Wärmeübertrager für ein Prüflabor

Nachdem das Auftragsvolumen im Stammhaus in der Münchener Ridlerstraße die dortigen Prüfkapazitäten dauerhaft überschritt und eine Erweiterung der Testkapazitäten in München nicht möglich war, hatte sich der internationale unabhängige Prüf- und Zertifizierungsdienstleister TÜV Süd entschlossen, „auf der grünen Wiese“ ein neues Prüfzentrum, das TÜV Süd Center of Competence für Kälte- und Klimatechnik, zu bauen.

Im gleichen Zuge wurde auch das Dienstleistungsportfolio erweitert. Auf 8.500 m² stehen heute 16 Prüfkammern unterschiedlicher Größe und Ausstattung zur Verfügung, die zur Prototypen- und Produktprüfung von Lüftungs- und Kälte-/Klimatechnik sowie Transportkälte dienen. Das Unternehmen Johnson Controls (Standort Mannheim) lieferte die Prüfkammern für das Prüflabor, und die Firma ska Industriekälte, mit Sitz in Vöhringen, hat die Kälteanlage projektiert, geliefert und eingebaut.

Das Testzentrum ist für die Prüfung von Klima- und Kälte-Ausstattungen mit konventionellen (synthetischen) und natürlichen Kältemitteln (NH₃, CO₂, Kohlenwasserstoffe) ausgestattet. Abteilungs- und Laborleiter Andreas Klotz: „Durch die F-Gas-Verordnung steigt die Gerätezahl für natürliche Kältemittel und eröffnet uns auf diese Weise neue Geschäftsfelder. Außerdem optimiert die Branche einvernehmlich den Primärenergieverbrauch ihrer Produkte. Darüber hinaus ist das Thema Lebensmittelkühlkette dauerhaft aktuell. Diesen insgesamt steigenden Anforderungen des Marktes wollen wir uns als Dienstleister natürlich stellen.“

TÜV Süd ist als Prüfinstitut für Eurovent Certita Certification und EHPA tätig. Durch die Deutsche Akkreditierungsstelle (DAkkS) ist der Dienstleister als Prüflabor gemäß DIN EN ISO/IEC 17025 und als Inspektionsstelle nach DIN EN ISO/IEC 17020 akkreditiert. Darüber hinaus ist TÜV Süd eine zugelassene ATP-Prüfstelle sowie Kalibrierlabor für Druck und Temperatur.

Breites Prüfspektrum

Die technische Akustik sowie die Zertifizierung von CO₂-Kältetechnik, z.B. nach den Prüfkriterien von Eurovent, gehören ebenfalls zu den Leistungen des modernen Testzentrums. Neben zwei ATP- und sechs Klimakammern stehen ein 588 m³ großer Schallraum sowie eine WRG-Doppelkammer (z.B. zum Test von Lüftungs- und Klimageräten mit Wärmerückgewinnung), ein Testraum für kleine Luftgeschwindigkeiten sowie ein großer Messbereich zur Bestimmung von Luftvolumenströmen zur Verfügung.

Einer der Schwerpunkte des neuen Olchinger Testzentrums für Kälte- und Klimatechnik ist die Prüfung von Kühlgeräten, die entlang der Wertschöpfungskette der Lebensmittel- und Pharmazie-Produktion und deren Logistik zum Einsatz kommen. Dazu zählen die Transportkälte sowie Komponenten und Baugruppen für Kühlräume.

Das Prüfspektrum reicht von der Kalibrierung von Thermometern und Temperaturüberwachungseinrichtungen bis hin zur Typprüfung von kompletten Kühlfahrzeugen (in zwei 650 bzw. 530 m³ großen Prüfkammern mit Abgasabsaugung) nach dem „ATP-Abkommen über die internationale Beförderung von leicht verderblichen Lebensmitteln“.

Weiterhin testen die 25 Mitarbeiter Kälte- und Klima-Anlagen sowie -Komponenten wie beispielsweise Wärmeübertrager, Verdichter, Ventilatoren, Armaturen und komplette kältetechnische Anlagen – z.B. Verkaufskühltheken und Wärmepumpen.

In den Prüfkammern können exakte Raumtemperaturen zwischen –40 und +50 °C eingestellt werden und dies bei relativen Luftfeuchten zwischen 20 und 95 %. Um die Versuchsparameter in den Prüfkammern konstant zu halten, also eine Maximalabweichung von nur 0,2 K zu gewährleisten, hat der Anlagenbauer die zentrale Erzeugung und die Verteilung von Kälte voneinander getrennt und im Prüfzentrum drei Sekundärkältekreise sowie einen Heizkreislauf installiert.

Zentrale Kältetechnik auf kleinem Raum

Die zentrale Ammoniakkälteanlage steht eingehaust auf dem Dach des Prüfzentrums. Jede der drei Stufen der platzsparenden Boosteranlage mit 1.720 kW Kälteleistung besteht aus sieben baugleichen Schraubenkompressoren. Alle Kompressoren sind mit einem großen Abscheider mit Mehrkammersystem (Mittel-, Nieder- und Tiefdruckabscheider) verbunden, so dass die gesamte zentrale Kälteversorgung auf rund 115 m² Dachfläche aufgestellt werden konnte und dennoch alle Baugruppen für Wartungsarbeiten gut erreichbar sind.

Die erste Stufe der Kältezentrale erreicht mit drei Verdichtern à 420 kW eine Vorlauftemperatur von –8 °C. Die zweite Boosterstufe besteht aus zwei Kompressoren mit jeweils 160 kW und stellt eine Vorlauftemperatur von –30 °C bereit. Und die dritte Stufe erreicht mit zwei Kompressoren à 140 kW eine Vorlauftemperatur von –46 °C.

Kühlung mit Grundwasser

Die Kompressoren haben drehzahlgeregelte Motoren und werden so gesteuert, dass sie stets mit dem geringstmöglichen Energieeinsatz laufen und sich im Verbund jeweils das Gerät mit der niedrigsten Betriebsstundenzahl zuschaltet bzw. im Teillastbetrieb das Gerät mit der höchsten Betriebsstundenzahl abschaltet.

Die nicht nutzbare Abwärme der Kompressoren wird umweltfreundlich mit 12 °C kaltem Grundwasser abgeführt, das sich dabei auf 18 °C erwärmen kann. Betriebswirtschaftlich sinnvoll ist diese wassergekühlte Verflüssigung des Ammoniaks in diesem Fall vor allem deshalb, weil sich der Grundwasserspiegel am Standort im Mittel nur etwa 3 m unter der Geländeoberkante befindet und daher der Erschließungsaufwand und die erforderliche Pumpenleistung verhältnismäßig niedrig sind. Schluckbrunnen nehmen das erwärmte Grundwasser wieder auf.

Hycool als Kälte- und Wärmeträger

Das umweltfreundliche Kältemittel Ammoniak befindet sich nur im Maschinenhaus, denn die Verteilung der Wärme (aus Fernwärme) und Kälte (drei Sekundärkreise) übernimmt in beiden Fällen das Fluid „Hycool“. Über Sekundärkreisläufe, welche die Güntner-Luftkühler „Application Blast“, Typ GFN, direkt versorgen, ist es möglich, die Temperaturschwankungen in den Klimakammern auf maximal 0,2 K zu begrenzen und zusammen mit den RLT-Geräten oberhalb der Prüfkammern für standardisierte Testbedingungen zu sorgen. Die Wärmeübertragung vom Primärkreis auf die Sekundärkreise erfolgt jeweils auf der kalten Seite über Plattenwärmeübertrager.

Das Fluid „Hycool“ ist eine Sole, die auf Kaliumformiat basiert und eine hohe spezifische Wärmekapazität c (2,5 bis 3,0 kJ x kg⁻¹ x K⁻¹) aufweist (zum Vergleich c_{20 °C warmes Wasser} : 4,182 kJ x kg⁻¹ x K⁻¹). Daher ist diese Sole beim Kälte- bzw. Wärmetransport sowohl bei extrem hohen als auch tiefen Temperaturen gleichermaßen effektiv einsetzbar – maßgeschneidert für die Anforderungen des Testzentrums hinsichtlich der Flexibilität. Schließlich reicht das geforderte Temperaturspektrum in den Versorgungskreisläufen von –46 bis +75 °C.

Insgesamt befinden sich im gesamten Rohrsystem und den drei „Hycool“-Pufferspeichern rund 50 m³ Sole. Eine Vielzahl von frequenzgeregelten Pumpen in den Solekreisläufen sind magnetgekoppelt, um von vornherein etwaige korrosionsbedingte Funktionseinschränkungen zu vermeiden.

Wärmetauscher für stabile Testtemperaturen

Die Testbedingungen der Räume unterliegen strengen Vorgaben, da am Ende jeder Laboruntersuchung ein TÜV Süd-Prüfbericht steht. Zum Beispiel wird eine zu prüfende Wärmepumpe zwischen zwei „Klimazonen“ eingebaut – für die Inneneinheit des Geräts wird auf dieser Seite die Raumtemperatur simuliert und auf der anderen Seite der Jahresgang mit Minus- und Plusgraden.

Die in Olching installierten Güntner-Luftkühler „Application Blast“, Typ GFN, basieren auf dem Funktionsprinzip eines leistungsstarken Schockfrosters. Sie wurden konstruktiv auf die Abmessung der Kammern und für die jeweils geforderte Bandbreite der einzustellenden Temperaturen optimiert.

Je nach Kammergröße und deren Anforderungsprofil wurden zwischen 30,5 und 198 kW Kälteleistung bzw. ein Luft-Volumenstrom zwischen 13.000 und 90.000 m³/h installiert. Die Ventilatoren sind je nach Testraum entweder für den Einsatz bei –40 bzw. –25 bis +50 °C optimiert.

Die Abtauung der Luftkühler erfolgt mittels Warmsole und kann elektrisch erweitert werden; zu diesem Zweck sind auch die Wannen beheizbar ausgeführt. Da die Luftkühler modular aufgebaut sind, konnten sowohl die Stand- als auch die Deckengeräte einfach und schnell montiert werden.

Smarte Steuerung

Eine intelligente Steuerung überwacht die Testumgebung in den einzelnen Kammern und stellt sicher, dass zur Einhaltung der Umgebungsparameter die jeweils geforderten Testbedingungen und hydraulische oder elektrische Prüflasten eingeregelt werden. Darüber hinaus können durch eine lokale Steuerung die Prüfaufbauten in Betrieb genommen werden oder alternativ über das Messleitsystem automatisiert ablaufen und die Messdaten autark für die spätere Auswertung aufgezeichnet werden.

Die Prozessleittechnik (PLT) regelt die gesamte Anlage. Ein Messleitsystem (MLS) wiederum erfasst die Daten der Prüfungen. Beide Systeme kommunizieren über „ProfiNet“, arbeiten aber unabhängig voneinander. Bei Bedarf kann z.B. das MLS aus Messprogrammen eine gewünschte Temperatur oder relative Feuchte durch „ProfiNet“ an die PLT schicken und auf diese Weise entweder die Bedingungen in den Kammern nachregeln oder andere Prüfbedingungen definieren.