Auswahl des richtigen Kaltwassersatzes

Einer der wichtigsten Gründe für die Installation eines Kaltwassersatzes ist die Minimierung von Stillstandzeiten. Indem Wärme abgeführt wird, wird der kontinuierliche Schutz wertvoller und temperaturempfindlicher Prozessanlagen sichergestellt. Durch einen geschlossenen Kühlkreislauf spart ein Kaltwassersatz Wasser und die damit verbundenen Kosten. Die Kosten für Kühlwasser können sich schnell summieren, insbesondere wenn die Prozessanlagen mit offenem Kühlwasserkreislauf mehrere Schichten pro Tag laufen. Wenn ein Kaltwassersatz in das System eingebracht wird, können die Kosten und die Notwendigkeit für eine überwachte kommunale Wasserversorgung und Abwasserentsorgung vermieden werden. So können erhebliche Einsparungen innerhalb des Produktionsbudgets erzielt werden. Zusätzlich wird die Amortisationszeit der Investition dank der neuesten Entwicklungen in der Prozesskühltechnologie deutlich reduziert.

Bei der Auswahl eines Kaltwassersatzes ist eine genaue Kenntnis der Leistungsdaten des Kaltwassersatzes entscheidend, um das passende Produkt bestimmen zu können. Folgende Parameter sind dafür notwendig: die Prozessflüssigkeit, die Prozesskühltemperatur, die Anforderungen an Durchfluss und Druck, die Umgebungsbedingungen, die Umgebungstemperatur, die erforderliche Kühlkapazität und die räumlichen Einschränkungen des Aufstellorts.

Die wichtigsten Faktoren, die bei der Auswahl der geeigneten Kühlflüssigkeiten für einen Prozess zu berücksichtigen sind, sind ihre Eigenschaften und ihre Gerätekompatibilität. Die Leistung einer Kühlflüssigkeit hängt von ihren Eigenschaften bei einer bestimmten Temperatur ab. Die relevanten Parameter sind spezifische Wärmekapazität, Viskosität und Gefrier-/Siedepunkte. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen spezifischer Wärmekapazität und Kühlleistung. Um die optimale Leistung des Systems möglichst lang zu erhalten, wird empfohlen, einen gewissen Prozentsatz Ethylen- oder Propylenglycol mit Wasser zu mischen (in der Regel im Bereich von 10 bis 50 %), wenn niedrige oder hohe Solltemperaturen erforderlich sind. Im Hinblick auf die Kompatibilität können Korrosion und der frühe Verschleiß von Dichtungen bei falscher Auslegung zu Ausfällen führen. Aus diesem Grund sollte man genau überlegen, welche Art von Materialien und Flüssigkeiten verwendet werden. Zudem wird empfohlen der Kühlflüssigkeit einen Korrosionshemmer beizumengen. Bei den neuesten Entwicklungen der Kühltechnologie sind der Behälter und die hydraulischen Teile der Zentrifugalpumpen jedoch aus Edelstahl gefertigt, um eine Verunreinigung des Prozesswassers mit Rostpartikeln zu verhindern. Es bietet dadurch eine bessere Zuverlässigkeit und Temperaturkontrolle. In ähnlicher Weise sind hochmoderne Mikrokanalwärmeübertrager aus Aluminium so konzipiert, dass sie eine lange Lebensdauer ohne Korrosion bieten und im Vergleich zu anderen Wärmeübertragern 30 % weniger Kältemittelfüllung benötigen.

Die Solltemperatur wirkt sich auf die Kühlleistung eines Kaltwassersatzes aus. Eine Absenkung der Temperatur belastet den Kaltwassersatz stärker und eine Erhöhung weniger. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Temperatur, auf die der Kaltwassersatz eingestellt wird, und seiner gesamten Kühlleistung. Daher ist es wichtig, die angegebenen Leistungsdaten des Kaltwassersatzes auf ihre Eignung für die angedachte Installation hin zu überprüfen. Wenn der Kaltwassersatz für eine Außenaufstellung bestimmt ist, ist es ebenso wichtig, den erforderlichen Frostschutz zu bestimmen, d. h. die kälteste Austrittstemperatur der Flüssigkeit während des Betriebs.

Die Lebensdauer der Pumpe ist eine der Hauptüberlegungen bei der Installation eines Kaltwassersatzes. Dafür müssen der Druckverlust im gesamten System und die erforderliche Durchflussmenge anhand der Pumpengröße und -leistung bestimmt werden.
Druck: Eine zu kleine Pumpe verringert die Durchflussmenge der Flüssigkeit durch den gesamten Kühlkreislauf. Wenn der Kaltwassersatz über eine interne Druckentlastung verfügt, wird der Durchfluss über einen Bypass zurück in den Kühler geleitet. Wenn es keine interne Druckentlastung gibt, versucht die Pumpe, den erforderlichen Druck aufzubauen und arbeitet gegen den möglichen Höchstdruck. Wenn dieser Zustand eintritt, kann die Lebensdauer der Pumpe drastisch reduziert werden. Die Flüssigkeit fließt nicht mehr und die Flüssigkeit in der Pumpe wird heiß, verdampft am Ende und behindert so die Kühlfähigkeit der Pumpe, was zu übermäßigem Verschleiß an Lagern, Dichtungen und Laufrädern führt.Um den Druckverlust in einem System zu ermitteln, müssen am Einlass und Auslass des Prozesses Druckaufnehmer platziert werden. Anschließend kann während des Betriebs der Druckverlust bei unterschiedlichen Durchflussraten ermittelt werden.
Durchflussrate: Eine unzureichende Durchströmung des Prozesses führt zu einer unzureichenden Wärmeübertragung, sodass die Strömung nicht die für einen sicheren Prozessbetrieb erforderliche Wärme abführt. Wenn die Flüssigkeitstemperatur den Sollwert überschreitet, steigt auch die Oberflächen-/Komponententemperatur weiter an, bis eine Beharrungstemperatur erreicht wird, die größer als der Anfangssollwert ist. Bei den meisten Kühlsystemen werden die Druck- und Durchflussanforderungen detailliert beschrieben. Bei der Festlegung der erforderlichen Wärmemengenabfuhr ist es wichtig, alle im System integrierten Schläuche, Armaturen, Anschlüsse und Höhenänderungen zu berücksichtigen. Diese Komponenten können die Druckanforderungen erheblich erhöhen, wenn sie nicht angemessen dimensioniert sind.

Umgebungstemperatur. Die Fähigkeit eines luftgekühlten Kaltwassersatzes, Wärme abzuführen, wird durch die Umgebungstemperatur beeinflusst. Dies liegt daran, dass das Kühlsystem die Temperaturdifferenz zwischen Umgebungsluft und Kältemittel verwendet, um die Wärmeübertragung für den Kondensationsprozess durchzuführen. Eine steigende Umgebungslufttemperatur verringert die Temperaturdifferenz (ΔT) und damit die Gesamtwärmeübertragung. Wenn der Kaltwassersatz über einen flüssigkeitsgekühlten Kondensator verfügt, können sich hohe Umgebungstemperaturen dennoch negativ auf wichtige Komponenten wie Kompressor, Pumpe und Elektronik auswirken. Diese Komponenten erzeugen während des Betriebs Wärme, und erhöhte Temperaturen verkürzen ihre Lebensdauer. Der Richtwert für die typische maximale Umgebungstemperatur für Kaltwassersätze, die nicht für den Außenbereich ausgelegt sind, beträgt 40 °C.
Räumliche Einschränkungen: Um die richtige Umgebungstemperatur aufrechtzuerhalten, ist es wichtig, um den Kaltwassersatz herum für ausreichend Platz für die Luftzirkulation zu sorgen. Ohne einen ausreichenden Luftstrom kann sich die Umgebungsluft bei Umwälzung schnell erwärmen. Dies beeinträchtigt die Leistung des Kaltwassersatzes und kann die Einheit beschädigen.

Die Auswahl eines korrekt dimensionierten Kühlers ist eine entscheidende Frage. Ein unterdimensionierter Kühler ist immer ein Problem – die Prozessausrüstung kann nie ordnungsgemäß gekühlt werden, und die Temperatur des Prozesswassers ist dann nicht stabil. Im Gegensatz dazu kann ein überdimensionierter Kühler nie auf seinem effizientesten Niveau betrieben werden, und sein Betrieb erweist sich als kostspieliger. Um die richtige Größe der Einheit für die Anwendung zu bestimmen, ist es notwendig, die Durchflussrate und die Wärmeenergie zu kennen, die die Prozessausrüstung dem Kühlmedium hinzufügt, d. h. die Temperaturänderung zwischen dem Einlass- und dem Auslasswasser, ausgedrückt als ∆T. Die Formel für die Berechnung lautet: Wärmeenergie pro Sekunde (oder häufiger als Leistung bezeichnet) = Massenströmungsmenge × spezifische Wärmekapazität × Temperaturänderung (∆T)'. Die spezifische Wärmekapazität des Wassers wird nominal als 4,2 kJ /kg K ausgedrückt. Wenn es jedoch einen Prozentsatz an Glykolzusätzen enthält, erhöht sich dieser Wert auf 4,8 kJ / kg K. Hinweis: 1 K = 1 °C, und die Dichte von Wasser beträgt 1, d. h. 1 l Wasservolumen = 1 kg Wassermasse. Nachfolgend ein Beispiel für die Anwendung der Formel zur Bestimmung der erforderlichen Kühlergröße in kW für eine Wasserdurchflussrate von 2,36 l/s (8,5 m³/h) bei einer Temperaturänderung von 5 °C: Wärmeenergie pro Sekunde (kJ/s oder kW) = 2,36 l/s (Durchflussrate) × 5 °C (∆T) × 4,2 kJ/kg K (spezifische Wärmekapazität des Reinwassers) Erforderliche Kühlergröße = 49,6 kW Sollte die abzukühlende Wärmebelastung möglicherweise bereits bekannt sein, kann die Formel neu angeordnet werden, um die Temperaturdifferenz (∆T) zu ermitteln, die bei unterschiedlichen Durchflussraten erzielt werden kann (mit unterschiedlichen Pumpengrößen zu erreichen). Es kann andere Faktoren geben, die die Größenauswahl beeinflussen können. Die Planung einer zukünftigen Anlagenerweiterung, hohe Umgebungstemperaturen oder die Lage in großen Höhen könnten eine anders dimensionierte Geräteeinheit erfordern.

Bei der neuesten Generation von Kaltwassersätzen sind einfache Wartung, Betriebssicherheit sowie intelligente Steuerung und Konnektivität herausragende Merkmale im Gesamtkonzept. So sind sie beispielsweise mit Schalldämmhauben mit Schutzart IP54 ausgestattet, sodass die Kaltwassersätze im Innen- oder Außenbereich betrieben werden können, selbst bei niedrigen Umgebungstemperaturen bis zu -45 °C. Sie sind so ausgelegt, dass der Zugang zu den installierten Komponenten einfach ist – die Hauptkomponenten des Kaltwassersatzes sind vom Kühlwasserkreislauf räumlich getrennt. Breite Türen und ein intelligente Anordnung reduzieren die Wartungszeit und ermöglichen eine einfache Inspektion zur Vermeidung von Ausfällen. Innovative, neue Modelle auf dem Markt verfügen über eine breite Palette an Sicherheitsvorrichtungen, wie Durchfluss- und Füllstandschalter, Thermosonden, Drucksonden und Schmutzfänger, die einen sicheren Betrieb des Kaltwassersatzes ermöglichen. Darüber hinaus verhindert ein vollständig hermetisch abgedichtetes Kühlsystem das Austreten von Kältemittel und erfordert keinerlei Wartung. Die britischen FGAS-Verordnungen schreiben eine jährliche, und bei größeren Kühlsystemen eine halbjährliche, Inspektion durch einen entsprechenden Techniker vor. Ein Phasenfolgerelais stellt sicher, dass bei falscher Verkabelung keine Gefahr von Kompressorschäden besteht. Bei diesen neu entwickelten Geräten arbeitet ein Touchscreen-Controller mit energieeffizienten Algorithmen, vereint alle Sensoren in einem System und gibt bei Abweichungen von den Betriebsparametern rechtzeitige Warnungen aus. Die vollständige Konnektivität wird bei Kaltwassersätzen ab 11 kW durch die integrierte intelligente Fernüberwachungsfunktion erreicht. So werden die Maschinendaten in Echtzeit in einem übersichtlichen Format bereitgestellt, um höchste Effizienz zu gewährleisten.