Was bedeutet Überhitzung?
Im Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärme auf und verdampft.
Solange Flüssigkeit und Dampf gleichzeitig vorhanden sind, befindet sich das Kältemittel im Nassdampfgebiet. Ist die Flüssigkeit vollständig verdampft und wird anschließend weitere Wärme aufgenommen, steigt die Temperatur des Kältemitteldampfs über die zum vorhandenen Druck gehörende Sättigungstemperatur.
Der Dampf ist überhitzt.
Die Überhitzung ist die Temperaturdifferenz zwischen der tatsächlichen Temperatur des Kältemitteldampfs und seiner Sättigungstemperatur.
Überhitzung = gemessene Sauggastemperatur − Sättigungstemperatur
Die Temperaturdifferenz wird in Kelvin angegeben.
Warum ist Überhitzung wichtig?
Bei einem trocken betriebenen Verdampfer soll das Kältemittel am Verdampferausgang vollständig dampfförmig sein.
Eine ausreichende Überhitzung schafft Abstand zum Nassdampfgebiet und trägt dazu bei, dass keine flüssigen Kältemittelanteile aus dem Verdampfer in die Saugleitung gelangen.
Die Überhitzung darf aber auch nicht unnötig groß werden.
Ist das Kältemittel bereits frühzeitig vollständig verdampft, wird ein größerer Teil der Verdampferfläche nur noch zur Erwärmung des bereits gasförmigen Kältemittels genutzt. Die zur eigentlichen Verdampfung verfügbare Fläche wird kleiner.
Das Expansionsventil regelt deshalb den Kältemittelmassenstrom so, dass der Verdampfer möglichst gut genutzt und gleichzeitig überhitzter Kältemitteldampf am Ausgang erreicht wird.
Überhitzung in der Praxis richtig messen
Für die Messung werden benötigt:
- ein geeignetes Druckmessgerät auf der Niederdruckseite
- ein geeignetes Temperaturmessgerät mit Anlege- oder Aufdruckfühler
- die richtige Druck-Temperatur-Zuordnung für das verwendete Kältemittel
1. Temperaturfühler am Verdampferausgang anbringen
Soll die Verdampferüberhitzung bestimmt werden, gehört der Temperaturfühler an die Saugleitung unmittelbar am Verdampferausgang.
Bei einem thermostatischen Expansionsventil wird die Temperatur im Bereich der Fühleranlegestelle des TEV erfasst.
Der Messfühler muss guten thermischen Kontakt mit dem Rohr haben. Die Messstelle sollte auf einem glatten Rohrstück liegen und möglichst wenig durch Umgebungsluft oder andere Wärmequellen beeinflusst werden.
Bei größeren Temperaturunterschieden zwischen Saugleitung und Umgebung kann es sinnvoll sein, die Messstelle während der Messung gegen Umgebungseinflüsse abzuschirmen.
Praxisregel: Wer die Verdampferüberhitzung wissen möchte, misst die Temperatur am Verdampferausgang – nicht erst am Verdichter.
2. Niederdruck messen
Der Verdampfungsdruck wird an einem geeigneten Messanschluss auf der Niederdruckseite erfasst.
Grundsätzlich kann der Niederdruck an verschiedenen Stellen der Niederdruckseite gemessen werden. Für eine genaue Berechnung muss jedoch berücksichtigt werden, ob zwischen Druckmessstelle und Temperaturmessstelle ein relevanter Druckverlust vorhanden ist.
Bei einer kompakten Anlage mit kurzen Leitungswegen kann dieser Unterschied gering sein.
Bei langen Saugleitungen, großen Verdampfern oder hohen Strömungswiderständen kann der Druck am Verdichtereingang dagegen niedriger sein als am Verdampferausgang.
Für eine möglichst genaue Verdampferüberhitzung sollten Druck und Temperatur deshalb demselben Anlagenzustand zugeordnet werden.
3. Sättigungstemperatur bestimmen
Aus dem gemessenen Verdampfungsdruck wird die zum Kältemittel gehörende Sättigungstemperatur bestimmt.
Bei einer digitalen Monteurhilfe erfolgt diese Umrechnung in der Regel automatisch, wenn das richtige Kältemittel ausgewählt wurde.
4. Rohrtemperatur ablesen
Nun wird die tatsächliche Temperatur der Saugleitung am Verdampferausgang abgelesen.
5. Überhitzung berechnen
Beispiel:
Verdampfungsdruck entspricht einer Sättigungstemperatur von:
−10 °C
Gemessene Temperatur am Verdampferausgang:
−3 °C
Berechnung:
−3 °C − (−10 °C) = 7 K
Die Verdampferüberhitzung beträgt:
7 K
Warum die Messung am Verdichter etwas anderes aussagt
Zwischen Verdampferausgang und Verdichtereingang liegt die Saugleitung.
Auf diesem Weg kann der Kältemitteldampf zusätzliche Wärme aus der Umgebung aufnehmen. Gleichzeitig entstehen Druckverluste.
Eine Temperaturmessung am Verdichtereingang beschreibt deshalb die dort vorhandene Sauggastemperatur beziehungsweise die gesamte saugseitige Überhitzung.
Sie ist nicht automatisch mit der Verdampferüberhitzung gleichzusetzen.
Das ist für die Fehlersuche wichtig:
Verdampferausgang und Verdichtereingang sind zwei unterschiedliche Messstellen mit unterschiedlichen Aussagen.
Was bedeutet Unterkühlung?
Im Verflüssiger gibt das Kältemittel Wärme ab und verflüssigt sich.
Wird der vollständig verflüssigten Kältemittelflüssigkeit anschließend weitere Wärme entzogen, sinkt ihre Temperatur unter die zum vorhandenen Druck gehörende Sättigungs- beziehungsweise Verflüssigungstemperatur.
Das Kältemittel ist unterkühlt.
Die Unterkühlung ist die Temperaturdifferenz zwischen der Sättigungstemperatur und der tatsächlichen Flüssigkeitstemperatur.
Unterkühlung = Sättigungstemperatur − gemessene Flüssigkeitstemperatur
Auch diese Differenz wird in Kelvin angegeben.
Warum ist Unterkühlung wichtig?
In der Flüssigkeitsleitung soll möglichst flüssiges Kältemittel ohne störenden Dampfanteil zum Expansionsventil gelangen.
Auf dem Weg dorthin können jedoch Druckverluste entstehen, beispielsweise durch:
- Rohrleitungen
- Filtertrockner
- Magnetventile
- Absperrarmaturen
- Schaugläser
- Höhenunterschiede
Sinkt der Druck soweit ab, dass die Kältemittelflüssigkeit ihren Sättigungszustand erreicht, beginnt bereits vor dem Expansionsventil ein Teil des Kältemittels zu verdampfen.
Es entsteht Flashgas.
Unterkühlung schafft deshalb eine Reserve gegenüber dieser Vorverdampfung.
Unterkühlung in der Praxis richtig messen
Hier muss zuerst geklärt werden, welche Unterkühlung beurteilt werden soll.
Das ist wichtig, weil die Unterkühlung am Verflüssigerausgang nicht automatisch der Unterkühlung unmittelbar vor dem Expansionsventil entspricht.
Variante 1: Unterkühlung am Verflüssigerausgang
Soll beurteilt werden, mit welcher Unterkühlung das Kältemittel den Verflüssiger verlässt, wird die Flüssigkeitstemperatur am Verflüssigerausgang gemessen.
Der Temperaturfühler wird dort mit gutem Kontakt auf der Flüssigkeitsleitung angebracht.
Der zugehörige Hochdruck wird gemessen und daraus die Verflüssigungs- beziehungsweise Sättigungstemperatur bestimmt.
Beispiel:
Verflüssigungsdruck entspricht:
40 °C Sättigungstemperatur
Temperatur am Verflüssigerausgang:
37 °C
Berechnung:
40 °C − 37 °C = 3 K
Unterkühlung am Verflüssigerausgang:
3 K
Dieser Wert beschreibt zunächst nur den Zustand beim Austritt aus dem Verflüssiger.
Variante 2: Unterkühlung vor dem Expansionsventil
Für die praktische Frage
„Kommt am Expansionsventil noch sicher flüssiges Kältemittel an?“
ist dagegen die Flüssigkeitsleitung unmittelbar vor dem Drosselorgan entscheidend.
Der Temperaturfühler wird deshalb möglichst nahe vor dem Expansionsventil auf der Flüssigkeitsleitung angebracht.
Besonders wichtig ist diese Betrachtung bei:
- Anlagen mit Sammler
- langen Flüssigkeitsleitungen
- großen Höhenunterschieden
- mehreren Einbauteilen
- zusätzlichen Druckverlusten
Auch hier muss der verwendete Druck möglichst dem Zustand an dieser Messstelle entsprechen.
Wird beispielsweise der Hochdruck am Verflüssigungssatz gemessen und die Temperatur viele Meter entfernt vor dem Expansionsventil, können die dazwischenliegenden Druckverluste die Berechnung beeinflussen.
Auch bei der Unterkühlung gilt deshalb: Druck und Temperatur müssen zum betrachteten Anlagenzustand passen.
Warum der Sammler bei der Unterkühlung wichtig ist
Bei Anlagen mit Kältemittelsammler ist besondere Vorsicht bei der Interpretation erforderlich.
Im Sammler befinden sich üblicherweise flüssiges Kältemittel und ein Gaspolster.
An der Phasengrenze herrscht Sättigungszustand. Dort liegt keine Unterkühlung vor.
Eine am Verflüssigerausgang gemessene Unterkühlung kann deshalb nicht einfach als unverändert hinter dem Sammler vorausgesetzt werden.
Für die Versorgung des Expansionsventils ist letztlich entscheidend, welcher Zustand nach dem Sammler und vor dem Drosselorgan tatsächlich vorhanden ist.
Das Schauglas liefert eine zusätzliche Information
In vielen Anlagen befindet sich das Schauglas in der Flüssigkeitsleitung nahe vor dem Expansionsventil.
Dort sollte im normalen Betrieb möglichst flüssiges Kältemittel ohne störenden Dampfanteil ankommen.
Dampfblasen im Schauglas sind jedoch noch keine eindeutige Diagnose „Kältemittelmangel“.
Auch Druckverluste, ein zugesetzter Filtertrockner oder andere Betriebsbedingungen können Vorverdampfung verursachen.
Das Schauglas ist deshalb eine zusätzliche Information – kein alleiniger Füllstandsanzeiger.
Große oder kleine Überhitzung richtig einordnen
Große Überhitzung
Eine große Überhitzung bedeutet zunächst:
Die Temperatur des Kältemitteldampfs liegt deutlich oberhalb der zugehörigen Sättigungstemperatur.
Bei einem trocken betriebenen Verdampfer kann dies bedeuten, dass ein größerer Bereich des Verdampfers bereits mit gasförmigem Kältemittel arbeitet.
Das kann auf eine unzureichende Beaufschlagung des Verdampfers hinweisen.
Eine hohe Überhitzung beweist aber nicht automatisch Kältemittelmangel.
Betriebszustand, Belastung, Expansionsventil, Druckverluste und weitere Messwerte müssen mit betrachtet werden.
Kleine Überhitzung
Eine kleine Überhitzung bedeutet:
Die Sauggastemperatur liegt nur wenig oberhalb der Sättigungstemperatur.
Damit wird der Abstand zum Nassdampfgebiet kleiner.
Wie groß die erforderliche Überhitzung sein soll, hängt von Verdampfer, Expansionsventil, Regelung und Herstellervorgaben ab.
Thermostatische und elektronische Expansionsventile können mit unterschiedlichen Überhitzungen betrieben werden.
Deshalb gibt es keinen Wert, der für jede Anlage gleichermaßen gilt.
Große oder kleine Unterkühlung richtig einordnen
Kleine Unterkühlung
Eine kleine Unterkühlung bedeutet zunächst:
Zwischen der tatsächlichen Flüssigkeitstemperatur und der Sättigungstemperatur besteht nur eine geringe Temperaturreserve.
Damit steht auch weniger Druckreserve gegenüber Vorverdampfung in der Flüssigkeitsleitung zur Verfügung.
Das bedeutet aber nicht automatisch, dass Kältemittel fehlt.
Anlagenbauart, Sammler, Leitungslänge, Druckverluste, Höhenunterschiede und Betriebsbedingungen müssen berücksichtigt werden.
Große Unterkühlung
Eine größere Unterkühlung schafft grundsätzlich eine größere Reserve gegenüber Vorverdampfung und vermindert den Flashgasanteil nach der Drosselung.
Mehr Unterkühlung ist jedoch nicht automatisch bei jeder Anlage besser.
Entscheidend bleiben Anlagenkonzept, Betriebsbedingungen und Herstellervorgaben.
Überhitzung und Unterkühlung gehören zusammen
Beide Werte liefern besonders dann wertvolle Informationen, wenn sie gemeinsam mit weiteren Betriebsgrößen betrachtet werden.
Dazu gehören beispielsweise:
- Verdampfungsdruck
- Verflüssigungsdruck
- Temperatur am Verdampferausgang
- Temperatur der Flüssigkeitsleitung
- Luft- oder Medienströme über Verdampfer und Verflüssiger
- Anlagenlast
- Umgebungstemperatur
- Expansionsventil und dessen Regelverhalten
- Druckverluste
- Anlagenaufbau
Ein auffälliger Wert zeigt deshalb zunächst:
Hier muss genauer geprüft werden.
Er benennt noch nicht automatisch die Fehlerursache.
Besonderheit bei zeotropen Kältemittelgemischen
Bei reinen und azeotropen Kältemitteln lässt sich einem Sättigungsdruck eine eindeutige Sättigungstemperatur zuordnen.
Bei zeotropen Kältemittelgemischen verändert sich dagegen während des Phasenwechsels die Temperatur. Es entsteht ein Temperaturgleit.
Dieser muss bei der Messung berücksichtigt werden.
Für die Überhitzung
Bei der Überhitzung ist die Temperatur maßgeblich, bei der das Kältemittel beim vorhandenen Druck vollständig verdampft ist.
Das entspricht der Taulinientemperatur.
Für die Unterkühlung
Bei der Unterkühlung ist die Temperatur maßgeblich, bei der das Kältemittel beim vorhandenen Druck vollständig verflüssigt ist.
Das entspricht der Siedelinientemperatur.
Bei digitalen Monteurhilfen muss deshalb nicht nur das richtige Kältemittel eingestellt sein. Auch die korrekte Zuordnung für Überhitzung beziehungsweise Unterkühlung muss verwendet werden.
Eine falsche Druck-Temperatur-Zuordnung führt unmittelbar zu einem falschen Ergebnis.
Typische Fehler bei der Messung
Temperatur am falschen Punkt messen
Wer die Temperatur erst am Verdichter misst und daraus die Verdampferüberhitzung ableitet, berücksichtigt die Veränderungen in der Saugleitung nicht.
Für die Verdampferüberhitzung gehört der Temperaturfühler an den Verdampferausgang.
Schlechter Kontakt des Temperaturfühlers
Ein lose anliegender Fühler oder eine stark durch Umgebungsluft beeinflusste Messstelle kann die Rohrtemperatur verfälschen.
Der Fühler muss guten thermischen Kontakt zur Rohrleitung haben.
Druck und Temperatur nicht richtig zuordnen
Liegt zwischen Druckmessstelle und Temperaturmessstelle ein erheblicher Druckverlust, gehören beide Messwerte nicht mehr exakt zum gleichen thermodynamischen Zustand.
Das muss bei der Bewertung berücksichtigt werden.
Falsches Kältemittel eingestellt
Die Druck-Temperatur-Zuordnung ist kältemittelabhängig.
Wird an der digitalen Monteurhilfe das falsche Kältemittel ausgewählt, sind auch die daraus berechnete Überhitzung und Unterkühlung falsch.
Temperaturgleit nicht berücksichtigen
Bei zeotropen Gemischen müssen für Überhitzung und Unterkühlung die jeweils richtigen Sättigungszustände verwendet werden.
Einen einzelnen Wert sofort als Fehler deuten
Hohe Überhitzung bedeutet nicht automatisch Kältemittelmangel.
Geringe Unterkühlung bedeutet ebenfalls nicht automatisch Kältemittelmangel.
Erst die Kombination mehrerer Messwerte und der Betriebsbedingungen ermöglicht eine belastbare Diagnose.
Entscheidend ist: richtig messen, dann einordnen
Überhitzung und Unterkühlung sind keine Werte, die einfach irgendwo an der Anlage abgelesen werden.
Sie werden aus zusammengehörenden Druck- und Temperaturwerten bestimmt.
Für die Praxis bedeutet das:
Überhitzung
- Temperatur am Verdampferausgang messen
- Niederdruck erfassen
- Sättigungstemperatur bestimmen
- Differenz berechnen
Unterkühlung
- zuerst festlegen, welcher Anlagenzustand beurteilt werden soll
- Temperatur am Verflüssigerausgang oder unmittelbar vor dem Expansionsventil messen
- zugehörigen Hochdruck bestimmen
- Sättigungstemperatur bestimmen
- Differenz berechnen
Der wichtigste Grundsatz lautet:
Druck, Temperatur und Messpunkt müssen zusammenpassen.
Kurz zusammengefasst
- Überhitzung und Unterkühlung ergeben sich aus Druck und Temperatur.
- Für die Verdampferüberhitzung wird die Temperatur am Verdampferausgang gemessen.
- Der Temperaturfühler muss guten thermischen Kontakt zur Saugleitung haben.
- Der Niederdruck kann an einem geeigneten Anschluss der Niederdruckseite gemessen werden; relevante Druckverluste bis zum Temperaturmesspunkt müssen berücksichtigt werden.
- Überhitzung = Sauggastemperatur minus Sättigungstemperatur.
- Unterkühlung = Sättigungstemperatur minus Flüssigkeitstemperatur.
- Die Unterkühlung am Verflüssigerausgang und die tatsächlich verfügbare Unterkühlung vor dem Expansionsventil können unterschiedlich sein.
- Bei Anlagen mit Sammler ist die Unterkühlung vor dem Drosselorgan besonders zu beachten.
- Druckverluste in der Flüssigkeitsleitung können Vorverdampfung und Flashgas verursachen.
- Bei zeotropen Kältemitteln muss der Temperaturgleit berücksichtigt werden.
- Für Überhitzung ist die Taulinientemperatur, für Unterkühlung die Siedelinientemperatur maßgeblich.
- Ein einzelner auffälliger Messwert ist noch keine eindeutige Fehlerdiagnose.
- Herstellervorgaben und Anlagenbedingungen haben Vorrang vor pauschalen Sollwerten.