Aus theoretischer Perspektive ist wohl bekannt, dass eine parallele Verdampfung die bevorzugte Betriebsart ist. Der höhere Temperaturunterschied am Wärmetauschereingang stimuliert die Verdampfung mehr als eine Gegenströmung, was folgende Vorteile mit sich bringt:

• Verbesserte Kältemittelverteilung
• Verbesserte Gefrierbeständigkeit
• Mögliche Optimierung der Heiz- und Kälteleistung in einem umschaltbaren System

Das Problem bei einer parallelen Strömung ist die Erreichung einer stabilen Überhitzungswärme. Da die primären und sekundären Nebentemperaturen sich am Wärmetauscherausgang schnell annähern, besteht ein Risiko für einen Quetschungsbereich, was bedeutet, dass Höchstleistung und eine angemessene Überhitzungswärme nicht erreicht werden können.

Durch das Hinzufügen eines weiteren Wärmetauschers in der Saugleitung (Sauggaswärmetauscher) wird die Überhitzungswärme aus dem Verdampfer entfernt. Der Sauggaswärmetauscher generiert die notwendige Überhitzungswärme des verdampften Kältemittels, indem das unterkühlte Kältemittel in der Flüssigkeitsleitung genutzt wird. Das sorgt für einen effizienten Betrieb des Verdampfers mit einem geringeren Risiko eines Quetschungsbereichs, da der Sauggaswärmetauscher die Überhitzungswärme erzeugt. Durch das Hinzufügen eines Sauggaswärmetauschers können Platzbedarf, Kosten und ein zusätzlicher Druckabfall steigen. Somit ist dies nicht immer eine bevorzugte Lösung.

Mit Hypertwain führt SWEP einen innovativen Wärmetauscher ein, der einen Sauggaswärmetauscher mit einem Verdampfer kombiniert. Dadurch erhalten Sie alle Vorteile eines Sauggaswärmetauschers ohne dessen Nachteile. Im Gegensatz zu herkömmlichen gelöteten Plattenwärmetauschern besitzt die Platte einen explizit für die Verdampfung vorgesehenen Bereich und nur einen kleinen Bereich in der Nähe des Auslasses, der für die Überhitzung des Kältemittels optimiert wurde. Der kleine Überhitzungsbereich dient als integrierter Sauggaswärmetauscher, der mit der warmen Kältemittelleitung verbunden ist und diese Flüssigkeit nutzt, um das verdampfte Kältemittel zu überhitzen. Mit dem in der Platte integrierten Sauggaswärmetauscher ist keine physikalische Unterscheidung zwischen dem Sauggaswärmetauscher und dem Verdampfer möglich

Der große Dichteunterschied zwischen Flüssigkeit und Dampf erzeugt oftmals eine Fehlverteilung mit einer höheren Dampfkonzentration in einem Teil des Sauggaswärmetauschers und einem nasseren Kältemittel in einem anderen Teil. Folglich wird der externe Sauggaswärmetauscher über- oder unterdimensioniert, und da die Verteilung instabil ist, wird die Steuerung während einer variablen Last schwierig. Bei den meisten Lösungen für dieses Problem wird der Druckabfall hinter dem Verdampfer erhöht, was die Systemleistung beeinträchtigt. Ein integrierter Sauggaswärmetauscher verringert dieses Problem erheblich, da die Verteilung hauptsächlich mit derselben Verteilungsvorrichtung wie für den Verdampfer erfolgt. Indem nur ein Wärmetauscher genutzt wird, findet der Anschlussdruckabfall nur in einem anstatt zwei Wärmetauschern statt.

Bei einem herkömmlichen Kühler oder einer herkömmlichen Wärmepumpe, der bzw. die im Umkehrmodus arbeitet (also Kälte und Wärme bereitstellt), beträgt die Effizienzsteigerung durch eine erhöhte Verdampfung bzw. geringe Kondensationstemperaturen dank des verbesserten Temperaturkonzepts mehrere Grad. Neben der höheren Effizienz in den Betriebsarten bietet der Hypertwain-Wärmetauscher eine höhere thermische Leistung und einen geringen Sekundärdruckabfall, da ein asymmetrisches Plattendesign genutzt wird. Zu Testzwecken wurde bei SWEP frühzeitig ein Demonstrationskühler (Wasser zu Wasser) mit zwei Hypertwain-Einheiten konstruiert, um das Konzept zu veranschaulichen. Die Kältekapazität von 100 kW (Verdampfer-Wärmestrom von 12,7 kW/m² bei 100 kW und Kondensator-HF von 15,7 kW/m²) führte im Test zu SEER-Werten über 6,0 und SCOP-Werten über 6,5 gemäß EN 14825 mit variablem Wasserstrom.

Abbildung 1: Typische Leistung mit R410a, Kühler-Wärmestrom von 10 k2/m², Wasser 7/12 °C und einer Kondensationstemperatur der Flüssigkeit von 30 °C.

Wie bei parallelen Verdampfern beschrieben, erzeugt die Überhitzung einen Quetschungsbereich, d. h. dass eine höhere Überhitzung zu einer gleichwertigen Verringerung der thermischen Leistung (Temperaturannäherung) führt. Hypertwain wurde so entwickelt, dass die hohe thermische Leistung des Verdampfers mithilfe von Überhitzungsstufen erreicht wird, die in einem für den Markt gängigen Bereich liegen. Das obige Diagramm zeigt, wie sich die Kombination aus Verdampfer und integriertem Sauggaswärmetauscher verhält. Wie bei allen Wärmetauschern führt eine höhere Last zu einer höheren Temperaturannäherung. Folglich bewegt sich die Kurve entsprechend der Last nach oben oder unten. Die Neigung könnte auch je nach thermischem Gehäuse und Kältemittel anders aussehen. Jedoch kann für die meisten relevanten Volllast- und Teillastfälle eine stabile Überhitzung um 4–5 K erreicht werden.

Im Laufe der Produktlebensdauer einer Wärmepumpe oder eines Kühlers stellen die Betriebskosten einen entscheidenden Faktor dar. Betriebskosten sind direkt mit der Systemeffizienz verknüpft. Eine geringe Systemeffizienz erhöht den Stromverbrauch und dadurch die Gesamtbetriebskosten.

Im Vergleich zu einem System mit herkömmlichen BPHEs kann Hypertwain den saisonalen Leistungskoeffizienten (SCOP) und das saisonale Energie-Effizienz-Verhältnis (SEER) wesentlich verbessern. Bei einem für den Kältemodus* optimierten System kann die Heiz-SCOP um 10–15 % und das Kälte-SEER um 5 % erhöht werden. Diese Verbesserungen verringern den Stromverbrauch und die Betriebskosten. Die Stromeinsparungen durch eine(n) umschaltbare(n) Wärmepumpe/Kühler sind pro Jahr beträchtlich.

Im Laufe der Produktlebensdauer einer Wärmepumpe oder eines Kühlers stellen die Betriebskosten einen entscheidenden Faktor dar. Betriebskosten sind direkt mit der Systemeffizienz verknüpft. Eine geringe Systemeffizienz erhöht den Stromverbrauch und dadurch die Gesamtbetriebskosten.