Erfordern Prozesse oder Produkttests besonders niedrige Temperaturen, kommen herkömmliche Kälteanlagen an ihre Grenzen. Gefragt sind dann sogenannte Low Temp, Solekühler oder Tieftemperatur Kaltwassersätze, die Kaltwasser von + 10 bis unter – 30 Grad Celsius zur Verfügung stellen. Die Lösungen kommen in vielen Bereichen zum Einsatz und sind zum Kauf oder zum Mieten erhältlich. Mietkälte Kaltwassersätze befinden sich dabei üblicherweise in stabilen Frachtcontainern. Sie lassen sich schnell und flexibel aufstellen und nahezu überall vorübergehend einsetzen.
Die Themen im Überblick
Das Prinzip: Die Funktion der Low Temp Kaltwassersätze
Ein Tieftemperatur Kaltwassersatz ist eine Kälteanlage, die Kühlwasser auf Temperaturen von unter – 30 Grad Celsius und noch tiefer bringen. Sie arbeiten üblicherweise mit Kompression und bestehen neben den Verdichtern aus einem Verdampfer, einem Verflüssiger und einem Expansionsventil. Erklären lässt sich die Funktion vereinfacht an einem einstufigen Kälteprozess.
Verdampfer: Kältemittel nimmt Wärme auf
Damit ein Tieftemperatur Kaltwassersatz funktioniert, strömt ein sogenanntes Kältemittel durch einen geschlossenen Kreislauf. Im ersten Schritt nimmt es Wärme der Kühlflüssigkeit (üblicherweise ein Gemisch aus Glykol und Wasser) auf. Das geschieht im Verdampfer, der beide Stoffe voneinander trennt. Während sich das Kühlwasser dabei abkühlt, nimmt das Kältemittel Wärme auf. Es geht komplett in den dampfförmigen Zustand über und strömt mit höherer Temperatur zum Verdichter.
Verdichter: Druck und Temperatur steigen
Der Verdichter oder Kompressor saugt das gasförmige Kältemittel an. Er erhöht den Druck und damit auch die Temperatur des Mediums. Das ist erforderlich, um die vom Kühlwasser aufgenommene Wärme an die Umgebung abgeben zu können. Zum Einsatz kommen dabei unter anderem Schraubenverdichter, die mit hoher Leistung konstante Druckverhältnisse schaffen. Die Kompressoren bestehen dabei aus zwei ineinandergreifenden Schrauben, die den Arbeitsraum durch eine Drehbewegung verringern und Gase verdichten.
Um die hohen Druckunterschiede zwischen Hoch- und Niederdruckzone des Kälteprozesses realisieren zu können, kommen mehrere Verdichter zum Einsatz. Neben dem Booster-Betrieb, bei dem mehrere Kompressoren in einem Kreislauf zusammen arbeiten, sind auch mehrstufige Kälteprozesse möglich.
Verflüssiger: Kältemittel gibt Wärme ab
Über den Verflüssiger, einen zweiten Wärmeübertrager, lässt sich die Wärme aus dem Tieftemperatur Kaltwassersatz auskoppeln. Dazu strömt das Kältemittel stofflich getrennt an Außenluft oder dem Kühlwasser eines separaten Kühlkreises vorbei. In beiden Fällen sinkt die Temperatur des Mediums ab. Lässt sich die überschüssige Wärme nicht weiter verwenden, geht sie in der Regel auf die Umgebung über.
Expansionsventil: Kältemitteldruck sinkt
Das Expansionsventil ist über einen Fühler mit dem Verdampferausgang verbunden. Es verfolgt die dort vorherrschenden Druckwerte und lässt nur so viel Kältemittel hindurch, dass es den Verdampfer ausreichend durchströmt. Da das Ventil dabei den Querschnitt der Leitung verengt, setzt es den Druck des Mediums auf den Ausgangszustand herab. Das ist die Voraussetzung dafür, dass der Kreislauf erneut beginnen kann. Um eine präzise Regelung und einen effizienten sowie zuverlässigen Betrieb gewährleisten zu können, setzen Hersteller dabei überwiegend auf elektrische Expansionsventile.
Besonderheiten der Tieftemperatur Kaltwassersätze
Kaltwassersätze (auch Wasserkühlsätze, Chiller oder Water-Chiller) kühlen Wasser üblicherweise auf Temperaturen von 6 bis 7 Grad Celsius herab. Reicht das nicht aus, kommen die sogenannten Low Temp, Low Water Temp oder Tieftemperatur Kaltwassersätze zum Einsatz. Diese kühlen Wasser auf 10 bis unter – 30 Grad Celsius ab. Im Vergleich zu konventionellen Geräten fordert das den im Kälteprozess verbauten Komponenten einiges ab. Um den erhöhten Anforderungen standzuhalten, kommen daher unter anderem besonders leistungsstarke und effiziente Verdichter zum Einsatz.
Effizienter Betrieb durch Kühlflüssigkeits-Speicher
Um die Effizienz der Tieftemperatur Kaltwassersätze zu erhöhen, sind diese meist mit einem Pufferspeicher ausgestattet. Der Speicher ist mit Sole, einem Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel, gefüllt. Nimmt die Kälteanlage ihren Betrieb auf, kühlt sie die Temperatur des Wassers im Speicher herab. Unabhängig vom Bedarf in den Verbraucherkreisen funktioniert das anhaltend im optimalen Leistungsbereich. Benötigen Prozesse oder andere Anwendungen Kaltwasser, beziehen sie dieses aus dem Pufferspeicher, der immer ausreichend vorhält.
Das richtige Kältemittel für Tieftemperatur Solekühler
Ein Kaltwassersatz für Tieftemperatur ist üblicherweise mit den Kältemitteln R404a oder R507a befüllt. Beide Stoffe haben vergleichbare Eigenschaften und sind vor allem für Tieftemperaturanwendungen geeignet. Durch hohe GWP-Werte (Global Warming Potential) von über 3.900 unterliegen die Mittel allerdings der F-Gase-Verordnung. Diese verbietet das Inverkehrbringen von Anlagen mit den genannten Kältemitteln seit Anfang 2020. Bestehende Anlagen dürfen vorübergehend weiter betrieben und befüllt werden.
Eine Alternative bietet das Kältemittel R449a. Es besitzt einen GWP von 1.397 und ist somit deutlich weniger umweltschädlich. Durch seine Eigenschaften ermöglicht es außerdem eine um 8 bis 12 Prozent verbesserte Energieeffizienz im Vergleich zu R404a oder R507a. Mit einem GWP von mehr als 150 ist R449a allerdings auch vom Phase-Down-Szenario der F-Gase-Verordnung betroffen. Die Mengenbegrenzung verschiedener Stoffe soll dabei dazu führen, dass der durchschnittliche GWP von rund 2.250 im Jahr 2015 auf unter 500 im Jahr 2030 sinkt.
Kühlflüssigkeitskreisläufe mit Wasser-Glykol-Gemisch
Während konventionelle Chiller auch mit Wasser als Kühlflüssigkeit arbeiten, kommt das bei Tieftemperatur Kaltwassersätzen nicht infrage. Um das Einfrieren des Mediums bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zu verhindern, kommt daher Sole zum Einsatz. Deswegen werden diese Geräte auch Solekühler genannt. Das Wasser ist also mit Frostschutzmittel gemischt, um auch bei tiefen Temperaturen einen zuverlässigen Betrieb sicherstellen zu können.
Einsatzbereiche der Water-Chiller für tiefe Temperaturen
Low Temp oder Tieftemperatur Kaltwassersätze kommen in verschiedensten industriellen Bereichen zum Einsatz. So zum Beispiel in der Chemie- und der Pharmaindustrie. Aber auch bei Produkttests, bei denen besonders niedrige Umgebungstemperaturen zu simulieren sind, leisten die Lösungen zuverlässig ihren Dienst. Die folgende Liste zeigt verschiedene Einsatzgebiete im Überblick:
Chemie- und Pharmaindustrie
Automobil-, Luft- und Raumfahrttechnik
Kühlräume und Kühltechnik
Produkttests und klinische Studien
Grundsätzlich eignen sie sich aber für alle Anwendungen, bei denen Kühlwasser mit sehr niedrigen Temperaturen erforderlich ist.
Tieftemperatur Kaltwassersatz kaufen oder mieten
Low Temp Water Chiller sind zum Kaufen oder Mieten erhältlich. Erstere bestehen meist aus einem stabilen Gehäuse, das alle relevanten Bauteile beinhaltet. Es lässt sich im Außenbereich aufstellen und an den Kühlkreislauf anschließen. Die Verflüssigung kann dabei direkt oder indirekt über Rückkühlwerke beziehungsweise Kühltürme erfolgen. Die Geräte stehen üblicherweise auf einem stabilen Transportrahmen, sodass sie sich per Stapler oder Kran bewegen und positionieren lassen.
Mietgeräte decken vorübergehenden Kältebedarf ab
Benötigen Anlagenbetreiber die Lösungen nur vorübergehend, können sie Tieftemperatur Kaltwassersätze mieten. Die Anlagen befinden sich dabei komplett vormontiert in mobilen Transportcontainern. Diese sind für den Anschluss an den Kühlkreislauf vorbereitet und flexibel nahezu überall aufstellbar. Infrage kommen die Mietgeräte unter anderem in folgenden Fällen:
Kältebedarf besteht nur kurzfristig, etwa um Produkttests durchzuführen
Kälteanlagen stehen aus Wartungs-, Reparatur- oder Umrüstgründen still
Tieftemperatur Kaltwassersätze sind kurzfristig ausgefallen (Notkälte)
Besonders der letzte Punkt ist in industriellen Bereichen wichtig. Denn der Ausfall eigener Technik geht häufig mit finanziellen Einbußen oder sogar hohen Folgekosten einher. Notkälte-Anlagen sind schnell im Einsatz und sichern die Produktion vorübergehend ab. Wer einen Tieftemperatur Kaltwassersatz zum Mieten als redundante Lösung vorhalten möchte, sollte sich allerdings rechtzeitig (vor einer Störung oder einem Ausfall) mit einem Anbieter in Verbindung setzen, um einen sogenannten Notfallplan aufzustellen.
