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Luft als Kältemittel Natürlich kühlt am besten – Mit Luft als klimafreundlichem Kältemittel

| Redakteur: Dominik Stephan

Die F-Gase-Verordnung zwingt Anlagenbetreiber und -planer zum Umdenken. Alternativen zu herkömmlichen Kältemitteln mit ihren oft hohen Treibhausgaspotenzialen müssen her. Doch manchmal liegt das Gute so nahe: Ein neuer Prozess will mit Umgebungsluft die Anforderungen der Industrie übertreffen.

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Kühlen mit Luft: Der Cryoblizzard überzeugte beim Retrofit einer Gefriertrocknungsanlage.
Kühlen mit Luft: Der Cryoblizzard überzeugte beim Retrofit einer Gefriertrocknungsanlage.
(Bild: Bild: Hof Sonderanlagenbau; © merklicht.de - stock.adobe.com [M] Frank)

Ob Pharma, Biotech oder Chemie: aktuell befinden sich viele Prozesse aufgrund der gesellschaftlichen und politischen Reglementierungen bezüglich des Klimawandels im Umbruch. Besonders betroffen ist die Kälteerzeugung, da hier die etablierten Technologien durch politische Reglementierungen immer weiter eingeschränkt werden. Bei Anlagen mit Lebenszeiten über 30 Jahren steht für die Betreiber Zukunftssicherheit, Ausfallsicherheit und Qualität ihrer Anlagen im Fokus. Das setzt die Anlagenbauer unter Druck und führt zu ganz neuen Herangehensweisen.

Könnte etwa Luft als Kältemittel Karriere machen? Für Oliver Fleischer, Entwickler Kältetechnik und Serviceleitung bei Hof Sonderanlagenbau, ist der Fall klar: „Luft ist verfügbar, nicht brennbar, nicht giftig und man kann nicht ersticken. Luft hat kein Treibhauspotenzial (GWP, Global Warming Potential) und fällt somit nicht unter die F-Gase-Verordnung oder andere Reglementierungen. Das ist die Zukunft!“

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Entsprechend setzt die Firma aus Mittelhessen mit einer Neuentwicklung auf das Gasgemisch: Mit der Cryoblizzard genannten Technologie gelang der Retrofit einer Gefriertrocknungsanlage aus dem Jahre 1998. Bei der Anlage handelt es sich um einen Gefriertrockner mit einer Chargenkapazität von 40 kg für die Insulinherstellung. Die Kälteerzeugung wurde vor dem Retrofit durch zwei Kältesätze mit jeweils 12 kg des Kältemittels R404A (GWP 3922) realisiert. Die Steuerung der Prozessanlage erfolgte über eine Siemens S5.

Kälteerzeugung ohne Überdruck: Sicher ist sicher

Die Kälteerzeugung besteht aus redundanten Kaltluftmaschinen, die modular auf einen zentralen Ladespeicher aufgeschaltet werden. Dieser versorgt Verbraucher wie Stellplatten, Eiskondensator oder Schockfroster direkt mit dem Kälteträger und kann binnen kürzester Zeit große Leistungen mit homogener Temperaturverteilung abfahren. Dadurch bleiben Kühlwasser- und Stromverbrauch konstant, und es kommt zu keinen Lastspitzen. Der Kühlwasserverbrauch konnte um die Hälfte reduziert werden. Die Kaltluftmaschinen arbeiten nach dem Joule-Prozess.

Der maximale Überdruck in den Maschinen von drei bar ist vergleichbar mit einem Fahrradreifen. Für den Betreiber ergeben sich keine besonderen Anforderungen bezüglich des Maschinenraums, der Schulungen der Mitarbeiter, sowie wiederkehrenden Prüfungen. Zudem ist das Kältemittel Luft kostenfrei und immer verfügbar, hat einen GWP von 0 und ist damit von keinen Regularien betroffen.

Neue Wege für Prozesskälte in Zeiten der F-Gase-Verordnung

„Für uns war klar, dass wir als Innovationstreiber neue Wege für unsere Kunden gehen müssen“, erklärt Fleischer. „Der Vorteil von Luft als Kältemittel liegt auf der Hand!“ Der Kältekreislauf wird durch eine luftgelagerte, ölfreie Turboverdichter-Expander-Einheit angetrieben, die nahezu verschleißfrei bis zu 88 000 Umdrehungen pro Minute läuft. Dabei wird der Kälteträger im Ladespeicher in einem in der Kältemaschine integrierten Wärmeübertrager gekühlt. Die dadurch erwärme Luft wird von dem Turboverdichter angesaugt und verdichtet (im Verfahrensfließbild von 1 nach 2). Danach wird die Energie im Gaskühler an die Umgebung abgegeben und (von 2 nach 3) abgekühlt.

In einem inneren Wärmeübertrager, dem Rekuperator, wird die Luft stark abgekühlt (3-4) und dann (4-5) im Expander arbeitsverrichtend entspannt. Die Arbeit wird der Verdichtung wieder zugeführt. Die Energie wird nun durch die Erwärmung der Luft im Kälteträger-Wärmeübertrager (von 5 nach 6) aufgenommen. Nachdem die Luft sich im Rekuperator wieder erwärmt hat, wird sie vom Verdichter angesaugt und der Kreisprozess beginnt erneut.

Prozesskälte aus dem Anlagen-Baukasten

Durch den modularen Aufbau kann die Leistung des Cryoblizzard variabel skaliert werden und damit vom kleinen Gefriertrockner bis zur Zentralkälteanlage für komplette Werke angepasst werden. Mit der neuen Technologie können bestehende Anlagen als Retrofit erneuert und neue Anlagen realisiert werden. Damit verspricht Hof eine zukunftssichere Lösung für die Gefriertrocknung und Schockfrostung, die nicht nur sicher für Mensch und Umwelt sein, sondern auch bezüglich Qualität und Verfügbarkeit der Anwendung neue Maßstäbe setzen soll.

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