Verdichter in der Kältetechnik: Ein Überblick

Deutsche-Thermo.de erklärt, was die verschiedenen Verdichter Bauarten auszeichnet, wie sie funktionieren und wann welcher Verdichter infrage kommt. Sie benötigen eine Kälteanlage?

Die Themen im Überblick

Verdichter in der Kältetechnik: Aufgabe und Funktion

Kompressionskälteanlagen nehmen thermische Energie über einen Wärmeübertrager auf. Der sogenannte Verdampfer überträgt Wärme auf ein Kältemittel, welches dadurch in den gasförmigen Zustand übergeht. Es strömt zum Verdichter, der mit dem Druck auch die Temperatur des Mediums erhöht. Das ist nötig, um thermische Energie an einem zweiten Wärmeübertrager, dem Verflüssiger, wieder abzugeben. Während das passiert, sinkt die Temperatur des Kältemittels. Es baut seinen Druck in einem Entspannungsventil ab und geht in seinen Ausgangszustand über, bevor der Kreislauf am Verdampfer erneut beginnt.

Kompressoren ermöglichen die Funktion von Kälteanlagen

Aus der Funktionsbeschreibung einer Kältemaschine gehen die wichtigsten Aufgaben der Verdichter hervor.

So sind die Bauteile wichtig, um:

• Kältemitteldampf aus dem Verdampfer zu saugen
• Druck und Temperatur des Mediums anzuheben
• Kältemitteldampf zum Verflüssiger zu befördern

Je stärker Verdichter den Druck des Kältemitteldampfes anheben, umso weiter steigt dessen Temperatur. Die Anlage kann am Verflüssiger mehr Wärme abführen und die Kälteleistung steigt. Verdichter oder Kompressoren haben damit auch einen Einfluss auf die Leistung kältetechnischer Anlagen.

Einflussfaktoren bei der Auswahl geeigneter Kompressoren

Geht es im Planungsprozess um die Auswahl und Dimensionierung des Verdichters, sind zahlreiche Faktoren zu berücksichtigen. Wichtig ist dabei vor allem, dass das Bauteil die benötigte Druckerhöhung realisieren kann. Es sollte darüber hinaus aber auch günstig in der Anschaffung und unkompliziert in der Wartung sein. In Komfortanlagen sind außerdem Geräusche und Vibrationen wichtige Eigenschaften. Darüber hinaus kommt es auf eine effiziente Leistungsregulierung und einen möglichst geringen Platzbedarf an.

In der Praxis erfüllt kein Verdichter alle hier aufgeführten Anforderungen. Aus diesem Grund sind die wichtigsten Kriterien projektspezifisch zu bestimmen. Geht es um Komfortanlagen, liegt der Fokus vor allem auf Laufruhe und Kompaktheit, während es bei großen Industrieanlagen sehr stark auf die maximale Leistung und Energieeffizienz ankommt.

Einteilung nach der Verdichterbauart: Offen oder hermetisch

Um Verdichter unterscheiden und miteinander vergleichen zu können, haben sich verschiedene Arten der Einteilung etabliert. Eine davon ist die Einteilung nach der Bauart, wobei die Ausführung und Verbindung der einzelnen Bauteile im Fokus steht. Die folgende Tabelle informiert über verschiedene Verdichterbauarten und deren wichtigsten Vor- sowie Nachteile.

Bauart	Eigenschaften	Vorteile	Nachteile
Hermetische Verdichter	Bei hermetischen Verdichtern sitzen Motor und Kompressor in einer verschweißten, druckfesten Hülle. Die Bauteile befinden sich im Kältemittelstrom, der hier für die Kühlung sorgt.   Beispiel: Hubkolben-, Scroll-, oder Schraubverdichter Einsatz: Kühlschrank, Wärmepumpe, Kälteanlage mit geringer Leistung.	Serienproduktion geringe Kosten kompakt wartungsfrei leise wenig störanfällig kein Kältemittel-Verlust	geringe Leistung Reparaturen kaum möglich Motorschäden durch Kondensation höhere Endtemperatur
Halbhermetische Verdichter	Halbhermetische Verdichter sind über einen Flansch mit dem Motor verbunden und stellen einen Kompromiss aus hermetischer und offener Bauweise dar.   Beispiel: Hubkolben-, Scroll-, Schraub- oder Turboverdichter Einsatz: Klimaanlagen, Gewerbe- und Industriekühltechnik	geringe Kosten zuverlässig reparabel keine Wellendichtung geringere Gefahr von Leckagen kompakt leiser als offene Verdichterbauart	Schäden im Kurbelgehäuse möglich höhere Endtemperatur
Offene Verdichter	Offene Verdichter sind über eine Welle oder einen Riemen mit dem Motor verbunden. Der Antrieb sitzt dabei außerhalb und nicht im Kältemittelstrom.   Beispiel: Hubkolben-, Scroll-, oder Schraubverdichter Einsatz: Gewerbe- und Industriekühltechnik, Großanlagen, Ammoniak-Kälteanlagen	hohe Leistung Standardmotoren Reparatur möglich Leistungsregelung Betrieb mit Benzin oder Diesel möglich	Dichtungen verschleißen Kältemittelverlust möglich hohe Anschaffungskosten hoher Platzbedarf aufwendigere Wartung laut im Betrieb Vibrationsstark

Verdichter-Arten: Einteilung nach dem Verdichtungsprinzip

Neben der grundsätzlichen Bauart lässt sich eine Unterteilung der Verdichter für Kälteanlagen auch nach dem Verdichtungsprinzip vornehmen. Grundsätzlich unterscheiden Hersteller dabei Verdrängungsmaschinen und Strömungsmaschinen.

• Verdrängungsmaschinen schließen Gas in einem immer kleiner werdenden Raum ein, ähnlich wie bei einer Handluftpumpe.
• Strömungsmaschinen führen dem Gas mit Laufrädern Bewegungsenergie zu, die sie anschließend in Druckenergie umwandeln.

Die folgende Tabelle zeigt, welche Verdichter den jeweiligen Kategorien angehören.

Verdrängungsmaschine	Strömungsmaschine
Hubkolbenverdichter (Bsp. Pleuelstangenverdichter)	Dampfstrahlverdichter
Rotationsverdichter (Bsp. Scrollverdichter, Schraubenverdichter, Rollkolbenverdichter)	Turboverdichter (Radial- oder Axialverdichter)

In den folgenden Abschnitten erklären wir Aufbau, Funktion und Eigenschaften der wichtigsten Verdichterarten. Dazu gehören Hubkolbenverdichter, Rotationskolbenverdichter, Scrollverdichter, Schraubenverdichter und Turbokompressoren.

Hubkolbenverdichter

Der Hubkolbenverdichter ist ein Verdränger, dessen Funktion vereinfacht beschrieben der Funktionsweise einer Handluftpumpe ähnelt. Er besteht aus einem Zylinder, in dem ein Kolben angetrieben vom Motor nach oben und unten fährt. Beim Herunterfahren öffnet sich ein Ventil und Kältemittelgas strömt in den Verdichter. Fährt der Kolben daraufhin wieder nach oben, komprimiert er das Gas, wobei Druck und Temperatur steigen. Es öffnet sich ein zweites Ventil und das Heißgas tritt aus.

Während Hubkolbenverdichter in hermetischer Bauweise vor allem in kleinen Anlagen (Leistung bis etwa 20 kW) zum Einsatz kommen, lassen sich halbhermetische und offene Verdichter auch in Großanlagen einsetzen. In beiden Fällen erreichen sie in der Regel kleine Volumenströme und große Druckunterschiede.

Rotationskolbenverdichter (Rollkolbenverdichter)

Bei Rotationskolbenverdichtern dreht sich ein Rotor um eine exzentrische Achse. Gleichzeitig bildet ein federbelasteter Schieber zwei voneinander getrennte Kammern. Gelangt Kältemitteldampf saugseitig in den Verdichter, wird es vom Kolben gegen den Absperrschieber gedrückt. Die Drehbewegung reduziert den Raum und führt damit zur Kompression. Hat das Gas den gewünschten Druck erreicht, strömt es druckseitig aus dem Rollkolbenverdichter. Auf der gleichen Funktionsweise basieren übrigens auch Mehrkammer-Rollkolbenverdichter. Hier sind die meist federbelasteten Schieber am Rollkolben befestigt, sodass sich mehrere Kammern bilden. Dreht sich der konzentrisch angeordnete Kolben, reduziert das den Raum in der Kammer und es kommt zur Kompression.

Rollkolbenverdichter erreichen eine hohe Leistungszahl (Verhältnis aus aufgewendeter Energie und Kälteleistung). Sie erzeugen Heißgas ohne Druckschwankungen und punkten mit einer langen Lebensdauer. Zum Einsatz kommen die Verdichter vor allem in kleineren Anlagen wie Luft-Wärmepumpen, die Umweltwärme zum Heizen nutzbar machen.

Scrollverdichter

Sind große Druckunterschiede zu realisieren, lassen sich mehrere Spiralenpaare auf einer Welle anordnen. Tritt das Gas aus dem ersten Paar aus, durchläuft es direkt das nächste, in dem sein Druck weiter steigt.

Da sich die einzelnen Spiralen nie komplett berühren, entstehen keine Reibungspunkte. Der Verschleiß ist sehr gering und Schmieröl für den Betrieb nicht erforderlich. Darüber hinaus liefern Scrollverdichter gleichmäßige Druckwerte. Ihre Leistung lässt sich bedarfsgerecht regulieren und die Geräuschemissionen sind gering. Durch die vergleichsweise geringen Leistungswerte kommen die Verdichter vor allem in kleinen Klimaanlagen und Wärmepumpen zum Einsatz.

Schraubenverdichter

Der Schraubenverdichter ist ein Rotationskompressor. Er besteht aus zwei gegeneinander laufenden Wellen mit je einer Schraube. Die Bewegung der beiden Rotoren führt dazu, dass Gas einströmt und zwischen den beiden Rotoren eingeschlossen wird. Die Drehbewegung reduziert den freien Raum und sorgt damit für den nötigen Gasdruck. Hat das Kältemittel die Schrauben durchlaufen, strömt es am anderen Ende mit den gewünschten Konditionen aus dem Verdichter aus.

Turboverdichter

Der Turboverdichter ist eine Strömungsmaschine, die den Kältemitteldruck dynamisch anhebt. Möglich ist das mit einem oder mehreren Laufrädern, die den Rotoren eines Ventilators ähneln. Eine Drehbewegung der Rotoren überträgt Bewegungsenergie auf das einströmende Kältemittelgas. Das Medium strömt schneller und wandelt die dynamische Energie daraufhin in statische um. Während es Turboverdichter grundsätzlich mit axialen oder radialen Rotoren gibt, kommen in der Kältetechnik vor allem Letztere zum Einsatz. Grund dafür ist der höhere Druck, der sich auf diese Weise erreichen lässt.

Das Besondere am Turboverdichter ist die sehr hohe Leistung bei hoher Laufruhe. Die Anlagen weisen geringe Verschleißerscheinungen auf und arbeiten lange hocheffizient. Zum Einsatz kommen die Verdichter dabei vor allem in sehr großen Kälteanlagen.

Möglichkeiten der Leistungsregelung von Verdichtern

Auch wenn die Auslegung der Verdichter für die maximal erforderliche Leistung erfolgt, arbeiten Kälteanlagen die meiste Zeit im Teillastbereich. Ohne entsprechende Regelung, würden sie sich dabei sehr häufig ein- und ausschalten. Die Folgen wären eine geringere Effizienz, ein höherer Verschleiß und steigende Betriebskosten. Das zu verhindern, ist die Aufgabe der Verdichter-Leistungsregelung. Welche Möglichkeiten dabei infrage kommen, zeigt die folgende Tabelle.

Art der Verdichter-Leistungsregelung	Beschreibung
Stufen-Regelung	Bei dieser Regelungsart arbeiten mehrere Verdichter gleicher oder unterschiedlicher Leistung zusammen. Abhängig vom Kältebedarf lassen sich einzelne Verdichterstufen zu- oder abschalten. Die Lösung ist relativ einfach, dafür aber ungenau.
Drehzahlregelung	Die Drehzahlregelung funktioniert unter anderem mit einem Frequenzumrichter (Inverter) und gilt als besonders energieeffizient. Die Technik verändert die Parameter der Stromversorgung und ermöglicht somit eine stufenlose Anpassung der Motordrehzahl an den Kältebedarf.
Bypass-Regelung	Kommen Verdrängungsverdichter zum Einsatz, lässt sich die Leistung auch durch einen internen Bypass anpassen. Dabei strömt bereits verdichtetes Kältemittel durch ein Ventil zur Saugseite zurück, um die Kälteleistung insgesamt zu reduzieren. Nachteilig ist der im Vergleich zur Drehzahlregelung höhere Energieverbrauch.
Saugkanal-Absperrung	Diese Art der Leistungsregelung kommt bei Verdichtern mit Hubkolben zum Einsatz. Sie sorgt für einen geringeren Sauggaseintritt und gilt als energieeffizient.
Saugventil-Anhebung	Auch die Saugventil-Anhebung kommt bei Hubkolbenverdichtern zum Einsatz. Ein Steuerkolben hebt dabei im Bedarfsfall das Saugventil an. Der Verdichter fördert kein Gas mehr und die Leistung sinkt.
Schadraum-Regelung	Besitzen Hubkolbenverdichter einen zusätzlichen Druckraum im Zylinderkopf, lässt sich dieser bei Teillast mit dem Zylinder verbinden. Das Volumen steigt dadurch an und die Leistung sinkt. Nachteilig ist ein schlechter Wirkungsgrad im Teillast-Fall.
Hubverstellung	Eine weitere Möglichkeit der Leistungsregelung bei Verdichtern mit Hubkolben ist die Hubverstellung. Hierbei geht es darum, die Kurbelwelle so zu verstellen, dass sich ein Pleuel im Teillastfall nicht mehr bewegt. Dadurch arbeiten weniger Kolben und die Leistung sinkt.
Digital-Scroll	Diese Art der Leistungsregelung findet bei Scrollverdichtern statt. Sie basiert auf dem wiederkehrenden Abheben einer Scrollspirale, was zum Absenken der Leistung führt, da auf diese Weise unverdichtetes Kältemittel durch den Verdichter strömt.
Rotorlänge	Bei Schraubverdichtern lässt sich mit einem Regelschieber oder einem Steuerkolben die wirksame Rotorlänge beeinflussen. Je kürzer Letztere ist, umso weniger Kältemittel saugt der Verdichter an und die Leistung sinkt.
Leitschaufelregelung	Bei einem Turboverdichter lässt sich die Leistung über die Stellung von Leitschaufeln beeinflussen. Diese verändern die Strömungsrichtung des Kältemitteldampfes. Das wirkt sich auf die Gasgeschwindigkeit und damit auch auf die Verdichterleistung aus.

FAQ: Häufig gestellte Fragen zu Verdichtern von Kälteanlagen

Welche Aufgaben hat ein Verdichter in Kälteanlagen?

Verdichter ermöglichen die Funktion von Kälteanlagen. Denn sie saugen Kältemittelgas aus dem Verdampfer, welches sie anschließend komprimieren und erhitzen. Mit höheren Temperaturen strömt das Gas dann vom Verdichter angetrieben zu einem Verflüssiger, der Wärme an die Umwelt oder ein Rückkühlwerk abgibt.

Welche Eigenschaften sind bei der Auswahl zu beachten?

Grundsätzlich muss der Verdichter einer Kälteanlage die technischen Parameter erfüllen, um Kältemittel entsprechend den Vorgaben verdichten zu können. Er muss chemisch beständig und energieeffizient sein. Weitere Anforderungen ergeben sich aus dem Einsatzbereich heraus. So kommt es in der Industrie vor allem auf Leistung und Wartungs-/Reparaturfreundlichkeit an, während der Fokus bei Komfortanlagen auf geringen Lärmemissionen, kompakten Abmessungen und wenigen Vibrationen liegt.

Wie lassen sich Kompressoren unterscheiden?

Unterscheiden lassen sich Verdichter nach Bauart und Verdichtungsprinzip. Während es bei der Bauart um die Verbindung von Verdichter und Motor geht, beschreibt das Verdichtungsprinzip den Vorgang, bei dem Gas auf einen höheren Druck gebracht wird.

Was versteht man unter offener oder hermetischer Bauweise?

Bei offenen Verdichtern sind Motor- und Verdichtereinheit nur über eine Welle oder einen Riemen miteinander verbunden. Eine Dichtung sorgt dafür, dass an der Wellendurchführung kein Kältemittel austritt. Hermetische Verdichter haben eine geschlossene, meist verschweißte Hülle um Motor und Verdichtereinheit. Halbhermetische Verdichter stellen eine Zwischenlösung dar. Hier sind Motor und Verdichtereinheit trennbar mit einem Flansch verbunden.

Was unterscheidet Verdrängungs- und Strömungsmaschinen?

Verdrängungsverdichter wie Hubkolben-, Rollkolben- oder Scrollverdichter saugen Kältemittelgas in einen Raum, der sich im Prozess verkleinert. Diese Volumenverringerung erhöht den Kältemitteldruck. Die Arbeit ist häufig diskontinuierlich und erzeugt hohe Druckunterschiede. Strömungsmaschinen arbeiten wie Pumpen. Sie übertragen mit Schaufelrädern Bewegungsenergie auf das Gas, welche sich anschließend in Druckenergie umwandeln lässt. Ein Beispiel dafür ist der Turboverdichter, der gleichmäßig hohe Volumenströme mit geringeren Druckwerten liefert.

Wie lässt sich die Verdichterleistung beeinflussen?

Die Leistungsregulierung der Verdichter ist wichtig, um die Kälteleistung an den Kältebedarf anpassen und Energiekosten zu sparen. Grundsätzlich unterscheiden Experten dabei mechanische und digitale Lösungen. Erstere verändern den Verdichter mechanisch, indem sie Kolben aussetzen, Verdichterräume vergrößern oder Gasströme umleiten. Digitale Lösungen passen hingegen die Motordrehzahl an, um die Verdichterleistung zu beeinflussen. Möglich ist das über einen Inverter, der die Parameter des Versorgungsstroms variabel anpasst.