Ultra-Niedrig-Temperatur (ULT) Gefrierschrank

Konstruktionsüberlegungen für Tieftemperaturstufen

Secop haftet nicht für einen Verstoß gegen die in Abschnitt 11.1
(Secop-Verkaufsbedingungen), wenn:

• (a) der Käufer die Produkte nach einer solchen Mitteilung weiter verwendet;
• (b) der Mangel darauf zurückzuführen ist, dass der Käufer die mündlichen oder schriftlichen Anweisungen von Secop hinsichtlich der Lagerung, Installation, Inbetriebnahme, Verwendung oder Wartung der Produkte nicht befolgt hat; oder
• (c) der Käufer diese Produkte ohne die vorherige schriftliche Zustimmung von Secop verändert oder repariert.

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1. Kältesystem

1.1 Einzelne Stufe, Autokaskade oder 2-stufige Kaskade

Die technischen Risiken und die technische Komplexität dieser drei Konfigurationen sind sehr unterschiedlich.
Unter der Annahme, dass Standard-Kältemittelverdichter verwendet werden, erzeugen einstufige und Autokaskaden-ULTs während der Start- und Abzugsphase Überlastdrücke für den Verdichter. Abhängig von der Zusammensetzung des Kältemittelgemischs und den Temperaturen (Umgebung/Kühlraum) kann diese Überlast die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Verdichters verringern. Eine "gute" Einstellung kann stabile Betriebsbedingungen schaffen, die den Verdichter während des normalen Betriebs nicht beeinträchtigen. Thermische Überlastung (höhere Umgebungstemperatur oder Beladung mit unzureichend vorgekühlten Gütern) kann zu ernsthaften Überlastungsdrücken für den Verdichter führen.
Zweistufige Kaskaden-ULTs sind vergleichsweise komplexe Kühlsysteme, die eine gute Regelungseinrichtung für die Verdichter erfordern. Andererseits haben zweistufige Kaskaden-ULTs das Potenzial, mit viel breiteren Betriebsgrenzen (z.B. höheren maximalen Umgebungstemperaturen) zu arbeiten, ohne die Verdichter zu überlasten und somit eine sehr lange Lebensdauer und sehr gute Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

1.2 Kältemittel

Die thermodynamischen Eigenschaften des Kältemittels sind der Schlüssel zum Erreichen geeigneter Kondensations- und Verdampfungstemperaturen und zur Realisierung einer ausreichenden Kühlleistung. Um eine Temperaturlücke zwischen der Umgebungstemperatur (Kondensation) und den Temperaturen im ULT-Fach (Verdampfung bei -90°C oder niedriger) zu schließen, ist ein sehr spezielles Kältemittel erforderlich, um akzeptable Arbeitsbedingungen (Drücke, Massenstrom des Kältemittels) für den Verdichter zu schaffen. Bei ULT-Verdampfungstemperaturen haben Kältemittel aus der Standardkälte (z.B. R290, R404A...) eine extrem niedrige Kälteleistung, da Druck und Dichte des Sauggases sehr niedrig sind. Die Auswahl von Kältemitteln mit höherer Kälteleistung bei ULT-Verdampfungstemperatur ist erforderlich. Leider erzeugen diese Kältemittel (oder Kältemittelgemische) sehr hohe Drücke, wenn sie bei normaler Umgebungstemperatur kondensieren.
Vielleicht gelingt es der chemischen Forschung eines Tages, ein Kältemittel mit ULT-optimierten thermodynamischen Eigenschaften zu entwickeln, doch leiden einstufige ULTs derzeit entweder unter einer geringen Kälteleistung (große Abmessungen und ineffektiver Verdichter) oder unter hohen Kondensationsdrücken (Sicherheit, Zuverlässigkeit).
Kältemittelart und Temperaturstufen (Kondensation, Verdampfung, Zwischentemperatur bei zweistufigen Systemen) müssen so gewählt und eingestellt werden, dass die zulässigen Betriebsdrücke des Verdichters (z.B. im Datenblatt veröffentlicht) nicht zu lange überschritten werden.

1.3 Empfehlung

Um das Risiko eines ausfallenden Verdichters und den Verlust wertvoller Waren in einer ULT-Tiefkühltruhe zu vermeiden, empfiehlt Secop, ULT-Kühlsysteme mit einer 2-stufigen Kaskade zu bevorzugen.

3. Pull Down

Bei vielen ULT-kompatiblen Kältemitteln und Kältemittelgemischen kann es während des Pull-Downs zu Überlastdrücken auf der Verflüssigungsseite kommen.
Diese Überdrücke können die Lebensdauer des Verdichters verkürzen und sind aus rechtlicher Sicht möglicherweise nicht zulässig. Als wirksames Mittel zur Vermeidung kritischer Drücke wird der Einbau eines Hochdruck-Sicherheitsschalters in die Hochdruckseite des ULT-Kältekreislaufs empfohlen, um den Verdichter abzuschalten, wenn der Verdichtungsdruck auf ein kritisches Niveau ansteigt.
Eine mehrfache Aktivierung des Hochdruck-Sicherheitsschalters kann während der ersten Phase des Pull-Downs auftreten. Die Geschwindigkeit des Pull-Down-Ereignisses wird dadurch etwas verlangsamt, aber die Sicherheit ist insgesamt auf dem bestmöglichen Niveau gewährleistet.
Wenn ein drehzahlgeregelter Verdichter im ULT-Kältekreislauf installiert ist, sollte geprüft werden, ob kritische Drücke vermieden werden können, wenn die Motordrehzahl des Verdichters während der ersten Phase des Pull-Downs niedrig gehalten wird.

5. Blockierung des Kapillarrohrs (Niedertemperaturstufe)

Wenn die Verdampfungstemperatur der Niedertemperaturstufe sehr niedrig ist, wird das Risiko des Verstopfens/Gefrierens von Öl immer realistischer. Die erste Stelle im Kältesystem, an der ausreichend kalte Temperaturen für eine Ölverstopfung auftreten können, ist das Kapillarrohr. Leider kann gefrorenes Öl an dieser Stelle den gesamten Kühlprozess stoppen. Das Blockieren des Kapillarrohrs führt dazu, dass der Verdampfungsdruck in der Niedertemperaturstufe abnimmt. Die Kühlleistung sinkt auf Null, wenn die verbleibende Flüssigkeit aus dem Verdampfer zu Gas wird.

5.1 Erforderlicher Ölabscheider

Das Gefrieren von Öl ist ein Prozess, der je nach Temperatur, Öleigenschaften und der Menge des zirkulierenden Öls einige Zeit in Anspruch nimmt. Um das Risiko einer Blockierung des Kapillarrohrs durch gefrorenes Öl so gering wie möglich zu halten und lange Abtauintervalle zu ermöglichen, wird dringend empfohlen, einen geeigneten Ölabscheider zwischen Verdichterauslass und Verflüssigereinlass der Niedertemperaturstufe zu installieren. Analysieren Sie das Blockierungsverhalten der Kapillarrohre des Kühlsystems sehr sorgfältig, um Abtaualgorithmen mit den geringstmöglichen Auswirkungen auf die Temperaturen des Kühlraums zu definieren.

5.2 Was passiert bei einer Blockierung?

Eine direkte Analyse der blockierten Kapillarrohre, die es ermöglicht, das blockierende Material zu isolieren, ist sehr schwierig, da die Rückstände wieder geschmolzen/verdampft sind, wenn die Temperaturen ein für die manuelle Handhabung ausreichendes Niveau erreicht haben, und die Position der Blockierung von außen nicht zu erkennen ist.
Auf der Grundlage von Temperatur-, Druck- und Zeitmessungen können einige Annahmen getroffen werden:

• Blockierungen treten seltener auf, wenn ein Ölabscheider verwendet wird: Entweder das Öl selbst oder "etwas", das vom Öl getragen wird oder im Öl gelöst ist, verfestigt sich.
• Die Zykluszeit von einer bis zur nächsten Kapillarrohrblockierung ist lang und nahezu konstant: Die Ansammlung des blockierenden Materials erfolgt langsam und stetig.
• Vor der vollständigen Blockierung kommt es zu einem erheblichen Druckverlust im Verdampfer: Erst wenn ein großer Teil des Kapillarrohrquerschnitts blockiert ist, fällt der Verdampfungsdruck deutlich ab. Die Zufuhr von Kältemittel in den Verdampfer wird nahezu eingestellt, und die Überhitzung des Verdampfers nimmt rasch zu. Die Folge ist, dass die Kühlleistung auf Null sinkt, während der Verdichter fast mit normaler Leistung arbeitet (der Stromverbrauch sinkt). Der abnehmende Verdampfungsdruck führt zu einem weiteren Temperaturabfall im Inneren des Kapillarrohrs, was die endgültige Blockierung des Kapillarrohrs beschleunigt.
• Der Innendurchmesser des Kapillarrohrs hat Einfluss auf die Zykluszeit der Kapillarrohrblockierung. Die Verwendung eines vergleichsweise "kleinen" Innendurchmessers (mit angepasster Länge) für das Kapillarrohr erfordert weniger "Material" für die Blockierung, da die Temperatur und der Massenstrom des Kältemittels gleich sein sollten, wenn ein enges oder ein breites Kapillarrohr verwendet wird. Die Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels in einer engen und einer weiten Kapillare wird jedoch unterschiedlich sein. Dies wird höchstwahrscheinlich eine ausgleichende Wirkung haben.
• Die Verwendung eines thermostatischen Expansionsventils anstelle eines Kapillarrohrs scheint eine gute Idee zu sein, um den Verlust von Kühlleistung aufgrund eines blockierten Kapillarrohrs zu verhindern. Derzeit gibt es keine (kleinen) Expansionsventile auf dem Markt, die für Temperaturen bis zu -100°C freigegeben sind.

5.3 Niederdruckschalter

Wenn das Kapillarrohr blockiert oder sogar fast blockiert ist, erhöht jeder weitere Betrieb des Verdichters den Aufwand (Zeit, benötigte Heizenergie) für die Wiederherstellung des Normalbetriebs (Abtauen des Kapillarrohrs), während die Kühlleistung im Verdampfer bereits gegen Null geht.
Ein sehr guter Indikator für ein blockiertes Kapillarrohr ist ein ungewöhnlich niedriger Druck im Verdampfer. Ein Niederdruckschalter (mit offenem Druck ca. 30% unter dem niedrigsten normalen Verdampfungsdruck) kann ein schnelles und zuverlässiges Signal zum Stoppen der Kühlung und Starten der Abtauung geben.
Wenn auf ein blockiertes Kapillarrohr schnell reagiert wird, können Kühlverluste, Temperaturspitzen und Temperaturerholungszeiten im Kühlraum gering gehalten werden.
Langer Betrieb mit blockiertem Kapillarrohr führt zu Verdichterbetrieb ohne Kältemittelmassenstrom bei sehr niedrigem Verdampfungsdruck (außerhalb der freigegebenen Druckgrenzen) > Der Verdichter kann durch den Betrieb in diesem Zustand beschädigt werden (späte Schutzabschaltung aufgrund extremer Niedriglast > Überhitzung des Motors).

5.4 Kapillarrohr-Abtauung

Werden bei einer Kapillarrohrblockierung keine aktiven Maßnahmen (durch die Schaltschranksteuerung) eingeleitet, dauert die Rückkehr zum Normalbetrieb sehr lange (... Verdichterbetrieb bis zur Abschaltung durch den Motorschutz, natürliche Abtauung bei Stillstand des Verdichters). Um den Temperaturanstieg im Kühlraum so gering wie möglich zu halten, muss der Verdichter sofort abgeschaltet und abgetaut werden, wenn das Kapillarrohr blockiert ist.
Wenn ein blockiertes Kapillarrohr festgestellt wird, muss der Verdichter gestoppt werden, um eine weitere Abkühlung und ein Einfrieren des Kapillarrohrs und der Umgebung zu verhindern. Um den normalen Betrieb wieder zu ermöglichen, muss der blockierte Abschnitt des Kapillarrohrs aufgeheizt werden, um die Blockierung zu lösen. Eine genaue Vorhersage, wo sich der blockierte Abschnitt befindet, ist nicht möglich (sehr wahrscheinlich im letzten Drittel des Kapillarrohrs) und kann von Fall zu Fall unterschiedlich sein.

• Natürliche Abtauung
  Das Abschalten des Verdichters ohne aktive Erwärmung des Kapillarrohrs (nur durch Wärmeleitung) ist in vielen Fällen für das Abtauen ausreichend. Die für die Abtauung erforderliche Verdichterabschaltzeit ist für jede Schrankkonstruktion spezifisch und kann auch von der Umgebungstemperatur abhängen (Verluste in der Kapillarrohrisolierung).
• Abtauung mit Kapillarrohrheizung
  Das Abschmelzen eines blockierten Kapillarrohrs kann beschleunigt werden, indem das Kapillarrohr bei abgeschaltetem Verdichter mit einer externen Heizung aufgeheizt wird. Heizzeit und Heizleistung müssen sorgfältig eingestellt werden. Das Aufheizen des letzten Drittels des Kapillarrohrs sollte ausreichen, um den gewünschten Effekt zu erzielen.
• Wenn das Kapillarrohr blockiert ist, sollte sofort mit der Abtauung begonnen werden.
  Vorbeugendes Abtauen mit einer festen Zykluszeit ist sehr hilfreich, um lange Erholungszeiten und einen hohen Temperaturanstieg im Kühlraum zu vermeiden.
• Durch den Einbau eines Ölabscheiders wird die Notwendigkeit des Abtauens erheblich verringert.

7. Leistungsregelung einer 2-stufigen Kaskaden-ULT (Verdichter mit fester oder variabler Drehzahl)

Im Allgemeinen können beide Verdichter einer 2-stufigen Kaskadenkälteanlage mit Verdichtern mit fester Drehzahl oder mit variabler Drehzahl ausgeführt werden.

• Verdichter mit fester Drehzahl in beiden Stufen - ein Temperatureingang
  Die Ein/Aus-Regelung für beide Stufen kann mit Bezug auf die Temperatur des Kühlraums erfolgen. In diesem Fall sollte der Verdichter einer Hochtemperaturstufe zuerst gestartet werden; die zweite Stufe sollte mit einer angemessenen Zeitverzögerung gestartet werden, um einen zu hohen Stromverbrauch zu vermeiden. Die Stabilität der Kühltemperatur und die Energieeffizienz sind bei dieser Konfiguration nur mäßig.
• Verdichter mit fester Drehzahl in beiden Stufen - separater Temperatureingang für beide Stufen
  Beide Verdichter starten und stoppen unabhängig voneinander (hohe Temperaturstufe <> Zwischenkühlertemperatur, niedrige Temperaturstufe <> Kühlraumtemperatur). Die Schaltschranksteuerung muss sicherstellen, dass nicht beide Verdichter gleichzeitig anlaufen, um eine zu hohe Spitzenstromaufnahme zu vermeiden. Das Abschalten des Verdichters der Niedertemperaturstufe, während der Verdichter der Hochtemperaturstufe noch in Betrieb ist, kann dazu führen, dass eine große Menge flüssigen Kältemittels in den Verdichter der Hochtemperaturstufe zurückfließt > der Einbau eines Flüssigkeitssammlers in die Saugleitung der Hochtemperaturstufe wird empfohlen. Die Stabilität der Kühltemperatur ist nur mäßig; die Energieeffizienz kann bei dieser Konfiguration besser sein als bei einem einzelnen Temperatureingang.
• Kombination aus Verdichter mit fester Drehzahl und Verdichter mit variabler Drehzahl
  Idealerweise sollte der drehzahlgeregelte Verdichter für niedrige Temperaturstufen eingesetzt werden, um eine sehr stabile Temperatur im Kühlraum zu erreichen. Für die getrennte Leistungsregelung der beiden Kaskadenstufen ist ein separater Temperatureingang erforderlich (hohe Temperaturstufe <> Zwischenkühlertemperatur, niedrige Temperaturstufe <> Kühlraumtemperatur). Der Energieverbrauch kann niedriger sein als bei Verdichtern mit fester Drehzahl (in den niedrigen Temperaturstufen), da die niedrigste Verdampfungstemperatur der drehzahlgeregelten Verdichteranlage höher sein kann als bei einer Verdichteranlage mit fester Drehzahl.
• Kombination von zwei drehzahlgeregelten Verdichtern
  Getrennte Temperatureingabe für getrennte Leistungsregelung der beiden Kaskadenstufen ist erforderlich (hohe Temperaturstufe <> Zwischenkühlertemperatur, niedrige Temperaturstufe <> Kühlraumtemperatur). Der Energieverbrauch und die Stabilität der Kühlraumtemperatur sind bei dieser Anordnung am besten.