Auslegung von Kaltwassersätzen: So wählen Sie den richtigen Kaltwassersatz aus
Steht die Auswahl eines Kaltwassersatzes – auch als Chiller, Flüssigkeitskühler, Solekühler, Prozesskühler oder Wasserkühler bezeichnet – für Ihr Unternehmen bevor, müssen Sie technische und wirtschaftliche Entscheidungen treffen.
Ob zur Kühlung von Anlagen, Maschinen und Prozessen oder zur Klimatisierung von Gebäuden: Kaltwassersätze bieten viele Vorteile. Durch die Erzeugung von kaltem Wasser oder Sole lassen sich Medien in einem Temperaturbereich von -30 °C bis zu +30 °C abkühlen.
Die richtige Auswahl ist entscheidend für die Effizienz, Betriebskosten und Zuverlässigkeit des gesamten Kühlsystems. In diesem Beitrag erklären wir die verschiedenen Kaltwasserersatz-Typen und geben Ihnen hilfreiche Tipps zur Auslegung einer Kälteanlage oder eines Kaltwassersatzes.
Die optimale Auslegung einer Kälteanlage
Um einen effizienten und wirtschaftlichen Betrieb zu gewährleisten, ist für die Auslegung eines Kaltwassersatzes eine sorgfältige Planung erforderlich. Vor der Auslegung einer Kälteanlage sollten Sie folgende Aspekte berücksichtigen:
- Prozessflüssigkeit / Kühlmedium: Die Wahl der Prozessflüssigkeit hat einen direkten Einfluss auf die Konstruktion und Materialbeschaffenheit des Kaltwassersatzes. Die Flüssigkeit muss kompatibel mit den internen Komponenten sein, um Korrosion und Ablagerungen zu vermeiden. Bei Kaltwasser-Vorlauftemperaturen bis 4 °C wird meist Wasser verwendet, < 4 °C muss ein Wasser-Glykol-Gemisch mit entsprechendem Frostschutzgehalt eingesetzt werden. Bei dem Einsatz von Glykol empfiehlt es sich, die Maschine in eine zusätzliche Auffangwanne, dem sogenannten Glykolprotektor, zu positionieren.
- Prozesskühltemperatur / Sollwert: Die erforderliche Prozesskühltemperatur bestimmt wesentlich die Auslegung der Kühlanlage. Da die festgelegte Zieltemperatur unmittelbar die verfügbare Leistungsfähigkeit beeinflusst, sollten Sie hinsichtlich der geplanten Auslegung einen genauen Blick auf die Leistungsdaten werfen.
- Durchfluss- und Druckanforderungen: Der Kaltwassersatz muss in der Lage sein, den benötigten Durchfluss beim geforderten Druck zu liefern, damit eine ausreichende Kühlung über das gesamte System gewährleistet wird. Zur Sicherstellung eines konstanten Systemdrucks muss zusätzlich ein Ausdehnungsgefäß installiert werden. Die hydraulische Einbindung ist für einen störungsfreien Betrieb der Anlage besonders wichtig.
- Betriebsumgebung und Umgebungstemperatur: Neben den örtlichen Eigenschaften müssen auch die räumlichen Platzverhältnisse berücksichtigt werden. Bei luftgekühlten Kaltwassersätzen sollten Sie auf eine ausreichende Luftzirkulation achten, um eine Rezirkulation der Luft und somit Störungen am Kältegerät zu vermeiden. Die vom Hersteller vorgegebenen Betriebs- und Wartungsfreiräume sollten stets eingehalten werden. Die Umgebungstemperatur beeinflusst die Kühlleistung. Hohe Außentemperaturen reduzieren die Leistungsfähigkeit und erfordern eine sorgfältige Auslegung der Kühlsysteme bei Maximal-Bedingungen. Je nach Region wird im D-A-CH Raum meist eine Umgebungstemperatur von +35°C angesetz
- Benötigte Größe: Die Größe ist abhängig von der Gesamtwärmebelastung, die das System abführen muss. Eine genaue Berechnung der Wärmelast ist entscheidend, um eine Über- oder Unterdimensionierung zu vermeiden. Um die richtige Größe für Ihren Einsatz zu ermitteln, benötigen Sie die Durchflussrate, Temperaturdifferenz sowie die spezifische Wärmekapazität des eingesetzten Mediums.
Kaltwassersatz berechnen
Die Kälteleistung kann dabei wie folgt errechnet werden:
Kälteleistung = Massenstrom * spezifische Wärmekapazität * Temperaturdifferenz
➜ Q = m*c*dT
Rechenbeispiel für eine Prozesskühlung mit folgenden Parametern:
– Massenstrom = 10 [kg/s]
– Medium Wasser = Spezifische Wärmekapazität 4,19 [kJ/kg*K]
– Temperaturdifferenz Vor-/ Rücklauftemperatur 6/12°C = 6 [K]
Q = m*c*dT
Q = 10 [kg/s] * 4,19 [kJ/
kg*K] *6 [K] = 251,4 [kW]
Komponenten der Kälteanlage
Zudem gibt es wichtige Komponenten einer Kälteanlage, die einen einwandfreien und effizienten Betrieb garantieren.
- Verdampfer
- Verdichter
- Verflüssiger
- Expansionsventil
- Rohrleitungen
- Sicherheitseinrichtungen
- Kältespeicher
Damit eine Kälteanlage nur nach Bedarf kühlt, sollten vor der Auslegung des Kaltwassersatzes bestimmte Anforderungen definiert werden. Sobald dieser Schritt abgeschlossen ist, können Sie den passenden Kaltwassersatz-Typ wählen.
Auswahl des Kaltwassersatztyps: Welche Kaltwassersatz-Typen gibt es?
Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Kaltwassersätzen: luft- und wassergekühlte. Luftgekühlte Systeme sind ideal für mobile Anwendungen und bei einem begrenzten Platzangebot, während sich wassergekühlte Systeme für Festinstallationen eignen.
Luftgekühlte Systeme
Luftgekühlte Systeme sind für die Außenaufstellung konzipiert und in einem Leistungsbereich von 5-2.000 kW Kälteleistung je Einheit verfügbar. Der Wärmeübergang von Kältemittel zur Außenluft findet direkt statt, da die Verflüssigereinheit bereits im Chiller integriert ist und die Abwärme somit direkt an die Umgebung abgegeben wird. Die Installation erfolgt meist ebenerdig neben dem Gebäude oder auf dem Dach. Hierbei müssen auch die Schallvorgaben und die Statik berücksichtigt werden. Die Flüssigkeitskühler müssen waagerecht positioniert und elektrisch sowie hydraulisch mit Schläuchen oder als Festverrohrung angeschlossen werden.
Vor- und Nachteile im Überblick
- + Schnelle und einfache Installation
- + Niedrigere Anschaffungs- und Installationskosten
- − Geringere Effizienz
- − Höheres Gewicht
- − Höherer Geräuschpegel
Wassergekühlte Systeme
Dieser Typ ist für die Innenaufstellung konzipiert und in einem Leistungsbereich von 5-10.000 kW Kälteleistung je Einheit verfügbar. Die Rückkühlung der Verflüssigerabwärme erfolgt durch ein Zwischenmedium über einen externen Rückkühler im Außenbereich. Bei dem Rückkühlkreislauf ist ein besonderes Augenmerk auf den Frostschutz zu legen und je nach Rückkühlsystem wird der Einsatz eines Wasser-Glykol-Gemisches empfohlen.
Durch das Konzept von zwei Hauptanlagenkomponenten, dem Innen- und Außengerät, können die Schallwerte sowie die statische Belastung durch Auswahl eines geeigneten Rückkühlwerks deutlich reduziert werden.
Dieses System bietet höhere Effizienzwerte und durch die Positionierung im Innenbereich eine längere Lebensdauer. Hier müssen Sie jedoch mit höheren Anschaffungskosten und einer aufwendigeren Installation rechnen.
Vor- und Nachteile im Überblick
- + Höhere Effizienz
- + Gewicht und Schallpegel der Außeneinheit geringer
- + Längere Lebensdauer des Kaltwassersatzes durch geschützte Innen-Aufstellung
- − Größerer Aufwand für die Einbringung und Installation
- − Höhere Anschaffungs- und Installationskosten
- − Erhöhte Auflagen zur Aufstellung im Gebäude z.B. Brandschutz
- − Zusätzliche Komponenten erforderlich
Kaltwassersatz in Split-Ausführung
Systeme in Split-Bauweise für die Innenaufstellung sind in einem Leistungsbereich von 5-2.000 kW je Einheit verfügbar. Der Verflüssiger wird meist im Freien aufgestellt und ist mit Kältemittelleitungen zum Innengerät verbunden. Der Wärmeübergang von Kältemittel zur Außenluft findet direkt statt. Je nach Größe der Kühlanlage und Leitungslängen sind die Kältemittelfüllmengen vergleichsweise groß. Aus diesem Grund wird diese Variante insbesondere bei hohen Kälteleistungen immer seltener eingesetzt.
Vor- und Nachteile im Überblick
- + Gewicht und Schallpegel der Außeneinheit sind geringer
- + Längere Lebensdauer der Inneneinheit durch geschützte Aufstellung
- + Keine Frostgefahr
- + Effizient durch direkten Wärmeübergang ohne Zwischenträgermedium
- − Größerer Aufwand für die Einbringung und Installation
- − Rohrleitungsbau nur durch Kältefachbetrieb möglich
- − Größere Kältemittelfüllmengen erforderlich
- − Höhere Auflagen zur Aufstellung im Gebäude bei Kältemittel mit niedrigem GWP-Wert und hoher Gefahrenstoffklasse (z.B. A2 / A3)
Kaltwassersatz mit integrierter oder externer Freikühlung
Das Prinzip der freien Kühlung oder Freikühlung gewinnt durch den zunehmenden Anstieg der Energiekosten wieder an Bedeutung. Kaltwassersätze mit Freikühlung kommen dann zum Einsatz, wenn die Umgebungstemperaturen möglichst über einen großen Zeitraum im Jahr unter den benötigten Kaltwassertemperaturen liegen. Im Speziellen bei Prozesskälte- Anwendungen, die 365 Tage im Jahr im Betrieb sind und das Temperaturniveau entsprechend hoch ist, amortisiert sich die optionale Freikühlung schnell. Eine freie Kühlung ist somit wirtschaftlich, wenn das Kaltwasser-Temperaturniveau entsprechend hoch ist und ein ganzjähriger Kühlbedarf besteht. Bei der integrierten Freikühlung eines luftgekühlten Kaltwassersatzes ist zusätzlich ein Luft-Wasser-Register verbaut, weshalb die Kühlanlage etwas breiter ist und die Umschaltung von Standard auf den Freikühlbetrieb über ein 3-Wege-Ventil erfolgt, sobald die Umgebungstemperatur niedrig genug ist. Eine Freikühlung ist auch mit einem externen Rückkühler realisierbar, welcher in Reihe zur Vorkühlung oder im umschaltbaren Parallelbetrieb eingebunden wird.
Rückkühler / Kühltürmeansehen »
Vor- und Nachteile im Überblick
- + Variablere Auslegung, die bei ausreichenden Platzverhältnissen größer dimensioniert werden kann
- + Teilredundanz bei einem Ausfall oder Reparaturarbeiten des Kaltwassersatzes
- + Instandsetzungsarbeiten am Kaltwassersatz sind auch während der kühleren Jahreszeit mit externem Freikühler ohne Betriebsunterbrechung möglich
- − Externe Freikühlungssysteme benötigen zusätzlichen Platz
- − Effizienz hängt stark von den Außentemperaturen und vom benötigten Sollwert ab
Auslegung einer Kälteanlage: Wie wählt man einen passenden Kaltwassersatz aus?
Im ersten Schritt der Auslegung vom Kaltwassersatz müssen die örtlichen Gegebenheiten wie Aufstellungsort, Statik, Einbringung, zulässige Schallimmissionsrichtwerte etc. betrachtet werden. Daraufhin sollten Sie eine Kühllastermittlung durchführen, um den Leistungsbedarf zu ermitteln. Die kundenspezifischen Anforderungen wie Temperaturniveau, Regelgenauigkeiten, Toleranzen, Gleichzeitigkeiten, Lastspitzen und Redundanz sind ebenfalls ein wichtiger Faktor. Abschließend kann die bedarfsorientierte Selektion der Kälteanlage erfolgen.
Zusammenfassung der Kriterien:
- Örtliche Gegebenheiten wie Aufstellungsort, Einbringung, Statik und Schallimmissionsrichtwerte prüfen
- Kühllastermittlung
- Kundenspezifische Anforderungen und Wünsche
- Auswahl der Anlagentechnik
Welches Zubehör gibt es?
Um den Kaltwassersatz auch für die individuelle Anwendung betriebssicher einzubinden, gibt es eine Reihe von Zubehörteilen, die neben den herstellerspezifischen Optionen auch extern wie folgt eingebunden werden können bzw. müssen:- Pumpen
- Wärmetauscher
- Pufferspeicher
- Flexible Wasser- oder Soleschläuche
- Armaturen, Übergänge, Ventile
- Glykolprotektor
- Ausdehnungsgefäße
- Stromkabel / Kabelbrücken u. v. m
Fazit: Die Auslegung einer Kälteanlage muss sorgfältig geplant werden
Für die Auslegung der Kälteanlage kann abhängig vom Umfang und der Komplexität der örtliche Kältefachbetrieb beratend zur Seite stehen. Alternativ empfiehlt es sich zur Unterstützung einen Fachplaner hinzuzuziehen. Wenn Sie für Ihren Einsatzbereich eine temporäre Lösung – mobile Kälte – zur Überbrückung benötigen oder wenn Sie sich von der Funktionalität, Dimensionierung und Ausstattung überzeugen möchten, können Sie bei acr chiller rent GmbH auch einen Kaltwassersatz mit Zubehör mieten.