SCHOCKFROSTER
»Meine Herren, merken Sie sich Eins – ein Verdampfer und im Speziellen ein Schockfroster kann nur ökonomisch betrieben werden, wenn dieser den schlechtesten K-Wert besitzt!«
Trotzdem hat sich an der Sichtweise und den physikalischen Gesetzen kaum etwas geändert. Außer, dass das Fach „Kältetechnik“ zum Glück keine reine Männerdomäne mehr ist und nun der Dozent mit »Meine Damen und Herren« den Vortrag beginnt.
Heute arbeite ich in der Wärmetauscherbranche und diese „These“ bestimmt größtenteils unsere angewandte Technik in den Produktbereich Verdampfer und Unterbereich Schockfroster.
Eins habe ich in den letzten Jahren gelernt: Innovation bringt uns voran, verbessert meistens Ratio-Werte, erbringt Mehrwerte etc. Trotz aller Euphorie für etwas Neues müssen die Grundgesetze der Physik vollumfänglich respektiert werden und das Verständnis für die Anwendung vorhanden sein – in unseren Fall die Thermodynamik, sowie die Applikation Gefrieren bzw. Abkühlen.
Auch die Wärmetauschertechnik hat verschiedene Entwicklungen in dieser Zeit durchlebt, manche zum Vorteil in entsprechenden Applikationen (z.B. geschlitzte oder geprägte Lamelle bei Reinraumanwendungen).
Diese prospektiven Ansätze und Technologien wurden leider jedoch bei artfremden und dafür nicht konzipierten Anwendungen eingesetzt, um auf den in diesem Marktsegment befindlichen Preisdruck mit Nachlässen reagieren zu können.
Das kann nicht der Weg sein, denn letztendlich bezahlt der Betreiber die Zeche durch hohe Betriebskosten, fehlende Funktions- und Betriebssicherheit und zu guter Letzt mit der verminderten Produktivität der Anlage.
Um diese Behauptung zu begründen und den Sinn der oben zitierten Aussage meines ehemaligen Dozenten verständlicher darzulegen, möchten ich auf eine konkrete aber einfache Art und Weise das Phänomen Thermodynamik bei Wärmetauschern in der Produktgruppe Verdampfer und im Speziellen der Untergruppe der Schockfrostern erklären.
Sie können hier beruhigt weiterlesen – dafür wird weder ein thermodynamisches Studium benötigt, noch wird es einen Exzess an Fachausdrücken geben.
DIE GRUNDSÄTZLICHE ÜBERLEGUNG BEI SCHOCKFROSTERN IM KALTLUFTGEFRIERVERFAHREN IST:
Diese kommen dort zum Einsatz, wo auf engstem Raum schnelle und große Gefrierleistungen entscheidend sind.
Zum schnellen Abkühlen und Schockfrosten werden sie hauptsächlich in der Lebensmittelindustrie verwendet. Durch die professionell angewandte Technik unter Berücksichtigung der Bedürfnisse (Luftvolumenströme, verschiedene Leistungs- und Temperaturstufen etc.) der jeweiligen Installation (Kühlen oder Schockfrosten von Fleisch, Fisch, Geflügel, Fertiggerichten, Backwaren oder Milchprodukten) sollte der Betreiber – meist Lebensmittelhersteller – auf eine äußerst ergonomische, ökonomische und betriebssichere Luftkühlertechnik achten.
Bei den meisten Schockfrostern ist das Gefrier- bzw. Kühlgut direkt vor dem Wärmetauscher positioniert. Bei der Ausführung mit drückendem Luftstrom über den Wärmetauscher, wird der Luftstrom so verteilt, dass er gleichmäßig und in horizontaler Richtung aus dem Wärmetauscher austritt.
WELCHE ANFORDERUNG IST SOMIT AN DEN WÄRMETAUSCHER GESTELLT?
Schockfroster arbeiten größtenteils im Minustemperaturbereich. Das Gefriergut muss gemäß dem Anwendungprozess, in einer bestimmten Zeit bei konstanter Temperatur und großen Luftmengen auf gewünschte Kerntemperatur herunter gekühlt werden.
Kurz gesagt, mit großer Kälte- bzw. Gefrierleistung ein schnelles Konservieren der Waren zu garantieren.
Bei diesem Prozess kommt es unweigerlich zu Reifbildung an den Wärmetauscherlamellen. Das Kondensat bzw. der Reif bildet sich aus der bestehenden Luftfeuchtigkeit des Raumes und aus dem Feuchtigkeitsentzuges des Gefriergutes.
Übermäßige Reifbildung wirkt in gewissen Maßen als Wärmeübergangswiderstand und erhöht zudem den luftseitigen Druckverlust im Wärmetauscher. Die Konsequenz aus Letzteren sind stark sinkende Luftmengen (in Lagerräumen wirkt es sich zudem auf die Wurfweiten aus).
ANHAND EINES BEISPIELS KANN MAN DIES RELATIV EINFACH ERKLÄREN
Gehen wir davon aus, wir hätten zwei Aluminiumbleche, welche die gleiche Materialspezifikation und -stärke hätten. Der einzige Unterschied wäre, dass das eine Blech lediglich einen Quadratmeter groß, hingegen das Andere zwei Quadratmeter groß wäre.
Würde man in beide Bleche parallel eine exakt gleiche Energiemenge einbringen, würde sich in dem ein Quadratmeter großen Blech eine höhere Oberflächen- bzw. Materialtemperatur einstellen, als im zwei Quadratmeter großen. Geht man davon aus, dass das große Blech doppelt so viel Masse hat, wie das kleinere Blech, so verteilt sich der Energieeintrag auch auf doppelt so viele Moleküle. Aufgrund der daraus entstehenden Energieverteilung werden die Moleküle im größeren Blech weniger angeregt zu schwingen. Das Resultat der geringeren Molekülschwingungen ist eine geringere Oberflächen- bzw. Materialtemperatur.
In der Kältetechnik gilt das gleiche Prinzip, wie im obigen Beispiel – jedoch genau umgekehrt. Würde eine exakt gleiche Kälteleistung in beide Bleche eingebracht, würde das größere Blech eine höhere Oberflächentemperatur z.B. -8°C und das kleinere z.B. -12°C besitzen.
Belüftet man nun diese Bleche mit den exakt gleichen Voraussetzungen (Luftmenge, relative Feuchte, Lufttemperatur, atmosphärischer Druck etc.), stellt sich beim größeren Blech heraus, das wesentlich weniger Menge an Kondensat anfällt.
DIE ERKLÄRUNG IST EINFACH
Je höher die Temperaturdifferenz zwischen der Luft und dem Blech ist, desto höher ist die Bildung von Kondensat bzw. in unserem Fall Reif (p-T Diagramm, Taupunkt bei Wasserdampf Partialdruck in Abhängigkeit der relativen Luftfeuchtigkeit). Das Blech in unserem Beispiel ist mit der Lamelle am Wärmetauscher vergleichbar.
Die Oberflächentemperatur einer Lamelle hängt jedoch nicht nur von der Austauschfläche, sondern auch von der Rohrteilung ab. In dem Beispiel wird veranschaulicht, welche Unterschiede zwischen einer aligned (fluchtenden) und staggered (versetzen) Rohrteilung herrschen.
Hierbei wird unsere Teilung 55x55 und 55x27,5 mit 5/8“ Kernrohr herangezogen.
Quintessenz dieser Animation ist, dass durch die lichten Abstände der Rohre, die Reif- bzw. Eisbildung relativiert wird. Die Reifbildung folgt der Chaostheorie, wobei tendenziell festgestellt werden kann, dass die ersten Reifansätze um die Wärmetauscherkernrohre bzw. Lamellenhosen (welche mitunter den Lamellenabstand definieren) stattfinden, da diese Stellen die tiefsten Temperaturen besitzen (insbesondere beim Eintritt der Verteilerrohre).
Ist dieser lichte Abstand zwischen den Kernrohren zu gering, kann dieser durch die Reifbildung sich zusetzen bzw. den Luftstrom verringern oder gar teilweise oder gänzlich blockieren. Dadurch steigt der luftseitige Druckverlust und es verändert sich der Arbeitspunkt des Ventilators bis hin zum sogenannten Abrisspunkt (Pumpgeräusche).
Ist die Oberflächentemperatur der Lamellen, durch die kleineren Austauschflächen tiefer (größere Temperaturdifferenz zwischen Lufteintrittstemperatur und Lamellenoberflächentemperatur), bildet sich dadurch noch mehr Kondensat bzw. Reif. Die Reifbildung erfolgt dabei hauptsächlich wie bereits erwähnt um die Wärmetauscherkernrohre und natürlich auch auf der Lamellenoberfläche.
Eine kleinere Austauschfläche bedeutet nicht nur mehr Kondensatbildung, sondern auch schnelleres Wachstum von Frost. Dies hat zur Folge, dass sich auch die freie Anströmfläche, welche durch den Lamellenabstand definiert wird, verringert. Die Begründung liegt darin, dass sich mehr Kondensat in Form von Reif auf einer zu „klein dimensionierten“ Fläche absetzt. Da diese Fläche nur in „geringem Ausmaß“ zur Verfügung steht, baut sich zwangsläufig der Reif in Schichten auf, die sogenannte Reifdicke! Je höher die Reifdicke ist, desto geringer ist der lichte Abstand zwischen den bereiften Lamellen (z.B. 9,75 mm lichter Abstand zwischen Lamellen im Trockenzustand – bei 1 mm Reifbildung pro Seite schrumpft der lichte Abstand auf 7,75 mm).
WAS BEDEUTET DAS FÜR EINEN SCHOCKFROSTER?
Alle Schockfroster arbeiten mit zusätzlichen luftseitigen Druckverlusten (50-250 Pa), welche durch die Umlenkungen der Luftmassen und verringerten Anströmflächen an den Hordenwägen oder anderen Kühlgutträgern entstehen.
Eine „nachteilige“ Wärmetauschertechnik welche eine stärkere Reifbildung zur Folge hat, in Kombination mit den zusätzlichen externen Druckverlusten, verändert den Betriebspunkt des Ventilators und reduziert in Folge den dringend benötigten Luftmassenstrom (Luftmenge). Die zusätzliche stärkere Bereifung hat zur Folge, dass das Expansionsventil sich öffnet und sich tiefere Verdampfungstemperaturen einstellen, um bestenfalls den Wärmeübergangswiderstand durch die Reifbildung zu kompensieren. Dadurch erhöht sich die Last des Kompressors sowie der damit verbundene elektrische Verbrauch.
Beide Phänomene haben zur Folge, dass der Luftmassenstrom sowie die Luftaustrittstemperatur sehr inkonstant sind und das Gefriergut durch zu tiefe Luftaustrittstemperaturen beschädigt werden könnte und/oder die Gefrierzyklen von der Zeitvorgabe nicht eingehalten werden können.
Sinkt die Verdampfungstemperatur weiter, muss zudem abgetaut werden.
KANN MAN DIE AUSTAUSCHFLÄCHE ERHÖHEN INDEM MAN DIE LAMELLENABSTÄNDE REDUZIERT?
Diese Frage wurde mir oft als logische Konsequenz gestellt. Die Bestimmung eines Lammellenabstandes erfolgt hauptsächlich aus der Anwendung. Dabei spielen verschiedenen Kriterien eine Rolle wie z.B. Verdampfungstemperaturen, Kühlraumtemperatur, Wärmeeintrag und relative Feuchte, etc..
Würde ein Hersteller bei gleicher oder ähnlicher Anströmfläche mit z.B. Lamellenabstand 10 mm aufgrund der Anwendung anbieten und der andere um das gleiche Wärmeaustauschflächenverhältnis zu erreichen z.B. 7,5 mm verwenden, so könnte man mit Sicherheit davon ausgehen, dass mehrere zusätzliche Abtauzyklen bei dem verringerten Lamellenabstand notwendig werden.
Entscheidend ist jedoch auch die Rohrteilung, welche sicherlich mit dem Wirkungsgrad des Wärmetauschers bestimmt.
Auch sollte man beachten, dass kleinere Lamellenabstände bei ähnlich lamellierten Tiefen und Anströmflächen am Wärmetauscher immer zu höheren luftseitigen Druckverlusten bereits im nicht bereiften Zustand führen.
Eine Prägung der Lamelle zur Reduzierung des Materialeinsatzes – wie z.B. geschlitzt, pyramidal, etc. beim Verdampfer bzw. Schockfroster, ist eher als kontraproduktiv zu betrachten.
Die Prägung hat vorrangig die Aufgabe, die Luftschichten zwischen den Lamellen einer starken Turbulenz zu unterwerfen, um den Wärmeübergang zu optimieren, um somit kleinere Austauschflächen zu erzielen und den Materialeinsatz zu verringern.
Wie bereits oben erklärt, wird durch die Reduktion der Austauschflächen eine stärkere Reifbildung erzielt. Legt sich zudem dieser Reif über die Prägung - wie z.B. den Schlitz – verschließt der Reif diesen und der Effekt der Turbulenzerzeugung ist nicht mehr gegeben. In der Konsequenz würde zu einem hohen und vor allem schnellen Abfall der Kälteleistungen kommen, welche nur durch mehr Abtauphasen einigermaßen „behoben“ werden könnte. Der durch das Abtauen zusätzliche Energiebedarf sowie der Wärmeeintrag in den Kühlraum und die höheren Energiekosten am Kompressor sind bereits ein eklatanter Nachteil, wo hingegen die verringerte Verfügbarkeit aufgrund der extrem häufigen Abtauphasen des Systems den eigentlichen Kostenfaktor darstellen dürfte.
FAZIT
Mein Professor hatte somit vollumfänglich Recht. Der K-Wert bzw. U-Wert wird maßgeblich durch die Fläche und die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz bestimmt. Bei der letzteren spielt die Luftmenge (Luftmassenstrom) indirekt eine entscheidende Rolle, denn diese bestimmt die Temperaturdifferenz von Lufteintritts- und Luftaustrittstemperatur.
Will man das Kondensat bzw. den Reif reduzieren, muss man mit einer geringen Temperaturdifferenz zwischen Lufteintritts- und Lamellenoberflächentemperatur fahren. Dies kann nur durch geeignete Rohrteilungen und insbesondere größeren Austauschflächen erzielt werden.
Große Austauschflächen bedeuten aber, dass der U-Wert (U-Wert= Q / ( mittl. Log. Temp.-diff x A)) sinkt.
Gleiches gilt für „Schockfroster“ welche bei Plus Temperaturen arbeiten und eine Temperaturreduzierung des Kühlgutes vorrangig erzielen sollen. Hier kommt jedoch auch noch hinzu, dass weniger anfallendes Kondensat auch weniger Feuchtigkeitsentzug aus dem Kühlgut entspricht. Was wiederum weniger Gewichtsverlust bedeutet und eine bessere Produktqualität des Kühlgutes erzeugt.