Verstehen, was eine kühlende Tonne bedeutet

SCHMILZT: Die latente Schmelzwärme von Eis beträgt 144 Btu/Pfund, was bedeutet, dass für jedes zu Wasser geschmolzene Pfund Eis 144 Btu absorbiert werden. (Mitarbeiterfoto).

Servicetechniker verwechseln Motorleistung (PS) oft mit Tonnen von Kühlleistung. Ein weit verbreitetes Missverständnis ist, dass 1 Tonne Kühlung 1 PS entspricht. Diese Aussage gilt nur für einige Anwendungen mit höheren Temperaturen wie Klimaanlagen. Tatsächlich entspricht 1 PS bei Kühlanwendungen bei mittleren und niedrigen Temperaturen kaum einer 1 Tonne Kühlleistung.

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Eine Tonne Kälte ist eine Wärmeübertragungsrate, keine Wärmemenge. Eine Tonne entspricht der Wärme, die beim Schmelzen von 2.000 Pfund (1 Tonne) Eis bei 32 °F in 24 Stunden (1 Tag) absorbiert wird. Dies entspricht 12.000 Btu/h oder 12.000 Btuh. Btu/h und Btuh werden oft synonym verwendet und bedeuten dasselbe: 12.000 Btuh entsprechen auch 200 Btu/min, da eine Stunde 60 Minuten hat. Die folgende mathematische Formel beweist, dass 1 Tonne Kühlung 12.000 Btuh entspricht.

(2.000 Pfund Eis) x (144 Btu/Pfund) ÷ (24 Stunden) = 12.000 Btuhso, 1 Tonne Kühlung = 12.000 Btuh oder 200 Btu/min

Hinweis: Die latente Schmelzwärme von Eis beträgt 144 Btu/lb, was bedeutet, dass für jedes zu Wasser geschmolzene Pfund Eis 144 Btu absorbiert werden.

Wenn Kühl- oder Klimaanlagen für 1 Tonne Kälteleistung ausgelegt sind, bedeutet dies, dass die Geräte Wärme mit einer Rate von 12.000 Btuh abführen müssen. Allerdings hätten Geräte, die 12.000 Btu in 30 Minuten entfernen, eine Kapazität von 2 Tonnen. Wenn die Kühlanlage in 4 Stunden 12.000 Btu entfernt, beträgt ihre Kapazität nur ¼ Tonne. Beachten Sie, dass in allen drei Szenarien 12.000 Btu Wärmeenergie entfernt werden; Allerdings bestimmte die Zeitrate oder wie schnell diese Systeme die 12.000 Btu entfernten, die Kapazität des Systems in Tonnen.

In jedem Systemtyp gibt es Variablen, die die Kapazität dieses Systems bestimmen.

Verdampferdruck: Ein höherer Druck im Verdampfer würde bedeuten, dass auch das Zylindervolumen des Kompressors einem höheren Druck ausgesetzt wäre. Dies bedeutet, dass die Zylinder bei jedem Abwärtshub einem dichteren Dampf ausgesetzt sind. Dieser Dampf mit höherer Dichte in den Kompressorzylindern erhöht den Massendurchsatz des Kältemitteldampfes durch den Kompressor und erhöht somit die Kapazität.

Jedes Mal, wenn Sie ein festes Volumen (Kompressorzylinder) mit einem höheren Druck füllen, sind mehr Kältemittelgasmoleküle vorhanden, was zu einer höheren Kältemitteldichte führt. Der Massendurchsatz des Kältemittels durch den Kompressor ist ein Produkt aus der Kolbenverdrängung und der Dichte des den Zylinder füllenden Kältemittels. Die Einheiten für den Massendurchfluss sind in Pfund/Minute:

Massenstrom = (Kolbenverdrängung) x (Kältemitteldichte) Pfund/Minute = Kubikfuß/Minute Pfund/Kubikfuß

Volumetrischer Wirkungsgrad: Wenn der Verdampferdruck erhöht wird, verringert sich das Kompressionsverhältnis, was wiederum den volumetrischen Wirkungsgrad der Kompressorzylinder erhöht. Sowohl der hohe als auch der niedrige Systemdruck können als Verhältnis ausgedrückt werden, das als Kompressionsverhältnis bezeichnet wird. Das Kompressionsverhältnis ist definiert als der absolute Auslassdruck dividiert durch den absoluten Saugdruck:

Kompressionsverhältnis = Absoluter Förderdruck ÷ Absoluter Saugdruck

Die meisten Servicetechniker stellen fest, dass ihre Wartungsanzeigen Null anzeigen, wenn sie nicht an ein System angeschlossen sind, obwohl auf den Messgeräten ein Druck von etwa 15 psi herrscht, der durch atmosphärischen Druck entsteht. Das liegt daran, dass diese Messgeräte so kalibriert sind, dass sie bei atmosphärischem Druck Null anzeigen. Um daher den wahren oder absoluten Förder- und Saugdruck bei einem Überdruck von Null oder mehr zu verwenden, muss ein Techniker 14,696 psi oder etwa 15 psi zum Manometerwert addieren.

Wenn man sich auf den absoluten Druck bezieht, wird psia verwendet, um die Größe des Drucks zu kennzeichnen, und psig bezeichnet die Größe des Drucks, wenn man sich auf Manometerdruck bezieht. Ein Verdichtungsverhältnis von 6 zu 1 wird als 6:1 ausgedrückt und bedeutet einfach, dass der Auslassdruck sechsmal so groß ist wie der Saugdruck.

Ein hoher volumetrischer Wirkungsgrad bedeutet, dass ein größerer Teil des Zylindervolumens des Kolbens mit neuem Kältemittel aus der Saugleitung und nicht mit Gasen mit erneut expandiertem Zwischenraum gefüllt wird. Je höher der volumetrische Wirkungsgrad, desto größer ist die Menge an neuem Kältemittel, die bei jedem Abwärtshub des Kolbens in den Zylinder eingeführt wird, und somit wird bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle mehr Kältemittel zirkuliert. Das System verfügt nun über eine bessere Kapazität und eine höhere Effizienz. Je höher der Ansaugdruck, desto geringer ist auch die erneute Expansion der Auslassgase, da die Auslassgase bei dem höheren Ansaugdruck weniger erneut expandieren und das Ansaugventil früher öffnet.

Abgabedruck: Je niedriger der Auslassdruck ist, desto geringer ist die Rückexpansion der Auslassgase im Totraum des Zylinders, um den Ansaugdruck zu erreichen. Wie viel des Kolbenhubraums durch neue Kältemitteldämpfe gefüllt wird, hängt vom Systemdruck und der Ventilkonstruktion ab. Ein Servicetechniker kann bis zu einem gewissen Grad steuern, wie hoch oder niedrig der Förder- und Saugdruck sein wird. Wenn der Austrittsdruck (Kondensationsdruck) niedrig und der Saugdruck (Verdampfungsdruck) so hoch wie möglich gehalten werden kann, ohne die Temperatur des gekühlten Produkts zu beeinträchtigen, ist das Kompressionsverhältnis niedrig und der volumetrische Wirkungsgrad hoch. Dies führt dazu, dass ein höherer Massendurchsatz an Kältemittel durch den Kompressor fließt und die Kapazität des Systems erhöht wird.

Kompressorüberhitzung: Indem man die Temperatur der Saugleitung, die in den Kompressor eintritt, und den Saugdruck an diesem Punkt misst und in eine Sättigungstemperatur umwandelt, ergibt sich aus der Differenz zwischen beiden die Überhitzung des Kompressors. Je höher die Überhitzung des Kompressors ist, desto heißer werden die Kältemittelgase in den Kompressor gelangen. Dies führt zu einer geringeren Kältemitteldichte und einem geringeren Massendurchsatz des Kältemittels durch den Kompressor. Der Servicetechniker kann sicherstellen, dass der Kompressor nicht zu stark überhitzt.

Pro 10 °F Gesamtüberhitzungsänderung kommt es zu einer Kapazitätsänderung von ca. 1 %. Mit zunehmender Gesamtüberhitzung nimmt die Kapazität ab. Diese Faustregel sollte nur für Servicezwecke und nicht für Designzwecke verwendet werden. Weitere Faktoren, die beeinflussen, wie viel Kompressorüberhitzung der Kompressor erfährt, sind die Länge und Isolierung der Saugleitungen, die Umgebungstemperatur, der die Saugleitung ausgesetzt ist, und die vorhandenen Flüssigkeits-/Saugleitungswärmetauscher. Wenden Sie sich immer an den Hersteller des Kompressors, um herauszufinden, was die ideale Kompressor-Rückgastemperatur oder die maximal zulässige Rückgastemperatur für Ihre Kompressoranwendung ist.

Unterkühlung: Je stärker das Kältemittel unterkühlt ist, bevor es in den Verdampfer gelangt, desto größer ist die Kühlleistung des Systems. Dieses Phänomen tritt auf, weil die in den Verdampfer eintretende kühlere Flüssigkeit nicht so stark verdampfen muss, um sich auf die mit dem Verdampferdruck verbundene Verdampfungstemperatur abzukühlen. Je weniger Blitze vorhanden sind, desto größer ist der Nettokühlungseffekt (NRE) im Verdampfer. Bei jeder Änderung der Flüssigkeitsunterkühlung um 1 °F ändert sich die Kapazität etwa um ein halbes Prozent. Mit zunehmender Unterkühlung erhöht sich die Kapazität. Diese Faustregel sollte nur für Servicezwecke und nicht für Designzwecke verwendet werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Systemkapazität erhöht wird, wenn das Kältemittelrückgas zum Kompressor so dicht wie möglich gehalten wird. Außerdem wird die Systemkapazität erhöht, wenn der Saugdruck so hoch wie möglich gehalten wird, ohne die Produkttemperatur zu beeinträchtigen, und der Kopfdruck so niedrig wie möglich gehalten wird. Außerdem ist die Systemkapazität umso höher, je mehr Flüssigkeitsunterkühlung in den Verdampfer gelangt.

John Tomczyk ist emeritierter HVACR-Professor an der Ferris State University in Big Rapids, Michigan, und Mitautor von Refrigeration & Air Conditioning Technology, herausgegeben von Cengage Learning. Kontaktieren Sie ihn unter [email protected].