Hier möchten wir Ihnen die Möglichkeit bieten, sich über Kühlanlagen und Kühltechnik weiter zu informieren, so daß Sie erkennen können, dass diese Technik auch Wartung und Pflege benötigt.
Animation: So funktioniert der Kältekreislauf (präsentiert von der Firma BOCK Compressors ©)
Das Wörterbuch definiert Kühlung als einen Prozess welcher etwas kalt macht und Kalt kann definiert werden als die Abwesenheit von Wärme. Oder anders ausgedrückt, die Kühlung ist ein Prozess Wärme zu entziehen. Wärme ist eine Form von Energie und kann von einem Körper zum anderen übertragen werden, wenn es zwischen den Körpern eine Temperaturdifferenz gibt. Das fundamentale Gesetz sagt aus, das Wärme nur von einer höheren Temperatur auf einen Körper mit niederer Temperatur übertragen werden kann.
Die Kühlung wird somit zu einem Prozess, der eine tiefere Temperatur liefern muss, so dass Wärme dem anderen Körper entzogen werden kann. Das früheste und meist verbreiteste Kühlmedium, um Wärme abzuführen was Eis oder Schnee. Die Chinesen waren die Ersten, die lernten das Eis die Getränke kühler und wohlschmeckender machte. Im frühen Griechenland und zu römischen Zeiten, wurden Sklaven verwendet, die Schnee von den Bergen holen mussten.
Das Eis wurde gelagert und für gekühlte Delikatessen verwendet. Diese Praxis verbreitete sich in Europa mit der wachsenden Zivilisation. Und in Frankreich, während des 16zehnten Jahrhunderts wurde Eis und Schnee für gekühlte Getränke benutzt. Gefrorene Lebensmittel wurden populär. Francis Bacon dachte im Jahre 1626 als erstes an die Kühlung zum Schutze der Lebensmittel. Er experimentierte mit in Schnee gelegtem Huhn, um zu sehen, ob es schützte. Aber erst mit der Entwicklung des Mikroskopes im Jahre 1683 konnte man über das Verhalten der Bakterien und Enzyme etwas lernen. Man entdeckte, dass sich diese Mikroorganismen bei Wärme vermehrten und bei Temperaturen von 50F und darunter nicht zunahmen. Tiefere Temperaturen töteten die Organismen nicht, aber das Wachstum war zu kontrollieren. Zum ersten Mal war es möglich, Lebensmittel nicht nur durch Trocknen, Räuchern oder Salzen haltbar zu machen, sondern auch durch Nutzung von Kälte.
Das Nutzen von Kälte oder Kühlung für diese Zwecke wuchs zu einem weltweiten Geschäft heran, bis heute. Bis vor ungefähr einhundert Jahren wurden die Lebensmittel mit natürlichen Kühlmedien wie Eis oder Schnee gekühlt. Doch bereits 1775 gab es Experimente um tiefere Temperaturen zu erzeugen. Aber diese ersten Experimente verliessen das Labor nie.
Im Jahre 1834 gab es das erste Patent auf eine mechanische Kühlmaschine. Es war ein britisches Patent, und die Beschreibung ist interessant, da sie den noch heutigen Kälteprozess beschreibt. Im Jahre 1855 wurde die erste mechanische Kühlmaschine in Cleveland, Ohio in Betrieb gesetzt. Diese Anlage wurde zum Herstellen von Eis betrieben. Entlang des Jahres 1900 nahm die Elektrizität Einzug in viele Haushalte und mit der Entwicklung von kleinen Elektromotoren kam auch die “Eismaschine” in die Häuser. Nun wurden kleine bis ganz grosse Kältemaschinen gebaut, die alle auf dem Patent aus dem Jahre 1834 beruhen.
Im folgenden werden die einzelnen Bauteile einer einfachen Kälteanlage beschrieben, um schließlich den gesamten Kreislauf verständlich erläutern zu können.
Der Verdampfer
Ein flüssiges Kältemittel nimmt während seiner Verdampfung Wärme auf. Diese Phasenänderung ist es, die in einem Kältekreislauf Kälte erzeugt. Wenn ein Kältemittel bei Umgebungstemperatur durch eine Drosselstelle in die freie Atmosphäre hinaus expandiert, nimmt sie von der umgebenden Luft Wärme auf und verdampft. Ändert sich der Atmosphärendruck, verdampft das Kältemittel bei einer anderen Temperatur, da ja die Verdampfungstemperatur druckabhängig ist. Der Bauteil, in dem der beschriebene Prozess abläuft, ist der Verdampfer. Seine Aufgabe ist es, Wärme aus dem umgebenden Medium zu entfernen, d.h. Kälte zu erzeugen.
Der Verdichter
Der Kälteprozess ist, wie bereits erwähnt, ein geschlossener Kreisprozess. Das Kältemittel expandiert folglich nicht, wie im obigen Beispiel beschrieben, in die freie Atmosphäre hinaus. Würde das vom Verdampfer kommende Kältemittel in einen geschlossenen Behälter eingespeist, stiege dessen innerer Druck bis zum Verdampfungsdruck. Die Kältemittelzufuhr vom Verdampfer würde somit allmählich aufhören, und die Temperatur sowohl im Verdampfer als auch im Behälter würde sich nach und nach der Umgebungstemperatur angleichen. Um einen niedrigeren Druck und damit eine niedrigere Temperatur in dem Behälter aufrechtzuerhalten, muss ihm Dampf entzogen werden. Dies erreicht man mittels eines Verdichters, der Dampf aus dem Verdampfer saugt. Der Verdichter kann mit einer Pumpe verglichen werden, die im Kältemittelkreislauf Dampf fördert. In einem geschlossenen Kreislauf streben Druck und Temperatur immer jeweils einem Gleichgewichtszustand zu. Saugt beispielsweise der Verdichter aus dem Verdampfer mehr Dampf ab als dort erzeugt wird, fällt der dort herrschende Druck und dann die Temperatur. Umgekehrt steigen Druck und Temperatur, sofern die Verdampferbelastung so ansteigt, dass die erzeugte Dampfmenge die Kapazität des Verdichters übersteigt.
Der Verdichtungsprozess
Kältemittel verlässt den Verdampfer entweder im Zustand gesättigten oder überhitzten Dampfes und wird nach dem Eintritt in den Verdichter komprimiert. Die Verdichtung wird in der Regel mit Hilfe von Kolben erreicht und ist daher vergleichbar mit der Betriebsweise des Verbrennungsmotors eines Autos. Um seine Arbeit verrichten zu können, muss dem Verdichter Energie zugeführt werden. Diese Energie wird beim Verdichtungsprozess wiederum auf das Kältemittel überführt. Aufgrund der zugeführten Verdichtungsenergie verlässt das Kältemittelgas den Verdichter bei einem – im Vergleich zum Eintrittszustand – höheren Druck und in einem stark überhitzten Zustand. Die zugeführte Verdichterenergie ist abhängig von Anlagendruck und – Temperatur. Es ist einleuchtend, dass mehr Energie aufgewandt werden muss, um 1 kg Dampf um 10 bar zu komprimieren als um 5 bar.
Der Verflüssiger
Das Kältemittel gibt im Verflüssiger Wärme ab, die einem anderen Medium niedrigerer Temperatur zugeführt wird. Die abgegebene Wärmemenge setzt sich zusammen aus der im Verdampfer aufgenommenen Energie und der für die Verdichtung benötigten Kompressionsenergie. Das Medium, das diese Wärmemenge aufnimmt, kann Wasser oder Luft sein. Bedingung ist, dass die Temperatur des Mediums niedriger ist als die Verflüssigungstemperatur. Der Verflüssigungsprozess ist vergleichbar mit dem Verdampfungsprozess; nur Bind die Zustandsänderungen gegenläufig, d.h. von der Dampfphase zum flüssigen Zustand.
Der Expansionsprozess
Kältemittelflüssigkeit strömt vom Verflüssiger zu einem Sammler, der dem im Abschnitt 3.1 erwähnten Behälter entspricht. Aufgrund der Druckerhöhung durch den Verdichter ist der Sammlerdruck viel höher als der Verdampferdruck. Um wiederum den Druck auf das Niveau des Verdampferdruckes abzusenken, muss eine Drosselstelle eingebaut werden, in der das Kältemittel expandieren kann. Das entsprechende Bauteil ist in der Regel ein sogenanntes Expansionsventil. Unmittelbar vor dem Expansionsventil befindet sich das flüssige Kältemittel etwas unterhalb seiner Siedetemperatur. Durch die plötzliche Drucksenkung geschieht eine Zustandsänderung: Das Kältemittel fängt an zu sieden und verdampft bei einer niedrigeren Temperatur. Diese Verdampfung vollzieht sich im Verdampfer, womit sich der beschriebene Kältekreis schließt.
Im Kältekreislauf zirkuliert Kältemittel. Es hat die Eigenschaft, schon bei -30°C zu Verdampfen. Wasser verdampft, wie wir wissen, erst bei +100°C. Beim Verdampfen der Flüssigkeiten nimmt dieser Stoff sehr viel Wärme auf und ist so in der Lage etwas zu kühlen – “Kälte” wird erzeugt bzw. Wärme entzogen.
Als Motor der Zirkulation kann der Verdichter angesehen werden, dieser fördert je nach Größe mehr oder weniger Kältemittel. Um die Menge an Kältemittel an die unterschiedlichen Kühlmöbel und Räume anzupassen, muß vor jede Kühlstelle ein Dosiergerät montiert werden – das Expansionsventil.
Das Expanisonsventil hat zwei Aufgaben:
1. Regeln des Kältemittelflußes nach Bedarf der Kühlleistung.
2. Drosseln des Kältemittels von hohem Druck auf niedrigen Druck.
In sehr einfachen Kältekreisläufen kann der Verdichter als Dosiergerät arbeiten. Wir kennen Dieses Prinzip aus unserem Kühlschrank zu Hause. Die Funktion der Drosselung geschieht in diesem Fall über eine Kapillare. Die Kapillare stellt eine Rohrwendel mit sehr kleinem Rohrdurchmesser dar. In diesem Röhrchen fällt der Druck dann wie gewünscht ab.
In komplexen Kältekreisläufen sind wir auf thermostatische Expansionsventile angewiesen. In der folgenden Abbildung ist eine Schnittzeichnung eines thermostatischen Expansionsventils dargestellt.
Da sich die Lastzustände von Kühlmöbeln und Kühlräumen sehr oft ändern, muß das Ventil automatisch den Kältemittelfluß an den Bedarf anpassen. Zur Abstimmung hat das Ventil einen Fühler. Ist der Wärmeeinfall in die Kühlstelle sehr groß, so verdampft das Kältemittel gänzlich im Verdampfer. Bei geringerem Wärmeeinfall, wird weniger Kältemittel verdampft, wodurch auch der Nachfluß an Kältemittel reduziert werden muß. Ein Fühler am Ende des Verdampfers mißt ständig wieviel Kältemittel verdampft und steuert direkt den Öffnungsgrad des Ventils. Anhand der Prinzipskizze kann die Funktion einfach erklärt werden.
Der Fühler ist mit Flüssigkeit gefüllt, welche sich bei Wärme ausdehnt und so einen Druck auf die Membrane ausübt. Als Gegenkraft wirken der Verdampungsdruck (po) und eine Federkraft von unten an die Membrane. Es stellt sich je nach Betriebszustand ein Gleichgewicht mit bestimmtem Öffnungsgrad ein. In der Praxis läuft dieser Regelprozeß immer wiederkehrend ab. Dadurch ergibt sich keine feste Stellung des Ventils sondern ein ständiges Pendeln.
Die Überhitzung des Ventils kann durch verstellen des Federdruckes so eingestellt werden, das daß Pendeln nicht so stark ausgeprägt ist und das Regelverhalten möglichst stabil ist. Man spricht für den möglichst optimalen Füllzustand des Verdampfers vom MSS (Minimales Stabiles Signal zur Füllungsbegrenzung). Bei guter Abstimmung des Ventil auf den Verbraucher erhalten wir eine hochwertige und warenschonende Temperaturregelung.
Überhitzung: Aufgenommene sensible Energie in Form von Wärme, bezogen auf den Punkt der vollständigen Verdampfung des Kältemittels. Die Gesamtüberhitzung setzt sich zusammen: Aus der Arbeitsüberhitzung (Druck im Verdampfer) und der statischen Überhitzung (Federkraft).