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Kaskadensystem

Was ist ein Kaskadensystem?

Ein Kaskadensystem ist eine Art Kühlsystem mit zwei unabhängigen Systemen, wobei eines der Systeme – das System mit der niedrigeren Temperatur – einen Wärmetauscher als Verflüssiger verwendet, der die darin angesammelte Wärme abführt. Im Folgenden werden die Funktionsweise dieser Systeme und die Verwendung von Kältemitteln für Ultratief- oder Niedertemperaturanwendungen näher erläutert.

Kaskadenkühlsystem

Ein Kaskadenkühlsystem ist ein System für ultratiefe Temperaturen bis zu -70 °C mit zwei speziellen Kühlkreisläufen. Der erste Kreislauf wird als Primärkreislauf bezeichnet und ist der Hochtemperaturkreislauf; der zweite Kreislauf wird Sekundär- oder Tieftemperaturkreislauf genannt. Wie bereits erwähnt, sind beide Kreisläufe unabhängig voneinander.

In diesem Zweikreissystem ist der Primärkreislauf für die Kühlung des Sekundärkreislaufs zuständig, genauso wie es bei Kältemitteln der Fall ist. Sie eignen sich daher besonders für einen Kreislauf, in dem eine hohe Zuverlässigkeit in Bezug auf die Temperatur erforderlich ist.

Es gibt sozusagen zwei Varianten des grundlegenden Dampfkompressionskühlkreislaufs. Die erste wird als Kaskadenkreislauf bezeichnet, bei dem der Dampfkompressionskreislauf eingesetzt werden kann, wenn der Temperaturunterschied zwischen Verflüssiger und Verdampfer zu groß ist. An diesem Punkt kommt ein Kühlsystem zum Einsatz, das die Wärme aus dem Verflüssiger während des Verdampfungsprozesses sowie die Wärme aus der Verdichtung des Kältemitteldampfes auf dem Weg durch den Verdichter aufnimmt.

Der erste Kreislauf senkt somit die Verflüssigungstemperatur, wodurch später ein Druckabfall entsteht. Dies ist ein effizienteres Verfahren als der Wärmeentzug durch Konvektionsprozesse. Der Grund dafür ist, dass ein Verflüssiger in einer wärmeabsorbierenden Umgebung eine niedrigere Temperatur als die durch ihn zirkulierende Luft hat.

Die Wärme im Verflüssiger wird daher vom Verdampfer im zweiten Kühlsystem absorbiert. Die Kältemittel variieren im Allgemeinen je nach Art des Kreislaufs und der Zweck dieser Variation besteht genau darin, die Temperatur- und Druckparameter anzupassen.

So funktioniert ein Kaskadenkühlsystem

In einem Kaskadenkühlsystem können zwei Hauptstufen unterschieden werden. In der ersten Stufe (die Hochstufe) übernimmt der Kreislauf die Kühlfunktion. So wird das Kältemittel mit hohem Druck und hoher Temperatur durch den Verdichter ausgestoßen und gelangt in den Verflüssiger. Dieser Verflüssiger ist für die Übertragung der vom Kältemittel aus der Umgebung aufgenommenen Energie verantwortlich, die dann als Flüssigkeit wieder abgegeben wird.

Der nächste Schritt muss die Unterkühlung des Kältemittels beinhalten. Der Zweck dieses Vorgangs besteht darin, die Kapazität zu erhöhen und gleichzeitig sicherzustellen, dass die Flüssigkeit nur in eine Richtung fließt. Beim Kontakt des Kältemittels mit dem Plattenverdampfer wird das Kältemittel im Niedertemperaturkreislauf abgekühlt. Damit ist der Verdampfer-Verflüssiger-Kreislauf abgeschlossen, und das Hochtemperaturkältemittel nimmt die Wärme des Niederdruckkältemittels auf.

Anschließend kann eine zweite Stufe unterschieden werden. Diese zweite Stufe wird oft auch als Niederstufe bezeichnet und findet statt, wenn das Kältemittel mit hohem Druck und hoher Temperatur aus dem Verdichter ausgestoßen wird. In diesem Fall wirkt der Verflüssiger als Plattenwärmetauscher und das System beginnt mit hohen Drücken zu arbeiten. Anschließend wird das Kältemittel entweder gekühlt oder durch den Verdampfer der hohen Stufe von Dampf in Flüssigkeit umgewandelt. Nach der Unterkühlung gelangt das Kältemittel in den Verdampfer, wo es bei ultratiefen Temperaturen eingeleitet wird.

Vorteile eines Kaskadensystems

Ein Kaskadensystem bietet spezifische Vorteile gegenüber anderen Kühlmethoden. Beim Einsatz eines Kaskadensystems verringert sich das Kompressionsverhältnis jedes einzelnen Systems. Der volumetrische Wirkungsgrad wird daher in jeder Stufe erhöht und durch den gleichen Effekt wird das gesamte System als Ganzes wesentlich effizienter. Gleichzeitig ist zu beachten, dass ein Kaskadenkühlsystem auch eine geringere Verdrängung des Kompressors benötigt.

Außerdem ist die Austrittstemperatur im Kaskadensystem niedriger als in einem einstufigen System. Dieser Effekt ist für die Schmierung und die Öltemperatur von Vorteil. Schließlich ist noch anzumerken, dass in einem Kaskaden kühlsystem auch Hochdruckkältemittel verwendet werden. Durch diese Art von Kältemittel erreicht der Saugdruck positive Werte. Das bedeutet, dass diese Art von System nicht im Vakuum arbeiten muss, selbst wenn die gesättigte Ansaugtemperatur recht niedrig ist.

Vorsichtsmaßnahmen beim Betrieb eines Kaskadensystems

Beim Einsatz eines Kaskadensystems sind eine Reihe von Vorsichtsmaßnahmen zu beachten. Zunächst ist zu bedenken, dass es sich um ein System mit bestimmten Anwendungsgrenzen handelt und dass es daher wichtig ist, den Schmierzustand des Systems zu überwachen. Außerdem muss kontrolliert werden, dass keine Flüssigkeit in das System gesaugt wird.

Bei Niedertemperatursystemen ist darauf zu achten, dass die Temperatur des Rückgases nicht unter -60° C fällt. Dies ist wichtig, um den gusseisernen Verdichter nicht zu beschädigen. Es ist auch ratsam, die Öltemperatur und dessen Viskositätsstufe zu überwachen, damit es seine Funktion ordnungsgemäß erfüllen kann und kein Öl zurückfließt. Für das Öl muss außerdem ein hocheffizienter und gut dimensionierter Ölabscheider vorhanden sein. Wenn das Öl nicht zurückfließt, sind mit großer Wahrscheinlichkeit Enteisungszyklen notwendig, um den Saugdruck und den Massenstrom zu erhöhen. Auf diese Weise wird die Viskosität des Öls verringert, indem seine Temperatur erhöht wird und es in den Verdichter zurückfließt.

Die Rücklauftemperatur des in Richtung des Verdichters strömenden Gases muss hoch sein. In einigen Fällen können auch andere Verdichtergase, einschließlich Butan, für die Ölkühlung verwendet werden. Dieser Vorgang sollte jedoch immer mit nur wenigen Gramm Kältemittelgas durchgeführt werden.

Als letzter Punkt im Zusammenhang mit den Vorsichtsmaßnahmen in Kaskadenkühlsystemen sind die Rohrleitungen und ihre Isolierung zu nennen. Da sie bei sehr niedrigen Temperaturen arbeiten, muss die Isolierung dieser Komponenten und aller freiliegenden Teile unbedingt eine Temperatur unter dem Taupunkt gewährleisten. Dies ist besonders wichtig in Gebieten, in denen die Temperatur unter 0° C liegt. Dadurch wird die Kondensation und das Einfrieren der in der Luft vorhandenen Feuchtigkeit verhindert.