Definition Was ist ein Chiller?

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Chiller haben sich als effiziente Lösungen für die Abfuhr von Wärme mittels Wasserkühlung in vielen industriellen Bereichen und Prozessen etabliert. Was genau sind Chiller? Wie setzen sich diese Geräte bzw. deren Kältekreislauf zusammen und welche technischen Varianten gibt es?

Ein Chiller, auch Kaltwassersatz oder Wasserkühlsatz, Flüssigkeitskühlsatz bzw. Flüssigkeitskühler genannt, ist ein im Allgemeinen nach dem Prinzip der Kältemaschine arbeitendes Gerät, das über einen Kühlkreislauf ein flüssiges Medium (zumeist Wasser) auf eine spezifische Temperatur herunterkühlt. Die Funktionsweise eines Chillers ist mit dem Funktionsprinzip eines Kühlschrankes oder einer Wärmepumpe vergleichbar.

Der Einsatz von Chillern hat sich in vielen industriellen Anwendungen, etwa zur Kühlung von Schaltschränken, Prozessen, Laseranwendungen (z. B. Schneiden, Schweißen, additive Fertigung) oder einzelnen Maschinenteilen wie etwa Spindeln, Motoren oder Hydraulikvorrichtungen durchgesetzt.

Die Grundlage: der Carnot-Prozess

Die Grundlage für die Funktion von Chillern schaffte bereits 1824 der französische Physiker und Ingenieur Nicolas Léonard Sadi Carnot mit dem sogenannten Carnot-Prozess, einem Gedankenexperiment, das zur Realisierung einer reversiblen Wärme-Kraft-Maschine zur Umwandlung von Wärme in Arbeit dient. Er wird als Referenzprozess betrachtet, da er den maximalen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine angibt, der nur von den Temperaturen der Wärmequelle und des Kältebads abhängt.

Der Carnot-Prozess besteht aus vier Schritten:

• 1. Isotherme Expansion: Das Arbeitsmedium, typischerweise ein Gas, wird in einem Wärmezylinder bei konstanter Temperatur und Druck expandiert. Während dieser Expansion nimmt das Gas Wärme auf und verrichtet dabei Arbeit.

• 2. Adiabatische Expansion: Das Gas wird nun isoliert, sodass keine Wärme mit der Umgebung ausgetauscht wird. Das Gas dehnt sich weiter aus und kühlt sich dabei ab. Es verrichtet erneut Arbeit.

• 3. Isotherme Kompression: Das Gas wird im Wärmezylinder bei konstanter niedrigerer Temperatur und Druck komprimiert. Dabei gibt das Gas Wärme an die Umgebung ab und es wird weitere Arbeit verrichtet.

• 4. Adiabatische Kompression: Das Gas wird erneut isoliert, sodass keine Wärme ausgetauscht wird. Es wird weiter komprimiert, wodurch sich die Temperatur weiter erhöht. Dabei wird Arbeit auf das Gas ausgeübt.

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Wie ist ein Chiller aufgebaut?

Unabhängig von der jeweiligen Leistung besteht ein Chiller oder Kaltwassersatz aus den folgenden Komponenten:

• Verdampfer

• Verdichter

• Verflüssiger

• Expansionsventil

Am Verdampfer (Wärmetauscher) trifft erwärmtes Wasser aus dem angeschlossenen Kühlkreislauf auf ein Kältemittel. Das Wasser, als auch das Kältemittel vermischen sich dabei nicht. Da das Kältemittel aus dem Chiller nicht mit anderen Medien in Berührung kommt, wird es, ähnlich wie bei einem Kühlschrank, weder verbraucht, noch muss es nachgefüllt oder ersetzt werden.

So funktioniert ein Chiller

Bei der sogenannten Absorption von Wärme nimmt das Kältemittel die thermische Energie des Wassers auf und verdampft hierbei. Das gasförmige Kältemittel strömt anschließend in einen Verdichter, der das dampfförmige Kältemittel aufnimmt und dessen Druck durch Kompression erhöht. Hierbei steigt auch die Temperatur des Kältemittels. Da sich Wärme nur von einem höheren zu einem niedrigeren Temperaturniveau übertragen lässt, ist dieser Schritt notwendig, damit die thermische Energie aus dem Wasserkühler auf ein anderes System übertragen werden kann. Die Kältemitteltemperatur muss daher stets über der Umgebungstemperatur liegen.

Wenn der heiße Kältemitteldampf aus dem Verdichter austritt, strömt er zum Verflüssiger. Dieser zweite Wärmetauscher ist in der Lage, die Energie des Kältemitteldampfes an die Umgebung abzuführen. Das Kältemittel gibt somit Wärme ab und strömt anschließend zu einem Expansionsventil (Entspannung), wo es sich schlagartig ausdehnt und sich wieder verflüssigt. Somit kann das Kältemittel erneut in den Verdampfer eintreten und der gesamte Kühlprozess beginnt von vorne.

Durch den kontinuierlichen Kreislauf von Verdampfung, Kompression, Kondensation und Entspannung wird Wärme von einer kühlenden Flüssigkeit auf das Kältemittel übertragen und anschließend an die Umgebung abgegeben. Hierdurch kann ein Chiller die Temperatur eines zu kühlenden Mediums stets effektiv senken.

Welche Chiller-Arten gibt es?

Je nachdem, in welcher Art und Weise ein Kühlgerät die aufgenommene Abwärme an die Umgebung abführt, wird unterschieden zwischen

• luftgekühlten Chillern und

• wassergekühlten Chillern.

Der Kühlkreislauf arbeitet somit entweder mit einem luft- oder wassergekühlten Kondensator (Verflüssiger). Die genaue Funktionsweise kann je nach Chiller-Modell und Anwendungsgebiet variieren.

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Bei der Luftkühlung werden Ventilatoren eingesetzt, wobei der Kältekreislauf autark, also ohne zusätzliche Kühlquelle arbeiten kann. Die Abwärme eines luftgekühlten Chillers lässt sich beispielsweise in kälteren Monaten zum Heizen nutzen.

Ein mit einem wassergekühlten Kondensator arbeitender Chiller gibt hingegen die Abwärme an das vorhandene Kühlwassernetz ab. Hierdurch ist die Kühlleistung des Kaltwassersatzes unabhängig von der Umgebungstemperatur. Ein weiterer Vorteil besteht außerdem darin, dass durch das geschlossene System keine Abwärme in die Umgebung gelangt, wenn dessen Erwärmung nicht erwünscht ist und auch auf eine kostenintensive Klimatisierung verzichtet werden soll.

Welche Verdichtervarianten existieren?

Oben wurde die Funktionsweise eines Verdichters in einem Chiller beschrieben. Da ein Verdichter den Druck und die Temperatur des Kältemittels erhöht, erfüllt er eine wichtige Aufgabe, weil die Art des Verdichters unmittelbar Einfluss auf die Leistung eines Chillers hat. Hierbei kann unterschieden werden zwischen

• Rollkolbenverdichter: Rollkolbenverdichter haben einen exzentrisch gelagerten Rotor, der sich in einem Gehäuse mit einem Ein- und Ausgang dreht. Daher werden Rollkolbenverdichter auch als Rotations-, Rollkammer- oder auch Umlaufverdichter bezeichnet. Da die Saug- und Druckseite des Verdichters durch Schieber beziehungsweise Trennscheiben im Gehäuse getrennt sind, werden keine Ventile benötigt. Der drehende Rotor saugt zunächst das Kältemittel an und verdichtet es in einer aufgrund der Rotation kleiner werdenden Kammer. Rollkolbenverdichter arbeiten sehr effizient, leise und sind wenig störanfällig. Allerdings ermöglichen sie nur verhältnismäßig kleine Kühlleistungen.

• Scrollverdichter: Scrollverdichter dienen zur kontinuierlichen Druckerhöhung von Gasen. Die wesentlichen Bestandteile sind zwei Spiralen, die ineinandergreifen und von denen die Statorspirale unbeweglich ist. Dreht sich die beweglich Spirale (Exzenterspirale), entstehen zwischen den Wandungen mehrere, immer kleiner werdende Gasräume. Hierdurch wird der Kältemitteldampf verdichtet und kann mit höheren Temperaturen durch die Leitungen im Chiller zirkulieren. Scrollverdichter arbeiten mit einem konstanten Drehmoment und sind daher leise im Betrieb. Diese Verdichter werden zumeist in Chillern mit kleineren und mittleren Kühlleistungen verwendet.

• Hubkolbenverdichter: Hubkolbenverdichter, auch Kolbenkompressor genannt, saugen das gasförmige Kältemittel durch einen Zylinder an, in dem sich ein Kolben mit einem Ansaugventil befindet. Bewegt sich der Kolben im Zylinder nach unten, wird das Gas angesaugt, bewegt er sich nach oben wird das angesaugte Gas verdichtet. Hubkolbenverdichter funktionieren somit ähnlich wie eine Luftpumpe. Während die Volumenströme von Kolbenkompressoren eher klein sind, ist das Druckverhältnis zwischen Ein- und Ausgangsdruck hoch.

• Schraubenverdichter: Schraubenverdichter bestehen aus zwei gegeneinander laufenden Wellen. Eine Druckerhöhung wird erreicht, indem sich der Gasraum entlang der Wälzlinie (der Bereich, an dem sich die schraubenförmigen Wellen berühren) sukzessive verkleinert. Chiller mit Schraubenverdichter arbeiten vor allem gleichmäßig und ruhig, sind energieeffizient, erzielen einen hohen Wirkungsgrad und können unter Dauerlast betrieben werden.

• Turboverdichter: Turboverdichter erinnern im Aufbau an Turbinen, bei denen sich auf einer Welle mehrere Reihen von Laufschaufeln mit drehbaren und feststehenden Lamellen befinden. Durch die Drehung der Lamellen wird eine dynamische Druckerhöhung erzeugt, die am Ausgang des Verdichters als statische Druckhöhe verfügbar ist. Turboverdichter arbeiten, anders als die anderen Verdichterarten, in einem Chiller nicht nach dem Verdrängerprinzip und ermöglichen Geräte mit extrem hoher Kühlleistung.

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Aufgaben und Vorteile von Chillern

Chiller werden in vielen Industriebereichen zur Kühlung eingesetzt. In einem geschlossenen Kreislauf wird hierbei Kühlflüssigkeit z. B. zu einem Prozess, einer Maschine, einem Aggregat, und so weiter geleitet, um von dort die Wärme abzuführen. Ein Chiller hat hierbei die zentrale Aufgabe, die Kühlflüssigkeit abzukühlen. In einem internen Kältemittelkreislauf entzieht ein Chiller hierzu der rücklaufenden erwärmten Kühlflüssigkeit die thermische Energie und kühlt sie auf die gewünschte Vorlauftemperatur herunter. Ein Vorteil der meisten Chiller besteht in diesem Zusammenhang in der präzisen Temperaturregelegung selbst im Dauerbetrieb und bei schwankenden Umgebungsbedingungen.

Energieeffiziente Chiller arbeiten zumeist mit Wasserkühlung oder für eine Prozesskälte im Minus-Bereich mit einem Gemisch aus Wasser und Glykol, um ein Einfrieren der Kühlflüssigkeit zu verhindern.

Hersteller und Anbieter von Chillern bzw. Kaltwassersätzen

• AIT Wärmepumpen

• Atlas Copco

• Carrier

• Daikin

• Hafner-Muschler Kälte- und Klimatechnik

• IKG Industriekälte

• Junghans Engineering

• MBI

• Mitsubishi Electric

• MTA Deutschland

• Schwartec

• THERMO-TEC

• Rittal

• Secon

• Siloxa

• Swegon

• Zanotti Deutschland Kältetechnik Vertrieb

Bei dieser Aufzählung handelt es sich um einen Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

Quellen: Atlas Copco, Wikipedia, AIT Wärmepumpen, Deutsche Thermo, Rittal, MTA Deutschland

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