Funktion einer zweistufigen Kaskade

In diesem Artikel beschäftige ich mich mit dem Aufbau einer zweistufigen Kaskade. Ich werde auch die wichtigsten Komponenten einer Kaskade beschreiben, die unbedingt benötigt werden.
Davor muss ich noch ausdrücklich warnen sich so eine Anlage zu bauen, wenn man noch keine Erfahrung hat. Bevor man sich an eine Kaskade wagt muss man über die komplette Funktion einer Kälteanlage bescheit wissen. Man muss verstehen wie so eine Anlage funktioniert, eine Kaskade kann man nicht einfach nach einer Anleitung bauen. Weiters sollte man schon mehrere einstufige Anlagen gebaut haben, um eine ausreichende Praxiserfahrung vorweisen zu können. Mehr zum Thema Sicherheit im weiteren Verlauf des Artikels

(Artikel von ice-man)


Eine Kaskade ist einfach beschrieben eine Anlage, in der ein Kreislauf den Verflüssiger eines anderen Kühlkreislaufes kühlt. Dieser Verflüssiger ist ein Wärmetauscher, der von der ersten Stufe, auch Hochdruckstufe genannt, auf eine niedrige Temperatur gekühlt wird. Je nach verwendetem Kältemittel in der zweiten Stufe, auch Niederdruckstufe genannt, muss die Temperatur unter einem bestimmten Punkt liegen. Um besonders niedrige Endverdampfungstemperaturen in der zweiten Stufe erzielen zu können, werden Kältemittel mit einem sehr tiefen Siedepunkt eingesetzt. Bei manchen liegt dieser sogar unter -100°C bei 1013mbar (Atmosphärendruck). Da die kritische Temperatur bei diesen Gasen aber meist weit unter Raumtemperatur liegt, muss der Wärmetauscher besonders niedrige Temperaturen halten können.
Nehmen wir als Beispiel Ethylen:
Ethylen siedet bei 1013mbar bei einer Temperatur von -103.8 °C. Die kritische Temperatur liegt bei 9.5°C, bei einer höheren Temperatur als dieser kann das Gas nicht mehr verflüssigt werden, egal welcher Druck anliegt. Man möge jetzt meinen es würde ausreichen wenn der Wärmetauscher eine Temperatur von ca. 0°C halten könnte. Leider ist dies falsch, da auch der Druck in einer Kaskade eine große Rolle spielt. Wenn man Ethylen bei einer Temperatur von 0°C verflüssigen würde, würde ein Druck von ca. 40bar anliegen! Solch ein enormer Druck darf in einer Kälteanlage, wie ich sie hier beschreibe, auf keinen Fall herrschen. Folglich muss die erste Stufe den Wärmetauscher auf mindestens -40°C bis -45°C stabil kühlen können, was einen Verflüssigungsdruck von ca. 14,5bar bis 12,5bar zur Folge hätte. Dieser Verflüssigungsdruck ist vertretbar, und eigentlich nicht viel höher als in einer einstufigen Anlage. Aber eben nur wenn der Wärmetauscher eine gewisse Temperaturgrenze nicht überschreitet, bei unserem Beispiel wäre das ca. -40 °C.





Dieser Kreislauf ist, bis auf den Verdampfer, der wie oben beschrieben ein Wärmetauscher ist, eigentlich wie eine normale einstufige Anlage aufgebaut. Die erste Stufe sollte ausreichend dimensioniert sein, da diese sowohl die Last der CPU, bzw. des zu kühlenden Mediums, als auch die eigentliche Last vom Wärmetauscher, abführen muss.
Die Kältemitteleinspritzung kann sowohl mit einem Kapillarrohr als auch mit einem thermostatisches Expansionsventil (TEV) erfolgen. Ein TEV hat den Vorteil, dass je nach Last die richtige Menge an Kältemittel eingespritzt wird, was natürlich ein großer Vorteil gegenüber dem Kapillarrohr ist. Darum würde ich ein TEV in der ersten Stufe auf jeden Fall empfehlen, sodass die Last in einem bestimmten Bereich variabel sein kann. Die Düse muss natürlich je nach Leistung der Anlage gewählt werden, meist wird dies eine 0x bzw. eine 00 Düse sein. Bei der Verwendung eines TEVs sollte man wenn möglich einen kleinen Flüssigkeitssammler verbauen, sodass nur flüssiges Kältemittel in das Expansionsventil gelangt. Bei einem Kapillarrohrsystem ist dieser nicht erforderlich! Nach dem Filter, welcher nach dem Sammler platziert wird, ist ein Schauglas von Vorteil, um die Füllmenge richtig abstimmen zu können. Bei der richtigen Füllmenge sollten im Sichtglas keine Blasen im flüssigen Kältemittel vorhanden sein. Weiters würde ich bei der ersten Stufe einen kleinen Flüssigkeitsabscheider empfehlen, um Flüssigkeitsschläge zu vermeiden.



Die zweite Stufe ist da schon ein wenig komplizierter, diese ist nicht wie ein normaler einstufiger Kreislauf aufgebaut. In der Heißgasleitung wird direkt nach dem Kompressor ein so genannter Enthitzer verwendet. Dieser ist nichts anderes als ein kleiner Radiator/Verflüssiger, der das heiße Gas möglichst auf Raumtemperatur kühlt. Dadurch verringert sich die Last am Wärmetauscher enorm, was natürlich eine Leistungssteigerung der Anlage zur Folge hat. Man kann auch die ersten 2-3 Reihen des Verflüssigers der ersten Stufe, für diesen Zweck verwenden. Ein Enthitzer ist nicht unbedingt notwendig, aufgrund des Leistungsvorteils sollte dieser aber in keiner Kaskade fehlen.
Nach dem Enthitzer wird ein Ölabscheider verwendet, um das Öl aus dem Kältemittel herauszufiltern. Bei Verdampfungstemperaturen jenseits der -50° würde das Öl sonst im Verdampfer gefrieren, und diesen verstopfen. Darum ist ein Ölabscheider unbedingt erforderlich! Aber auch ein Ölabscheider kann das Öl nur zu ca. 99% aus dem Kältemittel filtern, darum empfiehlt es sich zum eigentlichen Kältemittel eine kleine Menge eines Kohlenwasserstoffes hinzuzufügen. Da würde sich zum Beispiel R290 anbieten, welches Verstopfungen durch Öl im Verdampfer verhindern soll. Das Öl gelangt durch den Ölabscheider wieder direkt in den Verdichter, wie das funktioniert wird später genauer beschrieben.
Nach dem Ölabscheider wird ein Filter eingebaut. Normal wird dieser erst nach dem Verflüssiger eingebaut, was in diesem Fall nach dem Wärmetauscher wäre. Dies trifft in der zweiten Stufe einer Kaskade aber nicht zu. Ein Filter arbeitet nämlich bei tiefen Temperaturen, wie zum Beispiel bei weniger als -40° bei weiten nicht so effektiv wie bei Raumtemperatur. Darum wird hier der Filter vor dem Wärmetauscher verbaut.
Danach gelangt das noch gasförmige Kältemittel in den Wärmetauscher, welcher von der ersten Stufe gekühlt wird, wo es dann abkühlt, und dadurch flüssig wird.
Auch in der zweiten Stufe kann die Kältemitteleinspritzung entweder durch ein Kapillarrohr, oder durch ein Ventil erfolgen. Ein TEV kann in der zweiten Stufe einer Kaskade sehr selten eingesetzt werden, da es nur R23 Ventile von Danfoss gibt. Für alle anderen Kältemittel die in einer zweiten Stufe Sinn machen würden, kann kein TEV verwendet werden. Es empfiehlt sich aber ein so genanntes AEV einzusetzen, mit diesem kann man den Verdampfungsdruck in einer bestimmten Region, belieb regeln. Das ist für unseren Zweck besonders von Vorteil, benötigt man einmal mehr Leistung genügt eine Anhebung des Verdampfungsdrucks durch das AEV.
Aber auch ein Kapillarrohr kann als Drosselorgan eingesetzt werden, das ist einfach eine Geschmackssache, oder eventuell auch eine Kostenfrage.
Bei der Verwendung eines Ventils sollte, wie auch in der ersten Stufe, ein Sammler nach dem Verflüssiger, in diesem Fall nach dem Wärmetauscher verbaut werden. Dieser gewährleistet, dass nur flüssiges Kältemittel ins Ventil gelangt. Bei einer Kapillarrohrdrosselung ist dieser nicht erforderlich!
Danach gelangt das Kältemittel in den Verdampfer, wo es schließlich verdampft. In der Saugleitung kann ein kleiner Flüssigkeitsabscheider verbaut werden, unbedingt erforderlich ist dieser aber nicht.









Wie schon oben beschrieben soll der Enthitzer dem Gas nach dem Verlassen des Kompressors möglichst viel Wärme enziehen, um die Last am Wärmetauscher zu verringern.
Dazu eignet sich am besten ein kleiner Verflüssiger, wie er zum Beispiel bei Mach Anlagen verbaut ist. Dieser wird einfach nach dem Kompressor eingelötet.
Eine weitere Möglichkeit ist das Verwenden von 2-3 Reihen des Verflüssigers, der ersten Stufe. Dazu lötet man einfach die Heißgasleitung der ersten Stufe ein paar Reihen weiter oben an, wie am Bild unten.




Ein kleiner Verflüssiger, der sich als Enthitzer eignet.



Der Ölabscheider filtert, wie schon erklärt, das Öl aus dem Kältemittel, um es dann wieder direkt in den Kompressor rückzuführen. Der Abscheider ist direkt mit der Serviceleitung, bzw. mit der Saugleitung verbunden. Ohne irgendein Ventil wäre nun die Niederdruck, und die Hochdruckseite verbunden, das heißt die Anlage würde nicht funktionieren. Entweder man besorgt sich einen Abscheider mit Schwimmerventil, oder man greift auf die Eigenbauvariante mit einem Handventil zurück, welches von Zeit zu Zeit geöffnet werden muss.
Die fertigen Ölabscheider sind sicherlich vorzuziehen, da das Schwimmerventil automatisch öffnet. Leider sind diese nicht sehr billig, mit 100-150€ sollte man schon rechnen.
Die Eigenbauvariante ist da natürlich um einiges günstiger, der Nachteil ist dass vor jedem Abschalten der Anlage das Handventil geöffnet werden muss, um das Öl zum Kompressor rückzuführen.



Ein Ölabscheider mit Schwimmerventil der Firma "ESK Schultze"




Bei den Wärmetauschern gibt es zwei Varianten, die für unsere Anlagen in Frage kommen. Das wären entweder die Koaxial-Wärmetrauscher (Coax) oder die Plattenwärmetauscher (SWEP).
Der Koaxial-Wärmetauscher ist sicherlich die billigere und einfachere Variante. Diesen kann man entweder kaufen oder selbst bauen. Auf einer Länge von ca. 2-5m befindet sich in einem dickeren Rohr (meist der Verdampfer der ersten Stufe) ein dünnes Rohr (meist der Verflüssiger der 2.Stufe). Dieses Rohr wird dann zu einer Spirale gewickelt
Die Plattenwärmetauscher sind meist etwas teurer aber auch Platz sparender.

Ein Coax der Firma "ACP"


Ein selbstgebauter Coaxial- Wärmetauscher



Verschiedene Plattenwärmetauscher





Es gibt sehr viele Kältemittel die sich für die zweite Stufe einer Kaskade eignen würden. Hier habe ich vorerst drei aufgelistet, die bei solchen Anlagen am besten geeignet sind.



Siedepunkt (1.013 bar): -82,1 °C
Kritische Temperatur: 25,6 °C
Kritischer Druck: 48,37 bar
Besonderheiten: nicht brennbar, findet oft in gewerblichen Kaskaden Verwendung



Siedepunkt (1.013 bar): -88,7 °C
Kritische Temperatur: 32,2 °C
Kritischer Druck: 48,83 bar
Besonderheiten: hochentzündlich







Siedepunkt (1.013 bar): -103,8 °C
Kritische Temperatur: 9,5 °C
Kritischer Druck: 50,76 bar
Besonderheiten: hochentzündlich, riecht süßlich





Nun kommen wir zu dem sicherlich wichtigsten Kapitel dieses Artikels, nämlich der Sicherheit. Eine Kaskade, die falsch ausgelegt oder gebaut wurde, kann nämlich ziemlich gefährlich sein. Darum muss man genau wissen wie so eine Kaskade funktioniert, erst dann sollte man darüber nachdenken sich so eine Anlage zu bauen.
Meist werden in diesen zweistufigen Kühlungen brennbare und hochexplosive Kältemittel, wie zum Beispiel Ethan oder Ethylen verwendet. Diese können bei einem Leck und bei dem Vorhandensein einer Zündquelle, trotz der eher geringen Füllmenge, explodieren.
Ein weiteres Sicherheitsrisiko ist der Druck, der in der zweiten Stufe (Niederdruckstufe) herrscht. Im normalen Betrieb ist der Druck in der zweiten Stufe mit einer normalen einstufigen Anlage gleichzusetzen. Wenn jetzt, warum auch immer, die erste Stufe ausfällt, und dadurch die Temperatur am Wärmetauscher schnell ansteigt, steigt dadurch auch der Druck. Rasch ist ein Druck erreicht, der weit über dem Prüfdruck mancher Komponenten liegt, was dann passiert kann man sich wohl vorstellen.
Um so eine Anlage trotzdem ziemlich sicher zu machen sollte man mindestens einen Druckschalter in der zweiten Stufe verbauen, der im Falle eines Ansteigen des Drucks die zweite Stufe sofort abschaltet.



Ein Druckwächter der Firma "Danfoss"


Eine weitere Sicherheitseinrichtung ist ein Controller, der die zweite Stufe erst starten lässt, wenn die erste Stufe läuft, bzw. wenn eine Mindesttemperatur am Wärmetauscher erreicht wurde. Wenn die Temperatur steigt schaltet dieser die zweite Stufe ebenfalls ab.


Ein elektronischer Temperatur Controller der Firma "Störk tronic"



Trotz dieser Sicherheitseinrichtungen sollte man immer wissen was man tut, falls etwas nicht klar ist muss man sich zuerst darüber informieren. Wenn man das alles beachtet, und immer vorsichtig und respektvoll mit der Anlage umgeht, sollte eigentlich nichts schief gehen.



Artikel geschrieben von ice-man am 12.5.05/ überarbeitet von august123 2.9.09