Grundlagen der Kältetechnik

Die Hauptsätze der Thermodynamik

1. Hauptsatz: Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet werden, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden, zum Beispiel Wärme in Arbeit.

2. Hauptsatz: Wärme strömt immer nur von einem System höherer Temperatur zu einem System niederer Temperatur, jedoch niemals umgekehrt.

Aufgabe der Kältetechnik

Die Aufgabe einer Kälteanlage ist es, Waren und anderes Gut abzukühlen und bei einer Temperatur aufzubewahren, die normalerweise tiefer ist als die Umgebungstemperatur. Kühlung kann definiert werden als ein Prozess, bei dem Wärme entzogen wird. Die ältesten und bekanntesten Kältemittel sind Eis, Wasser und Luft. Anfänglich war das Konservieren von Nahrungsmittel der Hauptzweck. Die Chinesen entdeckten als erste, dass Eis die Halt- barkeit von Getränken verlängern und ihren Geschmack verbessern kann, und die Eskimos konservierten seit Jahrhunderten ihre Lebensmittel durch Gefrieren.

Geschichte

Die ersten mechanischen Kältemaschinen zur Herstellung von Eis wurden um das Jahr 1860 produziert. Die ersten Ammoniakverdichter und die ersten isolierten Kühlräume wurden 1880 in den Vereinigten Staaten in Betrieb genommen. 

Elektrizität gewann als Energieträger eine immer bedeutendere Rolle am Anfang dieses Jahrhunderts und mechanisierte Kälteanlagen gehörten in gewissen Bereichen schon zur Standardausrüstung: z.B. in Brauereien, Schlachthäusern, in der Fischindustrie und bei der Eiserzeugung. 

Nach dem zweiten Weltkrieg nahm die Entwicklung von kleinen hermetischen Verdichtern ihren rasanten Lauf und Kühl- und Gefrierschränke hielten ihren Einzug in den Haushalten. Heute sind diese Einrichtungen aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken.

Kältemittelkreislauf

Die Hauptkomponenten des Kältemittelkreislaufes sind:

  • Verdichter
    Der Verdichter saugt gasförmiges Kältemittel an, verdichtet dieses auf ein hohes Druck- und damit auch Temperaturniveau und stößt das Kältemittel dann wieder aus. Dabei nimmt der Verdichter elektrische Leis- tung auf. Je nach Anwendung und erforderlicher Leistung sind die Verdichter in unterschiedlichen Baureihen erhältlich.

  • Verflüssiger
    In diesem Wärmeübertrager wird die im Kältemittel enthaltene Verflüssigungswärme an ein Kühlmedium (Luft, Wasser ...) abgegeben. Das Kühlmedium wird dadurch erwärmt. Dabei wird das gasförmige, erhitzte, unter hohem Druck stehende Kältemittel durch den Wärmeentzug verflüssigt. Die Verflüssigungswärme setzt sich aus Verdampfungswärme und aufgenommener elektrischer Leistung zusammen.

  • Expansionsventil
    Das flüssige, unter hohem Druck stehende Kältemittel wird im Expansionsventil entspannt. Durch die Ent- spannung reduziert sich der Druck der Flüssigkeit bis unter den Dampfdruck, so dass die Flüssigkeit unter Wärmeaufnahme verdampfen kann.

  • Verdampfer
    Dieser Wärmeübertrager dient der Verdampfung des entspannten flüssigen Kältemittels. Dabei wird von einem Kühlmedium (Luft, Wasser ...) die Verdampfungswärme aufgenommen. Das Kühlmedium kühlt dadurch ab. Das flüssige Kältemittel wird im Wärmeübertrager vollständig in den gasförmigen Zustand gebracht.

Das verflüssigte Kältemittel hat im Sammler den Zustand A, der sich auf der Siedepunktkurve der Flüssigkeit befindet. Demzufolge hat die Flüssigkeit die Temperatur tc (Verflüssigungstemperatur) und den Druck pc (Verflüssigungsdruck), dies bezeichnet man als gesättigte Temperatur und Druck. Die kondensierte Flüssigkeit wird im Verflüssiger abgekühlt und hat die Temperatur A1 und die Enthalpie h0. Die Flüssigkeit ist nun unterkühlt, d.h. dass sie auf eine niedrigere Temperatur gekühlt ist, wie die Sättigungstemperatur. 

Die kondensierte Flüssigkeit im Sammler hat den Zustand A1, und es handelt sich um unterkühlte Flüssigkeit. Diese Flüssigkeitstemperatur kann sich ändern, wenn der Sammler oder die Flüssigkeit oder beides durch die Umgebungstemperatur erwärmt oder gekühlt wird. Wird die Flüssigkeit gekühlt, vergrößert sich die Unterkühlung und umgekehrt. 

Beim Durchgang durch das Expansionsventil ändert sich der Zustand des Kältemittels von A1 nach B. Aufgrund der dort stattgefundenen Drucksenkung auf den Druck p0 fängt das Kältemittel an zu sieden; die Verdampfungstemperatur ist nun t0. Da während des Expansionsprozesses dem Kältemittel Wärme weder zu- noch abgeführt wird, bleibt die Enthalpie h0 konstant. 

Am Verdampfereintritt B tritt ein Mischzustand von flüssigem und dampfförmigen Kältemittel auf, am Austritt C gesättigter Dampf. Am Verdampferaustritt Punkt C1 ist der Dampf überhitzt, d.h. das Sauggas ist höher erhitzt, wie die gesättigte Temperatur. Druck und Temperatur sind im Punkt B und am Austrittspunkt C1 gleich, weil aber der Verdampfer von seiner Umgebung Wärme aufgenommen hat, steigt die Enthalpie auf h1 an.

Beim Durchgang des Kältemittels durch den Verdichter ändert sich sein Zustand von Punkt C nach D. Der Druck steigt auf das Niveau des Verflüssigungsdrucks pc. Die Temperatur am Verdichteraustritt tHeißgas, ist höher als die Verflüssigungs- temperatur tc, da der Dampf stark überhitzt ist. Durch die Zufuhr von Energie bei der Verdichtung des Kältemittels (Abwärme vom Verdichtermotor) steigt die Enthalpie von h1 auf h. 

Am Verflüssigereintritt D befindet sich das Kältemittel dementsprechend im Zustand einer starkenÜberhitzung mitDruckpc.VomVerflüssiger wird Wärme an die Umgebung abgegeben, so dass sich am Austritt wieder der ursprüngliche Zustand A1 einstellt. 

Im ersten Teil des Verflüssigers geht das Kältemittel vom Zustand der Überhitzung (Punkt D) in den gesättigten Dampf (Punkt E) über, dann kondensiert der gesättigte Dampf. Von Punkt E auf Punkt A bleibt die Temperatur gleich, da Verflüssigung und Verdampfung bei konstanter Temperatur geschehen. Von Punkt A zu Punkt A1 im Verflüssiger wird die kondensierte Flüssigkeit weiter abgekühlt, jedoch bleibt der Druck unverändert und Flüssigkeit wird nun unterkühlt.

Text von HERZOG Kälte-Klima basiert auf Unterlagen von Danfoss und GEA. (2015)