Die Auswahl des richtigen Chillers ist eine technische Entscheidung, die die Energiekosten, die Produktqualität und die Produktionssicherheit einer Anlage unmittelbar bestimmt. Bei der Chiller-Auswahl steht zunächst die Frage im Raum: "Wie viel kW Chiller brauche ich?" Eine fundierte Entscheidung beginnt jedoch nicht damit, im Katalog einen Leistungswert anzukreuzen, sondern damit, die tatsächliche Kühllast der Anlage in kW korrekt zu berechnen. In diesem Beitrag gehen wir der Frage, wie man den richtigen Chiller auswählt, Schritt für Schritt nach — unter den Punkten Kühllastberechnung, Wasser-/Medientemperatur und ΔT, Umgebungsbedingungen, Kältemittel, Regelgenauigkeit, Redundanz und Glykolbedarf.
Warum wird die Chiller-Kapazität anhand der tatsächlichen Kühllast bestimmt?
Die Chiller-Kapazität muss ausreichen, um die vom Prozess erzeugte Gesamtwärme bei einer bestimmten Wassertemperatur und unter bestimmten Umgebungsbedingungen abführen zu können. Ein verbreiteter Fehler besteht darin, nur die Nennwärme des Prozesses zu betrachten und andere Wärmequellen außer Acht zu lassen. Tatsächlich ist die reale Last am Verdampfer jedoch die Summe aus der Prozesswärme, der Umwälzpumpe, den Druckverlusten im Rohrleitungsnetz sowie dem Wärmeeintrag von der Umgebung in Tank und Rohrleitungen.
Für eine solide Kühllastberechnung müssen die folgenden Komponenten einzeln ermittelt und aufsummiert werden:
- Prozesswärme: Die eigentliche Wärmelast, die aus Werkzeug, Maschine oder Reaktor abgeführt werden muss (kW).
- Pumpenwärme: Die von der Umwälzpumpe an das Wasser übertragene mechanische Energie; bei kontinuierlich laufenden Systemen ein Posten, der nicht vernachlässigt werden darf.
- Umgebungseintrag: Die Wärme, die ungedämmte Tanks, Rohre und Leitungen aus der warmen Umgebung aufnehmen.
- Sicherheitszuschlag: Ein Zuschlag von meist 10-20 % für Verschmutzung, Leistungsabfall von Kondensator und Verdampfer sowie künftige Kapazitätserweiterungen.
Wassertemperatur und ΔT: das Herzstück der Kühllastberechnung
Derselbe kW-Wert bedeutet bei unterschiedlichen Wassertemperaturen eine andere Chiller-Baugröße und einen anderen Wirkungsgrad. Je niedriger die geforderte Kaltwasser-Austrittstemperatur, desto anspruchsvoller werden die Betriebsbedingungen des Verdichters und desto geringer wird die effektive Kapazität; deshalb muss die Kapazität eines Chillers immer bezogen auf eine bestimmte Wasser-Austrittstemperatur gelesen werden. Ein Vergleich, der den Katalogwert nicht auf Ihre eigene Betriebstemperatur umrechnet, ist irreführend.
ΔT, also die Differenz zwischen Ein- und Austrittstemperatur des Wassers am Chiller, bestimmt sowohl den Volumenstrom als auch die Systemauslegung. In den meisten Prozessanwendungen wird ein ΔT von etwa 5 °C bevorzugt. Die Kühllast ergibt sich aus dem Produkt von Medienvolumenstrom und ΔT: ein höheres ΔT bedeutet einen geringeren Volumenstrom und eine kleinere Pumpe, ein niedrigeres ΔT hingegen einen höheren Volumenstrom. Die stimmige Abstimmung des Trios aus Volumenstrom, ΔT und Kapazität ist entscheidend für die Bestimmung der richtigen Chiller-Kapazität.
Umgebungsbedingungen und Kältemittelauswahl
Die Nennkapazität eines Chillers wird für eine bestimmte Umgebungstemperatur angegeben. In den Sommermonaten erhöht die hohe Außenlufttemperatur bei luftgekühlten Systemen den Kondensatordruck und senkt die effektive Kapazität. Deshalb muss die Kapazitätsberechnung auf die heißeste Auslegungsbedingung der Region erfolgen, in der sich Ihre Anlage befindet; die Maschine sollte an einem beschatteten, gut belüfteten Ort aufgestellt werden, an dem eine Rückführung warmer Abluft vermieden wird.
Auch das Kältemittel gehört zu den Auswahlkriterien. In Planer-Chillern kommt überwiegend R407C, in einigen Modellen R134a zum Einsatz. Die Kältemittelwahl hängt mit dem Betriebstemperaturbereich, dem Wirkungsgrad und der Servicefreundlichkeit zusammen; deshalb sollte die Entscheidung über das Kältemittel gemeinsam mit der angestrebten Wassertemperatur und dem Anwendungstyp bewertet werden.
Regelgenauigkeit, Redundanz und Glykolbedarf
Manche Prozesse verlangen eine Wassertemperatur von ±1 °C, andere ein noch deutlich engeres Band. Die Temperaturstabilität beeinflusst unmittelbar die Produktqualität, die Zykluszeit und die Reproduzierbarkeit. Bei Anwendungen mit kritischer Genauigkeit kommen Puffertankvolumen, proportionale Regelung und bei Bedarf mehrere Verdichterstufen zum Tragen. In Anlagen, in denen die Produktion nicht stillstehen darf, sichert eine N+1-Redundanz — also die Einplanung einer Reservekapazität über den Bedarf hinaus — die Kontinuität bei Wartung und Störfällen.
Die Entscheidung über Glykol/Frostschutz sollte meist nicht nachträglich, sondern bereits in der Auswahlphase getroffen werden. Bei niedrigen Wassertemperaturen ist Glykol zum Schutz vor Frostgefahr oder in Leitungen im Freien erforderlich. Glykol verändert jedoch die spezifische Wärmekapazität, die Viskosität und die Wärmeübertragungsleistung des Wassers. Dies macht es erforderlich, den Volumenstrom und damit die Chiller-Baugröße neu zu überprüfen, um dieselbe Last abzudecken; eine Auslegung ohne Berücksichtigung des Glykolanteils zeigt sich vor Ort als Kapazitätsmangel.
Häufige Fehler bei der Chiller-Auswahl
Auslegungsfehler entstehen in der Regel dadurch, dass man mit unvollständigen Daten startet. Die Beachtung der folgenden Punkte verhindert sowohl eine zu knappe als auch eine überdimensionierte Auswahl:
- Nur die Prozesswärme zu berechnen und Pumpen- sowie Umgebungseintrag zu überspringen.
- Die Kapazität bei der Standard-Katalogbedingung statt bei der tatsächlichen Betriebswassertemperatur der Anlage abzulesen.
- Die durchschnittliche Temperatur statt der lokalen heißesten Auslegungsbedingung zugrunde zu legen.
- Den Einfluss von Glykol auf Volumenstrom und Kapazität zu ignorieren.
- Mit einem übertriebenen Sicherheitszuschlag überzudimensionieren und dadurch im Teillastbetrieb Wirkungsgrad und Stabilität einzubüßen.
- Bei Produktion, die Kontinuität erfordert, keine Redundanz (N+1) einzuplanen.
Die richtige Chiller-Auswahl beruht auf einer sorgfältigen Kühllastberechnung mit den realen Daten Ihres Standorts. Planer fertigt luftgekühlte, wassergekühlte, Dry-Cooler- und hybride Lösungen von rund 16 kW bis 1.270 kW. Um die für Ihre Anwendung passende Kapazität, das ΔT und das Kältemittel zu klären, können Sie mit dem Engineering-Team von Planer Kontakt aufnehmen und eine auf Ihre Anlage zugeschnittene Auslegungsbewertung anfordern.