Effizienz eiskalt gesteigert

Auch wenn nach wie vor 30 Firmen vertreten sind, zeigt die Reihe der aufgeführten Firmen Veränderungen durch Fortfall und Hinzukommen je einer Firma und Veränderung des Firmen-Namens in einem weiteren Fall. Unverändert bleibt der Einsatz der Anlagen dieser Firmen in der Kunststoff-Verarbeitung. Spritzgieß-Betriebe sind Einsatzbereiche, in die 29 der aufgeführten Anbieter liefern. 28 liefern ihre Anlagen in Extrusions-Betriebe. Weitere belieferte Verarbeitungs-Betriebe beschäftigen sich mit Blasformen, Tiefziehen, Recken, Folien-Prägen und -Tempern, Beschichten und Trocknen. Darüber hinaus erfolgt ein Einsatz zur Klimatisierung von Fertigungs-Stätten, Büros, Labors, Reinraum- und Datenverarbeitungs-Anlagen sowie zur Erzeugung geeigneter Prüf- und Prozess-Klimata.

Produkt-Philosophie

Drei Verfahren stehen zur Verfügung für das Erzeugen von Kälte: Das Kaltdampf-Verdichtungs-, das Absorptionskälte- und das Dampfstrahlkälte-Verfahren. Letzteres dient bei keiner der aufgeführten Firmen als Grundlage für die angebotenen Anlagen. Alle 30 Firmen wenden das Kaltdampf-Verdichtungs-Verfahren an; fünf dieser Firmen bieten auch Anlagen an, die auf dem Absorptionskälte-Verfahren beruhen.

Das Kaltdampf-Verdichtungs-Verfahren arbeitet mit einem Kältemittel, dem bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur in einem Verdampfer Wärme zugeführt wird, die dem zu kühlenden Medium entnommen wird. Das Kältemittel verdampft. Diesen Dampf komprimiert ein Verdichter auf einen höheren Druck, wodurch auch die Temperatur des Dampfes steigt auf ein Temperatur-Niveau über dem der umgebenden Luft oder eines Sekundär-Kühlkreises. An diese kann das Kältemittel daher in einem Verflüssiger Wärme abgeben und verflüssigt dabei bei unverändert hohem Druck. Bei nachfolgendem Durchströmen einer Drossel wird dieser Druck auf das Niveau vor dem Kompressor reduziert. Dabei verringert sich auch die Temperatur auf das Niveau vor dem Verdampfer, dem das Kältemittel nun für einen neuen Zyklus zuströmt.

Das Absorptionskälte-Verfahren arbeitet ohne nennenswerte Druckdifferenz und unterscheidet sich in diesem und anderen Punkten vom Kaltdampf-Verdichtungs-Verfahren. Beiden Verfahren gemeinsam ist, dass das Kältemittel durch Aufnahme von Wärme aus dem zu kühlenden Medium verdampft. Dieser Dampf wird im Absorber durch eine darin versprühte Lösung absorbiert. Dabei entsteht Lösungswärme, die in einem Wärmetauscher an ein sekundäres Kühlmittel abgegeben wird. Durch die Aufnahme des Kältemittels hat sich die versprühte Lösung verdünnt und fließt nun als schwache Lösung zum Austreiber. Auf diesem Weg erfolgt ihre Erwärmung in einem Wärmetauscher, der auf der anderen Seite von der zum Absorber fließenden starken Lösung durchströmt wird, die dabei abkühlt. Im Austreiber wird der schwachen Lösung der absorbierte Kältemittel-Dampf wieder entzogen. Er kondensiert im Verflüssiger und fließt dem Verdampfer erneut als Kältemittel zu.

Das Dampfstrahlkälte-Verfahren verwendet Wasser als Kältemittel. Dieses wird gekühlt, indem ein Vakuum angelegt wird, wodurch ein Teil verdampft, was dem verbleibenden Wasser Wärme entzieht. Dieses abgekühlte Wasser wiederum entzieht dem zu kühlenden Medium Wärme. Das Vakuum wird erzeugt durch einen Dampfstrahl-Verdichter. Der hier durchtretende Dampfstrom wird zusammen mit dem verdampften Kältemittel einem Verflüssiger zugeführt, in dem der Dampf kondensiert. Aus diesem Kondensat wird dem Kältemittel die durch das Vakuum verdampfte Menge wieder zugeführt. Das restliche Kondensat fließt zurück in die Treibdampf-Erzeugung.

Die überwiegende Verwendung des Kaltdampf-Verdichtungs-Verfahrens bei den angebotenen Kälteanlagen veranlasst, dieses Verfahren in der Tabelle ausführlicher darzustellen. Dies bezieht sich sowohl auf die Produkt-Philosophie als auch auf Daten und Leistungs-Angaben.
Kaltdampf-Verdichtungs-Kälteanlagen werden von 26 Firmen in stationärer und von 23 Firmen in mobiler Ausführung angeboten. 28 dieser Firmen setzen zur Verdichtung des Kältemittels Kolben-Verdichter, 24 Schrauben-Verdichter und 14 Turbo-Verdichter ein. Bei wenigen Firmen sind außerdem Membran- und Scroll-Verdichter erhältlich.

Als Kältemittel finden verschiedene Gemische aus Fluorkohlenwasserstoffen (FKW) und Hydrofluorkohlenwasserstoffen (HFKW) Verwendung. Außerdem sind reine Stoffe wie Kohlendioxid CO2 (R 744), Ammoniak NH3 (R 717) und Wasser im Einsatz. Den Summenformeln der Kältemittel-Gemische kann entnommen werden, dass Chlor, dessen Verwendung in Kältemitteln seit dem Jahr 2000 untersagt ist, in diesen Kältemitteln auch nicht mehr enthalten ist. Immer noch findet sich in der Tabelle aber das Kältemittel R 22, das Chlor enthält. Die in der Tabelle genannten chlorfreien Kältemittel gelten in Bezug auf die Umwelt-Verträglichkeit als neutral, da sie überwiegend kein Potenzial zum Ozonabbau aufweisen. Daher ist ihr ODP-(Ozon Depleting Potenzial-)Wert Null. Auch das Potenzial zur Erderwärmung, ausgedrückt durch den GWP-(Global Warming Potenzial-)Wert, ist überwiegend gering. Vor dem Hintergrund der Effizienz der Anlagen ist auch die Verwendung der Abwärme der Kältemaschinen für Heizzwecke und Wärme benötigende Prozesse von Interesse, zumal auch dies ein Beitrag zum Umweltschutz ist. Zahlreiche Firmen bieten hierzu geeignete Ausrüstung an. Verschiedene ebenfalls angebotene Zusatz-Einrichtungen, wie Kühltürme, Wasseraufbereitungs-Anlagen, Tanks, Behälter, Verrohrungen, Regel- und Schalt-Elemente und Energieversorgungs-Einrichtungen, ermöglichen vollständige Kälteanlagen.

Zum sicheren und problemlosen Betreiben der Anlagen sind Kontrolle und Pflege der Kältemittel in der Regel unabdingbar. Die Mehrzahl der Firmen hat dieses Erfordernis bestätigt. Der diesbezügliche Tabellenteil geht auf Maßnahmen und deren Häufigkeit ein. Von ebenso wichtiger Bedeutung sind für ein sicheres Betreiben der Anlagen und deren Schutz Sicherheits-Einrichtungen für bestimmte Anlagenteile. Dazu gehört zum Beispiel die Führung des Kältemittel-Stroms über eine Bypass-Leitung bei Erreichen der gewünschten Solltemperatur des zu kühlenden Mediums, um ein ständiges Verschleiß förderndes Ein- und Ausschalten des Verdichters zu vermeiden. Zunehmend werden heute frequenzgeregelte Antriebe für die Verdichter eingesetzt zur Regelung des Kältemittel-Volumenstroms mit dem zusätzlichen Vorteil der gesteigerten Anlagen-Effizienz.

Von den fünf Herstellern von Absorptions-Kälte-Anlagen haben lediglich die Firmen Cofely und Oni Daten dieser Anlagen mitgeteilt. Dieses Verfahren ist für Großanlagen von Bedeutung. Es wird bei Kraft-Wärme-Kopplung angewendet und dann, wenn elektrische Energie nicht in ausreichendem Maße zur Verfügung steht. Es wurden Kälteleistungen von 320 bis 6.000 kW realisiert. Der von Oni angegebene Leistungs-Bedarf von 0,4 bis 0,8 kW pro 100 kW Kälteleistung zeigt, dass mit diesen Anlagen erheblich bessere Wirkungsgrade erreicht werden können als mit Kaltdampf-Verdichtungs-Anlagen.

Entwicklungstrends

Kompakte und flexible, vielseitig einsetzbare Kältemaschinen werden nach Frigel vom Markt gefordert. Diese Flexibilität verdeutlicht Goy für den Einsatz von Geräten in der Kunststoff-Verarbeitung mit dem Hinweis auf variable Vorlauf-Temperaturen von +10 bis +90 °C, wobei mit nur einem Gerät, das bis zu drei unterschiedliche Vorlauf-Temperaturen liefert, eine komplette Spritzgieß-Maschine versorgt werden kann. So sind die Werkzeug-Hälften im vorgenannten Temperaturbereich individuell temperierbar und die Maschinen-Hydraulik mit 25 bis 30 °C kühlbar. Die Gerätetechnik setzt nach Goy auf adiabatische Freikühler zur Rück-Kühlung bei Hydraulik oder Wasser gekühlten Geräten. Statt Pumpen mit fester Drehzahl werden frequenzgeregelte Pumpen eingesetzt, die druckgeregelt die Einregelung über einen Bypass entbehrlich machen. Nach wie vor ist die Energie-Effizienz von großer Bedeutung, wie der vorstehende Hinweis auf frequenzgeregelte Pumpen zur Vermeidung energieintensiver Bypass-Regelung des Kühlkreislaufs zeigt. Zur Energie-Effizienz führt Goy weiter aus, dass „je ein Gerät für jeden Verbraucher mit der individuell notwendigen Temperatur" einem „großen zentralen Gerät" vorzuziehen ist.

Es empfiehlt sich danach der „Einsatz von kleineren Geräten mit wassergekühlten Kondensatoren" und der „Rückkühlung der Kondensatoren über Wasser" beziehungsweise beim „Hydraulik-Kreislauf über einen adiabatischen Freikühler". Weil die Abwärme des Kondensator-Kühlwassers zur Heizungs-Unterstützung genutzt werden kann, arbeiten laut Goy wassergekühlte Geräte effizienter. Frigel führt zur Energie-Effizienz die Verwendung hocheffizienter Pumpen und Verdichter an, die einen hohen COP-(Coeffizient of Performance-)Wert aufweisen. Eine weitere Möglichkeit ist das Anwenden der kostengünstigen Methode des „free-cooling". Unter verfahrenstechnischen Gesichtspunkten ist nach Frigel die Vereinfachung der Kommunikation zwischen den Maschinen hilfreich, die mit Hilfe von Schnittstellen und Kommunikations-Protokollen erreicht wird.

Entwicklungstrends

Kreisläufe ohne Bypass

Ohne Bypass können Kältemaschinen effizient betrieben werden, wenn deren Pumpen mit frequenzgeregelten Antrieben versehen sind. Weitere Hinweise auf effizientes Betreiben von Kälteanlagen beziehen sich auf den Einsatz kleinerer Geräte mit wassergekühlten Kondensatoren, deren Abwärme zur Heizungs-Unterstützung genutzt werden kann, auf adiabatische Freikühler und das „free-cooling“ ganz allgemein.