Nachhaltige Industriekälteanlage

Nachhaltigkeit ist weltweit ein präsentes und wichtiges Thema – so auch im Bereich der Kältetechnik. Für einen verbesserten Klimaschutz stehen dabei häufig das verwendete Kühlmittel und die Energieeffizienz der Anlage im Fokus. Natürliche Kältemittel wie beispielsweise Ammoniak, CO₂ oder Kohlenwasserstoffe spielen bei Nachhaltigkeitsbetrachtungen aufgrund ihres geringen „Global Warming Potential“ (GWP-Wert) eine immer wichtigere Rolle.

Hinsichtlich der Energieeffizienz wird sowohl beim Anlagenbau wie auch bei den einzelnen Komponenten kontinuierlich nach verbesserten Lösungen gesucht. Die größten Energieeinsparpotentiale einer Kälteanlage liegen beispielsweise bei der Vermeidung von Ablagerungen in engen Rohrleitungen, der Vermeidung ungünstiger Leitungsführungen oder bei den Kompressoren. Ein weiter, oftmals vernachlässigter, wichtiger Aspekt von Nachhaltigkeit ist ein schonender Umgang mit Ressourcen – insbesondere mit dem Verbrauch von Materialien. Im Bereich der Kältetechnik kann dies der Verzicht auf Zusatzkomponenten sein, ein geringer Materialverschleiß oder eine lange Lebens- und Betriebsdauer der Anlage inklusive ihrer Komponenten.

Aufbau einer nachhaltigen
Kälteanlage

Auch beim Anlagenbauer Holger Andreasen & Partner GmbH (HAP) und seinen Kunden wird verstärkt auf Nachhaltigkeit gesetzt. Das Unternehmen verfügt über mehr als 40 Jahre Erfahrung im Bereich Rohrbündelwärmetauscher, Druckbehälter und Packages für Industriekälteanlagen sowie Öl- und Gas­anwendungen. Im Bereich der Kältetechnik entwickelt und baut Holger Andreasen & Partner innovative, hochmoderne Lösungen speziell in den Bereichen NH₃- und CO₂-Kälteanlagen. Großen Erfolg hat das Unternehmen schon seit einigen Jahren mit ihrem eigens entwickelten Flux-Hi™-System. Die zukunftssichere Bauweise des speziell weiterentwickelten Rieselkühlers sorgt inzwischen weltweit in über 350 Anlagen als CO₂/ NH₃-Kaskade und Flüssigkeitskühler für einen nachhaltigen Kälteanlagenbetrieb. So auch in einem industriellen Verteilerzentrum für gekühlte Lebensmittelprodukte einer führenden Supermarktkette in Frankreich.

In der 2021 in Betrieb genommenen CO₂/ NH₃-Kaskadenanlage wird mit Ammoniak und CO₂ auf natürliche Kältemittel gesetzt. Kern der Kälteanlage ist der Rieselkühler. Das CO₂ wird dabei in der Flux-Hi™-Kaskade kondensiert, während das NH₃ in der selben Kaskade verdampft. Der unter der Kaskade liegende CO₂-Behälter wird im Pumpenumlauf betrieben. Das NH₃ wird mit einer besonderen Hydraulik auf die Flux-Hi™-Kaskade und eine NH₃-Wärmepumpe aufgeteilt. Das Volumen des Flux-Hi™ wird hierbei auch als Kältemittelabscheider für den Wärmepumpenkreislauf verwendet (siehe Abb. 1). Insgesamt ist die Anlage auf eine Kälteleistung von etwa 3000 kW und ein ∆T von 3K ausgelegt.

Ressourcensparendes Anlagenkonzept

Das Flux-Hi™-Kaskadensystem setzt zum einen auf eine kompakte Bauweise unter Vermeidung nicht notwendiger Bauteile (siehe Abb. 2). So wird kein zusätzlicher Abscheider mehr benötigt, da bereits ein Kältemittelabscheider im System integriert ist. Zum anderen ist die Anlage für einen langlebigen Betrieb ausgelegt, der mit geringen Wartungszyklen auskommt, um den Ressourceneinsatz langfristig so nachhaltig wie möglich zu gestalten. Wenn eine Wartung dennoch notwendig ist, kann diese im Gegensatz zu herkömmlichen Plattenwärmetauschern ohne lange Abschaltung des Systems erfolgen. Dies wird insbesondere durch verschraubte Vorköpfe und Flanschverbindungen realisiert, wodurch die Anlage einfach und schnell geöffnet werden kann und die Rohrplatten zugänglich sind.

Ressourceneinsparung beim Kältemittel

Ein weiterer Vorteil der Anlage ist der nachhaltige Umgang mit den Kältemitteln. Durch den speziellen Anlagenaufbau fällt die Kältemittelfüllmenge deutlich geringer aus als bei anderen bekannten Anlagen. Es wird nur die Menge an Ammoniak eingesetzt, welche für den Pumpenumlauf im Spraysystem notwendig ist. Auf eine weitere Füllung wie beispielsweise bei gefluteten Systemen kann hierdurch verzichtet werden.

Zur Vermeidung von Umweltkontaminationen und Kältemittelverlusten werden bei diesem System die Verbindungen der Verrohrungen zu Rohrplatten doppelt abgedichtet ausgeführt und vor der Auslieferung einem Helium-Lecktest unterzogen. Hinzu kommt der Einsatz hermetisch dichter Spaltrohrmotorpumpen des Gundelfinger Pumpenspezialisten HERMETIC-Pumpen GmbH.

Nachhaltiges Pumpenkonzept

In beiden Kreisläufen kommen zur Förderung der Kältemittel insgesamt acht hermetisch dichte Spaltrohrmotorpumpen der Typen CNF und CAM von HERMETIC zum Einsatz. Als Kernkomponenten des Kaskadensystem spielen die Pumpen gleich in mehreren Punkten eine große Rolle für die Nachhaltigkeit der gesamten Anlage:

Aufgrund ihres dichtungslosen Aufbaus und dem Wegfall von Kupplungen zwischen Motor und Hydraulik bieten die Spaltrohrmotorpumpen nicht nur eine hohe Lebensdauer, sondern auch lange Wartungszyklen, was über Jahrzehnte hinweg in einem sehr geringen Materialeinsatz resultiert. Es ist keine Seltenheit, dass die eingesetzten Pumpen auch nach 40 Jahren Betrieb ohne Einschränkungen funktionieren.

Für die Zirkulation des aus dem Abscheider kommenden Ammoniaks ist eine einstufige HERMETIC Pumpe des Typs CNF50-200 mit AGX8.5 Motor und Inducer zuständig. Eine zweite Pumpe des gleichen Typs ist im Standby für eventuelle Notfälle vorgesehen. Die Pumpe fördert einen Volumenstrom von 45 m³/h bei einer Förderhöhe von 30 m. Als einstufige Pumpe besitzt sie nur ein Laufrad. Sie werden hauptsächlich dann eingesetzt, wenn große Fördermengen bei geringen Förderdrücken benötigt werden wie im vorliegenden Fall. Dank des integrierten Hilfslaufrades ist die einstufige CNF-Baureihe (siehe Abb. 3) zudem für Flüssigkeiten mit steilem Temperatur-Druckverhalten geeignet.

Zur Förderung des CO₂ im zweiten Kältekreislauf werden insgesamt sechs mehrstufige CAM 2/5 Pumpen mit AGX3.0 Motor eingesetzt. Bei Volllast realisieren sie eine Kälteleistung von 1830 kW bei einer Förderhöhe von 45 Metern. Die mehrstufigen Ausführungen (siehe Abb. 4) besitzen durch den internen Druckaufbau einen großen Vorteil, wenn mit hohem Druck, wie vorliegend mit einer Differenzdruck von rund 4,5 bar oder auch höher, gefördert werden muss. Alle Pumpen sind durch Frequenzumrichter gesteuert zur Absicherung gegen Überlastung der Pumpen und zur Sicherstellung des gewünschten Betriebspunktes.

Beitrag zur Ressourceneinsparung

Mit ihren zwei Sicherheitshüllen sorgt die absolute Dichtheit der HERMETIC Spaltrohrmotorpumpen für eine höhere Nachhaltigkeit in puncto Kältemittelverbrauch. Die doppelte hermetische Sicherheitshülle schützt auch vor Umweltkontaminationen, was bei giftigen Kältemitteln wie beispielsweise Ammoniak von hoher Bedeutung ist. Beide Pumpentypen – CNF und CAM – zeichnen sich durch eine hervorragende Förderleistung auch bei schwierigen Betriebspunkten aus, wie ihn beispielsweise der CO₂-Förderkreislauf bei über -10°C mit sich bringt. Durch den Einsatz von Frequenzumrichtern können die Pumpen den gewünschten Betriebspunkt optimal bedienen und Leistungsverluste vermieden werden. Hierdurch war es möglich, die Anlage energieeffizient zu gestalten.

Auch in puncto Materialverbrauch spielen die Spaltrohrmotorpumpen ihre Vorteile aus: So halfen die geringen NPSHr-Werte der Pumpen dabei, den Materialeinsatz bei der Verrohrung der Anlage zu reduzieren. Während die CAM-Baureihe bereits durch ihren konstruktiven Aufbau geringe NPSHr-Werte realisieren kann, ermöglichte bei den CNF-Pumpen der Einsatz von Inducern eine weitere Reduzierung der NPSHr-Werte. Dadurch konnte die Kälteanlage noch kleiner dimensioniert und somit auch der Materialeinsatz reduziert werden.

Hoher Anlagenwirkungsgrad

Um eine bestmögliche Energieeffizienz zu erzielen, wird bei Holger Andreasen & Partner jedes Flux-Hi™-System individuell an die Bedürfnisse und die Betriebspunkte der Kunden angepasst, sodass ein hoher Wirkungsgrad der Anlagen realisiert werden kann. Bei kurzfristigen Bedarfen bietet der Kältetechnikspezialist zusätzlich die Möglichkeit, auf eine standardisierte Baureihe (CAS) mit kurzen Lieferzeiten zurückzugreifen.