4-Wege-Umkehrventile
Tipps für den Monteur (Teil 12)
In der letzten Ausgabe haben wir uns Filtertrockner und Schaugläser genauer angesehen. Diese beiden Bauteile sind praktisch in jeder gewerblichen Kälteanlage ab einer gewissen Leistungsgröße zu finden. Bei 4-Wege-Umkehrventilen ist dies nicht der Fall. Diese Ventilart wird zur kompletten Kreislaufumkehr bei „Eins-zu-Eins“-Systemen verwendet. Grund für die Verwendung eines solchen Ventils kann sowohl der Wunsch nach Heiz- und Kühlmodus als auch nach einer effektiven und energetisch optimierten Abtaumethode sein.
Aufbau | Ein 4-Wege-Umkehrventil hat vier Rohranschlüsse. Dabei sind drei dieser Anschlüsse auf der einen und einer auf der gegenüberliegenden Seite platziert. Die drei Kupferrohranschlüsse haben einen größeren Durchmesser als der einzelne auf der Gegenseite. Der mittlere der drei großen Anschlüsse ist permanent auf der Saugseite und der einzelne, kleine Anschluss immer auf der Druckseite. Da die beiden übrigen sowohl auf der Saug- als auch auf der Druckseite sein können – je nachdem wie gerade umgeschaltet wird – sind sie aus Gründen der Berücksichtigung von Druckabfällen in der Dimension des permanenten Saugleitungsanschlusses ausgeführt. Ein 4-Wege-Ventil besitzt zusätzlich ein Pilotmagnetventil mit Spule, mit dem durch Bestromen die Kältemittelfließrichtung geändert werden kann. Dabei sind kleine Pilotleitungen ausgehend vom kleinen Ventilanschluss zum Pilotmagnetventil und wieder abgehend zum mittigen großen Anschluss geführt.
Funktion | Für die folgende Beschreibung stellen wir uns vor, dass der kleine (Druck) Anschluss nach oben und die drei übrigen Anschlüsse nach unten zeigen. Dabei sehen wir das kleine Pilotmagnetventil mit seiner Spule. Bei einem Standard-4-Wege-Ventil gibt es nur zwei Schaltpositionen – keine Zwischenstellungen. In Schaltsituation eins liegt keine Spannung an der Spule des Pilotmagnetventils an. Das hat zur Folge, dass Heißgas mit hohem Druck von der Pilotleitung des kleinen Anschlusses (permanente Druckseite) von rechts in die Schiebemechanismuskammer eingeleitet wird. Gleichzeitig kann der Druck auf der linken Seite der Schieberkammer über den permanenten Sauganschluss durch Abströmung auf die Niederdruckseite entlastet werden. Damit schiebt sich der Schieber nach links und öffnet die Hauptpfade oben nach rechts unten und links außen zur Mitte. In Schaltsituation zwei findet das Heißgas von oben nach links seinen Weg, wobei gleichzeitig Sauggas von rechts zur Mitte nach unten strömen kann. Dies wird erreicht, indem die Spule des Pilotmagnetventils mittels Versorgungsspannung erregt wird, und Hochdruck von links in die Schieberkammer einleitet. Der Druck auf der rechten Seite kann so auf den mittleren, unteren Hauptanschluss entlastet werden, was zur Schieberbewegung nach rechts führt.
Druckabfälle und Dimensionierung | Druckabfälle sind grundsätzlich für Ventildimensionierungen wichtig. Dabei wirken sich zu große Druckabfälle in der Regel schlecht auf die Energieeffizienz der Kälteanlage aus, während zu kleine Druckabfälle beispielsweise das stabile Betriebsverhalten eines Servomagnetventils stören können. Bei 4-Wege-Ventilen sind beide Punkte als weniger kritisch anzusehen. Minimale Druckabfälle auf der Druck- oder Saugseite sind für 4-Wege-Umkehrventile kein Problem, da der Schiebermechanismus, der für die Umschaltung des Ventils zuständig ist, vom Differenzdruck zwischen Hoch- und Niederdruckseite der Kälteanlage betätigt wird. Dies bietet sich an, da an dieser Art von Ventilen Hoch- und Niederdruck direkt anstehen, was bei anderen Ventilen in einer klassischen Trockenexpansions-Kälteanlage in der Regel nicht der Fall ist. Damit ist es für die Funktionssicherheit des Ventils nicht ausschlaggebend, welcher Druckabfall sich tatsächlich z.B. auf der Saugseite zwischen Kältemitteleintritt und -austritt ergibt. Auch das Thema „zu hohe Druckabfälle“ ist bei „Saginomiya“-4-Wege-Ventilen von Danfoss kaum ein Thema, wenn als primäres Auslegungskriterium die Dimension der Saugleitung zugrunde gelegt wird. Wenn das 4-Wegeventil nach dieser Rohrgröße auswählt wird, dann erhält man in den allermeisten Fällen ein Ventil mit sehr moderaten Druckabfällen. Natürlich ist es sicherer, die entsprechenden Leistungstafeln zu konsultieren, um zu überprüfen, ob das Ventil ausreichend groß gewählt wurde. Aber in den meisten Fällen ist diese Überprüfung nicht wirklich notwendig.
Anordnung | Ein solches Ventil wird sowohl in die Heißgas-, als auch in die Saugleitung einer Kälteanlage eingebunden. Dabei sind die beiden Permanentleitungen – das heißt die Rohrleitung, die unabhängig von der Schaltung des Ventils stets die Heißgasleitung ist, und die Rohrleitung, die stets Saugleitung ist – für die Montage besonders leicht zuzuordnen. Die vom Verdichter kommende Heißgasleitung wird zum kleinen Anschluss des 4-Wege-Ventils geführt. Die zum Verdichter führende Saugleitung wird auf den mittleren der großen Anschlüsse gelegt. Diese beiden Leitungen zwischen Ventil und Verdichter ändern ihre Funktion nicht. In diesem Zusammenhang sollte unbedingt beachtet werden, dass der externe Druckausgleich eines Expansionsventils immer an die permanente Saugleitung, das heißt an die Leitung, die vom mittleren großen Anschluss des 4-Wege-Ventils abgeht, angeschlossen werden muss. Sollte dies nicht beherzigt werden, wird dieser äußere Druckausgleich mit einem viel zu hohen Druck beaufschlagt, der zunächst keine Funktion des Expansionsventils zulässt (Ventil wird mit aller Macht geschlossen) und eventuell sogar bleibende Schäden im Expansionsventil hervorrufen kann. Bleiben noch die beiden äußeren großen Anschlüsse übrig. Diese können nun zeitweilig auf der Hoch- oder der Niederdruckseite sein.
Montage | Bei der Montage des Ventils ist beim Standard-Einlötvorgang (Kupfer/Kupfer-Lötstelle, hartlötbar mit z.B. „Silfos 15“) folgendes zu beachten: Echte Kupferstutzen, wie sie in der Regel bei dieser Art von Ventilen aufzufinden sind, sind sehr gut mit Kupferleitungen verlötbar. Durch die hervorragenden Wärmeleiteigenschaften von Kupfer und dem passgenauen Schiebermechanismus ist es außerordentlich wichtig, den Hitzeeintrag am Ventil beim Lötvorgang so weit wie möglich einzuschränken. Zu diesem Zweck sollte unbedingt ein kühlender nasser Lappen beim Einlötvorgang um das Ventil gewickelt werden. Ist diese Hürde gemeistert, so ist das 4-Wege-Ventil eine Komponente, die während der gesamten Lebensdauer einer Kälteanlage zuverlässig funktioniert.
Anwendung | 4-Wege-Ventile werden zur Kreisumkehr von „Eins-zu-Eins“-Kälteanlagen verwendet. Mit dieser Umkehrung wird der Verdampfer zum Verflüssiger und der Verflüssiger zum Verdampfer. Diese Schaltung wird beispielsweise oft bei Klimasplitgeräten verwendet, die im Sommer kühlen und in der Übergangszeit heizen sollen. Im Heizfall werden diese Geräte dann zu Luft-Luft-Wärmepumpen.
Ein weiterer Anwendungsfall kann der Wunsch nach effizienter Abtauung sein. Bei der Kreisumkehr von „Eins-zu-Eins“-Systemen kann der Verdampfer, der nun zum Verflüssiger geworden ist, von innen her abgetaut werden. Das bedeutet, dass die Wärme nicht durch Elektroheizungen im Verdampferpaket zum Eis im Verdampfer gebracht werden muss, sondern dass Heißgas direkt durch das Rohrsystem geschickt wird, an dem sich zuvor Eis angesetzt hat. Dies führt zu exzellenten Abtauergebnissen und ist in Punkto Abtauzeit, Energetik und gezieltem Wärmeeintrag kaum zu schlagen.
Ausblick | Damit schließen wir das Themengebiet 4-Wege-Ventile ab. Lesen Sie in der nächsten Ausgabe über eine weitere interessante Komponentenfamilie, die speziell bei wassergekühlten Verflüssigern Verwendung findet: die Kühlwasserregler.
