Der Eismeister
Kältekreislauf in der Eissporthalle
Der Kältekreislauf ist das Herz einer Eissporthalle. Er entzieht der Eisfläche kontinuierlich Wärme und sorgt dafür, dass die Piste stabil gefroren bleibt. Je nach Anlagenkonzept wird die Eisfläche entweder direkt gekühlt, zum Beispiel durch Direktverdampfung von Ammoniak unter der Piste, oder indirekt über einen Kälteträger wie Sole oder Glykol.
Die folgende Beschreibung zeigt beispielhaft den Aufbau einer direkten Ammoniak-Kälteanlage mit Pumpenumlauf. Dabei wird flüssiges Ammoniak zu den Verdampferrohren unter der Eisfläche gefördert, nimmt dort Wärme auf und verdampft teilweise. Anschließend gelangt das gasförmige Ammoniak zurück in den Maschinenraum und der Kreislauf beginnt von vorn.
1. Verdichter
Der Verdichter saugt das gasförmige Kältemittel aus dem Niederdruckbereich an und verdichtet es. Dabei steigen sowohl der Druck als auch die Temperatur des Kältemittels deutlich an. Bei Ammoniak-Anlagen in Eissporthallen kommen häufig Kolbenverdichter oder Schraubenverdichter zum Einsatz.
Kolbenverdichter können besonders bei wechselnden Betriebszuständen und Teillastbetrieb Vorteile haben. Schraubenverdichter eignen sich gut für größere Leistungen und gleichmäßige Betriebsbedingungen. Welche Bauart eingesetzt wird, hängt von der Größe der Anlage, der gewünschten Kälteleistung und der Regelstrategie ab.
Beispiel aus einer Eissporthalle mit direkter Ammoniak-Kühlung:
Der Kolbenverdichter saugt gasförmiges Ammoniak aus dem Abscheider an. In einer Beispielanlage kann der Saugdruck etwa 1,5 bar betragen. Nach der Verdichtung liegt der Druck beispielsweise bei rund 14 bar. Dabei kann das Heißgas Temperaturen von etwa 100 °C erreichen.
Nach der Verdichtung strömt das heiße, gasförmige Ammoniak weiter zum Enthitzer und anschließend zum Verflüssiger. Moderne Kälteanlagen nutzen häufig mehrstufige oder drehzahlgeregelte Verdichter, um die Kälteleistung besser an den tatsächlichen Bedarf anzupassen. Das spart Energie und reduziert die mechanische Belastung der Anlage.
In vielen Eissportanlagen wird Ammoniak (NH₃) eingesetzt, da es ein natürliches, sehr effizientes und gut regelbares Kältemittel ist. Gleichzeitig ist Ammoniak giftig und reizend. Deshalb sind geeignete Sicherheitsmaßnahmen wie Gaswarnanlage, Lüftung, Unterweisung und persönliche Schutzausrüstung besonders wichtig.
2. Enthitzer
Nach dem Verdichter strömt das heiße, gasförmige Ammoniak in den Enthitzer. Der Enthitzer ist ein Wärmetauscher, der einen Teil der Überhitzung aus dem Heißgas abführt. Dadurch sinkt die Temperatur des Ammoniak-Gases, bevor es in den Verflüssiger gelangt.
Enthitzer können unterschiedlich aufgebaut sein, zum Beispiel als Plattenwärmetauscher oder Rohrbündelwärmetauscher. Die dabei gewonnene Wärme kann sinnvoll genutzt werden, etwa zur Brauchwassererwärmung oder zur Beheizung von Nebenräumen. Das verbessert die Energieeffizienz der gesamten Kälteanlage.
Zur Überwachung der Wasserqualität können am Enthitzer Sensoren installiert sein. Diese kontrollieren den Zustand des Kühl- oder Heizwassers und helfen dabei, Ablagerungen, Korrosion oder andere Störungen frühzeitig zu erkennen.
3. Verflüssiger / Kondensator
Nach dem Enthitzer gelangt das gasförmige Ammoniak in den Verflüssiger, auch Kondensator genannt. Dort gibt das Kältemittel Wärme an ein Kühlmedium ab, zum Beispiel an Wasser oder Luft. Dadurch wird das Ammoniak vom gasförmigen in den flüssigen Zustand überführt.
Entscheidend ist dabei der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur: Bei hohem Druck kann Ammoniak bei einer entsprechend höheren Temperatur kondensieren. Sobald die Kondensationstemperatur erreicht ist, beginnt der Phasenwechsel von gasförmig zu flüssig.
Während der Kondensation bleibt die Temperatur des Kältemittels weitgehend konstant. Die abgeführte Wärme wird nicht mehr hauptsächlich zur Temperaturabsenkung genutzt, sondern für die Änderung des Aggregatzustands. Nach der Kondensation verlässt das flüssige Ammoniak den Verflüssiger und strömt weiter zum Hochdruckschwimmer.
4. Hochdruckschwimmer
Vom Verflüssiger gelangt das flüssige Ammoniak zum Hochdruckschwimmer. Der Hochdruckschwimmer trennt die Hochdruckseite von der Niederdruckseite und gibt flüssiges Kältemittel kontrolliert in Richtung Abscheider frei.
Beim Übergang auf den niedrigeren Druck entspannt sich das Ammoniak. Dabei kühlt es stark ab. Ein Teil des flüssigen Ammoniaks verdampft sofort, während ein anderer Teil flüssig bleibt. Es entsteht ein kaltes Flüssigkeits-Dampf-Gemisch.
Dieses Gemisch gelangt anschließend in den Abscheider. Dort werden gasförmiges und flüssiges Ammoniak voneinander getrennt. Die Flüssigkeit steht danach für den Pumpenumlauf zur Verfügung und wird von der NH₃-Pumpe zu den Verdampferrohren unter der Eisfläche gefördert.
5. Abscheider
Der Abscheider ist ein zentrales Bauteil in einer Ammoniak-Kälteanlage mit Pumpenumlauf. Er trennt das gasförmige Ammoniak vom flüssigen Ammoniak und sorgt dafür, dass beide Phasen an der richtigen Stelle im Kreislauf weitergeführt werden.
Das flüssige Ammoniak sammelt sich im unteren Bereich des Abscheiders. Von dort wird es durch die NH₃-Pumpe zu den Verdampferrohren unter der Eisfläche gefördert. Das gasförmige Ammoniak sammelt sich im oberen Bereich und wird vom Verdichter wieder angesaugt.
Diese Trennung ist wichtig für die Betriebssicherheit. Flüssiges Ammoniak darf nicht in den Verdichter gelangen, da es dort zu schweren mechanischen Schäden kommen kann. Man spricht in diesem Zusammenhang von Flüssigkeitsschlägen.
6. NH₃-Pumpe
Die NH₃-Pumpe fördert das flüssige Ammoniak aus dem Abscheider zu den Verdampferrohren unter der Eisfläche. Sie sorgt dafür, dass das Kältemittel kontinuierlich im Niederdruckbereich zirkuliert.
In vielen Anlagen wird mehr flüssiges Ammoniak zur Piste gefördert, als dort vollständig verdampft. Dadurch ist sichergestellt, dass die Verdampferrohre gleichmäßig versorgt werden. Das zurückströmende Gemisch aus flüssigem und gasförmigem Ammoniak gelangt wieder in den Abscheider.
Die NH₃-Pumpe ist damit ein wichtiger Bestandteil des Pumpenumlaufs. Ohne sie würde das flüssige Kältemittel nicht zuverlässig zu den Verdampferrohren transportiert werden.
7. Piste / Verdampferrohre
Der eigentliche Verdampfer befindet sich bei einer direkten Ammoniak-Kühlung in den Rohrleitungen unter der Eisfläche. Diese Verdampferrohre liegen im Betonaufbau der Piste. Das flüssige Ammoniak strömt durch diese Rohre und nimmt Wärme aus dem Untergrund und der Eisfläche auf.
Durch die Wärmeaufnahme verdampft ein Teil des Ammoniaks. Genau dieser Verdampfungsprozess erzeugt die Kältewirkung, die notwendig ist, um die Eisfläche gefroren zu halten. Die Eisfläche selbst ist also nicht der Verdampfer, sondern wird durch die darunterliegenden Verdampferrohre gekühlt.
Das aus der Piste zurückkommende Gemisch aus flüssigem und gasförmigem Ammoniak strömt wieder in den Abscheider. Dort wird es erneut getrennt: Flüssiges Ammoniak wird wieder zur Piste gepumpt, gasförmiges Ammoniak wird vom Verdichter angesaugt.
8. Hochdruck- und Niederdruckbereich
Der Kältekreislauf einer Ammoniak-Anlage lässt sich in zwei Hauptbereiche einteilen: den Hochdruckbereich und den Niederdruckbereich.
Der Hochdruckbereich beginnt am Austritt des Verdichters. Er führt über den Enthitzer und den Verflüssiger bis zum Hochdruckschwimmer. In diesem Bereich steht das Ammoniak unter hohem Druck. Hier wird das Kältemittel abgekühlt und verflüssigt.
Der Niederdruckbereich beginnt nach der Entspannung am Hochdruckschwimmer. Er umfasst den Abscheider, die NH₃-Pumpe, die Verdampferrohre unter der Eisfläche und die Saugleitung zurück zum Verdichter. In diesem Bereich nimmt das Ammoniak Wärme auf und verdampft teilweise.
9. Der Kreislauf vereinfacht erklärt
Vereinfacht lässt sich der Kältekreislauf einer direkten Ammoniak-Kälteanlage so darstellen:
Verdichter → Enthitzer → Verflüssiger → Hochdruckschwimmer → Abscheider → NH₃-Pumpe → Verdampferrohre unter der Piste → Abscheider → Verdichter
Der Verdichter bringt das gasförmige Ammoniak auf einen höheren Druck. Im Enthitzer und Verflüssiger gibt das Kältemittel Wärme ab und wird wieder flüssig. Über den Hochdruckschwimmer gelangt es auf die Niederdruckseite. Im Abscheider wird flüssiges von gasförmigem Ammoniak getrennt. Die NH₃-Pumpe fördert das flüssige Ammoniak zur Piste, wo es Wärme aufnimmt und teilweise verdampft. Anschließend kehrt es zum Abscheider zurück.
Genau dadurch bleibt die Eisfläche kalt: Nicht die Anlage „erzeugt Kälte“ im eigentlichen Sinn, sondern sie entzieht der Eisfläche Wärme und gibt diese Wärme an anderer Stelle wieder ab.