Auslegung einer Kombikühlzelle für Kühlung und Tiefkühlung mit Wärmerückgewinnung

Bachelorarbeit von Stephan Senger

Kurzfassung:

In der vorliegenden Arbeit werden für eine Kombikühlzelle, die zur Bereitstellung der Kälteleistung notwendigen Anlagenkomponenten dimensioniert. Nach der technischen Konzeption werden die möglichen Abwärmequellen untersucht und die effizientere Lösung zur Wirtschaftlichkeitsanalyse herangezogen. Abschließend kann die sich als wirtschaftlich erweisende Variante zur Umsetzung vorgeschlagen werden.

Einleitung:

Durch das steigende Umweltbewusstsein in der heutigen Zeit sind Energieeinsparungen sowie eine effizientere Ausnutzung von immer größerer Bedeutung. Bei der Auswahl der geeigneten Kombizelle kann bereits ein Schritt in Richtung Energieeinsparung gegangen werden. Prinzipiell gesehen sind Kombikühlzellen eine Aneinanderreihung von mindestens zwei Kühl- oder Tiefkühlzellen in denen unterschiedliche Raumtemperaturen realisiert werden. Sie zeichnen sich im Vergleich zu Standardausführungen durch ihre geringeren mit der Umgebung in Verbindung stehenden Wandflächen aus.

Um eine realistische und zugleich optimale Auslegung der Systeme für eine Kombizelle zu gewährleisten, muss der Nutzen bekannt sein. Da ihr Einsatz besonders bei der Lebensmittelkühlung wiederzufinden ist, erfolgt die Auslegung anhand eines mittelständigen Fleischereibetriebes mit Produktion und Vertrieb. Täglich werden bis zu 12 Schweine und Rinder geschlachtet, verarbeitet und teilweise verkauft.

Nach der für die Anlagengröße entscheidenden Kältelastberechnung werden sämtliche Anlagenkomponenten für die Bereitstellung der Kälteleistung berechnet und geprüft ob Energieeinsparungen möglich sind. Für den Anwendungsfall der Fleischerei, wo einerseits Bedarf an Kühlung besteht und andererseits Wasser zu Reinigungszwecken benötigt wird, gilt es zu untersuchen ob eine Abwärmenutzung möglich ist und inwiefern sie sich wirtschaftlich rechnet.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 5, Steuerungs- und Regelungstechnik:

Die für die beiden Systeme erstellten RI-Fließbilder den gewählten Steuerungs- und Regelungstechnischen Bauteilen sind Anlage F zu entnehmen.

Funktion der Bauteile anhand der Tiefkühlanlage mit WRG:

Ein- und Ausschalten der Kälteanlage:

Das im Tiefkühlraum montierte Raumthermostat schaltet in Abhängigkeit von der Raumtemperatur das Magnetventil in der Flüssigkeitsleitung. Wenn die geforderte Temperatur in der Tiefkühlzelle erreicht ist, schließt es und der Verdichter saugt das System vom Magnetventil an ab (Pump-Down-Schaltung). Durch die Pump-Down-Schaltung wird verhindert, dass sich das Kältemittel beim Stillstand der Anlage im Verdampfer ansammelt, was beim Anlauf der Anlage zum Ansaugen flüssigen Kältemittels durch den Verdichter führen kann. Durch den sich einstellenden niedrigen Druck auf der Saugseite wird der Verdichter über den Niederdruckwächter abgeschaltet. Wenn die Raumtemperatur steigt wird durch den Raumthermostaten das Magnetventil wieder geöffnet, womit der Druck steigt. Der Niederdruckwächter schaltet folglich den Verdichter ein. Eine weitere wichtige Aufgabe des Druckwächters ist es das die Anlage für den Fall einer Leckage und damit verbundenen Kältemittelmangel abgeschaltet wird. Da der Niederdruckwächter in Kombination mit dem Hochdruckschalter montiert wird ist seine Aufgabe zu klären. Tritt ein Defekt des Lüfters ein kann die Wärme nicht an die Umgebung abgegeben werden, somit steigt der Druck. Um zu verhindern dass die Anlage beschädigt wird, schaltet der Hochdruckschalter die Anlage aus. Um Beschädigungen des Verdichters zu meiden wird als weitere Sicherheitseinrichtung der Öldifferenzdruckschalter verwendet. Er schaltet den Verdichter aus wenn der zur Schmierung notwendige Differenzdruck über einen bestimmten Zeitraum nicht eingehalten wird.

Abtauung:

Die Abtauung wird durch die an der Abtauuhr eingestellte Zeit eingeleitet. Durch Schließen des Magnetventils wird mittels Pump-Down-Schaltung das sich im Verdampfer befindliche Kältemittel abgesaugt und die elektrische Abtauheizung eingeschaltet. Um die entstehende Wärme nicht unmittelbar an den Tiefkühlraum abzugeben wird der Verdampferlüfter ausgeschaltet. Die Dauer der Abtauung kann durch den eingestellten Zeitraum oder frühzeitig durch ein im Verdampferpaket befindliches Heizungsbegrenzungsthermostat beendet werden. Nach vollendeter Abtauung öffnet zeitverzögert das Magnetventil und der Verdampferlüfter wird nach Unterschreiten der am Thermostaten eingestellten Temperatur eingeschaltet.

Wärmeabgabe:

Für den Fall das der Speicher eine Temperatur von 10°C hat, wird das Magnetventil in der Bypassleitung vom Thermostat im unteren Teil des Speichers geschlossen. Das überhitzte Kältemittel durchläuft zwangsweise den Koaxialverflüssiger, wobei das nachgeschaltete Konstantdruckventil den für die Verflüssigung notwendigen Kondensationsdruck aufrecht hält. Prinzipiell gesehen öffnet es bei steigendem Druck und schließt bei fallendem Druck. Wenn das Wasser in diesem Fall auf knapp 35°C erhitzt wurde stellt sich die Wärmeabgabe vom Kältemittel ans Wasser ein. Durch den Kesselthermostaten wird das Magnetventil in der Bypassleitung geöffnet und das Kältemittel strömt durch den luftgekühlten Verflüssiger. In diesem Fall wird die Wärmeabgabe über den Ventilator realisiert, welcher vom Druckschalter gesteuert wird.

Nachheizung:

Die Ansteuerung der Umwälzpumpe zur Nachheizung erfolgt ähnlich wie im Privathaushalt. Bei niedriger Temperatur schaltet der Kesselthermostat die Pumpe unter der Voraussetzung dass der Kessel in Betrieb ist ein. Da die Temperatur im unteren Bereich des Wärmeübertragers gemessen wird und warmes Wasser aufgrund des Dichteunterschiedes aufsteigt, schaltet der Thermostat beim Erreichen der 60°C die Pumpe aus.