Kaltwassersatz

Kaltwassersätze, bei einigen Herstellern auch water-chiller oder process-cooler genannt, dienen in erster Linie dazu, ein Fluid zu kühlen. Dieses wird als Wärmeträgermedium eingesetzt und hat die Aufgabe, an einer Wärmequelle Wärme aufzunehmen und abzutransportieren. Häufig kommt dabei Wasser zum Einsatz, das in Abhängigkeit von der gewünschten Temperatur zur Frostsicherheit mit Ethylenglycol und Korrosionsschutzinhibitoren versetzt wird.

Funktion und Aufbau

Das Wärmeträgermedium zirkuliert in einem eigenen Kreislauf. Angetrieben durch Pumpen nimmt es an einer Wärmequelle thermische Energie auf und gibt sie über einen Wärmeübertrager (Verdampfer; eng. evaporator) an den Kaltwassersatz ab. Dieser Fluidkreislauf ist durch den im Gegenstrom ausgeführten Verdampfer hydraulisch vom Kältekreislauf getrennt. Die eigentliche „Kälteerzeugung“ basiert auf dem Prinzip des linkslaufenden Carnot-Kreisprozesses und wird durch eine Verdichtungs-Kälteanlage mit besagtem Kältekreislauf realisiert. Grundlage für den Carnot-Kreisprozess ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik nach Rudolf Clausius: „Wärme strömt immer nur von einem System höherer Temperatur zu einem System niederer Temperatur, jedoch niemals umgekehrt, es sei denn, unter Aufwand von Energie.“

Betrachtet man dieses Gesetz am Beispiel des Kaltwassersatzes, so lässt es sich wie folgt beschreiben:

Soll Wärme von einem niederen Temperaturniveau (z. B. dem Fluidrücklauf t_W1= 15 °C) an ein höheres Temperaturniveau (Umgebungsluft mit 32 °C) abgegeben werden, ist dies nur durch Energiezufuhr möglich.

Die Wärmeübertragung im Wärmeübertrager kommt durch den Temperaturunterschied zwischen der Verdampfungstemperatur einer Flüssigkeit (sog. Kältemittel) im Kältekreislauf und der Rücklauftemperatur des Fluids zustande. Das Kältemittel verdampft bei relativ niedriger Temperatur (z. B.: t₀ = 5 °C) und niedrigem Druck. Die zur Verdampfung notwendige Wärmeenergie wird dem Wärmeträgermedium entzogen, wodurch dessen Temperatur auf z. B. t_W2 = 10 °C sinkt. Es wird somit keine „Kälte erzeugt“, sondern Wärme entzogen.

Ein Kältemittelverdichter saugt das verdampfte, gasförmige Kältemittel an und komprimiert es unter Energiezufuhr. Im Verflüssiger wird die vom Verdampfer aufgenommene Wärme unter Verflüssigungsdruck und Verflüssigungstemperatur (z. B.: t_C = 50 °C) an die Umgebung (z. B.: t_U = 32 °C) abgegeben. Durch die Wärmeabgabe kondensiert das Kältemittel und gelangt zum flüssigen Aggregatzustand. Der Kreislauf schließt sich mit dem nachfolgend eingebauten Einspritzventil, durch welches das Kältemittel zurück in den Verdampfer strömt.

Anwendung

Der Vorteil von Kaltwassersätzen besteht in der örtlich getrennten Aufstellung der „Kälte erzeugenden“ Gerätschaft zur Wärmequelle. Über Schläuche oder Rohrleitungen verbunden, muss bei der Montage nicht in den Kältekreislauf eingegriffen werden.

Eingesetzt werden Kaltwassersätze überall dort, wo es darum geht, Wasser, Öle oder Emulsionen exakt zu kühlen. Dabei sind Regeltoleranzen unter 1 Kelvin aktueller Stand der Technik. Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten finden sich in der Medizintechnik bei Magnetresonanz- und Computertomographen. In diesen Anlagen muss die entstehende Abwärme von Magnetspulen und anderen elektrischen Bauteilen über den Kaltwassersatz abgeführt werden. In der Industrie entstehen Wärmelasten zum Beispiel an Werkzeugmaschinen der Fertigungstechnik zum Urformen, Umformen, Trennen, Fügen und Beschichten. Beispielsweise ist die Strahlqualität eines Laserstrahles zur Blechbearbeitung entscheidend von Temperaturkonstanzen abhängig.

Kaltwassersätze werden auch oft zur Klimatisierung von Gebäuden verwendet. Hierfür ist zusätzlich zum Kaltwassersatz ein Luft-Wasser-Wärmeübertrager in den jeweiligen Räumen oder ein gemeinsamer Luft-Wasser-Wärmeübertrager notwendig.