Die Vorgaben des Unternehmens Walter Hillebrand waren eindeutig: Gefordert wurden eine Kühlleistung von 375 kW bei einer Wassertemperatur von 15 °C. Die Anlage sollte über eine hohe Betriebssicherheit verfügen und sehr effizient arbeiten. Neben Fragen nach einem sinnvollen Kältemittel und der Verdichtertechnik mussten zudem Aspekte der Energiespartechnik – Winterentlastung oder Wärmerückgewinnung – berücksichtigt werden.
Das Team der L&R Kältetechnik schlug eine wassergekühlte Kältemaschine mit zwei getrennten Kältekreisen für eine hohe Betriebssicherheit vor. Jeder Kältekreis wurde mit einem Bitzer-Schraubenverdichter mit stufenloser Leistungsregelung ausgerüstet. Als Kältemittel dient das wirtschaftliche Kältemittel R134 a. Es verfügt in diesem Betriebsfall über eine exzellente Leistungszahl (Verhältnis von Kälteleistung zur Verdichterantriebsenergie) und ist außerdem für sehr hohe Umgebungstemperaturen geeignet.
Zur Auswahl standen weiter zwei Verfahren, um die Energiekosten zu senken. Die Winterentlastung sorgt bei Außentemperaturen unter der Rücklauftemperatur dafür, dass die Kühlung über einen Freikühler erfolgt und die Verdichterkältemaschine bei weniger als etwa 8 °C Außentemperatur nicht mehr betrieben werden muss. Dies führt zur Laufzeitverringerung der Kältemaschine und somit zur Einsparung an elektrischer Antriebsenergie sowie zu einer Verlängerung der Lebensdauer der Kältemaschine. Neben dem Energieeinsparpotenzial und der Laufzeitverringerung hat diese Anlagentechnik den Vorteil, dass sie durch die Winterentlastung im Winter und in der Übergangszeit ein zweites Kühlsystem besitzt und somit über eine hohe Betriebssicherheit verfügt. Bei der Wärmerückgewinnung wird die Wärme zuzüglich der Verdichterantriebsenergie nicht einfach an die Umgebung abgegeben, sondern die Wärme wird zur Erwärmung in Produktionsprozessen oder zur Beheizung genutzt.
Potenziale ausschöpfen
Nach Prüfung des Gesamtanlagenkonzepts wurde zusammen mit dem Anlagenbetreiber das komplette Energiesystem rund um die Anlage überprüft und berechnet. Neben der Kühlung wurden in der Fertigungsanlage für die Lüftungstechnik 55.000 m³/h Frischluft benötigt, die von der Außentemperatur auf eine konstante Temperatur von 25 °C aufgeheizt werden muss. Nach Berechnung der notwendigen Heizleistung wurde das mögliche Energieeinsparungspotenzial errechnet. Das Potenzial durch Wärmerückgewinnung wurde dem einer Winterentlastung gegenüber gestellt. In diesem Fall (konstanter Heizbedarf für die Zuluftanlage mit hoher Eintrittstemperatur) und bei den zu Grunde gelegten Energiekosten lag die Einsparung mit der Wärmerückgewinnung höher als bei der Winterentlastung. Sie betrug für die Winterentlastung 39.047,67 Euro pro Jahr und bei der Wärmerückgewinnung 89.973,31 Euro pro Jahr.
Sinnvolle Kombination
Um dem Kunden wahlweise beide Energiespartechniken zu ermöglichen, wurde eine Kältemaschine konzipiert, in der beide Verfahren integriert wurden. Das kalte Wasser für die Kühlung wird im Verbrauchertank bevorratet. Die Verbraucherpumpe fördert das kalte Wasser zu den Wärmetauschern an den Galvanikbädern. In den Wärmetauschern nimmt das Kühlwasser die Wärme aus dem Galvanikbad auf. Die Temperatur regelt ein Drei-Wege-Ventil am Wärmetauscher. Das warme Kühlwasser strömt aus den Wärmetauschern durch die Wärmetauscher-Systemtrennung, in dem das Wasser durch das kalte Wasser-Glykolgemisch auf der anderen Seite wieder abgekühlt wird. Das kalte Wasser strömt in den Tank zurück und steht erneut zu Kühlzwecken zur Verfügung.
Fahrweise Wärmerückgewinnung
Die Wärmetauscherpumpe fördert das kalte Wasser-Glykolgemisch durch den Plattentauscher und nimmt dort die Wärme aus der Kühlwasser-Produktion auf. Das warme Medium wird dann über den Verdampfer gefördert (Umschaltventil Richtung Verdampfer geöffnet). Im Verdampfer wird das Wasser durch das verdampfende Kältemittel wieder abgekühlt und steht im Glykoltank erneut zu Kühlzwecken zur Verfügung.
Die Freikühlerpumpe fördert im Rückkühlerkreis das kalte Medium (40 °C) über die beiden Kondensatoren der Kältemaschine, in denen das Medium die Kondensatorleistung (Kälteleistung plus Verdichterantriebsenergie) aus dem Kältekreis aufnimmt. Das warme Medium (45 °C) strömt dann aus den Kondensatoren bei Bedarf durch einen Heizregister im Zuluftgerät, in dem die Zuluft erwärmt wird. Dem Heizregister nachgeschaltet ist der außen aufgestellte Rückkühler, der bei Bedarf die restliche Wärme an die Umgebung abgibt.
Fahrweise Winterentlastung
Beim Winterentlastungsbetrieb schaltet das Umschaltventil um (Richtung Verdampfer geschlossen) und die Wärmetauscherpumpe fördert das warme Wasser-Glykol-Gemisch erst durch die Kondensatoren der Kältemaschine, in denen noch die Kondensationswärme aufgenommen wird. Das warme Wasser wird dann zum außen stehenden Glykolrückkühler gefördert. In diesem wird das Medium durch die Außenluft abgekühlt. Das Medium wird entsprechend der Außentemperatur soweit wie möglich abgekühlt. Danach strömt das Medium über den Verdampfer der Kältemaschine. Falls die eingestellte Mediumtemperatur durch die Winterentlastung noch nicht erreicht wurde, schaltet die Kältemaschine zu und kühlt das Medium weiter ab.
Die gesamte Regelung der Kältemaschine mit allen notwendigen Komponenten erfolgt über eine speziell programmierte Siemens-SPS. In dieser Regelung kann auch die gewünschte Fahrweise (Wärmerückgewinnung/Winterentlastung) angewählt werden. Über das Bediengerät lassen sich sämtliche Betriebs- und eventuelle Störmeldungen in Klarschrift ablesen. Die Datenübermittlung an den zentralen Leitstand erfolgt über ein implementiertes Profibus-System. Im Störfall kann sich der L&R-Notdienst über ein integriertes Modem in die Anlage einwählen und eine schnelle Hilfe gewährleisten.
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