Der Kühlraum (2)

Im ersten Thema der Serie „Das 1x1 der Kältetechnik“ geht es um eine Hauptanwendung der Gewerbekälte: den Kühlraum. In Teil 1 in KKA 2/2013 wurden bereits folgende Aspekte behandelt: Zweck eines Kühlraums, Lebensmittelqualität, Einfluss der Temperatur, Feuchte und Luftgeschwindigkeit. Diese Serie basiert auf den kostenfreien eLearning-Modulen von Danfoss, die für das interaktive Selbststudium mittels PC konzipiert sind. Die eLearning-Module bieten jeder Zielgruppe, vom Anfänger bis zum Kälteexperten, ein adäquates Angebot (www.learning.danfoss.de).

Konstruktion

Beim Entwurf eines Kühlraums müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden: z.B. die Stärke der Dämmung an den Wänden. Dabei wird bei Tiefkühlung in der Regel eine größere Dämmschichtdicke gewählt. Der Dämmwert der isolierten Wände ist ein wichtiger Punkt. Eine Türrahmenheizung muss bei Kühlraumtemperaturen unter 0 °C und besonders bei Tiefkühlräumen (TK-Räume) montiert werden, damit die Tür nicht zufriert. Außerdem sollte bei TK-Räumen und bei Kühlräumen unter 0 ºC Raumtemperatur eine Fußbodenheizung installiert sein, um die Bildung von Eis auf und unter dem Boden zu verhindern. Ein gewisser Luftaustausch muss außerdem gewährleistet sein. Dieser sollte nur so groß wie nötig sein, damit nicht unnötig neue Kühlraumluft wieder abgekühlt werden muss und somit Energie verschwendet wird. Ein lufttechnisches Überdruckventil bzw. eine Überströmklappe für den Druckausgleich zwischen dem Kühlraum und der Umgebungsluft (Zwei-Wege-Druckausgleich) sollte vorgesehen werden. Wenn in einem Kühlraum kein Druckausgleich stattfindet, wird die Luft im Inneren gekühlt und ihr Volumen „schrumpft“, wodurch ein Vakuum entsteht. Die Konsequenz wäre, dass Wände und Decke des Kühlraums letztlich einstürzen. Bei der Begehung eines Kühlraums kann es schnell passieren, dass unerwünscht hohe Luftwechsel stattfinden. Diese Luftwechsel können im Extremfall dazu führen, dass die Kühlraumtemperatur nicht mehr von der Kälteanlage gehalten werden kann – vom energetischen Mehraufwand gar nicht zu sprechen. In Fällen, bei denen sich eine häufige Frequentierung des Kühlraums nicht vermeiden lässt, kann ein Streifenvorhang bzw. eine Luftschleuse den Luftwechsel minimieren.

Für Kühlräume mit einem Rauminhalt von mehr als 10 m³ ist laut ISO 27000 eine Alarmvorrichtung („Person im Kühlraum“) vorgeschrieben. Der Alarm muss optisch und akustisch wahrnehmbar sein. Auch für kleinere Kühlräume muss sichergestellt sein, dass eine Person im Kühlraum diesen jederzeit verlassen kann. Das bedeutet, dass selbst bei von außen abgeschlossenem Kühlraum eine Öffnung von innen möglich sein muss.

Arten von Kühlräumen

Kälteanlagen für Kühlräume sind z.B. als Clip-on-Geräte verfügbar. Ein derartiges Gerät vereint den Verdichter und die Register (Verdampfer und Verflüssiger) in einem Gehäuse. Es wird hauptsächlich für Kühlräume mit einem Volumen von weniger als 30 m3 und mit nur einer Temperaturzone verwendet. Die Clip-on-Einheit kann auf oder neben dem Kühlraum installiert werden. Clip-on-Einheiten bestehen aus jeweils einem Verdichter, einem Verflüssiger und einem Verdampfer.

Eine weitere Option für Kühlräume ist der abgesetzte Verflüssigungssatz. Diese Kon­struktion besteht aus einem Verflüssigungssatz, der über Rohrleitungen mit dem Verdampfer verbunden ist. Normalerweise ist der Verdampfer an der Decke des Kühlraums montiert und mit einem oder mehreren Lüftern versehen, die die Luft im Kühlraum zirkulieren lassen. Diese Art von Kühlraum eignet sich sowohl für den Einsatz in Gebäuden als auch im Freien. Kühlräume mit abgesetztem Verflüssigungssatz bestehen aus jeweils einem Verdichter, einem Verflüssiger und einem Verdampfer. Der Verflüssigungssatz „Optyma PlusTM“ ist bspw. für Kühlräume dieses Typs vorgesehen.

Großnutzer wie Supermärkte oder Zentrallager verwenden zentralisierte Kälteanlagen mit mehreren Verdichtern, die als Verdichterverbund montiert sind. Diese Anlagen können von den eigentlichen Kühlräumen abgesetzt installiert werden und sind über Rohre mit den einzelnen Kühlräumen verbunden. Um jeden Verdampfer einzeln zu regeln, können Kühlstellenregler zur Magnetventilansteuerung eingesetzt werden. Ein Verdichterverbund besteht aus mehreren Verdichtern, einem Verflüssiger, diversen Kühlräumen und oft mehreren Kühlmöbeln.

Temperaturregelfunktion

Die Temperaturregelungsfunktion wird in einem Kühlraum meist von einem Kühlstellenregler übernommen. Ein Kühlstellenregler ist in der Standardversion grundsätzlich mit einem Regelfühler ausgestattet. Dieser Fühler misst bei Einsatz in einem normalen Kühlraum die Raumtemperatur. Aus diesem Grund wird er normalerweise so platziert, dass er die Temperatur des Rückluftstroms hin zum Verdampfer aufnimmt. Diese wird dann vom Kühlstellenregler als Raumtemperatur-Istwert angezeigt und verarbeitet. Dieser Istwert wird stets mit dem Sollwert des Kühlstellenreglers verglichen. Der Sollwert kann beliebig im Regler festgelegt werden. Neben dem Sollwert kann auch noch eine Differenz (Hysterese) eingestellt werden. Die Summe aus Sollwert und Differenz ergibt den oberen Schaltwert, während der Sollwert selbst den unteren Schaltwert der Temperaturregelung darstellt. Bei Erreichen des oberen Schaltwertes wird die Kühlung (der Verdichter oder das Magnetventil) ein- und bei Erreichen der Sollwerttemperatur wieder abgeschaltet. So wird die Raumtemperatur immer in diesem Bereich gehalten. Diese Temperaturregelfunktion kann bei einem Kühlstellenregler als die wichtigste Basisfunktion angesehen werden.

Kühlraumzonen

Die Bedingungen, für die in einem Kühlraum gesorgt wird, sind von den dort gelagerten Produktarten abhängig. Die in dem jeweiligen Kühlraum erforderliche Temperatur kann auch von der erwarteten Lagerdauer abhängig sein und zudem von der Frage, ob dort ein frisches Produkt eingelagert wird und dann tiefgekühlt werden soll. Die gängigsten Kühlräume werden als Pluskühlräume bezeichnet. Die Verdampfungstemperatur liegt in derartigen Kühlräumen zwischen –10 und 0 ºC. Welche Art von Regelung zum Einsatz kommt, ist von der Art des zu lagernden Produkts sowie von der gewünschten Qualität abhängig. Häufig werden die Anwendungsart (MBP/LBP) und das Volumen des (Tief-) Kühlraums als Faustregel herangezogen, um eine vereinfachte Berechnung des Wärmeeintrags durch die Wände und somit der Kälteleistung durchzuführen. In den meisten Fällen ist diese Berechnung ausreichend. Wärmeeinträge hängen mit der Raumtemperatur, der Wandfläche und dem Luftaustausch zusammen. Eine präzisere Berechnung lässt sich anstellen, indem die Lebensmitteleigenschaften berücksichtigt werden und alle thermischen Belastungen analysiert werden. Diese sollten dann einzeln in die Berechnung des (Tief-/Plus-)Kühlraums einfließen.

Thermostatische oder elektronische Expansionsventile

Für Kühlräume können einfache Kältekreisläufe verwendet werden. Einfache Kältekreisläufe sind kostengünstig und unkompliziert, haben allerdings auch einige Nachteile wie zum Beispiel das Risiko, dass offen gelagerte Produkte austrocknen. In den meisten Kühlräumen sind thermostatische Expansionsventile als Einspritzventile verbaut. Falls man nun nach einer besseren Lösung sucht, bietet eine elektronische Überhitzungsregelung gleich mehrere Vorteile. Der Verdampfer wird stets optimal mit Kältemittel befüllt. Selbst bei starken Leistungsschwankungen (d.h. Teillastfällen) kann die einzuspritzende Kältemittelmenge genau dosiert werden. Dies geschieht, indem die jeweils aktuelle Überhitzung im Verdampfer über einen Druckmessumformer und einen sehr sensiblen Temperaturfühler zeitnah an den elektronischen Regler weitergegeben wird. Der Regler kann nun Maßnahmen ergreifen, um optimal kleine Überhitzungen zu erreichen. Diese adaptive Reglung der Kältemitteleinspritzung führt zu einer optimalen Nutzung des Verdampfers und damit zu den höchst möglichen Verdampfungsdrücken, die in dieser spezifischen Anlage realisierbar sind. Das bedeutet aber nicht nur eine reduzierte Stromrechnung für den Betreiber. Durch den geringeren Temperaturunterschied zwischen Verdampfungs- und Raumtemperatur wird auch die Entfeuchtung der Raumluft und damit des Kühlgutes verringert. Das führt bei gleicher Konfiguration dazu, dass z.B. Gemüse bei einer Lagerung in einem Raum mit elektronischer Expansionsventilregelung des Verdampfers länger optisch ansehnlich und verkaufbar bleibt als mit thermostatischen Expansionsventilen. Darüber hinaus trocknet das Kühlgut weniger aus. Sollte die Verdampfergröße etwas knapp ausgelegt sein, so lassen sich mit einem größeren Verdampfer die Effekte „höhere Verdampfungstemperatur“ und „weniger Entfeuchtung“ noch weiter verbessern.

Abtauung

Liegt die Temperatur eines Luftkühlers bei 0 °C oder darunter, so bildet sich Reif an seiner Oberfläche. Der Reif, der sich auf dem Verdampfer bildet, kann in unterschiedlichen Formen auftreten, d.h. als Schnee (Pulverschnee oder Schneeflocken) oder als festes Eis bzw. in jeglichen Zwischenformen.

Reif entsteht durch den Entzug des Wassers aus den Waren sowie aus der Luftfeuchtigkeit (der Luft, die durch den Luftkühler strömt). Unter Abtauung verstehen wir das Entfernen des Reifes, der sich auf der Oberfläche des Verdampfers gebildet hat. Das Abtauen kann durch Zuführung von elektrisch erzeugter Wärme, von dem Heiß-/Kaltgas auf der Hochdruckseite, von warmer Luft aus dem Kühlraum oder von warmem Wasser bzw. durch Zuführung kombinierter Wärmemedien erfolgen.

Durch das Abtauen kann die übermäßige Reifbildung auf der Kühlfläche verhindert werden, was sich in einer guten Wärmeübertragung und einem optimalen Betrieb der Anlage niederschlägt. Regelmäßige Abtauung bewirkt außerdem eine ungehinderte Luftzirkulation, wodurch die Leistung des Luftkühlers verbessert wird.

Die Abtauhäufigkeit und -dauer ist unter anderem von den gelagerten Produkten und ihrem Feuchtigkeitsgehalt sowie von dem Luftaustausch und der Luftfeuchtigkeit abhängig. Zusätzlich spielt es eine große Rolle, wie oft am Tag die Tür zum Kühlraum geöffnet und der Kühlraum betreten wird. Das Abtauen muss so oft wie nötig und vor allem rechtzeitig erfolgen. Falls die Abtau­periode zu kurz ist und nicht das gesamte Eis schmilzt, wird sich mit der Zeit sogar noch mehr Eis bilden.

Neben der Dauer und Häufigkeit ist natürlich auch die Art der Abtauung bedeutend. Drei Arten von Abtauung sind gebräuchlich. Die Umluft-, die elektrische und die Heißgasabtauung. Ein natürliches Abtauen (Umluftabtauung) mithilfe von Luft ist möglich, wenn die Temperatur im Kühlraum höher als +4 °C ist. Die Kühlung des Kühlraums wird gestoppt, aber der Lüfter läuft weiter. Dieses Verfahren kann länger dauern als die anderen Abtauverfahren, jedoch wird durch eine höhere Raumtemperatur das Abtauen weiter beschleunigt. Dieses Verfahren ist energetisch vorteilhaft, da keine zusätzliche Wärme erzeugt und später wieder aus dem Kühlraum hinausbefördert werden muss.

Die elektrische Abtauung ist bei Kühlräumen die meist verbreitetste und gleichzeitig eine einfache Abtaumethode. Es müssen nur elektrische Heizungen im Luftkühler installiert und mit Elektrokabeln angeschlossen werden. Aus energetischer Sicht handelt es sich hierbei um ein eher teures Abtauverfahren, weil viel Energie verbraucht wird. Auf der anderen Seite ist die elektrische Abtauung sehr gut regelbar und stellt unter Umständen die einzige praktikable Abtauoption dar. Das Abtauen kann über eine Echtzeituhr, Zeitintervalle oder von Hand gestartet werden und bei einer festgelegten Temperatur oder nach einer bestimmten Zeit beendet werden.

Für die dritte Abtaumethode, die Heißgasabtauung, wird Gas von der Hochdruckseite der Kälteanlage abgezweigt und zur Abtauung verwendet. Diese Abtauung ist aber ein relativ kompliziertes Verfahren und wird hauptsächlich in großen Anlagen mit mehreren Verdampfern verwendet. Es sind mehr Ventile erforderlich und auch das Regelungssystem ist komplizierter als bei den beiden anderen Abtaumethoden. Einen Flüssigkeitsabscheider und einen Startregler einzubauen, um den Verdichter zu schützen, ist durchaus empfehlenswert. Eine Alternative zur Heißgasabtauung kann die Kaltgasabtauung sein, bei der einfach hochdruckseitiges Kältemittel aus dem Saugdom des Sammlers entnommen wird, statt direkt aus der Heißgasleitung.

Aber nicht nur die Abtaumethode ist wichtig, auch durch das Auslassen einer Abtauung, besonders wenn diese nicht benötigt wird, lässt sich Einiges an Energiekosten einsparen. Kann beispielsweise nur jede fünfte Abtauung übersprungen werden, so ist dies energetisch schon ein großer Vorteil. Wichtig bei Bedarfsabtauung ist ihre ausschließliche Einleitung zu programmierten Zeiten. Ist das nicht der Fall, könnte die Abtauung zu ungünstigen Zeiten (z.B. Beschickung mit Ware) gestartet werden. Allein die Nachrüstung eines Kühlstellenreglers mit Bedarfsabtauung kann sich schon positiv auf der Stromrechnung niederschlagen.

Fazit

Bei der Konzeption, der Aufstellung und dem Betrieb von Kühlräumen ist Einiges zu beachten – das konnten wir in diesen beiden Ausgaben von „das 1 x 1 der Kältetechnik“ erfahren. Eine sorgfältige Inbetriebnahme und regelmäßige Wartung stellen sicher, dass die Anlage einwandfrei läuft und nicht unnötig Energie verschwendet.

Hier kommen Sie direkt zum ersten Teil des Beitrags "Der Kühlraum (I)"