Aspekte der Kühlleistung von Umlaufkühlern


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Schlüsselaspekte der Umweltbedingungen und Kühlerausführungen, die sich auf die Gesamtkühlleistung auswirken

Umlaufkühler sind gekühlte Flüssigkeitskühlsysteme, die in zahlreichen Industriezweigen, einschließlich der Medizin, beim Militär, bei Lasern und Analyseinstrumenten eingesetzt werden. Kühler werden verwendet, um ein Bauteil wie z. B. einen Laserkopf, ein Detektorpanel oder ein anderes temperaturempfindliches Gerät auf einer konstanten Temperatur zu halten und/oder um Wärme abzuführen und eine Überhitzung kritischer Bauteile zu verhindern.

Bei der Auswahl eines Umlaufkühlers sollten mehrere Faktoren berücksichtigt werden, welche die Kühlleistung beeinflussen können. Zu diesen Faktoren gehören die Temperatur der Umgebungsluft oder des Anlagenwassers, die Solltemperatur des Kühlers, die Prozessflüssigkeit, die Wartung des Kühlers und vieles mehr. Die Hersteller von Umlaufkühlern geben in der Regel Kühlleistungswerte an, die auf einer Wasserabgabetemperatur von 20 °C und einer Umgebungstemperatur von 20 °C basieren. Was passiert jedoch, wenn die Umgebungstemperatur höher oder niedriger als 20 °C ist? Was passiert, wenn das Kühlmittel dem Prozess bei 5 °C statt bei 20 °C zugeführt wird? Was ist, wenn ein anderes Kühlmittel als Wasser verwendet wird? Wie beeinflussen diese Abweichung die Kühlkapazität eines Umlaufkühlers?




Umlaufkühler und der Kältekreislauf

Um zu verstehen, wie sich diese Faktoren auf die Kühlleistung eines Kühlers auswirken können, ist es notwendig, zunächst zu verstehen, wie ein Kühler funktioniert. Ein kompressorbasierter Umlaufkühler arbeitet, indem er die Eigenschaften der latenten Wärme eines Kühlmittels nutzt, um Wärme aus einem Prozess abzuführen und sie an die Umgebungsluft oder an das Wasser der Anlage abzugeben. (Siehe Abbildung 1.) Um diese Prozesswärme an die Umgebungsluft oder das Anlagenwasser zu übertragen, muss das Kältesystem eine Kühlmitteltemperatur unterhalb der Temperatur des zu kühlenden Prozessfluids bereitstellen. Später im Prozess muss das System die Temperatur des Kühlmittels auf ein Niveau über der Temperatur des Mediums anheben, das zur Abführung der Wärme verwendet wird.



Ein Kühler ist ein komplexes System, aber die grundlegenden Bauteile sind der Kompressor, der Kondensator, das thermostatische Expansionsventil (TXV) und der Verdampfer. Ausgehend vom Kompressor wird das vom Verdampfer kommende Kühlmittel von einem gesättigten Gas zu einem Gas mit hohem Druck und hoher Temperatur verdichtet. Das nun heiße Gas wird durch den Kondensator geleitet, wo es gekühlt und zu einer gesättigten Flüssigkeit kondensiert wird, indem die Wärme an kühlere Umgebungsluft (luftgekühlter Kondensator) oder an Anlagenwasser (wassergekühlter Kondensator) abgegeben wird. Das Kältemittel durchströmt dann das TXV, über das sein Druck und seine Temperatur erheblich absinken. Die Temperatur des Kühlmittels ist nun niedriger als die der Prozessflüssigkeit, und als Folge davon wird Wärme von der Prozessflüssigkeit auf das Kühlmittel übertragen, wodurch es in ein Niederdruckgas verdampft. Der Zyklus wird noch einmal wiederholt, wenn das Gas zum Kompressor zurückfließt.

Der Kondensator und der Verdampfer sind Wärmetauscher, die Wärme von einem Medium auf ein anderes übertragen. Im Falle eines luftgekühlten Kondensators wird typischerweise ein Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher mit aluminiumberippten Kupferrohren verwendet, um Wärme aus dem heißen Kühlmittelgas an die Umgebungsluft abzugeben. Ein wassergekühlter Kondensator hingegen verwendet einen Flüssig-zu-Flüssig-Wärmetauscher, um Wärme vom heißen Kühlmittelgas auf das Anlagenwasser zu übertragen. Beim Verdampfer wird normalerweise ein Flüssig-zu-Flüssig-Wärmetauscher verwendet, um die Wärme von der Prozessflüssigkeit auf das Kühlmittel zu übertragen. Die Leistung eines Wärmetauschers hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der verwendeten Prozessflüssigkeit, der Temperaturen der einströmenden Flüssigkeit, der Durchflussraten, der Konstruktionsmaterialien und der Konstruktion des Wärmetauschers. Die treibende Kraft hinter der Wärmeübertragung von einer Flüssigkeit auf eine andere ist die Differenz der einströmenden Flüssigkeitstemperaturen.




Einfluss der Umgebungsluft und der Wassertemperatur der Anlage

Die Umgebungslufttemperatur oder die Wassertemperatur der Anlage spielen eine wichtige Rolle für die Kühlleistung eines Kühlers. Damit der Kondensator die gesamte Wärme (Prozesswärmebelastung plus Verdichtungswärme) an die Umgebungsluft oder das Anlagenwasser abgeben kann, muss die Temperaturdifferenz zwischen dem heißen Kühlmittelgas und der Umgebungsluft oder dem Anlagenwasser ausreichend sein. Beispielsweise arbeiten Kühler von Aavid normalerweise bei Kondensationstemperaturen zwischen 32,2 °C (90 °F) und 43,3 °C (110 °F) und geben Wärme an 20 °C (68 °F) Umgebungsluft oder 24 °C (75 °F) Anlagenwasser ab (Abbildung 2). Wassergekühlte Kondensatoren können die gleiche Wärmemenge an eine höhere Wassertemperatur der Anlage abgeben, da Wasser eine viel bessere Wärmeübertragungsflüssigkeit als Luft hat und keine so große Temperaturdifferenz zwischen den beiden einströmenden Flüssigkeiten benötigt.



Wenn die Temperatur der Umgebungsluft oder des Anlagenwassers ansteigt, verringert sich die Fähigkeit des Kühlerkondensators, Prozesswärme vom Kältemittel an die Umgebungsluft oder das Anlagenwasser zu übertragen, was zu höheren Verflüssigungsdrücken führt, die zu einer verringerten Systemleistung führen können. Wenn der Umlaufkühler Umgebungstemperaturen über 20 °C ausgesetzt wird, sollten daher Auslegungsberechnungen durchgeführt werden, um die erforderliche Kühlleistung zu bestimmen. Wenn die Umgebungstemperatur sinkt, verbessert sich die Leistung aufgrund des größeren anfänglichen Temperaturunterschieds in ähnlicher Weise.

Bei der Dimensionierung eines Kühlers ist es wichtig, Ihre maximale Umgebungstemperatur oder die Wassertemperatur der Anlage zu kennen, damit Sie einen Kühler mit ausreichender Kühlleistung für die Anforderungen Ihrer Anwendung auswählen können. Beraten Sie sich mit einem Anwendungstechniker, um Unterstützung bei der Dimensionierung eines Kühlers zu erhalten.




Einfluss der Solltemperatur

Ähnlich wie beim Kondensator nimmt die Verdampferleistung ab, wenn die Differenz der Eintrittstemperaturen zwischen flüssigem Kühlmittel und der Temperatur des zurückfließenden Prozesswassers verringert wird. Dies tritt auf, wenn der Kühler auf eine niedrige Temperatur eingestellt ist, wie z. B. 5 °C anstelle von 20 °C. Die Rücklauftemperatur des Prozesswassers wird niedriger sein, wenn die Vorlauftemperatur des Kühlers niedriger ist, und es wird eine geringere Temperaturdifferenz zur Regelung der Wärmeübertragung geben. Die Leistung eines Kühlers nimmt mit abnehmender Solltemperatur ab. In ähnlicher Weise verbessert sich die Leistung des Kühlers, wenn die eingestellte Temperatur bis zur Maximaltemperatur innerhalb des empfohlenen Temperaturbereichs ansteigt. (Siehe Abbildung 2.)




Einfluss der Prozessflüssigkeit

Die im Umlaufkühler verwendete Prozessflüssigkeit beeinflusst ebenfalls die Leistung. Die Kühlleistung von Kühlern basiert in der Regel auf der Verwendung von Wasser als Prozessflüssigkeit, sodass die Verwendung einer anderen Prozessflüssigkeit als Wasser zu einer geringeren Kühlleistung führen könnte. Beispielsweise sind einige Umlaufkühler so konstruiert, dass sie mit Polyalphaolefin (PAO) als Prozessflüssigkeit kompatibel sind. PAO wird aufgrund seiner dielektrischen Eigenschaften und/oder seines breiten Betriebstemperaturbereichs typischerweise in militärischen Anwendungen eingesetzt. Die Kühlleistung eines PAO-Kühlers ist jedoch geringer als die Kühlleistung eines Wasserkühlers, da PAO eine geringere spezifische Wärme, geringere Dichte und geringere Wärmeleitfähigkeit hat als Wasser.




Einfluss des Kühlerbetriebs und der Wartung

Ein weiterer Faktor, der die Leistung des Kühlers beeinflusst, ist die Wartung von Kondensator und Verdampfer. Staubansammlungen an luftgekühlten Kondensatoren oder Verschmutzungen von Rohren oder Strömungskanälen an wassergekühlten Kondensatoren oder Verdampfern führen zu verminderter Kühlleistung. Wenn sich Staub oder Ablagerungen auf den Lamellen und Lüfterblättern luftgekühlter Kondensatoren ansammeln, wird der Luftstrom eingeschränkt, was zu einem Verlust an Kühlleistung führt. Wenn der Kühler in einer staubigen oder schmutzigen Umgebung betrieben wird, sollte eine routinemäßige Wartung oder Reinigung geplant werden und/oder der Kühler sollte überdimensioniert werden. Verschmutzungen von wassergekühlten Kondensatoren aufgrund von Ablagerungen, Korrosion und/oder biologischem Wachstum durch schlechte Wasserqualität könnten ebenfalls die Folge sein. Verschmutzungen bilden eine Isolierschicht an den Innenwänden der Rohre, die die Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und dem Wasser behindert, was zu einer Verschlechterung der Effizienz des Kühlers führt. Durch die Verwendung von sauberem Wasser mit Korrosionsinhibitoren kann das Risiko von Ablagerungen minimiert werden. Sehen Sie unseren Anwendungshinweis „Umlaufkühler-Tune-ups: Betrieb und Wartung Ihrer coolsten Anlage" für weitere Informationen.




Andere Faktoren

In den seltenen Fällen, in denen sich ein luftgekühlter Umluftkühler an einem Ort in großer Höhe befindet, wirkt sich eine geringere Luftdichte auf die Kühlleistung aus. Da der Massenstrom gleich dem Volumenstrom mal der Dichte ist, muss bei abnehmender Dichte ein höherer Volumenstrom durch den Kondensatorlüfter geliefert werden, um die gleiche Kühlleistung wie auf Meereshöhe zu erreichen. Eine Möglichkeit ist die Überdimensionierung des Umlaufkühlers, um sicherzustellen, dass der Bedarf an Kühlkapazität erfüllt wird.

Feuchtigkeit ist ein weiterer Faktor, der sich auf die Leistung des Kühlers auswirkt, wenn die Kühlmitteltemperatur des Zulaufprozesses unter dem Umgebungstaupunkt liegt. Wenn in solchen Fällen die Kühlerleitungen, der Verdampfer und die Pumpe nicht isoliert sind, kann sich auf diesen Oberflächen Kondensation bilden, was zu einem Verlust an Kühlleistung führt. Auch die Oberfläche von unbehandelten Metallen kann durch Korrosion beschädigt werden. Daher wird eine Isolierung dringend empfohlen.

Es ist auch zu bedenken, dass ein 230 VAC-Kühler mit 50 Hz aufgrund der langsameren Frequenz, mit der sich die Pumpen-, Kompressor- und Lüftermotoren drehen, ungefähr 17 % weniger Kühlleistung hat als ein 230 VAC-Kühler mit 60 Hz (Abbildung 3).



Die Leistung eines Kühlers hängt von der Temperatur der Umgebungsluft oder der Wassertemperatur der Anlage, der eingestellten Temperatur des Kühlers, der Prozessflüssigkeit, dem Betrieb und der Wartung usw. ab. Es ist entscheidend, all diese Faktoren sowohl bei der Auswahl als auch beim Betrieb eines Kühlers zu berücksichtigen. Dies wird dazu beitragen, die Betriebszeit der vom Kühler gekühlten Ausrüstung sicherzustellen.


Sehen Sie sich den Abschnitt Umlaufkühler an, um die Optionen selbst zu vergleichen, oder wenden Sie sich an unser Engineering-Team, um zu erfahren, wie viel Kühlung Sie für Ihr System benötigen.