Luft als Kältemittel: Nächste Generation für Lagertemperaturen unter -40 °C
Teledoor hat in Kooperation mit dem Ingenieurbüro Refolution, Kaltluftkältemaschinen-Hersteller Mirai Intex und dessen deutschem Distributor Secon die nächste Generation von Tieftemperaturlagerräumen mit Luft als Kältemittel entwickelt. Die verwendete Kältemaschine von Mirai Intex nutzt nur Luft als Kältemittel und ist somit besonders umweltfreundlich und sicher. Das Herzstück ist ein ölfreier, luftgelagerter Turboverdichter mit Motor und Expander auf einer Welle. Dies ermöglicht einen effizienten, ausfallsicheren und zeitgleich verschleißfreien Betrieb.
Eine detaillierte Untersuchung der Kaltluftkältemaschinen zeigt, dass bei tieferen Temperaturen die Effizienz im Vergleich zu Kaskadenanlagen deutlich zunimmt. Die offenen Kaltluftkältemaschinen können bereits bei Lagertemperaturen ab -40 °C effizienter als herkömmliche Kältesysteme mit vergleichbarer Baugröße sein und ist bei -80 °C in der Regel weit überlegen. Des Weiteren zeichnen sich die Kaltluftkältesysteme durch folgende Eigenschaften aus:
- ein umweltfreundliches Kältemittel (nur Luft, kein GWP, kein ODP und ohne Öl)
- Zukunftssicherheit (frei von Regularien, sicheres und kostenloses Kältemittel)
- Langlebigkeit (verschleißfreie Turbotechnologie)
- Ausfallsicherheit (keine Flüssigkeitsschläge, Unterdrücke oder Ölumlagerungen)
- Flexibilität („Plug & Play“, geringe Geräuschemissionen, Temperaturflexibilität)
- Hohe Effizienz (stufenlose Drehzahlregelung, sehr gute Teillast) und
- Sicherheit (niedrige Drücke, keine Erstickungsgefahr)
Die Kaltluftkältemaschinen eignen sich besonders gut für die Tieftemperaturlagerung in der offenen Bauweise. Anders als bei herkömmlichen Kälteerzeugern, wie z.B. bei Kompressionskältemaschinen oder bei flüssigem Stickstoff, benötigt die offene Kaltluftmaschine keinen Wärmetauscher im Kühlraum.
Der Prozess ist in Bild 2 dargestellt. Die im Kühlraum erwärmte Luft (6) wird zunächst in einem inneren Wärmetauscher weiter erwärmt (1) und in einem Turboverdichter komprimiert. Die erwärmte Luft aus dem Verdichter (2) wird in einem Gaskühler auf die Umgebungstemperatur abgekühlt (3) und anschließend wird die Temperatur der Luft in einem inneren Wärmeübertrager mit Gegenstrom weiter gesenkt (4).
Die gekühlte Luft wird in einer Expansionsmaschine auf ein niedrigeres Druckniveau entspannt (5) und kühlt dabei noch weiter ab. Die Expansionsarbeit wird direkt über eine Welle dem Verdichter zugeführt, um einen effizienten Betrieb zu ermöglichen. Die kalte Luft aus dem Expander wird direkt wieder dem Raum zugeführt und durch den Wärmeeintrag des Kühlraums erwärmt. Der einströmende Luftstrom ist kälter als die abgesaugte Luft und reduziert dadurch die Luftfeuchte bzw. den Taupunkt im Kühlraum um bis zu 20 K.
Für die Entfernung der Feuchtigkeit im Lagerraum hat Mirai Intex ein neues Entfeuchtungssystem für offene Kaltluftkältemaschinen entwickelt, welches ein Enteisen ohne thermischen Energieeintrag ermöglicht. Wenn eine Oberflächentemperatur unter der Taupunkttemperatur der Luft liegt kommt es zu einem auskondensieren von Wasser aus der Luft.
Bei konventionellen Systemen kondensiert das Wasser auf der Verdampferoberfläche aus, was wiederrum bei Oberflächentemperaturen von < 0 °C zur Bildung einer Eisschicht führt. Die direkte Folge daraus ist, dass ein geringerer Wärmeübergang stattfindet und es zu Druckverlusten in den Lamellen kommt.
Schlussendlich wird auch die Kälteleistung geringer und der Verdampfungsdruck sinkt auf ein niedrigeres Niveau. Um diese negativen Effekte ausgleichen zu können wird in der Regel eine Abtauheizung verbaut, die in regelmäßigen Zeitabschnitten das Eis thermisch schmilzt, um es aus dem Kühlraum abtransportieren zu können. Ein großer Nachteil solcher Abtauheizungen ist, dass diese einen zusätzlichen Wärmeeintrag in den Kühlraum darstellen.
Zusätzlich zum Kondensieren des Wassers aus der Luft an der Verdampferoberfläche kommt es zu einem Auskristallisieren des Wassers in der Luft bei sehr niedrigen Temperaturen. Die Eiskristalle bilden einen dichten Nebel und agglomerieren - je nach Luftführung - am Verdampfer oder fallen in Form von Schnee auf den Boden beziehungsweise auf die Produkte. Die Kaltluftkältemaschine saugt Luft inklusive Eispartikel aus dem Kühlraum an und fördert kältere Luft wieder in den Raum hinein. Dadurch sowie durch den niedrigen Taupunkt der Luft bildet sich weniger Eis auf den Produkten im Lagerraum.
Vor der Ansaugung aus dem Kühlraum werden Eispartikel aus der Luft an zwei, redundant verbauten Filterkerzen abgeschieden. Die agglomerierten Eispartikel werden durch einen Druckstoß, bei laufendem Betrieb, in ein mechanisches Fördersystem herabgeschossen und aus dem Kühlraum entfernt. Während dem Enteisungsvorgang wird permanent weitergekühlt. Somit bleibt die Lagerraumtemperatur immer auf einem konstanten Wert.
Für Anwendungen, die einen hohen Feuchtigkeitseintrag haben, wie z.B. Kältesaunen und Kühllager mit hohem Warenwechsel, oder Anwendungen, die eine hohe Anforderung an die Temperaturstabilität haben, ist diese Entwicklung von großem Vorteil. Da eine offene Kaltluftmaschine die im Kühlraum befindliche Luft zirkuliert und abkühlt, werden keine zusätzlichen Lüfter benötigt, welche einen zusätzlichen Energieeintrag in den Kühlraum darstellen. Die Kaltluftmaschine führt die Luft mit einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit dem Raum zu und saugt gleichzeitig wieder Luft aus dem Raum ab.
Durch die passende Anordnung der An- und Absaugung ist eine homogene Temperaturverteilung im Raum gegeben. Mirai gelingt es durch das Entfeuchtungssystem ein effizientes und zugleich sehr ausfallsicheres Anlagendesign zu ermöglichen. Die Kaltluftmaschinen eignen sich besonders gut für der Lagerung von Produkten bei Temperaturen unterhalb von -40 °C. Üblicherweise handelt es sich hierbei um medizinische, biologische oder pharmazeutische Produkte, aber auch Lebensmittel, welche solch tiefe Lagertemperaturen benötigen.
Ein hohes Maß an Ausfallsicherheit ist somit gefordert, da ein Ausfall der Kältetechnik einen unvorstellbaren Wertverlust zur Folge haben könnte. Mirai bietet seinen Kunden ein einfaches, ausfallsicheres, effizientes und zukunftssicheres System an, welches nichts mehr als Luft aus der Umgebung und Elektrizität benötigt. Aktuell wird dies besonders für die Lagerung des Corona-Impfstoffes eingesetzt.
Dieser Beitrag von Yannick Pruss ist zuerst erschienen in DIE KÄLTE + Klimatechnik 01/2021. Yannik Pruss ist Projektingenieur bei der Refolution Industriekälte GmbH.
