Kälteerzeugung

Kälteerzeugung
Technische Aspekte und Einsparpotentiale
Referent: Dipl. Ing. Steffen Roß
Datum: 28. Oktober 2014, Mettmann
Definition Kälte

In der Physik und der Thermodynamik gibt es keine Kälte, sondern nur Wärme

Gemäß 2. Hauptsatz Thermodynamik fließt Wärme nicht „freiwillig“ (ohne
Exergiezufuhr) entgegen Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und Senke

Das Verständnis von „Kälte“ ist uneinheitlich

 Es kann sowohl übertragene Wärmemenge oder der Wärmestrom sein
 Es kann auch Kühltemperatur oder Temperaturdifferenz zur Umgebung sein
Als Kälte wird in der Kühl- und Kältetechnik ein Zustand mit einer Temperatur
unterhalb der Umgebungstemperatur bezeichnet

Sollen Temperaturen weiter abgesenkt werden, muss zur Aufrechterhaltung des
Wärmestromes ein aktiver Kälteprozess zwischengeschaltet werden (Kälte muss
„erzeugt“ werden)

Die Methoden und Verfahren zur Erzeugung von Kälte sind Gegenstand der
Kältetechnik (bei Temperaturen unterhalb von -150°C auch Kryotechnik genannt).

Als Kälteprozesse kommen verschiedene Prozesse in Frage, die auf
unterschiedlichen physikalischen Effekten beruhen. Die meisten stationären
Kälteprozesse nutzen zyklische Phasenwechsel eines Kältemittels in einer
Kältemaschine
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Kältetechnik und Verfahren zur Erzeugung
von Kälte

Die Kältetechnik dreht die in der Energie-/Wärmetechnik üblichen Prozesse um

Kältemaschinen müssen Wärme entgegen der natürlichen Flussrichtung
transportieren

Die Aufgabe der Kältetechnik ist also, Wärme an einen anderen Ort mit möglichst
wenig Energie (Zufuhr von Exergie) zu transportieren

Kühlen durch Verdunstung von Wasser: Ältester Kälteprozess ist das Kühlen
von Tongefäßen durch ständige Wasserzufuhr (geringe Leistungsdichte…)

Kühlen durch Verdampfen eines Kältemittels in Kaltdampfprozessen: Hierbei
werden Kältemittel mit sehr niedrigen Siedetemperaturen meist in
Kompressionskältemaschinen eingesetzt

Kühlen durch Zufuhr von Wärme in Absorptionskältemaschinen: Hierbei wird
Wasserdampf von einer Lithiumbromid-Lösung absorbiert; der dadurch
entstehende Unterdruck erzeugt Kälte; mit Beheizung wird das Wasser wieder
ausgekocht

Mit dem Kaltgas- bzw. Lindeprozeß wird in mehreren Stufen mit Hilfe eines
Kältemittels (Gas; ohne Kondensation) über mehrere adiabatische Stufen extrem
niedrige Kälte erzeugt
3
Die verschiedenen Verfahren der Kühlung
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






Konvektionskühlung: Kaltluftstrom mit 2-10 m/s kühlt Materialien auf -20 bis +6
°C runter. Hohe Luftfeuchtigkeit verbessert Wärmeübergang (vgl. Kühlhäuser;
Schockfroster sogar bis zu – 35°C)
Tauchkühlung: Besserer Wärmeübergang im Wasser (ggf. mit Eiszusatz) mit
höheren Abkühlgeschwindigkeiten
Beeisen: Kühlung auf Eis ohne Wasser (Nahrungsmittelindustrie z.B. Fisch)
Sprühkühlung mit einem Wassernebel
Vakuumkühlung: Durch Wasserbesprühung und anschließende (i.d.R.
behutsame) Druckabsenkung wird dem Produkt Wärme entzogen (Einsatz bei
Produkten mit großen Oberflächen)
Kontaktkühlung: Mit Hilfe von ein oder zwei Platten erfolgt gegenüber konvektiver
Kühlung etwa doppelt so effektive Kühlung; Kontaktfläche wird von außen mit
Kaltluft angeströmt oder flüssigem Kälteträger besprüht
Kühlung in Wärmetauschern: Häufigstes und effektivstes Verfahren. Bis zu über
90 % der Wärme können bei Gegenstrom-Plattenwärmetauschern
zurückgewonnen werden
Kryogene Kühlung mit Flüssigstickstoff ermöglicht sehr niedrige Tedmperaturen
Strahlungskühlung (Strahlungswärmeaustausch mit kälteren Umgebungsflächen)
hat keine industrielle Bedeutung, da spezifische Kälteleistung zu klein)
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Prozesskühlung in der chemischen Industrie

Chemische Prozesse laufen bei unterschiedlichen Temperaturen ab

Abweichungen von den idealen Temperaturen können Änderungen in den
Reaktionsprodukten zur Folge haben

Die chemische Industrie fordert daher zuverlässige Kälteanlagen, die häufig rund
um die Uhr in Betrieb sind

Je nach dem, ob die Reaktionen mit einer Energieaufnahme („endotherme
Reaktion“) oder einer Energieabgabe („exotherme Reaktion“) verbunden sind,
muss Wärme zu- oder abgeführt werden

Liegt die ideale Reaktionstemperatur einer exothermen Reaktion unterhalb der
Umgebungstemperatur, muss zur Aufrechterhaltung des Temperaturniveaus Kälte
erzeugt werden

Bei Reaktionstemperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur reicht in der Regel
eine Wärmeabführung über Abluft oder Kühlwasser, welches in einem Kühlturm
(ggf. sogar ohne Kältemaschine) rückgekühlt wird

Die Wärmeabfuhr bei chemischen Prozessen kann über Kühlschlangen in
Reaktoren, Kälteträger in doppelwandigen Tanks oder mit Hilfe von Luft oder
Inertgasen geschehen, die je nach Temperatur und Leistung über Kaltwassersätze
von großen Kälteanlagen oder mit Verdunstungskühlern rückgekühlt werden
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Leistungszahl nach DIN EN 255
Bei der Auswahl des optimalen Kältesystems ist vor allem auf die
energetische Effizienz zu achten: Die Leistungszahl definiert den
Wirkungsgrad einer Kälteanlage
 Die Leistungszahl beschreibt das Verhältnis der bei bestimmten
Betriebsbedingungen abgegebenen bzw. aufgenommenen
thermischen Leistung Q0 (kW) bezogen auf die zugeführte
elektrische Leistung Pel (kW) für den Antrieb des Verdichters und der
Hilfsantriebe nach DIN EN 255:
Nutzen
Leistungszahl 
Aufwand
Q 0
K 
Pel
εK: Kälteleistungszahl EER (Energy Efficiency Ratio)
Q0: Kälteleistung (bzw. Wärmeleistung)
Pel: elektrische Leistungsaufnahme
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COP- Wert nach DIN EN 255
Neben der Leistungszahl hat sich der COP - Wert (Coefficient Of
Performance) Wärmepumpen bzw. der EER-Wert bei dem
Effizienzvergleich verschiedener Systeme durchgesetzt. Er beschreibt die
Leistungszahl unter festgelegten Prüfbedingungen:
Q 0
COP 
Pelt
Sowohl die Leistungszahl, als auch der Coefficient Of Performance sagt
aus, wie viel kW notwendig sind, um ein kW Kühlleistung zu erzeugen
Eine Leistungszahl oder COP von 3,5 gibt an, dass für 3,5 kW
Kühlleistung 1 kW elektrischer oder thermischer Energie notwendig sind
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Leistungszahlen von Kältemaschinen und
Wärmepumpen (im Nutzkältebetrieb)
t0 :
tc :
Q0 :
Qc :
P:
Ɛk :
Ɛwp :
Verdampfungstemperatur
Verflüssigungstemperatur
Kälteleistung
Verflüssigungsleistung
Elektrische Leistung
Kälteleistungszahl der Kompressionskältemaschine
Leistungszahl Wärmepumpe
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ESEER, IPLV: Gewichtete Kälteleistungszahlen
zur Berücksichtigung Teillastbetriebszustände
Bewertungsanteile
und Lufttemperaturen
unterscheiden sich!
IPLV > ESEER
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Vor- und Nachteile der
Kompressionskältemaschine
Vorteile
Nachteile
 Es können Temperaturen weit unter
 Relativ hoher Energieverbrauch bzw.
Umgebungstemperatur erzielt
werden (üblicherweise 6°C Vorlauf /
12°C Rücklauf, aber auch < 0°C
möglich)
 Bewährte Technik, inzwischen als
Massenware verfügbar
 Geschlossener Kreislauf, daher keine
nennenswerten Kältemittelverluste
hohe Energiekosten
 Übliche Kältemittel haben ein hohes
Treibhauspotential und / oder sind
brennbar
 Relativ komplizierter technischer
Aufbau
 Empfindlich ggü. Undichtigkeiten
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Vor- und Nachteile der Kälteerzeugung in
Absorptionskälteanlagen
 Vorteile





Bessere Auslastung der KWK-Anlage, da die Wärme besser genutzt wird
Geringerer Strombedarf
Geringerer Wartungsaufwand gegenüber Kompresssionskältemaschinen
Hohe Brennstoffausnutzung und damit geringe Umweltbelastung
Kein Einsatz von FCKW oder FKW; Arbeitsstoffpaare bei
Absorptionskältemaschinen haben kein Ozonschicht-Gefährdungpotenzial
 Geringerer Primärenergiebedarf (bis 25%)
 Nachteile
 Höhere Gesamtinvestitionskosten
 Deutlich größerer Platzbedarf für die Maschinen (Faktor 1,5-2,5) und
Rückkühlwerke (etwa Faktor 2)
 Höherer Wasserverbrauch bei Naßkühlung
 Schlechtes Verhalten bei Lastwechseln
 Leckageempfindlich
 Hohe Betriebskosten, falls Abwärme nicht „gratis“ zur Verfügung steht.
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Vergleich der Effizienz verschiedener
Kühlsysteme
Kühlsystem
Beschreibung
Temperaturbereich
Mögliche
Leistungszahl
Kompressionskältemaschine
Luftgekühlt
15°C und niedriger
3,0
Kompressionskältemaschine
Wassergekühlt
15°C und niedriger
4,0
Freie Kühlung
Glykolkühler
/Luftkühler
Außentemperatur
13,5
Freie Kühlung
mit Kühlturm
Außentemperatur
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Bei einer energetischen Bewertung sind vor allem die Berechnungsgrundlagen
wichtig. Oft werden zudem auch andere Begriffe und Definitionen zur
Leistungszahl verwendet, die Angaben sollten daher ggf. hinterfragt werden!
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Energiekostenvergleich verschiedener
Prozesskühlsysteme
Kühlleistung Tempertur Rückkühlung
[MWh]
Vorlauf
[EUR]
Abwärme- elektrische
Summe
nutzung
Energie Energiekosten
[EUR]
[EUR]
[EUR]
Freiluftkühlung mit Verdunstung
1
27°C
11,90
-
-
11,90
Kompressionskälteanlage
1
6°C
-
-
42,86
42,86
Absorptionskälteanlage
1
9°C
27,74
0,00
2,55
30,29
Die Freikühlung ist der mit Abstand
günstigste Weg der Kühlung!
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Kombination von Kältesystemen
Mit einer Freikühlung kann eine bestehende Kompressionskälteanlage
unterstützt und Betriebskosten reduziert werden:
Ist eine hohe Temperaturdifferenz zwischen
Vor- und Rücklauf vorhanden, kann die
freie Kühlung das Prozesskühlwasser „vor“kühlen und damit eine bestehende
Prozesskühlanlage unterstützen.
Freie Kühlung
TRücklauf
Umgebung
Halle
Kältemaschine
Bei Reaktionstemperaturen oberhalb der
Umgebungstemperatur reicht in der Regel
eine Wärmeabführung über Abluft oder
Kühlwasser, welches in einem Kühlturm
ohne Kältemaschine rückgekühlt wird.
Maschine
TVorlauf
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Kombination von Kältesystemen
Mit einer Freikühlung kann eine bestehende Kompressionskälteanlage
unterstützt und Betriebskosten reduziert werden:
Sind die Außentemperaturen unter der
gewünschten
Kühlwasserrücklauftemperatur, kann die
gesamte Kühlung komplett ohne Einsatz
einer Kältemaschine vorgenommen
werden
Freie Kühlung
TRücklauf
Umgebung
TVorlauf
Halle
Kältemaschine
Einsparung bis zu 80% der Betriebskosten
Maschine
15
Aspekte zur Nutzung von Eisspeichern (1/2)

Kälte kann entweder in Form sensibler Wärme (Temperaturdifferenz), latenter
Wärme (Phasenübergangsenthalpie) oder chemisch als Reaktionsenthalpie
gespeichert werden

Die größte Bedeutung hat die latente Wärmespeicherung (hier „Kältespeicherung“),
insbesondere in Form von Eis. Diese Energieumwandlung ist beliebig oft wiederholund umkehrbar. Wasser eignet sich auch sehr gut als Kälteträger, so dass derselbe
Stoff für Speicherung und Energietransport verwendet werden kann, ohne dass
weitere Wärmeaustauscher nötig werden

In Form von Eis hat Wasser eine sehr hohe Speicherkapazität. Mit einer
Schmelzenthalpie von 333 kJ/kg lässt sich in einem Kubikmeter Eis 13-mal so viel
Energie speichern, wie das bei flüssigem Wasser in Form sensibler Wärme bei einer
Temperaturdifferenz von 6 Kelvin möglich wäre.

Die Bauarten von Eisspeichern sind vielfältig. Die Unterscheidung zwischen direkten und indirekten Systemen
bezieht sich nicht auf die Art der Kühlung. Den Unterschied macht hier die Frage aus, ob das Kältemittel
gleichzeitig auch Speichermedium ist. Andernfalls ist die
Nutzung eines weiteren Wärmetauschers notwendig.
Unabhängig davon kann die Aufladung des Speichers
durch direkte oder indirekte Kühlung geschehen.
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Aspekte zur Nutzung von Eisspeichern (2/2)

Kältespeicher haben die Aufgabe, die Kälteerzeugung zeitlich vom Kälteverbrauch
zu entkoppeln. Dadurch können Lastspitzen abgefedert werden. In lastschwachen
Zeiten wird Kälte „auf Vorrat“ produziert , die dann von geeigneten
Speichersystemen in kürzester Zeit, d. h. mit sehr hohen Leistungen, abgerufen
werden kann. Gerade in Industriezweigen, wo nur zu bestimmten Zeiten große
Mengen an Kälte gebraucht werden, kann dies erhebliche Kosten einsparen, weil
die Kälteanlagen kleiner dimensioniert werden können.

Wenn billiger Nachtstrom für die Aufladung des Kältespeichers verwendet
wird, sinken auch die Arbeitskosten.

Der Betrieb bei Nacht hat zudem den Vorteil, dass die Außentemperaturen
geringer sind. Dies führt zu einer niedrigeren Kondensationstemperatur im
Verflüssiger und erhöht damit die Energieeffizienz. Dadurch wird der zusätzliche
Energieverbrauch, den die indirekte Kühlung gegenüber der direkten verursacht,
zumindest teilweise wieder ausgeglichen.
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Einsparmaßnahmen Kälteanlagen und deren
typische Einsparpotentiale (nicht kumulativ…)
Maßnahme
Einsparpotenzial
Verminderung des Kältebedarfs
Systemoptimierung
Betriebs- und Wartungsmaßnahmen
Stärkere Wärmedämmung
Wärmerückgewinnung
Effiziente Geräte/Beleuchtung in Kühlräumen
8-10 %
4-8 %
5-10 %
80 % (der Wärme)
2%
Benutzung von effizienten Geräten und Anlagen
Antriebe mit Drehzahlregelung für Verdichter, Ventilatoren
und Pumpen
Hocheffizienzmotoren für den Ventilator am Verdampfer
Hocheffizienter Kältekompressor
Hocheffizienzmotoren für den Ventilator am Kondensator
Richtige Bedienung und Vermeidung unnötiger
Temperaturen
Reinigung der Wärmeübertragerflächen
Steuerung des Verdichtungsenddrucks am
Kältekompressor
Abtausteuerung
Quelle: Sächsische Energieagentur
4-6 %
2-5 %
2-5 %
2-5 %
3%
10-15 %
5%
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