Verdampfer in der Kältetechnik: Typen und Abtausysteme

Verdampfer in der Kältetechnik

Verdampfer sind Wärmetauscher, die so konzipiert sind, dass sie flüssiges Kältemittel aufnehmen und verdampfen. Die Siedetemperatur des Kältemittels liegt dabei unter der Temperatur des zu kühlenden Mediums. Das Kältemittel verdampft bei niedrigem Druck. Obwohl dieser Druck über dem atmosphärischen Druck liegen kann, hängt die Kühlleistung des Flüssig-Gas-Gemisches vom Flüssigkeitsanteil in der Mischung ab.

Arten der Verdampfer nach der Einspeisung

• Trockenexpansion (Dry Expansion)
• Überflutete Verdampfer (Flooded)

Diese Klassifizierung basiert darauf, ob die Anlage einen Flüssigkeitsabscheider enthält oder nicht.

Trockenexpansions-Verdampfer (ohne Abscheider)

Bei dieser Art von Verdampfer erfolgt die Flüssigkeitseinspeisung durch ein thermostatisches Expansionsventil. Die Menge der Flüssigkeit im Verdampfer ist auf die Menge begrenzt, die während des Durchgangs verdampft. Für eine vollständige Verdampfung des Kältemittels wird am Ende oft eine Überhitzung von etwa 10 °C angestrebt.

Bei einem Trockenexpansions-Verdampfer nimmt das Verhältnis der benetzten Oberfläche und damit die Effizienz zu, wenn die Last steigt. Sie sind in der Regel kostengünstiger und einfacher aufgebaut, erzielen jedoch bei niedriger Last geringere Erträge.

Überflutete Verdampfer (mit Flüssigkeitsabscheider)

Diese Verdampfer sind während des Betriebs fast vollständig mit Flüssigkeit gefüllt. Der Verdampfer wird mit einem Überschuss an Flüssigkeit gespeist, um die Rohroberflächen ständig nass zu halten, was gleichzeitig die Ölrückführung unterstützt.

Verdampferarten nach der Bauweise

• Glattrohrverdampfer
• Plattenverdampfer
• Rippenrohrverdampfer (vergrößerte Oberfläche)

Oberflächenverdampfer im Kühlaggregat bilden die primären und sekundären Austauschflächen, deren Hauptfunktion der Wärmeentzug aus der Umgebung und der Transport des Kältemittels ist.

Glattrohrverdampfer werden häufig bei Temperaturen unter -1 °C eingesetzt, wo eine Reifbildung unvermeidlich ist. Die Abtauung kann hier oft ohne Unterbrechung des Kühlprozesses oder Beeinträchtigung der Produktqualität durchgeführt werden.

Glattrohr- und Plattenverdampfer

Glattrohrverdampfer bestehen meist aus Stahl oder Kupfer. Diese Spulen sind in verschiedenen Formen (z. B. Zick-Zack oder Oval) und Größen erhältlich und werden oft individuell für Anlagen gefertigt. Sie werden häufig zur Flüssigkeitskühlung eingesetzt.

Plattenverdampfer bestehen aus zwei verschweißten und gestanzten Metallplatten, die einen Pfad für das Kältemittel bilden. Sie werden oft in Kühl- und Gefriergeräten verwendet, da sie leicht zu reinigen und wirtschaftlich sind.

Rippenrohrverdampfer

Diese Verdampfer besitzen Flachrohre, auf denen Metallplatten oder Lamellen (Finnen) angebracht sind. Diese dienen als Wärmekollektoren und müssen für einen guten Wärmeübergang festen Kontakt zum Rohr haben. Rippenrohrverdampfer haben eine größere Fläche pro Längeneinheit und können daher kompakter gebaut werden.

Verdampfer nach dem Luftzirkulationsverfahren

• Natürliche Konvektion
• Erzwungene Konvektion

Eine zu geringe Luftgeschwindigkeit senkt die Leistung des Verdampfers, was zu einer langsamen Abkühlung und Bakterienbildung führen kann. Eine übermäßige Luftgeschwindigkeit hingegen bewirkt eine Dehydrierung (Austrocknung) des Produkts.

Die gewünschte Luftgeschwindigkeit hängt ab von:

• Der Feuchtigkeit im Kühlraum.
• Der Art des Erzeugnisses.
• Der Lagerdauer.

Diese Faktoren sind miteinander verknüpft. Eine schlechte Luftzirkulation wirkt ähnlich wie eine hohe Luftfeuchtigkeit, während eine hohe Strömungsgeschwindigkeit wie eine niedrige Luftfeuchtigkeit wirkt.

Natürliche Konvektion

Einsatz in Haushaltskühlgeräten, wo eine relativ hohe Feuchtigkeit erforderlich ist und keine starke Belüftung der Produkte benötigt wird. Nachteile sind die niedrige Wärmeübertragungsrate, schlechte Temperaturverteilung und Schwierigkeiten beim Auftauen. Die Luftbewegung basiert auf Dichteunterschieden und ist abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Kühlraum.

Erzwungene Konvektion

Diese nutzen glatte Rohre mit Rippen und sind mit Ventilatoren ausgestattet. Vorteile: Kompakter, kleinere Baugröße, einfache Installation und bessere Anpassung der relativen Luftfeuchtigkeit. Die Luftgeschwindigkeit sollte in der Regel zwischen 1 und 2,5 m/s liegen.

Verdampfer nach Anwendung

Geschlossene Kreislauf-Kühler

• Doppelrohr-Kühler (hoher Transmissionsgrad, Längen zwischen 3 und 6 m).
• Multitubular-Kühler (Rohrbündelwärmetauscher): vertikal oder horizontal.

Diese werden zur Kühlung von Wasser, Sole, Milch, Bier und anderen niedrigviskosen Flüssigkeiten verwendet. Die Verdampfungstemperatur sollte über dem Gefrierpunkt der Flüssigkeit liegen. Die Geschwindigkeit in den Rohren sollte 2 m/s nicht überschreiten, um Druckverluste und Korrosion zu vermeiden.

Direkte und indirekte Kühlsysteme

Direkte Systeme: Das Kältemittel steht in direktem Kontakt mit dem zu kühlenden Raum.
Indirekte Systeme: Wasser, Sole oder andere Flüssigkeiten werden durch die Direktverdampfung eines Kältemittels in einem Flüssigkeitskühler abgekühlt. Dieses sekundäre Kältemittel kühlt dann das Produkt oder die Luft.

Indirekte Systeme werden bei großen Entfernungen zwischen Aggregat und Kühlstelle eingesetzt. Wasser ist aufgrund seiner Fließfähigkeit und hohen spezifischen Wärme ein gängiges Sekundärkältemittel. Bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt werden Sole oder Glykol-Lösungen verwendet, da diese stabil und weniger korrosiv sind.

Thermische Differenz im Verdampfer

Die Wahl der Temperaturdifferenz ist entscheidend für das Design. Weder die Temperatur der Kühlflüssigkeit noch die Siedetemperatur des Kältemittels bleiben über den gesamten Verdampferweg konstant. Die tatsächliche Verdampfungstemperatur wird oft als Sättigungstemperatur am Verdampferausgang definiert.

Eisbildung und Abtauen der Verdampfer

Auswirkungen von Frost:

• Isolationswirkung: Sinkende Kühlleistung und längere Laufzeiten der Maschine.
• Verringerter Luftdurchsatz durch verengte Lamellenabstände.
• Veränderung der Feuchtigkeit, was die Konservierung beeinträchtigt.

Nachteile des Abtauprozesses: Unterbrechung des Kühlkreislaufs, Wärmeeintrag in den Kühlraum und notwendige Stillstandszeiten der Ventilatoren zur Vermeidung von Feuchtigkeitsverteilung.

Abtausysteme

Man unterscheidet zwei Hauptgruppen:

• Externe Verfahren: Langsamere Methoden wie manuelles Schaben, Stillstand der Maschine (natürliche Erwärmung oder forcierte Luft) oder Besprühen mit Wasser/Sole. Wasserabtauung dauert ca. 4-5 Minuten.
• Interne Verfahren: Schneller und moderner. Hierzu gehören die elektrische Beheizung (Widerstände an den Rohren) und das Heißgasverfahren.

Heißgasabtauung und Kreislaufumkehr

Bei der Heißgasabtauung wird das vom Kompressor kommende heiße Gas direkt in den Verdampfer geleitet. Dies erfordert zusätzliche Magnetventile und Rückschlagventile. Ein Nachteil ist die mögliche Flüssigkeitsansammlung im Verdampfer während des Prozesses.

Das effektivste System ist die Abtauung durch Umkehr des Zyklus (Inversionszyklus). Hierbei fungiert der Verdampfer zeitweise als Verflüssiger. Ein spezielles Umschaltventil ermöglicht diesen hocheffizienten Prozess, bei dem die gesamte Wärmeleistung der Maschine zur Abtauung genutzt wird.