Auslegung einer Kombikühlzelle für Kühlung und Tiefkühlung mit Wärmerückgewinnung

Senger, Stephan

Auslegung einer Kombikühlzelle für Kühlung und Tiefkühlung mit Wärmerückgewinnung

Ingenieurwissenschaften - Energietechnik

Zusammenfassung

Inhaltsangabe:Kurzfassung:
In der vorliegenden Arbeit werden für eine Kombikühlzelle, die zur Bereitstellung der Kälteleistung notwendigen Anlagenkomponenten dimensioniert. Nach der technischen Konzeption werden die möglichen Abwärmequellen untersucht und die effizientere Lösung zur Wirtschaftlichkeitsanalyse herangezogen. Abschließend kann die sich als wirtschaftlich erweisende Variante zur Umsetzung vorgeschlagen werden.
Einleitung:
Durch das steigende Umweltbewusstsein in der heutigen Zeit sind Energieeinsparungen sowie eine effizientere Ausnutzung von immer größerer Bedeutung. Bei der Auswahl der geeigneten Kombizelle kann bereits ein Schritt in Richtung Energieeinsparung gegangen werden. Prinzipiell gesehen sind Kombikühlzellen eine Aneinanderreihung von mindestens zwei Kühl- oder Tiefkühlzellen in denen unterschiedliche Raumtemperaturen realisiert werden. Sie zeichnen sich im Vergleich zu Standardausführungen durch ihre geringeren mit der Umgebung in Verbindung stehenden Wandflächen aus.
Um eine realistische und zugleich optimale Auslegung der Systeme für eine Kombizelle zu gewährleisten, muss der Nutzen bekannt sein. Da ihr Einsatz besonders bei der Lebensmittelkühlung wiederzufinden ist, erfolgt die Auslegung anhand eines mittelständigen Fleischereibetriebes mit Produktion und Vertrieb. Täglich werden bis zu 12 Schweine und Rinder geschlachtet, verarbeitet und teilweise verkauft.
Nach der für die Anlagengröße entscheidenden Kältelastberechnung werden sämtliche Anlagenkomponenten für die Bereitstellung der Kälteleistung berechnet und geprüft ob Energieeinsparungen möglich sind. Für den Anwendungsfall der Fleischerei, wo einerseits Bedarf an Kühlung besteht und andererseits Wasser zu Reinigungszwecken benötigt wird, gilt es zu untersuchen ob eine Abwärmenutzung möglich ist und inwiefern sie sich wirtschaftlich rechnet. Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
SymbolverzeichnisVI
AbbildungsverzeichnisX
TabellenverzeichnisXII
1.Einführung1
1.1Funktion von Kombikühlzellen in Fleischereibetrieben2
1.2Grundlagen der Kältetechnik3
1.2.1Kreisprozesses einer Kompressionskälteanlage3
1.2.1.1Zustände des Kältemittels3
1.3Kühlung und Tiefkühlung in der Gewerbekälte4
1.4Kombikühlzellen4
1.4.1Konstruktion von Kombikühlzellen4
2.Kältelastberechnung6
2.1Äußere Lasten6
2.1.1Wärmestrom durch Transmission6
2.1.2Wärmestrom durch Luftwechsel8
2.2Innere Lasten10
2.2.1Ermittlung des […]

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Stephan Senger

Auslegung einer Kombikühlzelle für Kühlung und Tiefkühlung mit

Wärmerückgewinnung

ISBN: 978-3-8366-4393-1

Herstellung: Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2010

Zugl. Fachhochschule Erfurt, Erfurt, Deutschland, Bachelorarbeit, 2009

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http://www.diplomica.de, Hamburg 2010

Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit werden für eine Kombikühlzelle, die zur Bereitstellung

der Kälteleistung notwendigen Anlagenkomponenten dimensioniert. Nach der

technischen Konzeption werden die möglichen Abwärmequellen untersucht und

die effizientere Lösung zur Wirtschaftlichkeitsanalyse herangezogen.

Abschließend kann die sich als wirtschaftlich erweisende Variante zur

Umsetzung vorgeschlagen werden.

Abstract

The present work illustrates the combination cold storage cell with all the

necessary components, the provision and the dimension of the cold

achievements. After the technical conception the waste heat sources are

investigated and the more efficient solution is pulled up. Finally may I offer a

suggestion to the more economically variation.

III

Inhaltsverzeichnis

Symbolverzeichnis ... VI

Abbildungsverzeichnis ... X

Tabellenverzeichnis ... XII

Danksagung ... XIV

1. Einführung ... 1

1.1. Funktion von Kombikühlzellen in Fleischereibetrieben ... 2

1.2. Grundlagen der Kältetechnik ... 3

1.2.1. Kreisprozesses einer Kompressionskälteanlage ... 3

1.2.1.1. Zustände des Kältemittels ... 3

1.3. Kühlung und Tiefkühlung in der Gewerbekälte ... 4

1.4. Kombikühlzellen ... 4

1.4.1. Konstruktion von Kombikühlzellen ... 4

2. Kältelastberechnung ... 6

2.1. Äußere Lasten ... 6

2.1.1.Wärmestrom durch Transmission ... 6

2.1.2. Wärmestrom durch Luftwechsel ... 8

2.2. Innere Lasten ... 10

2.2.1. Ermittlung des Kühlgutdurchsatzes ... 10

2.2.1.1. Kühlzelle ... 10

2.2.1.2. Tiefkühlzelle ... 11

2.2.2. Wärmestrom durch Lagergutabkühlung ... 12

2.2.3. Wärmestrom durch Personen ... 14

2.2.4. Wärmestrom durch Beleuchtung ... 15

2.3. Vorläufige Kälteleistung ... 15

2.3.1. Auslegung der Verdampfer ... 16

2.3.1.1. Ermittlung der Verdampfungstemperaturen ... 17

2.3.2. Wärmestrom durch Luftumwälzung ... 20

2.3.3. Wärmestrom durch Abtauen ... 21

2.4. Effektive Kälteleistung ... 22

2.4.1. Auswertung der Ergebnisse ... 23

3. Dimensionierung der kältetechnischen Komponenten ... 25

3.1. Kältemittel ... 25

3.1.1. Auswahl des Kältemittels ... 26

3.2. Kreisprozess im log p,h Diagramm ... 27

3.3. Projektierung der Verdichter ... 27

3.3.1. Auswirkung der Kälteleistung auf die Anlagenlaufzeit ... 29

3.3.2. Kältemittelmassenstrom ... 30

3.3.3. Verdichtungsleistung ... 31

3.3.3.1. ideale Verdichtungsleistung ... 31

3.3.3.2. reale Verdichtungsleistung ... 31

3.4. Projektierung der Verflüssiger ... 34

3.5. Kältemittelvergleich ... 36

3.5.1. Vergleich von R404a und R134a für Tiefkühlung ... 36

3.5.2. Vergleich von R404a und R134a für Normalkühlung ... 38

3.6. Einsparung durch Flüssigkeits- Saugdampf- Wärmeübertrager ... 39

3.7. Rohrleitungsdimensionierung ... 41

3.7.1. Druckabfall in den Rohrleitungen ... 44

3.8. Auslegung des Expansionsventils ... 48

3.9. Projektierung des Magnetventils ... 51

3.10. Dimensionierung des Kältemittelsammlers ... 54

3.11. Auswahl von Filtertrockner und Schauglas ... 59

4. Wärmerückgewinnung ... 61

4.1. Begriffserklärung ... 61

4.2. Einsatzmöglichkeiten der Wärmerückgewinnung ... 61

4.3. Warmwasserbedarf ... 61

4.4. Nutzbare Abwärmequellen ... 62

4.4.1. Auswahl der geeigneten Abwärmequelle ... 63

4.5. Dimensionierung des WRG Speichers ... 66

4.6. Auslegung der Wärmeübertrager ... 68

4.6.1. Kältemittelseitiger Wärmeübertrager ... 68

4.6.2. Wärmeübertrager für die Nachheizung... 70

4.7. Schaltungsänderung mit Wärmerückgewinnung ... 72

5. Steuerungs- und Regelungstechnik ... 74

5.1. Funktion der Bauteile anhand der Tiefkühlanlage mit WRG ... 74

6. Wirtschaftlichkeitsberechnung ... 76

6.1. Ermittlung der Investitionskosten ... 76

6.2. Wirtschaftlichkeitsvergleich beider Systeme... 77

7. Zusammenfassung ... 82

Literaturverzeichnis ... XV

Anlagenverzeichnis ... XVI

Symbolverzeichnis

Symbol

Einheit

Bedeutung

[1/a]

Annuitätenfaktor

[m²]

Fläche

[]

Barwert

[kJ/kgK]

Spezifische Wärmekapazität von Wasser

[kJ/kgK]

Spezifische Wärmekapazität vor dem Erstarren

[kJ/kg/K]

Spezifische Wärmekapazität nach dem Erstarren

[a]

Diskontierungsfaktor

[mm]

Innendurchmesser

DT1

[K] Temperaturdifferenz zw. Lufteintrittstemperatur

und Verdampfungstemperatur

[-]

Wärmebrückenkorrekturfaktor

[m/s²]

Fallbeschleunigung

[kJ/kg]

Enthalpie

L,A

[kJ/kg]

Enthalpie der Außenluft

L,R

[kJ/kg]

Enthalpie der Lagerraumluft

[W/m²K]

Wärmedurchgangskoeffizient

[m³/h]

Durchflusskoeffizient

[kg]

Gesamtmasse des Lagergutes

[kg]

Kältemittelfüllmasse

24h

[kg/d]

Lagergutdurchsatz

[kg/s]

Kältemittelmassenstrom

[kg/h]

Massenstrom vom Wasser

[-]

Anzahl der Beleuchtungsquellen

[1/d]

Luftwechselzahl

[-]

Anzahl der Personen

[W]

Anschlussleistung der Beleuchtungsquelle

[kW]

Indizierte Verdichtungsleistung

[kW]

Isentrope Verdichtungsleistung

[W]

Klemmleistung

[°C]

Verdampfungsdruck

VII

[°C]

Verflüssigungsdruck

Abt

[W]

Heizleistung der Abtauheizung

[kWh]

Wärmekapazität des Bedarfs

rück

[kWh]

Rückgewinnbare Wärme

[kWh]

Speicherkapazität

[kWh]

Wärmekapazität der Aufheizung durch Verflüssiger

[kWh]

Wärmekapazität der Nachheizung durch Kessel

[kJ/kg]

Spezifischer Nutzkältegewinn

[kJ/m³]

Volumetrische Kälteleistung

[W/P]

Wärmeabgabe pro Person

[W]

Effektive Kälteleistung

0,v

[W]

Vorläufige Kälteleistung

Abt

[W]

Wärmestrom durch Abtauung

[W]

Wärmestrom durch Beleuchtung

[kW]

Verflüssigungsleistung

C,r

[kW]

Reine Verflüssigungsleistung

[kW]

Enthitzungswärme

[W]

Wärmestrom durch Lagergutabkühlung

[W]

Wärmestrom durch Luftumwälzung

[W]

Wärmestrom durch Luftwechsel

[kW]

Nennleistung

[W]

Wärmestrom durch Personen

[W]

Wärmestrom durch Transmission

[kW]

Unterkühlungswärme

[W]

Vorläufiger Gesamtwärmestrom

[kJ/kgK]

Entropie

[°C]

Temperatur

[°C]

Verdampfungstemperatur

[°C]

Verflüssigungstemperatur

VIII

[°C]

Temperatur des flüssigen Kältemittels

L,A

[°C]

Temperatur der Außenluft

L,R

[°C]

Temperatur der Lagerluft

[°C]

Raumtemperatur

[m³/kg]

Spezifisches Volumen

[m³]

Volumen

[dm³]

Hubvolumen

[m³]

Raumvolumen

[m³/h]

Geometrischer Hubvolumenstrom

[m³/h]

Volumenstrom am Verdichtereingang

eff

[m/s]

effektive Strömungsgeschwindigkeit

[kJ/kg]

Spezifische isentrope Verdichtungsarbeit

[kJ/kg]

Erstarrungsenthalpie

[kJ/kg]

Spezifische Enthalpiedifferenz des Lagergutes

[bar]

Druckverlust

[bar]

geplante Druckdifferenz

[bar]

tatsächliche Druckdifferenz

[bar]

Druckverlust durch Einzelwiderstände

Exp

[bar]

Druckdifferenz über dem Expansionsventil

ges

[bar]

Gesamtdruckverlust

g.H

[bar]

Druckverlust durch geodätische Höhe

min

[bar]

Minimale Öffnungsdruckdifferenz

[bar]

Druckverlust durch Rohrreibung

[K]

Temperaturdifferenz

[K]

Temperaturdifferenz beim Abkühlen

[K]

Temperaturdifferenz beim Unterkühlen

[K]

mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

[-]

Füllungsgrad

[%]

Relative Luftfeuchtigkeit

[-]

Indizierter Gütergrad

[-]

Liefergrad des Verdichters, Rohrreibungsbeiwert

[kg/m³]

Dichte

L,R

[kg/m³]

Dichte der Lagerraumluft

[h/d]

Anlagenlaufzeit

Abt

[h/d]

Relative Abtauzeit

[h/d]

Relative Betriebszeit der Beleuchtung

[h]

Abkühl- bzw. Gefrierzeit

Lü

[h/d]

Relative Laufzeit des Lüfters

[h/d]

Relative Verweilzeit der Personen

Abbildungsverzeichnis

Abb.1: Standardausführung einer Kühlzelle

Abb.2: Kreisprozess einer Kompressionskälteanlage

Abb.3: Beispiel einer Kombikühlzelle

Abb.4: Belegung der Kühlzelle

Abb.5: Belegung der Tiefkühlzelle

Abb.6: Bestimmung des vorläufigen DT1

Abb.7: Bestimmung des tatsächlichen DT1

Abb.8: Lastverteilung in der Tiefkühlzelle

Abb.9: Lastverteilung in der Kühlzelle

Abb.10: Anforderungen an Kältemittel

Abb.11: Vor- und Nachteile von Hubkolbenverdichtern

Abb.12: Gütegrad in Abhängigkeit vom Schadraum, Druckverhältnis

und Liefergrad eines halbhermetischen Verdichters

Abb.13: Prinzip-Schaltbild mit Flüssigkeits-Saugdampf-Wärmeübertrager

Abb.14: Rohrleitungsabschnitte in Kompressionskälteanlagen

Abb.15: Ausschnitt aus der Dampftafel von R134a

Abb.16: Vergleich von Elektronischen und Thermostatischen Expansionsventil

Abb.17: Korrekturfaktoren für die Dimensionierung des Expansionsventils

Abb.18: Randbedingung für die Berechnung der Kältemittelfüllmasse der

Tiefkühlanlage

Abb.19: Schematische Darstellung der Abwärmequellen bei

Kompressionskälteanlagen

Abb.20: Enthitzung, Verflüssigung und Unterkühlung

Abb.21: Wärmeschaubild zur Ermittlung der Speicherkapazität

Abb.22:

k-Wert in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur und der

Strömungsgeschwindigkeit

Abb.23: Druckverlust in Abhängigkeit vom Durchfluss und der

Wärmeübertragerfläche

Abb.24: Prinzip-Schaltbild mit Wärmerückgewinnung

XII

Tabellenverzeichnis

Tab.1: Allgemeine Daten

Tab.2: Wärmestrom durch Transmission

Tab.3: Wärmestrom durch Luftwechsel

Tab.4: Spezifische Enthalpiedifferenz des Lagergutes

Tab.5: Wärmestrom durch Lagergutabkühlung

Tab.6: Wärmestrom durch Personen

Tab.7: Wärmestrom durch Beleuchtung

Tab.8: Vorläufiger Gesamtwärmestrom

Tab.9: Wärmestrom durch Luftumwälzung

Tab.10: Wärmestrom durch Abtauen

Tab.11: ODP und GWP verschiedener Kältemittel

Tab.12: Coefficient of Performance

Tab.13: Kältemittelmassenstrom

Tab.14: Isentrope Verdichtungsleistung

Tab.15: Reale Verdichtungsendzustände

Tab.16: Tatsächliche Verflüssigungsleistung

Tab.17: Vergleich von R404a mit R134a für Tiefkühlung

Tab.18: Vergleich von R404a mit R134a für Normalkühlung

Tab.19: Optimierung der Tiefkühlung mittels Inneren Wärmeübertrager

Tab.20: Rohrdimensionierung

Tab.21: Rohrleitungslängen

Tab.22: Druckverlust in Rohrleitungen in bar

Tab.23: Druckverlust in Rohrleitungen in K

Tab.24: Dimensionierung des Thermostatischen Expansionsventils

Tab.25: Projektierung der Magnetventile für die Flüssigkeitsleitung

Tab.26: Minimale Kältemittelfüllmasse

Tab.27: Trockner- und Schauglasdimensionierung

XIII

Tab.28: Warmwasserbedarf

Tab.29: Abwärmeangebot aus der Tiefkühlung

Tab.30: Ermittlung der Speicherkapazität

Tab.31: Ermittlung der Montagezeiten

Tab.32: Wirtschaftlichkeitsvergleich beider Systeme

XIV

Danksagung

An dieser Stelle möchte ich mich bei allen Personen bedanken, die mich bei der

Bearbeitung dieser Arbeit unterstützt haben.

Ein besonderer Dank gilt meinen Betreuern Frau Prof. Dr. Cornelia König und

Herrn Prof. Dr. Holger Hahn, die mir jederzeit mit viel Engagement und guten

Ideen weiterhelfen konnten.

Einführung

1. Einführung

Durch das steigende Umweltbewusstsein in der heutigen Zeit sind

Energieeinsparungen sowie eine effizientere Ausnutzung von immer größerer

Bedeutung. Bei der Auswahl der geeigneten Kombizelle kann bereits ein Schritt

in Richtung Energieeinsparung gegangen werden. Prinzipiell gesehen sind

Kombikühlzellen eine Aneinanderreihung von mindestens zwei Kühl- oder

Tiefkühlzellen in denen unterschiedliche Raumtemperaturen realisiert werden.

Sie zeichnen sich im Vergleich zu Standardausführungen (Abb.1) durch ihre

geringeren mit der Umgebung in Verbindung stehenden Wandflächen aus.

Abb.1: Standardausführung einer Kühlzelle

Um eine realtitätsnahe und zugleich optimale Auslegung der Systeme für eine

Kombizelle zu gewährleisten, muss der Nutzen bekannt sein. Da ihr Einsatz

besonders bei der Lebensmittelkühlung wiederzufinden ist, erfolgt die Auslegung

anhand eines mittelständigen Fleischereibetriebes mit Produktion und Vertrieb.

Täglich werden bis zu 12 Schweine und Rinder geschlachtet, verarbeitet und

teilweise verkauft.

Nach der für die Anlagengröße entscheidenden Kältelastberechnung werden

sämtliche Anlagenkomponenten für die Bereitstellung der Kälteleistung

berechnet und geprüft ob Energieeinsparungen möglich sind. Für den

Einführung

Anwendungsfall der Fleischerei, wo einerseits Bedarf an Kühlung besteht und

andererseits Wasser zu Reinigungszwecken benötigt wird, gilt es zu untersuchen

ob eine Abwärmenutzung möglich ist und inwiefern sie sich wirtschaftlich rechnet.

1.1 Funktion von Kombikühlzellen in Fleischereibetrieben

Wie schon im vorigen Abschnitt erwähnt wird die Kombizelle zur Lagerung von

Schlachterei-Erzeugnissen genutzt. Nach der Schlachtung und groben Zerlegung

kommt die Ware in die Kühlzelle mit einer Lagertemperatur von 4°C. Hier

verbleibt das Fleisch bis zu einen Tag und wird dann direkt verkauft oder weiter

verarbeitet. Bei der Lagerung in der Kühlzelle ist es wichtig das Fleisch nicht

länger als 48Stunden zu lagern, weil Fleisch bekanntlich schnell verderblich ist.

Grund der Verderblichkeit ist die Temperatur von 4°C bei der das Wachstum von

Mikroorganismen lediglich eingeschränkt und nicht gestoppt wird. Abschließend

kann man sagen, dass die Kühlzelle zur Frischhaltung dient. Nach dem

Aufenthalt im Kühlbereich wird das Fleisch unter Zumischung von Gewürzen

weiter verarbeitet zu Steaks, gebrühten Würstchen und Salami. Um die Ware vor

Verderb zu schützen, lagert man sie in der Tiefkühlzelle bei einer Temperatur von

-20°C. Bei der Tiefkühllagerung der Ware ist es zu unterbinden, das Gefriergut

hohen Gefriergeschwindigkeiten auszusetzen. Das in den Fleischzellen

befindliche Wasser würde bei einer schnellen Abkühlung und Unterkühlung zu

Eis gefrieren, wobei das Volumen zunimmt. Die Zellen können eine schnelle

Volumenvergrößerung nicht aufnehmen und würden platzen. Jedoch ist die

Gefrierlagerung zur langfristigen Konservierung der Lebensmittel notwendig, weil

sämtliche Wachstumsvorgänge im Fleisch unterbrochen werden. Beispielsweise

beim Gefrieren von Steaks werden die zähen Eiweißketten gesprengt, was

später den Genuss anregt. Ein weiterer Einflussfaktor auf die Qualität des

Fleisches ist die Luftfeuchtigkeit. Ist sie zu hoch kommt es zur Vermehrung

wasserliebender Bakterien an der Oberfläche des Fleisches. Ist die die

Luftfeuchtigkeit zu niedrig trocknet das Fleisch aus. Um beides auszuschließen

wird es bevorzugt das Gefriergut verpackt einzulagern.

Einführung

1.2. Grundlagen der Kältetechnik

1.2.1. Kreisprozesses einer Kompressionskälteanlage

Zur Beschreibung und Veranschaulichung des Kälteprozesses verwendet man

das log p,h - Diagramm (Abb.2), welches wichtige Daten für die Berechnung der

kältetechnischen Komponenten liefert. Das in Abbildung 2 dargestellte Diagramm

beschreibt den idealen Kälteprozess mit Überhitzung und Unterkühlung, welcher

sich durch den realen Prozess bezüglich seiner Verluste unterscheidet. Für die

Dimensionierung der Bauteile werden die Enthalpien(h), Entropien(s),

Temperaturen(T), Drücke(p) und Spezifischen Volumina(v) dem Diagramm direkt

entnommen oder mittels Dampftabelle ermittelt. Das den Kreisprozess

durchlaufende Kältemittel unterzieht sich einem ständigen Phasenwechsel, wobei

oberhalb des kritischen Punktes keine Phasentrennung stattfindet, da die Dichte

der Flüssigkeit gleich der des Dampfes ist.

Abb.2: Kreisprozess einer Kompressionskälteanlage

1.2.1.1. Zustände des Kältemittels

Der Prozess beginnt mit dem Ansaugen überhitzten gasförmigen Kältemittels aus

dem Verdampfer (1). Der Verdichter komprimiert den Kältemitteldampf auf den

hohen Verflüssigungsdruck

p und der damit verbundenen hohen Temperatur

(isenstrope Verdichtung: 1 2). Unter Wärmeabgabe erfolgt in der ersten Zone

Einführung

des Verflüssigers die Enthitzung (2 2`). Unter Abgabe weiterer Wärme

durchläuft das Kältemittel einen Phasenwechsel vom gasförmigen zum flüssigen

Zustand (2` 3`). Um beim Eintritt in das Entspannungsorgan flüssiges Kältemittel

als Vorlage zu gewährleisten, muss der Arbeitsstoff weiter unterkühlt werden

(3` 3). Nach der stetigen Wärmeabgabe und damit verbundenen sinkenden

Enthalpie wird das flüssige Kältemittel auf den Verdampfungsdruck entspannt

(3 4). Das sich nun im Verdampfer befindliche Kältemittel ändert unter

Wärmeaufnahme seinen Aggregatzustand vom Flüssigen zum Gasförmigen.

Nach weiterer Überhitzung im Verdampferausgang (1` 1) beginnt der Prozess

erneut.

1.3. Kühlung und Tiefkühlung in der Gewerbekälte

Kühlung dient in der Gewerbekälte zur Frischhaltung von Lebensmitteln, wobei

Raumtemperaturen von unter 13°C bis zum Gefrierpunkt der eingelagerten

Produkte gefordert werden. Im Gegensatz zur Kühlung werden bei der

Tiefkühlung Temperaturen von -18°C oder tiefer gefordert. Abhängig von der

gewünschten Haltbarkeit des einzulagernden Produktes wird bei der

Frischhaltung der Lebensmittel ausschließlich gekühlt. Soll jedoch eine längere

Haltbarkeit erzielt werden, muss die Ware tiefgefroren werden.

1.4. Kombikühlzellen

1.4.1. Konstruktion von Kombikühlzellen

Da sich die Paneel-Bauweise im Laufe der Zeit durchgesetzt hat, wird diese auch

im Kühlzellenbau angewendet. Wände, Decke und Fußboden bestehen aus

vorgefertigten Paneelen. Die Stöße der einzelnen Elemente sind in Nut und

Feder mit integrierten Spannschlössern ausgeführt, welche die Stabilität einer

Kühlzelle um ein Vielfaches erhöhen. Bei der Ausführung als Kombizelle (Abb.3)

werden beide Zellen durch Spannschlösser miteinander verbunden. Um eine

entsprechend hohe Belastung der Bodenplatte gewährleisten zu können, werden

diese

Edelstahl

ausgeführt.

Desweiteren

ist

Edelstahl

ein

korrosionsbeständiger Werkstoff, was für die hohen Hygieneansprüche in der

Lebensmittelkonservierung spricht. Die Kühlzellenelemente bestehen meistens

aus Polyurethan-Hartschaum und einer Deckung aus verzinktem Stahlblech.

Planck, Erhard: Kälteanlagentechnik in Fragen und Antworten, 2.Band. Seite 209-211

Einführung

Polyurethan-Hartschaum ist besonders geeignet für den Kühlzellenbau durch

seinen niedrigen Wärmeleitwert von 0,025W/m*K. Durch entsprechend tiefe

Raumtemperaturen sollten die Zellen einen gewissen Bodenabstand aufweisen

um sie vor Unterfrieren zu schützen. Kühlzellen besonders Tiefkühlzellen sollten

mit Druckausgleichseinrichtungen versehen werden. Sie verhindern eine

Beschädigung der Kühlzelle durch Druckanstieg bzw. Druckabfall. Dieser kommt

zum Beispiel beim Öffnen von Kühlzellentüren zustande. Beim Öffnen strömt

warme Luft in den Tiefkühlraum, welche sich nach dem Schließen abkühlt. Bei

diesem Vorgang entsteht ein Unterdruck in der Tiefkühlzelle. Durch das

Druckausgleichsventil wird dieser Unterdruck mit dem Umgebungsdruck

ausgeglichen. Infolge des mit dem Abtauen verbundenen Temperaturanstieges

kann es auch zu einem Überdruck kommen, welcher ebenfalls durch das

Druckausgleichsventil vermieden wird. Das Druckausgleichsventil wird bei Zellen

deren Raumtemperatur unter 0°C liegt, mit einer Heizung ausgestattet um eine

fehlerfreie Funktion zu garantieren.

Abb.3: Beispiel einer Kombikühlzelle

Kältelastberechnung

2. Kältelastberechnung

2.1. Äußere Lasten

2.1.1. Wärmestrom durch Transmission

Wärmelast durch Transmission tritt auf, wenn die Umgebungstemperatur des zu

kühlenden Raumes höher ist als die Kühlraumtemperatur selbst. Zwischen

Umgebung und Lagerraum findet nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik ein

Wärmefluss in Richtung des Kühlraumes statt. In welcher Größenordnung diese

nicht zu vernachlässigende Wärmelast einzuordnen ist, hängt stark vom

verwendeten

Dämmmaterial,

Oberfläche

des

Kühlraumes

und

der

Temperaturdifferenz zwischen Umgebung und Innenraum ab. Die für die

Berechnung erforderlichen Daten werden Tabelle 1 entnommen. Die U-Werte für

die Ausführung in 8cm und 10cm Wandstärke wurden vom Hersteller direkt

erfragt.

Tiefkühlzelle

Kühlzelle

Aufstellort:

Keller

Geometrie der Kombizelle:

(Anlage A.1)

Innenmaße

Länge: 1,60m

Länge: 1,64m

Breite: 1,90m

Breite: 1,94m

Höhe: 1,95m

Lagerraumtemperaturen:

L,R

= -20°C

L,R

= 4°C

angrenzende Temperaturen

: Keller, teilweise unter Erdoberfläche

L,A

= 20°C

Erdboden unter Kühlraum

L,A

= 15°C

U-Wert:

U= 0,20 W/m²K U= 0,25 W/m²K

Tab.1: Allgemeine Daten

Die Berechnung der Transmissionswärme erfolgt mittels folgender Gleichung.

k A

t f

(Gl.1)

Breidert, H.J: Formeln, Tabellen ...für die Kälteanlagentechnik, 4.Auflage. Seite 50

Kältelastberechnung

Da sich die Kombizelle im Keller befindet und jegliche die Temperatur

beeinflussende Sonneneinstrahlung ausgeschlossen wird, kann mit Gl.2 die

wirksame Temperaturdifferenz berechnet werden.

L,A

L,R

t t

(Gl.2)

Die für die Berechnung erforderlichen Wandbezeichnungen sind Anlage A.2 und

die Ergebnisse Tabelle 2 zu entnehmen.

ite

Lä

/ H

öh

tto

flä

lä

flä

irk

ffe

-W

fü

är

rü

är

l / h A

Brutto

Abzug

netto

L,R

L,A

[m] [m]

[m²]

[m²] [°C] [°C]

[K]

[W/m²K]

[W]

Tiefkühlzelle

DE 1,60 1,90 3,04

3,04

-20

0,20

1,1

26,75

FB 1,60 1,90 3,04

3,04

23,41

AW1 1,9 1,95 3,71

3,71

32,65

AW2 1,60 1,95 3,12

3,12

27,46

IW1 1,90 1,95 3,71 1,44 2,27

11,99

IT1 0,80 1,80 1,44

1,44

7,60

AW3 1,6 1,95 3,12

3,12

27,46

Wärmelast durch Transmission:

157

Kühlzelle

DE 1,64 1,94 3,18

3,18

0,25

1,1

13,99

FB 1,64 1,94 3,18

3,18

0,25

9,62

IW1 1,94 1,95 3,78 1,44 2,27

-20

-24

0,20

-11,99

IT1 0,80 1,80 1,44

1,44

-20

-24

0,20

-7,60

AW4 1,64 1,95 3,20

3,20

0,25

14,08

AW5 1,94 1,95 3,78 1,44 2,34

0,25

9,37

AT1 0,80 1,80 1,44

1,44

0,25

10,30

AW6 1,64 1,95 3,20

3,20

0,25

14,08

Wärmelast durch Transmission:

Tab.2: Wärmestrom durch Transmission

Trotz annähernd gleicher Abmessungen der Bauteile und kleinerem k-Wert der

Zellenelemente im Tiefkühlraum, weist er einen deutlich höheren Wärmelastanfall

durch Transmission auf. Dieses Ergebnis ist durch eine deutlich größere

Kältelastberechnung

wirksame Temperaturdifferenz zwischen Umgebung und Lagerraum zu

begründen.

2.1.2. Wärmestrom durch Luftwechsel

Bei der Ein und Auslagerung der Ware dringt durch die geöffneten Türen warme

und feuchte Umgebungsluft in den Kühlraum ein. In welcher Höhe die Wärmelast

anfällt hängt stark von der Lagerraumgröße, dem Warenumschlag, der Dichte

und der Enthalpie der Lagerluft sowie der Enthalpie der Umgebungsluft ab.

Für die Kühlzelle wurde eine Luftwechselzahl von 10 1/d und für die Tiefkühlzelle

8 1/d angenommen. Die angenommenen Luftwechselzahlen beruhen auf

Erfahrungswerten, welche mir von dem Unternehmen bereitgestellt wurden

indem ich mein Praktikum absolvierte. Beim Kühlraum wurde eine höhere

Luftwechselzahl angesetzt, weil er als Durchgang zählt um in den Tiefkühlraum

zu gelangen. Dadurch findet ein zusätzlicher Luftaustausch mit der auf -20°C

abgekühlten Luft statt.

Um mittels Gl.3 den anfallenden Wärmestrom zu berechnen, muss zunächst die

Enthalpie und Dichte der unterschiedlichen Luftzustände zeichnerisch aus dem

h-x Diagramm (Anlage B) ermittelt werden. Die erforderlichen Enthalpien, die

Dichte der Lagerluft und die Berechnungen sind in Tabelle 3

zusammengeschrieben.

Annahme:

20 C

4 C

L,A

90%

85%

70%

Berechnungsformel für den Wärmestrom durch Luftwechsel:

L,R

L,A

L,R

V n

h )

86400s

(Gl.3)

Für

L,A

ist die Enthalpie der Luft einzusetzen die beim Türöffnen in den

Lagerraum strömt.

Kältelastberechnung

aß

üh

lra

üh

lra

ftw

rlu

är

ftw

Länge Breite Höhe

L,R

L,A

L,R

[m]

[m³]

[1/d] [kg/m³] [kJ/kg] [kJ/kg] [kJ/d]

[W]

Tiefkühlzelle

1,60

1,90

1,95

5,93

1,38

-18,5 2193,15

25,4

Kühlzelle

1,64

1,94

1,95

6,20

1,255

2412,11 27,9

-18,5

-2606,64 -30,2

Summe:

-2,3

Tab.3: Wärmestrom durch Luftwechsel

Die beiden einfallenden Wärmeströme bei der Kühlzelle sind dadurch zu

erklären, das auf der einen Seite ein Luftaustausch mit der Umgebungsluft

stattfindet und auf der anderen Seite ein Austausch mit der Luft aus der

Tiefkühlzelle. Die kältere einströmende Luft hebt den Wärmestrom der warmen

Luft vollständig auf. Es entsteht diesbezüglich ein ,,Kältegewinn" im Kühlraum.

Da in der Tiefkühlung lediglich der Luftwechsel mit Kühlraumluft stattfindet, ist die

berechnete Wärmelast von geringer Bedeutung.

Für den Fall das die Tiefkühlzelle nur von außen zu betreten ist, wird nachfolgend

die entstehende Wärmelast berechnet.

5,93m 8

1,38

(46

18,5

)

4222,63kWs d

48,9W

86400s d

Die anfallende Wärmelast würde sich nahezu verdoppeln bei einem

Luftaustausch mit der Umgebungsluft. Bei Tiefkühlzellen fällt diese Last sehr

gering aus, jedoch kann sie bei Tiefkühlhäusern einen ernst zu nehmenden

Einfluss auf die zu konzipierende Anlagengröße haben.

Kältelastberechnung

2.2. Innere Lasten

2.2.1. Ermittlung des Kühlgutdurchsatzes

2.2.1.1. Kühlzelle

Die maximale Belegung der Kühlzelle erfolgt über den Erforderliche Stauraum

der einzulagernden Waren und dem Raumvolumen. Es ist jedoch zu beachten,

dass die Kühlzelle eine Durchgangsfunktion hat um die Tiefkühlzelle zu betreten

(Abb.4). Aus diesem Grund muss das Volumen des Durchgangs vom

Raumvolumen abgezogen werden. Vom verbleibenden Raumvolumen werden

0,25m³ abgezogen für Technik (Verdampfer, Kondensatleitung).

Erforderlicher Stauraum für Rinder und Schweine im Mittel:

2,6m

1000kg

Raum

Durchgang

Technik

nutz

6,2m ,V

2,56m ,V

0,25m

3,39m

Die einzulagernde Gesamtmasse ergibt sich aus folgender Gleichung.

3,39m 1000kg

2,6m

1304kg

Abb.4: Belegung der Kühlzelle

Pohlmann: Taschenbuch der Kältetechnik, 19.Auflage. Seite 1117

Kältelastberechnung

Nach bekannter Gesamtmasse muss der Kühlgutdurchsatz

24h

angenommen

werden.

Annahme:

24h

1304kg 650

24h

Von den 650kg/d werden 400kg Rind und 250kg Schwein eingelagert.

2.2.1.2. Tiefkühlzelle

Die Bestückung der Tiefkühlzelle erfolgt mittels genormten E1 Kisten, deren

Abmaße 0,6 x 0,4 x 0,12m betragen. Mittels m

kann die Masse des

Inhaltes für eine genormte Kiste berechnet werden. Die Berechnung ergibt

26,5kg/Kiste. Aus Gründen der Sperrigkeit des Fleisches wird mit 20kg/Kiste

weiter kalkuliert. Um gute Zugänglichkeit zu Kühlgut und Technik gewährleisten

zu können, wird die Aufteilung mittels E1 Kisten wie folgt aufgeteilt (Abb.5).

Abb.5: Belegung der Tiefkühlzelle

Die Fläche der Belegung beläuft sich auf die Grundfläche von 8 E1-Kisten.

Stapel 8 sowie Stapel 1-5 haben eine Höhe von jeweils 16 Kisten was eine

Anzahl von 96 Kisten ausmacht. Stapel 6 und 7 haben eine Stapelhöhe von

jeweils

Kisten

ausreichend

Raum

für

Verdampfer

und

Kältelastberechnung

Kondensatabführung zu lassen. Somit beläuft sich die Anzahl aller Kisten auf

118, was eine Gesamtmasse des Kühlgutes von 2360kg ausmacht.

Das zunächst in der Kühlzelle gelagerte Fleisch wird nach der weiteren

Verarbeitung in der Tiefkühlzelle gelagert. Damit ergibt sich ein Kühlgutdurchsatz

von 650kg/d. Darin enthalten sind 300kg Rindfleisch, 200kg Schweinefleisch und

150kg Speck.

2.2.2. Wärmestrom durch Lagergutabkühlung

Nach der Ermittlung des Kühlgutdurchsatzes kann die Wärmelast durch

Lagergutabkühlung berechnet werden. Bei der Einlagerung von Gefriergut

befindet sich die Ware in der Regel nicht auf demselben Temperaturniveau wie

die Lagerraumtemperatur, sondern deutlich höher. Die entstehende Wärmelast

ist abhängig von den Stoffeigenschaften des Lagergutes sowie von der

Temperatur der Ware. Die Wärmeabgabe beim Gefrieren läuft in drei Stufen ab.

Die erste Stufe ist die Abkühlung von der Anfangstemperatur auf den

Gefrierpunkt, in der zweiten Stufe wird das Lagergut gefroren (Erstarrungswärme

wird frei) und in der letzten Stufe wird es weiter unterkühlt auf die

Lagerraumtemperatur. Für die Berechnung der Wärmelast ist eine Gefrier- bzw.

Kühlzeit von der jeweiligen Anlagenlaufzeit anzusetzen (18h Tiefkühlung,

16h Normalkühlung). Andernfalls kann es zur Überdimensionierung der

kältetechnischen Komponenten kommen.

24h

86400s

(Gl.4)

Die spezifische Enthalpiedifferenz beim Abkühlen auf Kühlraumtemperatur.

(Gl.5)

Die spezifische Enthalpiedifferenz beim Abkühlen und Unterkühlen.

(Gl.6)

Die Eintrittstemperaturen des Kühl- und Gefriergutes wurden für die Kühlzelle mit

20°C angesetzt und für die Tiefkühlzelle mit 15°C. Die angesetzten

Temperaturen wurden in einer Fleischerei erfragt und für die Berechnung

herangezogen. Zusammenstellung der Ergebnisse in Tabelle 4 und 5.

Kältelastberechnung

ifi

är

tä

itt

rie

üh

lra

ffe

üh

ffe

kü

ifi

ffe

üh

vor dem

Erstarren

nach dem

Erstarren

Ein

L,R

[kJ/kgK] [kJ/kgK] [kJ/kg] [°C]

[°C] [°C]

[K]

[kJ/kg]

Tiefkühlzelle

Rind

fett

2,55

1,49

172

-1 -20

241,1

Schwein

fett

2,14

1,34

153

212,7

Speck

2,30

1,30

132,5

Kühlzelle

Rind

fett

2,55

40,8

Schwein

fett

2,14

34,2

Tab.4: Spezifische Enthalpiedifferenz des Lagergutes

rie

üh

ifi

ffe

üh

rie

är

kü

24h

[kg]

[kJ/kg]

[h]

[kJ/h]

[W]

Tiefkühlzelle

Rind, fett

300

241,1

4018,3

1116,2

Schwein,

fett

200

212,7

2363,3

656,5

Speck

150

132,5

1118,9

306,7

Wärmelast durch Lagergutabkühlung:

2079

Kühlzelle

Rind, fett

400

40,8

1020

283,3

Schwein,

fett

250

34,2

534,4

148,4

Wärmelast durch Lagergutabkühlung:

432

Tab.5: Wärmestrom durch Lagergutabkühlung

Pohlmann: Taschenbuch der Kältetechnik, 19.Auflage. Seite 1123

Details

Seiten
Erscheinungsform: Originalausgabe
Jahr: 2009
ISBN (eBook): 9783836643931
DOI: 10.3239/9783836643931
Dateigröße: 4.3 MB
Sprache: Deutsch
Institution / Hochschule: Fachhochschule Erfurt – Gebäude- und Energietechnik, Studiengang GTI
Erscheinungsdatum: 2010 (März)
Note: 1,5
Schlagworte: kälteanlagen wärmerückgewinnung gewerbekälte tiefkühlung energitechnik

Autor

Stephan Senger (Autor:in)

Auslegung einer Kombikühlzelle für Kühlung und Tiefkühlung mit Wärmerückgewinnung

Zusammenfassung

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

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Autor

Stephan Senger (Autor:in)