So wählen Sie den richtigen Kaltwassersatz aus

Der richtige Kaltwassersatz – eine wichtige Wahl | Auslegung einer Kaltwassersatzinstallation  | Prozessflüssigkeitsleistung | Durchfluss- und Druckanforderungen im Prozess  | Betriebsumgebung des Kaltwassersatzes  | Die Bedeutung der richtigen Dimensionierung  | Wartung, Sicherheit und Kontrolle  | Fazit

Einer der triftigsten Gründe für die Kaltwassersatzinstallation ist die Minimierung von Ausfallzeiten durch den ständigen Schutz, den dieses Gerät bietet. Zu diesem Zweck kühlt es wertvolle und temperaturempfindliche Prozessanlagen. Gleichzeitig spart ein Kaltwassersatz Wasser und die damit verbundenen Kosten durch die Rückführung und Wiederverwendung der werkseigenen Wasserversorgung.

Die Kosten für Kühlwasser können sich schnell summieren – besonders, wenn die Prozessgeräte mehrere Schichten pro Tag in Betrieb sind. Wenn ein Kaltwassersatz, auch Chiller genannt,  in den Prozess integriert wird, können mithilfe des Geräts die Kosten und Anforderungen vermieden werden, die mit einer überwachten, kommunalen Wasserversorgung und Abwasserentsorgung einhergehen. So sind erhebliche  Einsparungen im Produktionsbudget möglich. Zudem lässt sich die Investitionsrendite dank der neuesten Entwicklungen in der Kaltwassersatztechnologie in einem kürzeren Zeitraum realisieren.

Wenn Sie  eine Kaltwassersatzinstallation planen,  müssen Sie zumindest die grundlegenden Leistungsfaktoren dieser Geräte kennen, um das richtige Produkt auszuwählen. Folgende Merkmale müssen Sie ermitteln: die Art der  verwendeten Prozessflüssigkeit,  die Prozesskühltemperatur; die Durchfluss- und Druckanforderungen; die Betriebsumgebung; die Umgebungstemperatur; die benötigte  Kühlergoße und die räumlichen Beschränkungen  des Standorts.

Die wesentlichen Faktoren, die Sie bei der Auswahl der geeigneten Kühlflüssigkeiten für einen Prozess beachten müssen, sind ihre Leistungseigenschaften und Gerätekompatibilität.
Die Leistung einer Kühlflüssigkeit ergibt sich aus ihren Eigenschaften bei einer bestimmten Temperatur. Dafür werden die Parameter spezifische Wärme, Viskosität und Gefrier-/Siedepunkt herangezogen. Spezifische Wärme und Kühlkapazität sind direkt miteinander verbunden. Um bei niedrigen oder hohen Solltemperaturen die Systemintegrität zu gewährleisten und  die optimale Leistung zu verlängern, wird empfohlen, einen Prozentsatz von  Ethylen- oder Propylenglykol (üblicherweise 10 bis 50 %) mit Wasser zu mischen.

Hinsichtlich der Kompatibilität müssen besonders das Korrosionspotenzial und der vorzeitige Degradation von Dichtungen beachtet werden. Diese Faktoren sorgen bei falsch dimensionierten Anlagen oft für Ausfälle. Deshalb sollten Sie unbedingt die Fertigungsmaterialien und die Art der Flüssigkeiten berücksichtigen und der Kühlflussigkeit einen Korrosionschutz beizumischen.

Dank der neuesten Entwicklungen der Kaltwassersatztechnologie werden jedoch Behälter und Hydraulikteile der Pumpen aus Edelstahl gefertigt. So wird verhindert, dass Prozesswasser mit Rostpartikeln kontaminiert wird, und allgemein für mehr Zuverlässigkeit und Kontrolle über die Temperatur gesorgt. Genauso gibt es inzwischen hochmoderne Mikro-Kanal Verflüssiger, die vollständig aus Aluminium gefertigt sind, um eine lange, korrosionsfreie Lebensdauer zu bieten. Außerdem benötigen sie 30 % weniger Kältemittel im Vergleich zu anderen Wärmetauschertypen.

Die Solltemperatur beeinflusst die Kühlkapazität eines Kaltwassersatzes. Eine Temperatursenkung belastet das Kühlsystem stärker, eine Anhebung entlastet es. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Solltemperatur eines Kaltwassersatzes und seiner Kühlkapazität. Sie müssen daher die verfügbaren Leistungsdaten des Kaltwassersatzes in Bezug auf die angestrebte Installation prüfen.

Gleichzeitig müssen Sie sich auch überlegen, wie viel Frostschutzmittel Sie brauchen, wenn der Kaltwassersatz an einem Außenstandort installiert werden soll;. Unabhängig vom Aufstellort (innen oder außen) muss Frostschutzmittel eingesetzt werden, wenn die minimale Flüssigkeitsaustrittstemperatur bei 5 °C oder niedriger liegt.

Die Pumpenlebensdauer ist der ausschlaggebende Punkt beim Konfigurieren eines  industriellen Kühlsystems, doch auch der Druckverlust im System und  die erforderliche Durchflussmenge  müssen zuerst durch die Pumpengröße und -leistung bestimmt werden. 

Druck: Eine unterdimensionierte Pumpe reduziert den Flüssigkeitsdurchfluss  im gesamten Kühlkreislauf. Wenn der Kaltwassersatz mit einem integrierten Druckausgleichsventil ausgestattet ist, wird der Durchfluss  um den Prozess herum und zurück in den Kaltwassersatz umgeleitet. Wenn es keinen integrierten Druckausgleich gibt, wird die Pumpe mit maximaler Leistung versuchen, den nötigen Druck zu erzeugen, und so konstant an ihrer Leistungsgrenze laufen. Wenn das passiert, reduziert sich die Lebensdauer der Pumpe drastisch: Es strömt keine Flüssigkeit mehr und die Flüssigkeit in der Pumpe heizt sich auf, bis sie schließlich verdampft und die Kühlfähigkeit der Pumpe stört. Das führt zu starkem Verschleiß von Lagern, Dichtungen und Laufrädern. 

Um den Druckverlust in einem System  zu bestimmen, müssen Sie den Druck am Prozesseinlass und am Auslass messen und anschließend die Anlage mit Pumpendruck beaufschlagen, um die Werte bei der gewünschten Durchflussrate zu messen.

Durchflussmenge: Ein unzureichender Durchfluss im Prozess wird einen unzureichenden Wärmeaustausch zur Folge haben. Das heißt, der Strom entnimmt nicht die nötige Wärme, um den sicheren Prozessbetrieb zu gewährleisten. Wenn die Flüssigkeitstemperatur über den Sollwert ansteigt, wird auch die Oberflächen-/Komponententemperatur weiter ansteigen, bis eine stationäre Temperatur erreicht ist, die über dem ursprünglichen Sollwert liegt. 

Die meisten Kaltwassersätze haben genaue Durchfluss- und Druckanforderungen. Beim Festlegen des nötigen Wärmeabtransports im Rahmen der Auslegung müssen Sie alle Schläuche, Armaturen, Anschlüsse und Höhenänderungen, die zum System gehören,  berücksichtigen. Diese Anbauteile können die Druckanforderungen stark erhöhen, wenn sie nicht richtig dimensioniert sind.

Umgebungstemperatur Die Kapazität eines luftgekühlten Kaltwassersatzes zur Ableitung von Wärme wird direkt von der Raum- oder Umgebungstemperatur beeinflusst. Das liegt daran, dass das Kältesystem  das Temperaturgefälle zwischen Umgebungsluft und Kältemittel  nutzt, um die Wärmeübertragung für den Kondensationsprozess zu induzieren. Eine steigende Umgebungstemperatur senkt das Temperaturdifferenzial (ΔT) und reduziert somit auch den möglichen Wärmeaustausch.

Wenn der Kaltwassersatz einen flüssigkeitsgekühlten Verflüssiger nutzt, können hohe Umgebungstemperaturen immer noch negative Auswirkungen auf wichtige Komponenten wie Kompressor, Pumpe und Elektronik haben. Diese Komponenten erzeugen im Betrieb Wärme und je höher ihre Temperatur, desto kürzer ist ihre Lebensdauer. Für Kaltwassersätze ohne Außenbereichsfreigabe wird eine maximale Raumtemperatur von 40 °C empfohlen.

Räumliche Einschränkungen: Um die passende Umgebungstemperatur zu gewährleisten, müssen Sie rund um den Kaltwassersatz ausreichend Raum zur Luftzirkulation lassen. Ohne ausreichenden Luftstrom wird ein unzureichendes Luftvolumen immer wieder zirkuliert und heizt sich schnell auf. Das beeinträchtigt die Leistung des Kaltwassersatzes und kann das Gerät beschädigen.

Die korrekte Dimensionierung Ihres Kaltwassersatzes ist essenziell. Ein unterdimensionierter Kaltwassersatz ist immer ein Problem – das Gerät wird die Prozessanlagen  nie ausreichend kühlen können und die Temperatur des Prozesswassers wird niemals stabil sein. Dagegen kann ein überdimensionierter Kaltwassersatz nie mit maximaler Effizienz laufen und ist dadurch im Betrieb teurer.

Um die richtige Chiller-Größe für Ihre Anwendung zu ermitteln, müssen Sie die Durchflussrate und die Wärmeenergie kennen, die Ihre Prozessanlagen  dem Kühlmedium zuführt, d. h., die Temperaturänderungen zwischen Eintritts-  und Austrittswasser (mit ∆T bezeichnet).

Zur Berechnung wird folgende Formel verwendet:
Wärmeenergie pro Sekunde (häufig als Leistung bezeichnet) = Massendurchfluss × spezifische Wärmekapazität × Temperaturänderung (∆T)Die spezifische Wärmekapazität des Wassers wird normalerweise mit 4,2 kJ / kg K angegeben, doch mit Glykolzusätzen sinkt der Wert auf 3,8 kJ / kg K.

Hinweis: 1 K = 1 °C und die Dichte des Wassers ist 1, d. h. 1 Liter Wasservolumen = 1 kg Wassermasse
Hier ist eine Beispielanwendung der Formel, um die korrekte Kaltwassersatzdimensionierung in kW für einen Wasserdurchfluss von 2,36 l/s (8,5 m3/Std.) mit einer Temperaturänderung von 5 °C festzustellen:

Wärmeenergie pro Sekunde (kJ/s oder kW) = 2,36 l/s (Durchfluss) x 5 °C (∆T) x 4,2 kJ/kg K (spezifische Wärmekapazität von reinem Wasser)
Benötigte Kaltwassersatz = 49,6 kW

Alternativ kann die zu kühlende Wärmelast auch bereits bekannt sein. Dann lässt sich die Formel so umstellen, dass die Temperaturänderung (∆T) ermittelt werden kann, die sich mit verschiedenen Durchflussraten (erreichbar durch unterschiedliche Pumpengrößen) erzielen lässt.

Weitere Umstände können die Entscheidung hinsichtlich der Dimensionierung beeinflussen. Die Planung einer Anlagenerweiterung in der Zukunft, hohe Umgebungstemperaturen oder ein Standort in großer Höhe können die Spezifikation einer anderen Chiller-Größe bedingen.

Die modernste Serie von industrieller Kaltwassersätzen zeichnet sich durch vereinfachte Wartung, Betriebssicherheit sowie intelligente Steuerung und Konnektivität aus.

Sie werden beispielsweise in schallgedämpften IP54-Gehäusen verbaut, wodurch die Geräte im Innen- und Außenbereich bei Temperaturen bis –20 °C betrieben werden können. Sie sind speziell auf einfachen Zugang zu den installierten Komponenten ausgelegt – Kühlsysteme im vorderen Bereich und die Kühlwasserkreislaufbaugruppe im hinteren Bereich. Breite Gehäusetüren und clevere Platzierung reduzieren den Zeitaufwand für die Wartung und ermöglichen eine einfache Inspektion, um Ausfälle zu vermeiden.

Innovative neue Modelle auf dem Markt verfügen über eine Vielzahl von Sicherheitsvorrichtungen wie Durchfluss- und Niveauschalter, Temperatursonden, Drucksonden, Kurbelgehäuseheizungen und Siebe, damit der Kaltwassersatz ungestört laufen kann. Außerdem verhindert ein hermetisch abgedichteter Kältemittelkompressor, dass Austreten von Kältemittelgas und erfordert keinerlei Wartung.  Durch ein Phasenfolgerelais wird sichergestellt, dass selbst bei einem falschen Anschluss kein Schaden am Kompressor entsteht.

Bei diesen neuen Designs kontrolliert eine Touchscreen-Steuereinheit den Betrieb mithilfe von energieeffizienten Algorithmen. Alle Sensoren des Kaltwassersatzes sind in einem System kombiniert und bei Abweichungen von den Betriebsparametern werden zeitnah Warnungen ausgegeben. Bei Kaltwassersätzen ab 11 kW ist eine intelligente Fernüberwachungsfunktion integriert, die volle Konnektivität gewährleistet. So erhalten die Benutzer in Echtzeit Anlagendaten in einem gut lesbaren Format und können für optimale Effizienz sorgen.

Allgemein empfehlen wir potenziellen Anwendern von Kaltwassersätzen, die Betriebsbedingungen des Geräts und den Prozess für den Geräteeinsatz zu berücksichtigen. So können sie die Funktionen ermitteln, die in Bezug auf die Anlage am stärksten benötigt werden.

Es ist auch durchaus ratsam, mögliche Erweiterungen in der Zukunft zu berücksichtigen. Wenn sich die Wärmeabgabe einer Maschine steigert, muss auch die Kühlleistung des Kaltwassersatzes entsprechend nach oben gehen. Wenn die Wärmerate variabel ist, wählen Sie die kW-Leistung, die für die höchstmögliche Wärmeabgabe geeignet ist. 

Wenn Sie all diese Faktoren berücksichtigen, die wichtigen technologischen Fortschritte und die Verfügbarkeit von Kaltwassersatzanbietern kennen, die diese Innovationen in Ihr Produktangebot integrieren, können Sie eine optimale Industrie-Kühlanlage für jede beliebige Anwendung planen und umsetzen. 

 Kaltwassersätze von Atlas Copco