Schaltschrank-Kühlung Vorteile von Kühlgeräten im Hybridbetrieb

Bei seiner neuen Kühlgerätegeneration Blue e+ setzt der Systemanbieter Rittal erstmals auf eine patentierte Hybridtechnologie in Kombination mit einer Inverterregelung. Erste Teststellungsergebnisse in der Industrie lassen aufhorchen: Gegenüber herkömmlichen Kühlgeräten sind Energieeinsparungen bis zu 75 Prozent möglich. Wie die Neuentwicklung im Detail funktioniert und was sie von herkömmlichen Lösungen unterscheidet, zeigt der folgende Beitrag.

Anbieter zum Thema

ET System electronic GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

CTX Thermal Solutions GmbH

Rittal GmbH & Co. KG

Das Herzstück der Kühlgeräteserie Blue e+ von Rittal ist die patentierte Kombination einer Heat Pipe mit dem klassischen Kompressor-Kältekreislauf (Bild 1). Die Heat Pipe ist ein Wärmerohr, das als Wärmeüberträger unter der Nutzung von Verdampfungswärme eines Mediums eine hohe Wärmestromdichte erlaubt. Somit können auf kleiner Querschnittsfläche große Wärmemengen transportiert werden. Es handelt sich hierbei um ein hermetisch gekapseltes Volumen, das mit einem Arbeitsmedium (Kältemittel R134a) gefüllt ist. Im Rohr befindet sich das Medium zu einem kleinen Teil im flüssigen und zu einem größeren Teil im dampfförmigen Zustand.

Der Heat-Pipe-Wärmetauscher hat je eine Wärmeübertragungsfläche für Wärmequelle und Wärmesenke. Bei Wärmeeintrag auf der Schaltschrankinnenluftseite beginnt das Arbeitsmedium (Kältemittel R134a) in der Heat Pipe zu verdampfen. Dadurch wird über dem Flüssigkeitsspiegel der Druck im Dampfraum lokal erhöht, was zu einem geringen Druckgefälle innerhalb des Wärmerohres führt. Der entstandene Dampf steigt auf und strömt zu einer Stelle mit niedrigerer Temperatur, d.h. zur Wärmesenke im Außenluftbereich, wo er kondensiert.

An dieser Stelle erhöht sich die Temperatur durch die frei werdende Kondensationswärme. Die zuvor aufgenommene latente Wärme wird an die Umgebung abgegeben. Das nun flüssige Arbeitsmedium fließt durch die Schwerkraft wieder zurück an die Stelle, an der die Wärme eingeleitet wird (also an die Wärmequelle).

Beim Heat-Pipe-System von Blue e+ handelt es sich um einen sogenannten „Zwei-Phasen-Thermosyphon“, in dem das Medium ausschließlich aufgrund der Schwerkraft kreist. D.h. das flüssige Arbeitsmedium fließt allein durch die Schwerkraft zurück zur Wärmequelle. Damit das Schwerkraftprinzip für das Kühlgerät richtig funktioniert, befindet sich der wärmeaufnehmende Teil unterhalb des wärmeabgebenden Teils der Heat Pipe (Bild 2).

Heat-Pipe-Technik und Kompressorkälteanlagen

Einige Vorteile der Heat-Pipe-Technik

Bei einer positiven Temperaturdifferenz (∆T) von z.B. +15 K zwischen Schaltschrank-innentemperatur (z.B. +35°C) und Umgebungstemperatur (z.B. +20°C) können so über die Heat Pipe circa 60 % der gesamten Wärmelast eines Schaltschrankes mit 1,5 kW Verlustleistung passiv, d.h. ohne zusätzliche Umwälzpumpe, abgeführt werden. Der Vorteil des Schwerkraftprinzips liegt darin, dass bei einer Umkehr der Temperaturbedingungen mit einer negativen Temperaturdifferenz von z.B. –10 K (z.B. Schaltschrankinnentemperatur +35°C; Umgebungstemperatur +45°C) keine Wärmeenergie von außen über die Heat Pipe in den Schaltschrank eingetragen werden kann. In diesem Fall kann das dampfförmige Kältemittel nicht weiter aufsteigen. Es kommt zu keiner Verflüssigung des Kältemittels und der Flüssigkeitsstrom kommt zum Erliegen.

Bei kleiner werdenden Temperaturdifferenzen wird also die Leistung der Heat Pipe immer geringer und das Kühlgerät arbeitet nun im aktiven Kompressorbetrieb.

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