Eine Publikation der Binkert Medien AG
Kälte- und Lufttechnik: Ausgabe 01-02/2018, 06.02.2018

Optimaler Wirkungsgrad für Kälteanlagen

Hydraulische Weichen können durch ihre Grösse in Kälteanlagen zu räumlichen und statischen Problemen führen. Doch das muss nicht sein. Eine geschickte Anordnung der Behälter verhindert eine Durchmischung des Primär- und Sekundärkreises der Kälteanlage.

Autor: Björn Mühlena, Geschäftsführer von DMS Metall- und Schweisstechnik

Bilder: DMS Metall- und Schweisstechnik GmbH

Hydraulische Weichen dürfen gemäss VDMA 24770 in einem bestimmungsmässigen Betrieb im Einsatz sein. Doch vor allem bei Kälteanlagen führen die ausladenden Dimensionen der Behälter häufig zu räumlichen und statischen Problemen. Veränderungen, wie beispielsweise die Verringerung der Bauhöhe oder des Durchmessers, führen zu einer Durchmischung der Vor- und Rücklaufströme. Dadurch erhöht sich die Temperatur des Primärkreislaufs, die Leistung sinkt und die Sollwerte am Verbraucher lassen sich nicht mehr einhalten. Statt eines stehenden Rohrs als hydraulische Weiche, nutzt DMS zwei liegende Behälter, die über- oder nebeneinander angeordnet sind. Primär- und Sekundärkreislauf verlaufen jeweils durch einen der Behälter, die durch ein Ausgleichsrohr verbunden sind. Dadurch ist nicht nur die Kälteweiche deutlich niedriger in der Bauhöhe bei geringerem Betriebsgewicht, auch die Durchmischung beider Kreise lässt sich verhindern. So kann das Unternehmen mit dieser Lösung ein konstantes Temperaturniveau und einen optimalen Wirkungsgrad an den Verbrauchern erreichen.

Rechenbeispiel.

Bei einer Kälteleistung von beispielsweise 1400 kW und einem Volumenstrom von 200 m3/h muss in eine Kälteanlage mit vier Kaltwassersätzen und vier Verbrauchern nach VDMA-Einheitsblatt 24770 eine Weiche mit einem Durchmesser von 900 mm und einer Gesamthöhe von 5300 mm eingebaut sein. Somit übersteigt die Weiche jede Standardraumhöhe bei weitem. Hinzu kommt, dass diese Einrohrweiche ein Betriebsgewicht von etwa 4 t erreicht, das punktuell auf dem Boden lastet, was auch an die Statik des Betriebsraums besondere Anforderungen stellt. Über die zwei Sammler und zwei Verteiler, die Experten an die Weiche anflanschen oder separat aufstellen, strömt in die Einrohrweiche jeweils 200 m³/h entsprechend 3,3 m³/min Wasser ein und erzeugt unvermeidlich in den Bereichen der Anschlüsse innerhalb der Weiche starke Turbulenzen. Eine Vermischung der Primär- und Sekundärvolumenströme lässt sich nicht ausschliessen, da bei dem insgesamt niedrigen Temperaturniveau von beispielsweise 6 °C Vorlauf sowie 11 bis 12 °C Rücklauf und den daraus resultierenden geringen Temperaturdifferenzen der Kreisläufe von sechs oder weniger Grad die Dichten annähernd gleich sind, was eine Schichtung innerhalb der Weiche verhindert. In der Folge stossen Architekten und Planer häufig an ihre Grenzen, wenn es um die Auswahl einer geeigneten Kälteweiche geht.

Geringe erforderliche Raumhöhe durch liegende Behälter.

«Die Idee zu dieser neuartigen Weiche kam Herbert Wiebracht, ein unabhängiger Planer für kältetechnische Anlagen, bei einem Projekt in Hamburg. Dort mussten Fachleute eine verlässliche Weiche bei gleichzeitig geringer Raumhöhe einbauen. Solche Situationen treten immer wieder auf», erklärt Dietrich Schöps, Produktmanager bei der DMS-Metall- und Schweisstechnik. Eine Weiche nach VDMA 24770 kam nicht in Frage. Um dieses Problem zu lösen, konstruierte Wiebracht gemeinsam mit DMS das nach ihm benannte System: Statt aus einem einzigen stehenden, grossvolumigen Rohr besteht das System aus zwei liegenden Behältern. «Die Volumenströme lassen sich auf diese Weise in den Vor- und Rücklaufvolumenstrom aufteilen und durch separate Behälter führen. Diese sind nur durch eine Ausgleichsleitung miteinander verbunden, damit die Hydraulik im System wirksam werden kann», so Schöps weiter. Der hydraulische Nullpunkt der Anlage liegt in der Ausgleichsleitung, die Volumenströme sind weitgehend voneinander getrennt.

Mit dieser Bauweise reduziert sich die Gesamthöhe um mehr als die Hälfte: Ausgehend von den oben genannten Voraussetzungen, sind pro Behälterdurchmesser von lediglich 800 mm notwendig, wodurch sich eine Gesamthöhe von 2250 mm inklusive Aufbauten ergibt. Da die Behälter deutlich kleiner sind als bei stehenden Einrohrweichen und in der Folge weniger Wasser enthalten, lässt sich das Betriebsgewicht ebenfalls erheblich reduzieren. Je nach dem Platzbedarf oder der Statik des Betriebsraums ist es möglich, die Behälter über- oder nebeneinander anzuordnen. Im Gegensatz zu üblichen Weichen entstehen beim System Wiebracht durch eine derartige Anordnung keinerlei Probleme wie eine Durchmischung der Vorlauf- und Rücklaufvolumenströme und damit die Erhöhung der Solltemperaturen.

Keine Durchmischung trotz ähn- licher spezifischer Dichten.

Bei stehenden Rohrweichen kommt es immer wieder zu Durchmischungen aufgrund der annähernd identischen Dichten: Mit 6 °C hat der Primärkreislauf eine Dichte von 999,94 kg/m3, der Sekundärstrom eine Dichte von 999,50 kg/m3 bei 12 °C. Eine Trennschicht kann sich also kaum ausbilden. Die Kreisläufe im System Wiebracht sind voneinander getrennt. Durch die Konstruktion ist eine Schichtung in diesem Fall gegeben. Ist der Primärvolumenstrom, wie bei jeder hydraulischen Weiche grundsätzlich erforderlich, gleich oder grösser als der Sekundärvolumenstrom, kann das Rücklaufwasser aus dem Verteilerkreis nicht in den Vorlaufstrom gelangen. So sind die Verbraucher stets mit optimalen Solltemperaturen versorgt, was eine Voraussetzung für einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage ist.

Zudem entfällt die Notwendigkeit von Sammlern und Verteilern. Die einzelnen Kreisläufe lassen sich direkt über Anschlüsse in den Böden der Vorlauf- und Rücklaufbehälter führen. Da der Volumenstrom in der Kältetechnik gegenüber der Heizungstechnik bei gleicher Leistung aufgrund der unterschiedlichen Temperaturdifferenzen in der Regel um den Faktor 3,3 grösser ist, kommt es zu vergleichsweise starken Turbulenzen innerhalb der Behälter. «In der Kältetechnik wird im Verhältnis zur Leistung sehr viel mehr Wasser umgewälzt als in der Heizungstechnik», bestätigt Schöps.

Die Turbulenzen führen im System Wiebracht dank der separaten Vorlauf- und Rücklaufbehälter nicht zu Durchmischungen. «Grosse und turbulente Volumenströme in den übereinander liegenden Vor- und Rücklaufbehältern beeinflussen den Wirkungsgrad der Gesamtanlage nicht, im Gegensatz zu den herkömmlichen stehenden Einbehälterweichen, die wir laminar betreiben müssen», führt Schöps aus. In der Summe konnte das Unternehmen so durch das System Wiebracht nicht nur Platz und Kosten einsparen, es erreichte auch einen sicheren bestimmungsgemässen Betrieb.

Individuell anpassbar.

Die hydraulische Weiche passen Fachleute stets an die durch die Kälteanlage und die Verbraucher gegebenen Anforderungen an. Der Behälterdurchmesser kann beispielsweise zwischen 300 und 1500 mm betragen, auch die Länge ist variabel. Abhängig davon, wie viele Kreisläufe eingebunden sind, sind eine unterschiedliche Anzahl Anschlüsse mit verschiedenen Nennweiten an einem Behälter machbar. «Sowohl an den Vor- als auch an den Rücklaufbehälter lässt sich eine entsprechende Anzahl an Kaltwassersätzen beziehungsweise Verbrauchern anschliessen», bemerkt Schöps. Wenn gewünscht oder erforderlich, können Experten bei übereinander angeordnetem Aufbau den unteren Behälter grösser ausführen, um gleichzeitig als Puffer zu dienen. Ausserdem verfügen die Behälter über einen Entschlammungsanschluss am tiefsten Punkt, wo sich Rostpartikel oder Eisenschlamm absetzen und entfernbar sind. In der Regel besteht die Weiche aus Stahl, S235JR beziehungsweise P265GH. Auf Wunsch sind auch Ausführungen in Edelstahl erhältlich.

DMS Metall- und Schweisstechnik GmbH
www.dms-metall.de



Kälteweiche in der Fertigung: Die Behälter sind durch eine Ausgleichsleitung miteinander verbunden.


Beim System Wiebracht werden die einzelnen Kreisläufe direkt über Anschlüsse in die Böden der Behälter geleitet, im Gegensatz zur stehenden Kälteweiche nach VDMA 24770 mit angeflanschten oder separat angeordneten Verteilern und Sammlern.