Seitdem Ammoniak-Kälteanlagen immer strengeren Kontrollen und Auflagen unterzogen werden, denken viele Betreiber an den Umbau der Kälteanlage und an den Wechsel zu indirekten Systemen. Ein Wechsel sollte genau überlegt sein, deshalb werden hier die Grundlagen der verschiedenen Systeme erläutert.
Es gibt viele Möglichkeiten bei der Umstellung von einem direkten System zu einem indirekten System. Wahlweise wird hier das NH3-Direktverdampfungssystem, den indirekten Systemen mit dem Kälteträger Glykol und dem Kälteträger Binäreis gegenüber gestellt. Die Bilder beziehen sich auf eine fiktive Anlage mit einer Kälteleistung von 350 kW. Es soll ein Kältemittel bzw. Kälteträger mit einer mittleren Temperatur von -4°C erzeugt werden.
NH3-Direktverdampfungssystem
In Industriebetrieben mit weit verzweigtem Ammoniak-Kältenetz ist das System der Direktverdampfung am häufigsten vertreten. Diese klassischen Kälteanlagen zeichnen sich durch die enorme Wirtschaftlichkeit aus. Das Prinzip hat sich seit über hundert Jahren bewährt. Über Ammoniakpumpen wird das Kältemittel direkt zu den Verbrauchern gefördert. An den Verbrauchern verdampft das Kältemittel und wird als Zweiphasenströmung über einen Abscheider von den Verdichtern angesaugt. Der Abscheider trennt das Gas von der Flüssigkeit. Damit saugt der Verdichter garantiert trockenen Dampf an. Der Abscheider, eine richtige Auslegung voraus gesetzt, schützt den Verdichter vor Flüssigkeitsschlägen. Der vom Verdichter angesaugte Dampf wird auf Verflüssigungstemperatur verdichtet. Im Kondensator wird das komprimierte Gas verflüssigt und über ein Entspannungsorgan dem Abscheider zugeführt. Hier schließt sich der Kreislauf. Das Herzstück der Anlage ist nicht, wie man vermuten könnte der Verdichter, sondern der Abscheider. Denn ist der Abscheider schon während der Planung für spätere Erweiterungen vorgesehen, kann man ohne Probleme weitere Verbraucher an das System koppeln (zu grosse Abscheider gibt es nicht, nur zu kleine!).
Aufgrund der sich ständig verschärfenden Sicherheitsbestimmungen bei dem Umgang mit dem Kältemittel Ammoniak ergibt sich ein Nachteil bei weit verzweigten NH3-Anlagen. In Abhängigkeit der Füllmenge sind Sicherheitsvorkehrungen einzuhalten. Daher geht die Tendenz zu Ammoniak-Anlagen mit geringen Füllmengen. Geringe Füllmengen sind in verzweigten Anlagen natürlich schwer zu realisieren Dieses stellt ein Nachteil von Ammoniak-Kälteanlagen mit Direktverdampfung dar.
Ammoniak-Kälteanlagen mit Kälteträger (Indirektes System)
Indirekte Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass das Kältesystem in zwei Kreisläufe aufgeteilt ist. Der Primärkreislauf dient der Kälterzeugung (mit Kältemittel) und der Sekundärkreis der Kälteverteilung (mit Kälteträger). Die Kälteerzeugung sollte aus ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten als Ammoniak-Kälteanlage ausgeführt werden. Im Primärkreis gibt es nur einen Verdampfer. Der Verdampfer überträgt die Kälteleistung an den Sekundärkreis. Aus wirtschaftlicher Sicht ergibt sich bei der Übertragung der Kälteleistung auf den Sekundärkreis ein Nachteil. Der zusätzliche Wärmeübergang verschlechtert den Wirkungsgrad der Gesamtanlage, da die Verdampfungstemperatur niedriger liegen muss als die Kälteträgertemperatur.
Als Kälteträger können dienen: Wasser, Eiswasser, Sole, Salzsole und Glykol, sowie Binäreis.
Im folgenden wird nur auf das Glykol, stellvertretend für Flüssigkeiten, und auf das Binäreis, als Supensionslösung, eingegangen.
Glykol
Als Kälteträger werden zunehmend organische Stoffe auf Glykolbasis verwendet. Hier kommen Ethylenglykol und Propylenglykol am Häufigsten zum Einsatz. Die Glykole werden durch Zusätze pH-stabilisiert gepuffert und zusätzlich mit Korrosionsinhibitoren als konzentriertes Glykol, oder als fertige Mischungen, ausgeliefert. In Abhängigkeit der erforderlichen Temperaturen wird das Wasser mit dem konzentrierten Glykol gemischt. Die Mischungsverhältnisse sind aus den Mischungstabellen der jeweiligen Hersteller zu entnehmen. Wie auch bei den Salzsolen ist eine routinemäßige Untersuchung mindestens jährlich durchzuführen. Hier ist die Pufferkapazität und auch die Schutzwirkung der Korrosionsinhibitoren zu prüfen.
Folgende Eigenschaften sollten Gemische aufweisen:
- nicht toxisch
- nicht brennbar
- umweltverträglich
- möglichst hoher Wasseranteil
- geringe Zähigkeit
- nicht korrosiv wirkend auf die üblichen Werkstoffe
Der Energietransport erfolgt über eine entsprechende Erwärmung des Glykols. Die mögliche übertragbare Energie je kg Kälteträger ergibt sich aus der spezifischen Wärmekapazität und der Erwärmung (Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf) des Kälteträgers.
Die übertragbare Energie je kg Ethylenglykol beträgt bei einer Temperaturdifferenz von 4 Kelvin (-6/-2°C), 15,1 kJ/kg. Das entspricht einer spezifischen Leistung von 4,19 Watt/kg. Zum Vergleich, die spezifische Verdampfungsleistung von Ammoniak beträgt 354 Watt/kg.
Die Verbraucherpumpen und die Rohrleitungen sind in Abhängigkeit der Kälteleistung und der Temperaturdifferenz zu dimensionieren. Einen Querschnittsvergleich der Rohrleitungen kann man dem Bild entnehmen.
Binäreis
Binäreis ist eine Bezeichnung für eine Suspension von Eiskristallen in einer Flüssigkeit. Die Basis bildet Wasser, dem ein gefrierpunkterniedrigender Stoff hinzugefügt wird. Hierbei handelt es sich um Ethanol. Zu jeder Gemischkonzentration ergibt sich eine Gefriertemperatur. Bei der Gefriertemperatur bilden sich feine Eiskristalle, die in Größe und Form unterschiedlich sind. Das Eis besteht aus reinem Wasser und die nicht gefrorene Flüssigkeit trennt die Kristalle voneinander. Die Korrosivität wäßriger Alkohole gegen Eisen und Stahl wird durch Zugabe eines Inhibitors verhindert.
Deutlich wird, dass die Basis und die erforderlichen Zusätze in ähnlicher Weise, wie bei Glykol, zur Anwendung kommen. Bei Glykol wird die Mischung so gewählt, dass der Gefrierpunkt unterhalb der gewünschten Kälteträgertemperatur liegt. Diese Temperaturpufferung schützt den Kälteträger vor dem Einfrieren. Bei dem Binäreis wird die Mischung bewusst so gewählt, dass an dem Einfrierpunkt die Eiskristalle entstehen können. Währnd man bei Glykol, bei ausreichender Pufferung, die Kälteträgertemperatur verändern kann, ist dieses bei Binäreis nur begrenzt möglich.
Wird das Ethanol-Wasser-Gemisch mit einer bestimmten Konzentration abgekühlt, gibt es ein Gefrierbeginn (es bilden sich die ersten Eiskristalle). Es wird zunächst reines Wassereis ausgefroren. Dadurch reichert sich die Restflüssigkeit mit Ethanol an. Dieses hat eine Absenkung der Temperatur, für das weitere Gefrieren, zur Folge. Bei weiterer Temperaturabsenkung erstarrt der verbleibende Rest bei einer konstanten Temperatur, im eutektischen Punkt, vollständig.
Der Einsatz von Binäreis hat im Vergleich zu Glykol (einphasiger Kälteträger) den Vorteil, dass die Schmelzwärme des Eises zur Kühlung genutzt wird. Die Schmelzwärme von Eis beträgt 330 kj/kg. Diese enorm hohe Schmelzwärme bedeutet eine wesentlich bessere Energiedichte als beim vergleichbaren Glykol. Es ist jedoch zu beachten, dass Binäreis nur bis ca. 30% Eiskonzentration beherrschbar ist. Damit reduziert sich die nutzbare Schmelzwärme auf max. 100 kj/kg. Der Energieinhalt von 100 kJ/kg wird aber auch nur dann erreicht, wenn das gesamte Eis an den Verbrauchern abgeschmolzen wird.
Da es sich bei Binäreis um ein Zweiphasengemisch handelt, ist auf die Entmischungstendenz im System zu achten. Wählt man eine hohe Abschmelzrate (z.B. 30% Eiskonzentration), so müssen die Geschwindigkeiten im Rohr niedrig gewählt werden. Dadurch wird eine Anreicherung von Eis im oberen Rohrquerschnitt begünstigt. Eine sorgfältige Planung des Gesamtverteilsystems ist daher unerlässlich. In der Praxis wird daher mit einer Eiskonzentration von 10% gerechnet, wobei das Eis an den Verbrauchern vollständig zum Schmelzen gebracht wird. Es ergibt sich eine nutzbare Schmelzwärme von ca. 33 kj/kg. Der Unterschied der Energiedichte gegenüber einer sensiblen Temperaturanhebung, wie bei Glykol, beträgt ungefähr den Faktor 2,2.
Das Zweiphasengemisch verhält sich nicht wie eine Newtonsche Flüssigkeit, so dass die Wahl der Rohrleitungsquerschnitte, Armaturen und Pumpen sorgfältig erfolgen muss. Bei Binäreis ist ein ausgeprägtes "strömungsgerechtes" Denken erforderlich. Die Rohrleitungen sollten so verlegt sein, dass die Suspension leicht strömen kann. Es sind plötzliche oder scharfe Umlenkungen und Reduzierungen zu vermeiden. Aufgrund des Zweiphasengemisches ist nicht zu erwarten, dass das Eis eine plötzliche Abzweigung "bemerkt" und daher weiter geradeaus fließt.
Pufferbehälter für Binäreis besitzen eine wesentlich höhere Speicherkapazität als vergleichbare Glykolpufferbehälter.
Vorteile der hohen Energiedichte werden nicht nur bei den Rohrleitungsquerschnitten (Bild 3) deutlich, sondern auch bei der Auslegung von Kühlern. Die hohe Energiedichte in Verbindung mit der gleichbleibenden Schmelztemperatur lässt die Kühler kleiner werden.
Eiserzeugung
Der Eiserzeuger ist ein stehender Rohrbündelapparat mit frei hängenden Stangen in den einzelnen Innenrohren. Diese Stangen sind sogenannte Schleuderstäbe, die ständig die Rohrinnenwände abwischen, damit sich keine feste Eisschicht bildet. Über einen Exzenter sind die Rohre mit dem Antriebsmotor verbunden.Die Bilder machen den Unterschied in der Kälteerzeugung deutlich. Anstelle des Plattenapparates bei der Solekühlung wird ein Rohrbündelapparat mit Einbauten verwendet. Konstruktionsbedingt sind kleine logarithmische Temperaturdifferenzen mit Plattenapparaten einfacher zu erzielen. Rohrbündelapparate fallen größer aus. Bild 5 zeigt den Temperaturverlauf der unterschiedlichen Systeme. Es handelt sich um annähernd realistische Daten. Der Eiserzeuger tendiert allerdings zur Verdampfungstemperatur von -9°C [1].
Eisspeicher
Eine Binäreiserzeugung ohne Eisspeicher macht wenig Sinn. Hier liegen auch die Stärken des Systems. Eine "Kälte"-Speicherung (Puffertank) bei Soleanlagen bedeutet immer die Aufstellung eines sehr großen Behälters. Aufgrund der höheren Energiedichte der Suspension sind die Eisspeicher kleiner. Eisspeicher haben Vorteile, wenn in einer relativ kurzen Zeit eine hohe Kälteleistung abgefordert wird, oder wenn es gilt Stromspitzen zu vermeiden.Der Binär-Eisspeicher ist nicht zu vergleichen mit konventionellen Speichern, da diese nur "Eiswasser" von +1°C erzeugen können.