Anforderungen an Kältemittelleitungen

Dieser Leitfaden konzentriert sich auf Systeme, die Kältemittel-22 (R-22) verwenden. Während die allgemeinen Anforderungen für Systeme, die andere Kältemittel verwenden, dieselben sind, unterscheiden sich Geschwindigkeiten und Druckabfälle.

Die Überprüfung der physikalischen Veränderungen, die das Kältemittel im Kühlkreislauf erfährt, hilft dabei, bestimmte Anforderungen zu demonstrieren, die das Rohrleitungsdesign erfüllen muss.

Dampfkompressionskühlung

Die folgende Abbildung zeigt einen grundlegenden Dampfkompressions-Kältekreislauf. Kältemittel tritt in den Verdampfer in Form eines kühlen Niederdruckgemisches aus Flüssigkeit und Dampf ein (A). Von der relativ warmen Luft, die gekühlt wird, wird Wärme auf das Kältemittel übertragen, wodurch das flüssige Kältemittel zum Sieden gebracht wird. Der resultierende Kältemitteldampf (B) wird dann durch den Kompressor aus dem Verdampfer gepumpt, wodurch der Druck und die Temperatur des Dampfes erhöht werden.

Der dabei entstehende heiße Hochdruck-Kältemitteldampf (C) tritt in den Kondensator ein, wo Wärme an die Umgebungsluft übertragen wird, die eine niedrigere Temperatur als das Kältemittel hat. Im Kondensator kondensiert der Kältemitteldampf zu einer Flüssigkeit und wird unterkühlt. Dieses flüssige Kältemittel (D) strömt dann vom Kondensator zum Expansionsgerät. Dieses Gerät erzeugt einen Druckabfall, der den Druck des Kältemittels auf den des Verdampfers reduziert. Bei diesem niedrigen Druck siedet (oder verdampft) ein kleiner Teil des Kältemittels und kühlt das verbleibende flüssige Kältemittel auf die gewünschte Verdampfertemperatur ab. Das kühle Gemisch aus flüssigem und dampfförmigem Kältemittel (A) tritt in den Verdampfer ein, um den Zyklus zu wiederholen.

Kältemittelleitungen verbinden

Diese einzelnen Komponenten sind durch Kältemittelleitungen verbunden. Die Saugleitung verbindet den Verdampfer mit dem Kompressor, die Druckleitung verbindet den Kompressor mit dem Kondensator und die Flüssigkeitsleitung verbindet den Kondensator mit der Expansionsvorrichtung. Die Expansionsvorrichtung befindet sich typischerweise am Ende der Flüssigkeitsleitung, am Einlass des Verdampfers.

Bei der Auslegung von Kältemittelleitungen geht es um mehr als nur darum, Kältemittel von einer Komponente zur anderen zu transportieren. Ungeachtet der Sorgfalt, die bei der Auswahl und Anwendung der Komponenten des Kühlsystems aufgewendet wird, können Betriebsprobleme auftreten, wenn die Verbindungsleitungen unsachgemäß konstruiert oder installiert sind.

Anforderungen an Kältemittelleitungen

• Öl zurück zum Kompressor
• Stellen Sie sicher, dass nur flüssiges Kältemittel in das Expansionsgerät eintritt
• Minimieren Sie den Systemkapazitätsverlust
• Kältemittelfüllung minimieren

Wenn ein Kühlsystem vor Ort montierte Kältemittelleitungen umfasst, um zwei oder mehr der Komponenten zu verbinden, bestehen die primären Konstruktionsziele im Allgemeinen darin, die Systemzuverlässigkeit zu maximieren und die Installationskosten zu minimieren. Um diese beiden Ziele zu erreichen, muss die Konstruktion der verbindenden Kältemittelleitungen die folgenden Anforderungen erfüllen:

• Führen Sie das Öl unter allen Betriebsbedingungen in der richtigen Menge zum Kompressor zurück
• Stellen Sie sicher, dass nur flüssiges Kältemittel (kein Dampf) in das Expansionsgerät eintritt
• Minimieren Sie den Kapazitätsverlust des Systems, der durch Druckabfall durch die Rohrleitungen und Zubehörteile verursacht wird
• Minimieren Sie die Gesamtkältemittelfüllung im System, um die Zuverlässigkeit zu verbessern und die Installationskosten zu minimieren

Die erste Anforderung besteht darin, sicherzustellen, dass Öl unter allen Betriebsbedingungen zum Kompressor zurückgeführt wird. Öl wird verwendet, um die beweglichen Teile eines Kompressors zu schmieren und abzudichten. Beispielsweise verwendet der in der Abbildung oben gezeigte Scroll-Kompressor zwei Scroll-Konfigurationen, die einander gegenüberliegen, um den Kältemitteldampf zu komprimieren. Die Spitzen dieser Spiralen sind mit Dichtungen versehen, die zusammen mit einer dünnen Ölschicht verhindern, dass der komprimierte Kältemitteldampf durch die Kontaktflächen entweicht. In ähnlicher Weise verlassen sich auch andere Arten von Kompressoren auf Öl zur Schmierung und zur Bereitstellung einer Dichtung, wenn der Kühlmitteldampf komprimiert wird.

Charakteristischerweise wird ein Teil dieses Schmieröls zusammen mit dem Kältemittel durch den Rest des Systems gepumpt. Während dieses Öl an keiner anderen Stelle im System eine Funktion hat, müssen die Kältemittelleitungen so konstruiert und installiert werden, dass dieses Öl unter allen Betriebsbedingungen mit der richtigen Rate zum Kompressor zurückfließt.

Öl zurück zu Kompressoren

Zurück zum Systemschema: Öltröpfchen werden zusammen mit dem heißen Hochdruck-Kältemitteldampf aus dem Kompressor gepumpt. Die Geschwindigkeit des Kältemittels in der Druckleitung muss hoch genug sein, um die kleinen Öltröpfchen durch das Rohr zum Kondensator zu transportieren.

Im Kondensator kondensiert der Kältemitteldampf zu einer Flüssigkeit. Flüssiges Kältemittel und Öl haben eine Affinität zueinander, sodass sich das Öl leicht mit dem flüssigen Kältemittel bewegt. Vom Verflüssiger fließt dieses Gemisch aus flüssigem Kältemittel und Öl durch die Flüssigkeitsleitung zum Expansionsgerät.

Anschließend wird das Kältemittel-Öl-Gemisch durch das Expansionsorgan in den Verdampfer dosiert, wo das flüssige Kältemittel Wärme aufnimmt und verdampft. Auch hier muss die Geschwindigkeit des Kältemitteldampfes in der Saugleitung hoch genug sein, um die Öltröpfchen durch das Rohr zurück zum Kompressor zu transportieren.

Ohne ausreichende Geschwindigkeit und ordnungsgemäße Rohrinstallation kann Öl im System eingeschlossen werden. Wenn dieser Zustand schwerwiegend genug ist, kann der verringerte Ölstand im Kompressor zu Schmierproblemen und möglicherweise zu einem mechanischen Versagen führen.

Thermostatisches Expansionsventil (TXV)

Die zweite Anforderung an die Kältemittelleitungskonstruktion besteht darin, sicherzustellen, dass nur flüssiges Kältemittel in das Expansionsgerät eintritt. Es gibt verschiedene Arten von Expansionsvorrichtungen, darunter Expansionsventile (thermostatisch oder elektronisch), Kapillarrohre und Öffnungen.

Ein thermostatisches Expansionsventil (TXV) hält nicht nur den Druckunterschied zwischen der Hochdruckseite (Verflüssiger) und der Niederdruckseite (Verdampfer) des Systems aufrecht, sondern steuert auch die Menge des flüssigen Kältemittels, das in den Verdampfer eintritt. Dadurch wird sichergestellt, dass das Kältemittel im Verdampfer vollständig verdampft und die richtige Menge an Überhitzung im System aufrechterhalten wird.

Unterkühlung

Nachdem der gesamte Kältemitteldampf im Kondensator zu Flüssigkeit kondensiert ist, wird das Kältemittel unterkühlt, um seine Temperatur weiter zu senken. Dieses unterkühlte flüssige Kältemittel verlässt den Verflüssiger (A) und erfährt einen Druckabfall, wenn es durch die Flüssigkeitsleitung und Zubehörteile wie Filtertrockner und Magnetventil fließt, die stromaufwärts des TXV installiert sind. Auf dem Druck-Enthalpie-Diagramm, Abbildung unten auf Seite 5, verschiebt dies den Zustand des Kältemittels in Richtung der Sättigungsflüssigkeitskurve (B). Wenn dieser Druckabfall hoch genug ist oder das Kältemittel vom Kondensator nicht ausreichend unterkühlt wurde, kann ein kleiner Teil des Kältemittels sieden (oder verdampfen), wodurch ein Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf (C) in das Expansionsgerät eintritt.

Das Vorhandensein von Kältemitteldampf stromaufwärts der Expansionsvorrichtung ist sehr unerwünscht. Dampfblasen verdrängen Flüssigkeit in der Öffnung des TXV, wodurch die Durchflussrate der Flüssigkeit durch das Ventil reduziert wird, wodurch die Kapazität des Verdampfers erheblich reduziert wird. Dies führt zu einem unregelmäßigen Ventilbetrieb.

Die Auslegung des Rohrleitungssystems muss sicherstellen, dass nur flüssiges Kältemittel (kein Dampf) in das Expansionsgerät eintritt. Dies erfordert, dass der Verflüssiger bei allen Betriebsbedingungen des Systems für eine angemessene Unterkühlung sorgt und dass der Druckabfall durch die Flüssigkeitsleitung und das Zubehör nicht hoch genug ist, um ein Flashen zu verursachen. Die Unterkühlung ermöglicht es dem flüssigen Kältemittel, einen gewissen Druckabfall zu erfahren, wenn es durch die Flüssigkeitsleitung fließt, ohne dass die Gefahr eines Flashens besteht.

Druckabfall in einer Saugleitung

Die dritte Anforderung an die Kältemittelleitungskonstruktion besteht darin, den Kapazitätsverlust des Systems zu minimieren. Um die maximale Kapazität des Systems zu erreichen, muss das Kältemittel so effizient wie möglich durch das System zirkulieren. Dies beinhaltet die Minimierung des Druckabfalls durch die Rohrleitungen und andere Systemkomponenten.

Immer wenn eine Flüssigkeit in einem Rohr fließt, tritt ein charakteristischer Druckabfall auf. Der Druckabfall wird durch Reibung zwischen der sich bewegenden Flüssigkeit (oder dem Dampf) und den Innenwänden des Rohrs verursacht. Der Gesamtdruckabfall hängt von Rohrdurchmesser und -länge, Anzahl und Art der in der Leitung installierten Armaturen und Zubehörteile sowie Massenstrom, Dichte und Viskosität des Kältemittels ab.

Als Beispiel zeigt das Diagramm in Abbildung oben die Auswirkung des Druckabfalls durch die Saugleitung auf die Kapazität und Effizienz des Systems. Bei diesem Beispielsystem, das mit Kältemittel-22 betrieben wird, verringert eine Erhöhung des Gesamtdruckabfalls in der Saugleitung von 3 psi (20,7 kPa) auf 6 psi (41,4 kPa) die Systemkapazität um etwa 2,5 Prozent und verringert die Systemeffizienz um etwa 2 Prozent.

Dies offenbart einen Kompromiss, mit dem sich der Systemdesigner auseinandersetzen muss. Der Durchmesser der Saugleitung muss so klein sein, dass die resultierende Kältemittelgeschwindigkeit ausreichend hoch ist, um Öltröpfchen durch das Rohr zu tragen. Der Rohrdurchmesser darf jedoch nicht so klein sein, dass er einen übermäßigen Druckabfall erzeugt und die Systemkapazität zu sehr reduziert.

Kältemittelfüllung minimieren

Die ersten drei Anforderungen sind seit vielen Jahren unverändert. Jahrelange Beobachtungen und Fehlersuche haben jedoch gezeigt, dass das System umso zuverlässiger arbeitet, je niedriger die Kältemittelfüllung des Systems ist. Daher wurde eine vierte Anforderung für die Auslegung von Kältemittelleitungen hinzugefügt: Minimieren Sie die Gesamtmenge an Kältemittel im System. Dabei geht es zunächst darum, die kürzeste, einfachste und direkteste Rohrführung auszulegen. Es geht auch darum, den kleinstmöglichen Rohrdurchmesser zu verwenden, insbesondere für die Flüssigkeitsleitung, da sie von den drei Leitungen den größten Einfluss auf die Kältemittelfüllung hat. Das Diagramm in der Abbildung unten zeigt, dass die Flüssigkeitsleitung in Bezug auf die darin enthaltene Kältemittelmenge an zweiter Stelle nach dem Kondensator steht.

Dies offenbart einen weiteren Kompromiss für den Systemdesigner. Der Durchmesser der Flüssigkeitsleitung muss so klein wie möglich sein, um die gesamte Kältemittelfüllung zu minimieren. Der Rohrdurchmesser darf jedoch nicht klein genug sein, um einen übermäßigen Druckabfall zu erzeugen, der zu einem Aufschäumen führt, bevor das flüssige Kältemittel die Expansionsvorrichtung erreicht.

Den Hersteller einbeziehen

In diesem Leitfaden werden die Prozesse zur Dimensionierung der Verbindungsleitungen in einem Klimaanlagensystem erläutert. Einige der Informationen, die für die Auswahl der optimalen Schnurstärken erforderlich sind, sind dem Hersteller am besten bekannt. Wenn der Hersteller der Kälteanlage empfohlene Leitungsgrößen oder Hilfsmittel zur Auswahl der optimalen Leitungsgrößen bereitstellt, empfehlen wir daher, diese Leitungsgrößen zu verwenden.

Wenn der Hersteller jedoch keine Leitungsgrößen bereitstellt, können die in diesem Leitfaden beschriebenen Verfahren zur Auswahl der Größen verwendet werden.

Allgemeine Rohrleitungsanforderungen

• Verwenden Sie saubere Kupferrohre vom Typ L
  • Kupfer-Kupfer-Verbindungen: BCuP-6 ohne Flussmittel
  • Kupfer-Stahl- (oder Messing-)Verbindungen: BAg-28, säurefreies Flussmittel
• Stützen Sie die Rohrleitungen ordnungsgemäß ab, um Ausdehnung, Vibration und Gewicht zu berücksichtigen
• Vermeiden Sie die unterirdische Verlegung von Rohrleitungen
• Gesamten Kältemittelkreislauf auf Dichtheit prüfen

Bevor auf die Konstruktion und Installation der Saug-, Druck- und Flüssigkeitsleitungen eingegangen wird, gibt es einige allgemeine Anforderungen, die für alle diese Leitungen gelten.

Erstens werden Kupferrohre typischerweise für Kältemittelleitungen in Klimaanlagen verwendet. Dieser Schlauch ist in verschiedenen Standarddurchmessern und Wandstärken erhältlich. Der Nenndurchmesser des Schlauchs wird in Bezug auf seinen Außendurchmesser ausgedrückt. Dieser Schlauch muss absolut frei von Schmutz, Zunder und Oxid sein. Für Klimaanlagenanwendungen werden neue Schläuche vom Typ L oder Typ ACR empfohlen, die vom Hersteller gereinigt und an beiden Enden verschlossen wurden.

Das Rohrleitungssystem wird durch Zusammenlöten von Kupferrohren und Fittings aufgebaut. Verwenden Sie beim Löten von Kupfer-Kupfer-Verbindungen BCuP-6* ohne Flussmittel. Verwenden Sie für Kupfer-Stahl- oder Kupfer-Messing-Verbindungen BAg-28* mit einem säurefreien Flussmittel.

Basierend auf der Spezifikation der American Welding Society (AWS) für Füllmetalle zum Löten und Hartlöten, Publikation A5.8–1992

Die Kältemittelleitungen müssen ordnungsgemäß abgestützt werden, um Ausdehnung, Schwingungen und das Gesamtgewicht der Leitungen zu berücksichtigen. Wenn ein Rohr eine Temperaturänderung erfährt, unterliegt es einer gewissen Ausdehnung und Kontraktion. Da die Kältemittelleitung mit dem Kompressor verbunden ist, werden Vibrationskräfte auf die Leitung selbst übertragen. Schließlich muss das Gewicht des mit Kältemittel gefüllten Rohrs und der Fittings gestützt werden, um zu verhindern, dass die Rohre durchhängen, sich verbiegen oder brechen.

Vermeiden Sie die unterirdische Verlegung von Kältemittelleitungen. Es ist sehr schwierig, die Sauberkeit während der Installation aufrechtzuerhalten oder auf Lecks zu prüfen. Ist eine unterirdische Verlegung unvermeidbar, muss jede Leitung separat isoliert werden, anschließend müssen die Leitungen wasserdicht gemacht und mit einer Hartummantelung (z. B. PVC) geschützt werden.

Nach der Verrohrung muss der gesamte Kältekreislauf auf Dichtheit geprüft werden, bevor er mit Kältemittel befüllt werden kann. Bei diesem Verfahren wird normalerweise das gesamte Rohrleitungssystem mit trockenem Stickstoff unter Druck gesetzt, um jede gelötete Verbindung auf Lecks zu untersuchen.

Jedes dieser Themen wird ausführlicher in der behandelt Handbuch der Trane-Kolbenkühlung.

Referenz

Trane Air Conditioning Clinic-Bücher