene Faktoren berücksichtigt werden, die die Kühlleistung beeinflussen können. Diese Faktoren umfassen die Lufttemperatur des Raumes oder die Temperatur des Betriebswassers, die eingestellte Kühltemperatur, die Betriebsflüssigkeit, die Wartung des Kühlers usw. Im Allgemeinen legen die Hersteller von Kühlern die Kühlleistung hinsichtlich einer Wasserzuflußtemperatur von 20°C und einer Umgebungstemperatur von 20°C fest. Aber was geschieht, wenn die Raumtemperatur höher oder niedriger als 20°C ist? Was passiert, wenn der gelieferte Kühler für 5°C anstelle für 20°C eingestellt ist? Was passiert, wenn als Kühlmittel nicht Wasser benutzt wird? Wie beinflussen alle diese Varianten die Kühlleistung eines Kühlers?

Rückkühler und der Kühlkreislauf

Abbildung 1: Der Kühlkreislauf eines KühlersAbbildung 1: Der Kühlkreislauf eines Kühlers

Um zu verstehen, wie diese Faktoren die Kühlleistung eines Kühlers beeinflussen können, ist es notwendig zu verstehen, wie ein Kühler funktioniert. Ein kompressorbasierender Rückkühler funktioniert dadurch, das die latenten Wärmeeigenschaften eines Kühlmittels benutzt werden, um die Wärme vom Betrieb zu entfernen und um diese in die umgebende Luft oder in das Betriebswasser auszustoßen. (Siehe Abbildung 1.) Um die Betriebswärme in die umgebende Luft oder in das Betriebswasser zu übetragen, muss das Kühlsystem eine Kühltemperatur produzieren, die niedriger ist als die zu kühlende Temperatur der Betriebsflüssigkeit. Zu einem späteren Zeitpunkt des Verarbeitungsprozesses muss das System die Temperatur des Kühlmittels auf ein Niveau erhöhen, das höher ist als die Temperatur des zum Wärmeausstoß benutzten Mittels.

Ein Kühler is ein komplexes System, aber die grundlegenden Komponenten sind der Kompressor, der Kondensator, ein Expansionsventil (thermostatic expansion valve, TXV) und ein Verdunster. Beim Kompressor wird das vom Verdunster kommende und als gesättigtes Gas auftretende Kühlmittel zu einem Gas mit Hochdruck und hohen Temperaturen verdichtet. Das heiße Gas wird durch den Verdunster geführt, wo es gekühlt und in eine gesättigte Flüssigkeit verdichtet wird, indem die Wärme in die kühlere Raumluft (luftgekühlter Verdunster) oder in das Betriebswasser (wassergekühlter Verdunster) ausgestoßen wird. Das Kühlmittel wird durch das TXV geleitet und dadurch fällt der Druck und die Temperatur beträchtlich. Die Kühlmitteltemperatur is nun niedriger als die der Betriebsflüssigkeit und daher wird die Wärme von der Betriebsflüssigkeit auf das Kühlmittel übertragen, das in ein Niedrigdruckgas ausdunstet. Der Kreislauf wiederholt sich, wenn das Gas vom Kompressor zurückkommt.

Der Kondensator und der Verdunster sind Wärmetauscher, die Wärme von einem Medium auf ein anderes übertragen. Im Fall eines luftgekühlten Kondensators wird üblicherweise ein Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher mit einem aluminium-gerippten Kupferrohr verwendet, um die Wärme des heißen Kühlmittelgases in die umgebende Luft auszustoßen. Ein wassergekühlter Kondensator hingegen benutzt ein Plattenwärmetauscher, um Wärme vom heißen Gas des Kühlmittels in das Betriebswasser zu übertragen. Im Fall eines Verdunsters wird normalerweise ein Plattenwärmetauscher verwendet, um die Wärme von der Betriebsflüssigkeit auf das Kühlmittel zu übetragen. Die Leistung eines Wärmetauschers hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der benutzen Betriebsflüssigkeit, der einströmenden Flüssigkeitstemperaturen, der Durchflussmenge, des Materials der Anlage und des Designs des Wärmetauschers. Wenn alle anderen Faktoren ausgeglichen sind, stellt der Unterschied bei den einströmenden Flüssigkeitstemperaturen der entscheidende Faktor für die Wärmeübetragung von einer Flüssigkeit auf eine andere dar.

Umgebungsluft und Auswirkungen der Betriebswassertemperatur

Abbildung 2: Kreislauf-Leistungsdiagramm des RC045-KühlersAbbildung 2: Kreislauf-Leistungsdiagramm des RC045-Kühlers

Luft- oder Betriebwassertemperatur spielen bei der Kühlleistung eines Kühlers eine große Rolle. Damit der Kondensator die ganze Wärme (Betriebswärme plus Kompressionswärme) in die Umgebungsluft oder in das Betriebswasser ausstößt, muss der Temperaturunterschied zwischen dem heißen Kühlmittelgas und der Umgebungsluft bzw. des Betriebswassers ausreichend groß sein. Der Lytron-Kühler zum Beispiel operiert normalerweise bei einer Verdunstungstemperatur zwischen 32°C (90°F) und 43.3°C (110°F) und stößt Wärme bei einer Umgebungsluft mit 20°C (68°F) oder bei einem Betriebswasser mit 24°C (75°F) aus. (Siehe Abbildung 2.) Wassergekühlte Kondensatoren können das gleiche Wärmevolumen in eine höhere Betriebswassertemperatur abgeben, weil Wasser besser als Wärmeübertragungsflüssigkeit geeignet ist und es erfordert keinen großen Temperaturunterschied zwischen beiden hereinströmenden Flüssigkeiten.

Mit der Temperaturerhöhung der Umgebungsluft oder des Betriebswassers nimmt die Fähigkeit des Kühlkondensators, die Betriebswärme vom Kühlmittel auf die Umgebungsluft oder auf das Betriebswasser zu übertragen, ab, und dadurch wird ein höherer Verdunstungsdruck erzeugt, der seinerseits eine verminderter Systemleistung bewirken könnte. Wenn daher der Rückkühler einer über 20°C liegenden Raumtemperatur ausgesetzt wird, sollten Größenberechnungen durchgeführt werden, um die erforderliche Kühlleistung zu bestimmen. Ähnlich verhält es sich mit der Umgebungstemperatur, denn wenn diese abnimmt, wird sich die Leistung anfänglich auf Grund des größeren Temperaturunterschieds verbessern. 

Bei der Größenbestimmung eines Kühlers ist es wesentlich, die maximale Umgebungstemperatur oder die maximale Betriebstemperatur zu wissen, sodass Sie einen Kühler auswählen können, der ausreichend Kühlleistung für den Bedarf Ihrer Anwendungen erbringt. (Lassen Sie sich von einem Anwendungstechniker  bezüglich der Kühlergröße beraten.)

Auswirkung der Temperatureinstellung

Die Leistung des Verdunsters nimmt ähnlich wie beim Kondensator ab, wenn der einfließende Temperaturunterschied zwischen dem flüssigen Kühlmittel und des zurückströmenden Betriebswassers reduziert wird. Dies geschieht, wenn der Kühler auf eine niedrige Temperatur eingestellt ist, zum Beispiel auf 5°C anstelle auf 20°C. Die zurückströmende Betriebswassertemperatur wird niedriger sein, wenn die Kühlervorlauftemperatur niedriger ist, was dazu führt, dass ein geringerer Temperaturunterschied zur Verfügung steht, um den Wärmetausch durchzuführen. Die Kühlerleistung nimmt ab, wenn die eingestellte Temperatur niedriger ist. Vergleichbar erhöht sich die Kühlerleistung, wenn unter Berücksichtigung des empfohlenen Temperaturbereichs die eingestellte Temperatur auf die maximale Temperatur erhöht wird. (Siehe Abbildung 2.)

Auswirkung der Betriebsflüssigkeit

Die Betriebsflüssigkeit, die beim Rückkühler verwendet wird, hat auch einen Einfluss auf die Leistung. Die Kühlleistung eines Kühlers basiert normalerweise auf der Benutzung von Wasser als Betriebsflüssigkeit, sodass die Verwendung einer anderen Betriebsflüssigkeit zu geringerer Kühlleistung führen kann. Einige Rückkühler wurden beispielsweise derartig konstruiert, dass sie mit Polyalphaolefin (PAO) als Betriebsflüssigkeit kompatibel sind. PAO wird normalerweise auf Grund ihrer dielektrischen Eigenschaften und/oder ihres großen Betriebstemperaturbereichs in militärischen Anwendungen verwendet. Wenn jedoch alle Faktoren ausgeglichen sind, wird die Kühlleistung des PAO-Kühlers geringer sein als die Kühlleistung eines Wasserkühlers, da PAO eine niedrigere spezifische Wärme, eine niedrigere Dichte und eine niedrigere thermische Leitung als Wasser aufweist.

Auswirkungen des Kühlerbetriebs und der Wartung

Andere Faktoren, die einen Einfluss auf die Kühlerleistung ausüben, beziehen sich auf den Kondensator und auf die Wartung des Verdunsters. Staubablagerungen in luftgekühlten Kondensatoren oder die Verschmutzung von Röhren oder von Strömungspassagen in wassergekühlten Kondensatoren oder Verdunstern führt zur Abnahme der Kühlleistung. Wenn Staub oder Ablagerungen sich auf den Lamellen und den Lüfterschaufeln des luft-gekühlten Kondensators ansammeln, wird der Luftstrom eingeschränkt, was zur Abnahme der Kühlleistung des Kühlers führt. Wenn der Kühler in einer staubigen und schmutzigen Umgebung benutzt wird, sollte eine routinemäßige Wartung oder Säuberung vorgesehen sein und/oder der Kühler sollte überdimensional sein.  Die Verschmutzung von wassergekühlten Kondensatoren entsteht durch Zunderbildung, Korrosion und/oder durch biologisches Wachstum, das auf Grund niedriger Wasserqualität entsteht. Die Verschmutzung bildet eine Isolierungsschicht auf den inneren Wänden der Röhren, die den Wärmetausch zwischen dem Kühlmittel und dem Wasser erschweren und somit eine Schädigung der Kühlereffektivität verursacht. Durch die Benutzung von sauberem Wasser mit Korrosionsinhibtoren wird das Riskio der Verschmutzung minimalisiert. (Siehe im Anwendungshinweis von Lytron mit dem Titel „Rückkühlerabstimmung: Betrieb und Wartung Ihres Kühlerzubehörs“, wo Sie nähere Informationen finden.)

Andere Faktoren

In seltenen Fällen, in denen sich ein luftgekühlter Rückkühler in großer Höhe befindet, wird die niedrigere Luftdichte die Kühlleistung beeinträchtigen. Auf Grund der Tatsache, das „Massendurchflussmenge gleich Volumendurchflussmenge mal Dichte ist“, muss, wenn die Dichte abnimmt, eine höhere Volumendurchflussmenge durch den Kondensatorlüfter erzeugt werden, um die gleiche Kühlleistung wie auf Meereshöhe zu bewirken. Eine Option besteht darin, den Rückkühler überzudimensionieren, um sicherzustellen, dass die notwendige Kühlleistung erbracht wird.

Abbildung 3: Rückkühler RC022 – RC045, Leistung für 50 Hz and 60 HzAbbildung 3: Rückkühler RC022 – RC045, Leistung für 50 Hz and 60 Hz

Feuchtigkeit ist ein anderer Faktor, der die Kühlleistung beeinflusst, wenn die Betriebskühlmitteltemperatur niedriger ist als der Umgebungstaupunkt. Wenn der Kühler eine Schicht erhält und der Verdunster und die Pumpe nicht isoliert sind, dürfte sich auf diesen Oberflächen eine Kondensation bilden, die zu einem Ausfall der Kühlleistung führt.  Eine unbehandelte Metalloberfläche kann auch durch Korrosion beschädigt werden. Daher wird Isolierung nachdrücklich empfohlen.

Es ist auch wichtig darauf zu achten, dass ein 230 VAC 50 Hz Kühler etwa 17% weniger Kühlleistung aufweist als ein 230 VAC 60 Hz Kühler, weil durch eine langsamere Frequenz die Pumpe, der Kompressor und der Motor des Lüfters langsamer arbeitet. (Siehe Abbildung 3.)

Die Kühlleistung ist von der Luftumgebungstemperatur oder der Betriebswassertemperatur, der eingestellten Kühltemperatur, der Betriebsflüssigkeit, dem Gebrauch und der Wartung usw. abhängig. Es ist wichtig, dass alle diese Faktoren bei der Auswahl und beim Gebrauch eines Kühlers berücksichtigt werden. Dies trägt dazu bei, die Betriebszeit der Geräte, die der Kühler kühlt, zu verlängern.