Betrieb unterhalb Umgebungsdruck

Bei der Auslegung von Gewerbekälteanlagen wird empfohlen, den Umgebungsdruck im Betrieb nicht zu unterschreiten. Das begrenzt den Verdampfungsdruck und damit die Auswahl an Kältemitteln für eine gegebene Kälteanwendung.

Bei Betrieb eines Anlagenteiles im Unterdruck besteht das Risiko, dass über kleine Undichtigkeiten Umgebungsluft in die Anlage gesaugt wird. Umgebungsluft enthält auch immer etwas Wasser als Luftfeuchtigkeit.

Der Betrieb im Unterdruck ist möglich, wenn besondere Maßnahmen ergriffen werden. Bei Haushaltskühlgeräten ist die Niederdruckseite deutlich im Unterdruck. Diese Geräte haben hermetische Kreisläufe, die aufwändig auf Dichtheit geprüft sind, sodass das Risiko für das Eindringen von Luft sehr niedrig ist. Eine kleinvolumige hermetische Ausführung der Saugseite und des Verdampferbereiches ist auch bei Kompaktanlagen und einigen Gewerbekälteanlagen denkbar. Eine ausführliche Dichtheitsprüfung ist bei vor Ort erstellten Anlagen aufwändig, aber auch denkbar. Einige Industrieanlagen mit R717 (Ammoniak) werden ebenfalls im Unterdruck betrieben. Die Anlagen mit R717 enthalten dann Luftabscheidesysteme, sogenannte Purger, und teilweise Wasserabscheidesysteme. Der Wasseranteil friert bei R717 wegen der guten Mischbarkeit nicht am Expansionsorgan aus. Diese Techniken sind nur begrenzt auf andere Anwendungen übertragbar.

Hier können verschiedene Bereiche der Kältetechnik noch voneinander lernen.

Auswirkung eines erhöhten Luftanteils

Durch die eingedrungene Luft ist nicht mehr das reine Kältemittel im Umlauf. Dadurch stimmen die thermodynamischen Daten bzw. Betriebsdaten wie Verdampfungstemperatur oder Überhitzung nicht mehr. Es sammelt sich etwas Luftpolster im Verflüssiger und führt zu erhöhtem Druck. Der Anteil Luft, den der Verdichter mit fördert, fehlt beim Kältemittelvolumenstrom und damit bei der Kälteleistung. Da auch die Luft mit Energieaufwand verdichtet wird, aber nicht zur Kälteleistung beiträgt, sinkt die Effizienz. Luft hat einen deutlich höheren Isentropenexponenten, daher steigt die Druckgastemperatur deutlich an. Verdichter und Schmierstoff kommen schneller an die Belastungsgrenzen. Das heißere Öl wird vom Luftanteil leichter oxidiert und kann in Zusammenhang mit dem Wasseranteil auch Ablagerungen bilden, z.B. lackähnliche Schichten oder Verkokungen, also stark kohlenstoffhaltige Ablagerungen. Die höhere Druckgastemperatur kann gegebenenfalls mit entsprechender Logik zur Indikation eingedrungener Luft herangezogen werden. Bei Einsatz brennbarer Kältemittel ist ein Eindringen von Luft in der Risikobeurteilung mit zu betrachten, wenn sich der Betrieb im Unterdruck nicht vermeiden lässt.

Probleme durch Wasser

Die mit eindringende Luftfeuchtigkeit führt zu chemischen Reaktionen und bei den meisten Kältemitteln zur Eisbildung am Expansionsorganaustritt bei Verdampfungstemperaturen unter 0°C. Bei R717 (Ammoniak) führt Wasser bei höheren Anteilen zur Verschiebung der Sättigungsdrücke, da es gut mit Ammoniak mischbar ist. Chemische Reaktionen können Korrosion sein, Veränderungen des Schmieröls – Schlammbildung, Hydrolyse bei Esteröl usw. – oder Reaktionen mit dem Kältemittel. Bei mehr als 200 ppm Wasser im Öl ist bei vielen Kältemitteln das Risiko für Verschleiß im Verdichter erhöht (Schmierstoffe für Verdichter). Je nach Kältemittel und Verdampfungstemperatur kann die Eisbildung am Expansionsorgan schon bei etwa 20 ppm beginnen. Sie kann zu Blockierung und damit zu Betriebsstörungen führen. Kohlenwasserstoffe können im Drosselorgan oder an deren Austritt, besonders bei Kapillaren, mit dem Wasseranteil Hydrate bilden – das sind gel- bis wachsartige Ablagerungen, die ebenfalls zu Blockierungen führen können.