Lernfeld 16 · Prüfung Teil 2

Mehrstufige und Kaskaden-Kälteanlagen

Mehrstufige und Kaskaden-Kälteanlagen: wann zweistufig, Zwischendruck und Zwischenkühlung, Kaskadenwärmeübertrager, Kältemittelpaare und Anfahren.

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Darum geht es

Bei tiefen Verdampfungstemperaturen wird das Druckverhältnis für einen einzigen Verdichter zu groß. Der Liefergrad fällt stark, die Druckgastemperatur steigt so hoch, dass das Öl Schaden nimmt, und die Leistungszahl wird schlecht. Ein größerer Verdichter hilft dagegen nicht. Die Lösung ist, die Verdichtung aufzuteilen.

Bei der zweistufigen Anlage mit einem Kältemittel fördert die Niederdruckstufe vom Verdampfungsdruck auf einen Zwischendruck, die Hochdruckstufe weiter zum Verflüssigungsdruck. Günstig ist ein Zwischendruck, bei dem beide Stufen dasselbe Druckverhältnis haben: die Wurzel aus dem Produkt der absoluten Drücke. Zwischen den Stufen kühlt ein Mitteldruckbehälter oder ein Zwischenkühler das Druckgas mit verdampfender Flüssigkeit; das senkt die Druckgastemperatur und die Verdichtungsarbeit. Scroll- und Schraubenverdichter mit Economizer nutzen denselben Gedanken mit nur einem Verdichter.

Die Kaskade besteht aus zwei getrennten Kreisen mit verschiedenen Kältemitteln. Die untere Stufe, etwa mit CO2 oder für sehr tiefe Temperaturen mit Ethan, gibt ihre Wärme im Kaskadenwärmeübertrager ab; er ist ihr Verflüssiger und zugleich Verdampfer der oberen Stufe, etwa mit Propan. Die obere Stufe muss Kälteleistung und Verdichterleistung der unteren aufnehmen. Angefahren wird immer zuerst die obere Stufe. Kreise mit tief siedenden Kältemitteln brauchen ein Ausdehnungsgefäß oder eine Stillstandskühlung, damit der Druck im Stillstand unter PS bleibt. Für die Gesamtleistungszahl zählt nur die Kälte im Kühlraum geteilt durch die Leistung beider Verdichter.

Das solltest du dir merken

Grenze der einstufigen Verdichtung ist das Druckverhältnis, nicht die Verdichtergröße.
Günstiger Zwischendruck ist die Wurzel aus Verdampfungs- mal Verflüssigungsdruck, absolut.
Der Kaskadenwärmeübertrager ist Verflüssiger unten und Verdampfer oben.
Die obere Stufe übernimmt Kälteleistung plus Verdichterleistung der unteren.
Kaskaden immer mit der oberen Stufe zuerst anfahren.

Formeln

Günstiger Zwischendruck: $p_{m} = p_{0} \cdot p_{c}$; $p_{0}$ Verdampfungsdruck, $p_{c}$ Verflüssigungsdruck, beide absolut in bar
Leistung des Kaskadenwärmeübertragers: $Q ˙_{K} = Q ˙_{0} + P_{u}$; $Q ˙_{0}$ Kälteleistung der unteren Stufe, $P_{u}$ Antriebsleistung ihres Verdichters, beide in kW
Leistungszahl der Gesamtanlage: $ε_{g es} = \frac{Q ˙ _{0}}{P _{u} + P _{o}}$; $P_{u}$ und $P_{o}$ Antriebsleistungen der unteren und oberen Stufe

Typische Fehler in der Prüfung

Den Zwischendruck mit Überdrücken statt mit Absolutdrücken berechnet.
Die obere Stufe nur auf die Kälteleistung im Kühlraum ausgelegt.
Die untere Stufe vor der oberen gestartet.
Die Leistungszahlen beider Stufen einfach multipliziert.

Tipps aus der Werkstatt

Zwischendruck gleich Wurzel aus p0 mal pc, aber nur mit Absolutdrücken. In der Kaskade nimmt die obere Stufe Kälteleistung plus Verdichterleistung der unteren auf, und angefahren wird immer zuerst die obere Stufe. Für die Gesamtleistungszahl die Kälteleistung durch beide Verdichterleistungen teilen.

Sitzt das Thema? Teste dich mit echten Prüfungsfragen.

14 Aufgaben zu „Mehrstufige und Kaskaden-Kälteanlagen“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

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Grundlage: KMK-Rahmenlehrplan Mechatroniker/-in für Kältetechnik, Lernfeld 16 (Bauen von kältetechnischen Anlagen und Systemen). Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.