Was ist eine Kaskaden-Kühlung?

PC-Freak91

PC-Freak91

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Könnte mir einer vielleicht mal erzählen, was genau eine Kaskadenkühlung ist? Ichj weiß nur, dass man mit ihr sehr niedrige Temperaturen erreichen kann....
PC-Freak91
 
Ich zitier jetzt mal eine schöne erklärung (wie eine Kaskaden kühlung funktioniert) aus einem anderen Forum:

" Eine Kaskade besteht aus einem ersten Kühlkreislauf, dessen Temperaturniveau sehr tief, meistens ganz im Minusbereich liegt.

So eine Kältekreislauf besteht aus dem Kompressor, der Kältemitteldampf von niedrigem Druck zu hohem Druck verdichtet. Direkt an den Kompressor schließt sich dann der Verflüssiger (im Jargon auch Kondensator genannt) an. Der sieht aber nicht so aus wie bei einem Kühlschrank oder auch wie ein Radi, sondern hier wird das Kältemittel im Tieftemperaturkreislauf durch das zweite im Hochtemperaturkreislauf verflüssigt. Der Kondensator ist also ein druckdichter Wärmetauscher. Nach dem Wärmetauscher kommt ein Filtertrockner, der eigentlich nichts macht, außer letzte kleine Partikel im Kältemittelkreislauf aufzufangen und vor allem letzte Wasserreste festzuhalten, damit kein Eis die Leitungen verstopfen kann. Nun haben wir flüssiges Kältemittel bei hohem Druck.

Nun kommt eine Drossel, das kann entweder ein Expansionsventil oder ein angepasstes Kapillarrohr sein. Hier wird der Druck der Kältemittelflüssigkeit auf das Verdampferniveau abgesenkt. warnung: das mit der Kapillare ist so eine Sache: man bekommt die richtige Länge nur mit Probieren raus, das bedeutet häufigere Kältemittelnachfüllen.(Die Kühlschrankhersteller habens einfach: Die brauchen's nur beim Prototypen ausprobieren ...)

Im Verdampfer verdampft der Kältemittelstrom bei konstanter Temperatur, bei der Kaskade bei ganz besonders niedrigem Niveau. Der Dampf wird nun wieder zum Kompressor geleitet, wo er wieder auf hohes Druckniveau verdichtet wird. Hier gibts eine kleine Hürde: Kompressoren mögen es garnicht, wenn noch Resttropfen Flüssigkeit mit im Dampf mitschwimmen: Man nennt das dann Tropfenschlag. Abhilfe hier: Man führt die Flüssigkeitsleitung, z.B. die Kapillare im direkten Kontakt zum zurückkommenden Dampf. Der ist nämlich nocht viel kälter als die Flüssigkeit in der Kapillare. Die wird durch den Dampf noch abgekühlt, während der Dampf selber von der kapillare/Flüssigkeitsleitung nachgeheizt wird, wobei angenehmerweise die letzten eventuellen Tropfen weg verdampfen.

Soweit olle Kamellen, bis auf den speziellen Wärmetauscher, der im Tieftemperaturkreislauf einer Kaskade anstelle eines Radis auftaucht. Das besondere ist ja, daß das erste Kältemittel dadurch kondensiert wird, daß das zweit im Hochtemperaturkreislauf verdampft wird. Der Wärmetauscher ist also gleichzeitig der Kondensator des Tief- und der Verdampfer des Hochtemperaturkreislaufs.

Erste Berechnungsregel: Thermodynamisch ist es am besten, wenn das Temperaturniveau im Wärmetauscher genau auf der Mitte zwischen dem Verdampfer auf der tiefen Seite und dem Verflüssiger auf der Hochtemperaturseite liegt. Ein Beispiel: Wir möchten -80 °C erzeugen. Der Radi der HT-seite soll aber nicht so groß werden wie der eines Minenkippers, also nehmen wir mal +40 Grad Kondensatortemperatur der HT-seite an. Die Differenz ist 120 ° ! Die Mitte liegt also bei - 20 °C, wie man leicht errechnen kann.

Der Kältekreislauf auf der Hochtemperaturseite sieht genauso aus wie der einer stinknormalen Gefriertruhe, nur daß der Verdampfer eben dieser besagte Wärmetauscher in der Mitte ist: Kompressor - Verflüssiger in Radi-Form - Filtertrockner - Kapillare/Expansionsventil - Wärmetauscher. Thats all.

Zweite Auslegungsregel: Man bedenke bitte, daß die höchste Temperatur im Tieftemperaturkreislauf knapp über der Mitteltemperatur im Wärmetauscher liegt ! Das bedeutet, daß man hier alles gut isolieren sollte, den wärmetauscher natürlich und auch den Kompressor ! Der Kompressor im kalten Kreislauf sollte zudem mit einem Tieftemperaturöl gefüllt sein ! Das darf ja nicht stockig werden, den sonst frackt der Kompressor.

Dritte Kaskadenregel: Wenn man geschickt ist, so wählt man für den Tieftemperaturkreislauf ein Kältemittel aus, daß bei den tiefen Temperaturen in etwa den gleichen Volumenstrom bei in etwa gleichem Druckverhältnis braucht wie der HT-Kreislauf - dann kann man nämlich dieselbe Kompressorgröße verwenden. Das ist ungemein praktisch, nur sollte man vorher klären, ob der jeweilige Kompressor auch für die angestrebten Temperaturniveaus geeignet ist (Ölfüllung, Kolbenpassung ...) Allerdings zeigt die Erfahrung, daß selbst -20 Grad für einen Standardkompressor noch kein Problem sind. Merke: Die Durchschnittstemperatur im Kompressorkessel liegen auf dem Niveau des Verdamfers, bei unserem Beispiel also bei -20 / +40 Grad.

Empfehlenswert sind als Kältemittel: Ethylen (R1150) für den TT-Kreislauf und R290 (Propan) oder R134a für den HT-Kreislauf. Keine Sorge, die Füllmengen sind so 100 - 200 Gramm, also nur wie eine simple Campinggas-Kartusche und das ist nun wirklich beherrschbar.

Vierte Kaskadenregel:Man muß besonders sorgfältig arbeiten: Vor dem Füllen müssen beide Kreisläufe extrem gut evakuiert werden, vor allem der TT-Kreislauf: Bei -80 Grad bilden schon wenige überlebende Wassermoleküle einen Pfropfen.

Eine Bemerkung: Will man nicht nur die CPU auf fast kryogene Temperaturen befördern, sondern die GPU gleich dazu, so empfiehlt sichim Tieftemperaturkreislauf nach dem Wärmetauscher und Filtertrockner einen Sammler einzubauen, von dem zwei Kapillaren zu zwei Verdampfern abgehen. Die zwei Dampfrückströme werden vor dem Kompressor wieder in einem Y-Stück zu einem Gesamtstrom vereinigt. "
 
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