Kälteerzeugung mit Kompression

Kompressionskältemaschinen sind die am häufigsten anzutreffenden Kühlsysteme. Sie machen sich den Effekt der sogenannten Verdampfungsenthalpie zunutze, um in der Folge Kälte zu erzeugen. In einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert ein Kältemittel, wobei es seinen Aggregatzustand zwischen dampfförmig und flüssig ändert und außerdem verschiedenen Druckzuständen ausgesetzt ist. Die vier wichtigsten Teile der Kompressionskältemaschinen sind der Verdampfer, der Kompressor (Verdichter), der Kondensator (Verflüssiger) und das Expansionsventil (Druckminderer).

Gallerie

Funktionsweise

Der Kreislauf in Kompressionskältemaschinen ist im Grunde derselbe wie der in Wärmepumpen, mit dem Unterschied, dass nicht die Wärme, sondern die Kälte aus dem Kreislauf genutzt wird. Auch Kühlschränke funktionieren nach demselben Prinzip. Dabei wird genau genommen also keine Kälte hinzugefügt, sondern einem bestimmten Raum Wärme entzogen. Der Kreislauf selbst ist in sich geschlossen, alle Stufen innerhalb des Kreislaufs bedingen einander:

Am Ende des sogenannten Verflüssigers liegt das flüssige Kältemittel, mit dem der komplette Kreislauf befüllt ist, unter hohem Druck (durch den Verdichter) vor. In diesem Zustand trifft es auf das Expansionsventil (bei einfachen Kühlschränken oft nur ein Kapillarrohr mit sehr geringem Querschnitt), wo das flüssige Kältemittel einen Druckabfall erfährt und sich dabei abkühlt, aber immer noch flüssig bleibt. Das nun kalte Kältemittel gelangt in den sogenannten Verdampfer, der sich bereits im zu kühlenden Raum bzw. auf der zu kühlenden Seite des Systems befindet. Hier nimmt der Verdampfer die Wärme auf, bedingt durch das Prinzip des thermischen Gleichgewichts, bei dem sich zwei verschiedene Temperaturen immer bestrebt sind, sich anzugleichen. Durch das Entziehen der Wärme wird diese Systemseite folglich gekühlt – es entsteht Kälte. Im Kältemittelkreislauf verdampft durch die Aufnahme der Wärme außerdem das Kältemittel, wird dabei jedoch nicht sehr viel wärmer, da die Wärme als latente (auch: verborgene) Wärme aufgenommen wird und sich lediglich im Verdampfungsprozess niederschlägt. Hat das dampfförmige Kältemittel das Ende des Verdampfers erreicht, gelangt es zum Verdichter (Kompressor), der das noch immer dampfförmige Kältemittel komprimiert und unter hohem Druck weiter zum Verflüssiger befördert. Die durch die Kompression entstehende Wärme wird im Verflüssiger an die Umgebung abgegeben, wodurch sich das Kältemittel wieder verflüssigt. Ab hier beginnt der Kreislauf von vorn.

Kompressoren/Verdichter

Zur Verdichtung des Gases werden Kompressoren eingesetzt, die den Druck und die Dichte des Gases durch Verringerung des Volumens erhöhen. Der Antrieb des Kompressors erfolgt meistens elektrisch, also über einen elektrischen Motor. Als Verdichter kommen üblicherweise zum Einsatz:

  • (Hub-)Kolbenverdichter: Bei dieser häufig eingesetzter Bauart wird ein Kolben in einem Arbeitsraum hin und her bewegt, ähnlich wie bei einem Ottomotor oder (in vereinfachter Form) bei Luftpumpen. Das Gas wird angesaugt, verdichtet und so verdichtet wieder ausgestoßen.
  • Schraubenverdichter: Bei dieser Bauart sind zwei parallel angeordnete, sich drehende Rotoren/Zahnräder in einem Gehäuse so miteinander verzahnt, dass sie das Gas gleichmäßig und zwangsweise in eine Richtung transportieren. Der Grad der Kompression wird durch die Größe und Anordnung der Auslassöffnung bestimmt.
  • Turboverdichter: Hierbei wird das Gas durch axial rotierende Blätter nach den Gesetzen der Strömungsmechanik komprimiert. Ähnliche Anwendungen findet man in Abgasturboladern oder Turbinen-Strahltriebwerken.
  • Srollverdichter: In diesem Verdichtertyp bewegen sich zwei Spiralen so, dass eine gegenläufige Bewegung entsteht und das Gas nach innen verdichtet wird.

Vorteile

  • Das System ist in sich geschlossen, was den Austritt des Kältemittels verhindert.
  • Die Maschine kann schnell auf Änderungen reagieren, wodurch die Kühlleistung angepasst werden kann.
  • Kompressionskältemaschinen sind kompakt und benötigen relativ wenig Platz.

Nachteile

  • Die Maschinen benötigen mitunter viel elektrische Energie zum Funktionieren.
  • Viele Kältemittel haben ein hohes Treibhauspotenzial und können bei Austritt die Umwelt schädigen, weswegen die Maschinen regelmäßig auf Dichtheit überprüft werden müssen.
  • Undichtheiten können außerdem zu Leistungsverlusten führen.

Verflüssiger

Man unterscheidet wasser- bzw. luftgekühlte Verflüssiger sowie Verdunstungsverflüssiger. Am häufigsten wird die Kälteauskopplung mit Kaltwassersystemen realisiert. Die Abwärme, die im Verflüssiger von Kompressionskältemaschinen entsteht, kann prinzipiell für weitere Prozesse genutzt werden, etwa für Wärmepumpen. Das lohnt sich meist ab einer zur Verfügung stehenden Temperatur von ca. 30 bis 40 °C.

Verdampfer

Wenn sich der Kältemittelverdampfer direkt im abzukühlenden Luftstrom befindet, handelt es sich um eine direkte Luftkühlanlage. Wird im Verdampfer eine Kälteträgerflüssigkeit (Wasser oder Sole) abgekühlt, die danach über Wärmetauscher die Luft kühlt, spricht man von einer indirekten Wasser- oder Sole-Kühlanlage.

Effizienz und Wirkungsgrad

Die Effizienz einer Kompressionskältemaschine wird oft durch die Leistungszahl (EER: Energy Efficiency Ratio) angegeben. Sie beschreibt das Verhältnis von der Kühlleistung zur aufgenommenen elektrischen Leistung. Der theoretisch maximale Wirkungsgrad einer Kompressionskältemaschine ist der des idealen Carnot-Prozesses ohne Verluste, der jedoch in realen Anlagen nur annähernd erreicht werden kann.

  • Die Effizienz von Kompressionskältemaschinen lässt sich mit verschiedenen Maßnahmen steigern:
  • Durch Systemoptimierung kann der Kältebedarf um 8–10 % reduziert werden.
  • Regelmäßige Wartung kann 4–8 % Energieeinsparung bringen.
  • Eine verbesserte Isolierung kann 5–10 % Energie sparen.
  • Bis zu 80 % der Wärme kann zurückgewonnen werden.
  • Der Einsatz effizienter Geräte kann 2 % Energieeinsparung erzielen.
  • Für Verdichter, Ventilatoren und Pumpen können 4–6 % Energie gespart werden.
  • Der Einsatz von hocheffizienten Motoren für Verdampfer und Kondensatorventilatoren kann 2–5 % Energieeinsparung bringen.

Die tatsächlichen Wirkungsgrade können je nach Anlagentyp, Größe, Design und Betriebsbedingungen variieren. Moderne Kompressionskältemaschinen können EER-Werte von über 3 erreichen, was bedeutet, dass für jede aufgenommene elektrische Energieeinheit mindestens drei Einheiten Kühlenergie erzeugt werden. Man muss jedoch beachten, dass der Wirkungsgrad im praktischen Betrieb auch durch Faktoren wie die Umgebungstemperatur, die Wartung der Anlage und die Qualität des Kältemittels beeinflusst werden.

Normen und Regelwerke

Beim Einsatz von Kompressionskältemaschinen müssen verschiedene Normen und Vorschriften beachtet werden, um Sicherheit, Effizienz und Umweltschutz zu gewährleisten. Wichtig sind hierbei die F-Gase-Verordnung in ihrer aktuellen Fassung, die den Umgang mit fluorierten Treibhausgasen regelt und bestimmte Anforderungen für die Verwendung und das Recycling von Kältemitteln festlegt. Die Eco-Design-Richtlinie definiert Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte.

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