Der Artikel kompakt zusammengefasst
■ Für Kältemaschinen, in denen brennbare Kältemittel zum Einsatz kommen, sind Sicherheitskonzepte für den Fall einer Leckage erforderlich.
■ Die größten konstruktiven Freiheiten gibt es, wenn die elektrischen und elektronischen Bauteile selbst nicht zur Zündquelle werden können. Viele Sicherheitskonzepte benötigen sogar solche Bauteile.
■ Ventilatoren zur Belüftung des Gehäuses und für den notwendigen Luftstrom über den Verdampfer (bzw. im Kühlbetrieb Kondensator) erfüllen die Anforderungen über eine ATEX-Zulassung oder den anwendungsspezifischen Nachweis, dass die maximale Oberflächentemperatur im Fehlerfall mindestens 100 K unter der Zündtemperatur des eingesetzten Kältemittels liegt.
Robert Poorten – stock.adobe.com
Die Wärmeversorgung verlangt heute nach Konzepten, die auf erneuerbare Energien setzen. Luft/Wasser-Wärmepumpen gehören dabei aktuell zu den Favoriten. Von mehreren Einflüssen getrieben, setzen sich bei ihnen Kältekreise mit natürlichen Kältemitteln durch. Diese Kältemittel sind für Standardanwendungen zumeist brennbar. Deshalb müssen auch Komponenten im Einflussbereich möglicher Leckagen die Anforderungen für den Umgang mit brennbaren Kältemitteln erfüllen.
Die F-Gase-Verordnung der EU und der darin definierte Stufenplan (Bild 2) zur Reduzierung des Inverkehrbringens fluorierter Treibhausgase (insbesondere teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffen, HFKW) hat zur Folge, dass Hersteller von Wärmepumpen, Chillern, Verdampfern oder Kühlmöbeln zunehmend Kältemittel mit einem geringen GWP (Global Warming Potential) einsetzen, beispielsweise das natürliche Kältemittel R290 (Propan CH3CH2CH3 mit einem GWP von 0,02 oft auch noch mit 3,0 angegeben).
Ein niedriger GWP-Wert bedingt allerdings eine schnelle Zersetzung des Kältemittels beim Eintritt in die Atmosphäre. Dies kann nur gewährleistet werden, wenn es chemisch reaktiv ist. Eine hohe Reaktivität bedeutet aber zumeist auch eine hohe Brennbarkeit. Das erfordert besondere Sicherheitskonzepte, damit auch bei einer Leckage im Kältemittelkreislauf niemand zu Schaden kommt.
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ATEX-zugelassene Kompaktlüfter für das Sicherheitskonzept
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Eine – allerdings recht aufwendige – Methode sind schwadensichere Gehäuse, die verhindern, dass Elektronik-Komponenten und zündfähige Atmosphäre miteinander in Berührung kommen. Praxisgerechter bei Luft/Wasser-Wärmepumpen ist jedoch eine andere Lösung: ATEX-zugelassene Kompaktlüfter (Bild 3) belüften im Falle eine Leckage im Kältekreis das Gehäuse und verhindern so, dass eine entzündliche Atmosphäre entstehen kann. Mit vollvergossenem Motor und Elektronik erfüllen sie standardmäßig die Anforderungen der EN 60079-7, Gruppe IIC, bis T4 und DIN EN 60335-2-40.
Die Lüfter benötigen durch ihre kompakte Bauform nur wenig Platz beim Einbau und lassen sich bei Bedarf auch für die Elektronikkühlung nutzen. Bei kleineren Wärmepumpen, zum Beispiel für eine Etagenheizung, können sie zudem als Hauptventilator eingesetzt werden. Die ATEX-zugelassenen Kompaktlüfter stehen in vielen Varianten und in unterschiedlichen Baugrößen mit Kantenlängen von 40 bis 200 mm zur Verfügung und bieten hohe Luftleistungen. Mit einem aerodynamisch optimierten Design arbeiten sie leise, sind energieeffizient und können sowohl saugend als auch drückend eingesetzt werden.
Hauptventilator gemäß EN 60335-2-40
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Auch bei den größeren Axial- oder Radial-Ventilatoren, die in Wärmepumpen für den notwendigen Luftstrom über den Verdampfer sorgen, darf die Elektronik bei einer Leckage im Kältekreis nicht zur Zündquelle werden. Bei den Ventilatorantrieben der Baugröße 60, 74 und 90 hat ebm-papst die Elektronikschaltungen deshalb so modifiziert, dass sie der EN 60335-2-40 für Wärmepumpen mit brennbaren Kältemitteln entsprechen, das heißt die maximale Oberflächentemperatur muss im Fehlerfall mindestens 100 K unter der Zündtemperatur des eingesetzten Kältemittels liegen.
Bei Propan, das sich wegen seiner guten Wärmeübertragungsleistung und seines niedrigen GWP sehr gut Wärmepumpen und Kaltwassersätze eignet, liegt die Zündtemperatur bei 470 °C. Die entsprechend getestet und zertifizierten Elektronikbaugruppen garantieren dann, dass ihre maximale Oberflächentemperatur auch im Falle einer Fehlfunktion immer unter 370 °C bleibt und sie somit nicht zur Zündquelle werden können.
Axialventilatoren für besonders lärmsensible Bereiche
Wer Luft/Wasser-Wärmepumpen einsetzt, muss sich zwangsläufig auch mit dem Thema Geräuschentwicklung auseinandersetzen. Das Geräuschverhalten ist vor allem in den Nachtstunden relevant, wenn innerhalb, aber vor allem auch außerhalb der Gebäude die Grenzwerte der jeweils gültigen gesetzlichen Bestimmungen zu beachten sind. Für den geräuschsensiblen Außenbereich hat ebm-papst zwei Ventilator-Baureihen entwickelt: AxiEco Plug-In und AxiTone (Bild 4). Beide sind ebenfalls für Anwendungen mit natürlichen und brennbaren Kältemitteln (EN 60335-2-40) konzipiert und sind dank ihrer speziellen Auslegung besonders leise (Bild 5).
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Rechts: Kennlinienfeld des AxiTone in der Baugröße 630 in Bezug auf Luftleistung und Schallleistung (grün: Schallleistungskennlinie der 500-W-Aktiv-PFC-Version, blau: Luftleistungskennlinie der 500-W-Aktiv-PFC-Version).
Während sich der AxiEco Plug-In in den Baugrößen 450 und 500 mm für Wärmepumpen eignet, die eine große Förderdruckreserve am Verdampfer verlangen, ist der AxiTone in den Baugrößen 450, 500 und 630 mm eher darauf ausgelegt, bei geringerem Gegendruck höhere Volumenströme zu liefern, wenn die Auslegung der Wärmepumpe dies erfordert. Da alle Kompaktlüfter, die auf den vollumgossenen Motoren aufbauen, standardmäßig für den Einsatz bei brennbaren Kältemitteln geeignet sind, gibt es zahlreiche weitere Axial- und Radialventilatoren, die sich ebenfalls für den Einsatz bei Wärmepumpen, aber auch für Chiller, Verdampfer oder Verflüssiger eignen.
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Aufgrund der langjährigen Erfahrung mit Wärmepumpen-Anwendungen, EC-Motoren und deren Kommutierungselektronik hat ebm-papst zudem eine Inverter-Elektronik entwickelt (Bild 6), die sich unter anderem für drehzahlgeregelte permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PSM) eignet, wie sie typischerweise in Verdichtern eingesetzt sind. Sie reduziert zusätzlich die Geräuschentwicklung und erhöht gleichzeitig die Effizienz der Wärmepumpe.
Sicherheit bei Kühlmöbeln
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Auch in anderen Kälteanwendungen, beispielsweise Kühlmöbeln, werden natürliche Kältemittel eingesetzt. Der ESM-Motor (energy saving motor, siehe Bild 7, setzte hier bereits vor einigen Jahren Maßstäbe für die Ventilatorentechnik. Die kompakten EC-Motoren gibt es als OEM-Komponente zur Kombination mit dem eigenen Lüfterrad und als Plug-and-play-fähiges Komplettsystem, bei dem die Einzelkomponenten perfekt aufeinander abgestimmt sind.
Um eine sichere Kühllösung bieten zu können, entsprechen die Motoren und Komplettsysteme standardmäßig der Haushaltsgerätenorm EN 60335-2-89, was für die meisten Kühltheken völlig ausreicht, da ihre Kältekreise mit den der Norm entsprechenden Kältemittelfüllmengen auskommen (500 g bei Propan). Sind größere Füllmenge erforderlich, kann es deshalb sinnvoll sein den Kältekreis zu splitten.
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