Kältemaschine

Eine Kältemaschine transportiert mittels eines Verdichters Wärmeenergie von einer kälteren, zu kühlenden, Stelle in eine wärmere Umgebung. Viele Kältemaschinen beruhen auf einem thermodynamischen Kreisprozess. Im weiteren Sinne werden auch die Adsorptionskältemaschinen und die Absorptionskältemaschinen hinzugerechnet, obwohl sie keinen mechanischen Antrieb (Motor) besitzen.

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Der Zweck einer Kältemaschine ist die Kühlung auf eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur.

Kältemaschinen gleichen Wärmepumpen – bei letzteren wird jedoch die abgegebene Wärme genutzt.

Kältemaschinen arbeiten meist nach folgenden Prinzipien:

Kaltdampfanlagen nutzen die Siedekühlung mittels Kältemitteln, die für den gewünschten Temperatur- und Druckbereich geeignete Verdampfungstemperaturen haben. Das Kältemittel wird im Kreislauf ständig einem Phasenübergang flüssig/gasförmig und umgekehrt unterzogen.
Maschinen, die den Joule-Thomson-Effekt nutzen, verzichten auf die Verflüssigung und nutzen den Effekt, dass Gase bei Entspannung abkühlen. Siehe auch Linde-Verfahren. Durch mehrstufige Systeme können sehr niedrige Temperaturen, z. B. zur Luftverflüssigung, erreicht werden.

Kühl-Verfahren, die ohne Gase und bewegte Teile auskommen, werden im engeren Sinne nicht als Kältemaschinen bezeichnet. Es sind z. B. die thermoelektrische Kühlung (Peltier-Effekt) und die Magnetkühlung (Magnetokalorischer Effekt).

Geschichte

Die Kälteerzeugung durch Abpumpen von Luft (genauer: Abpumpen aus der Gasphase (bestehend aus Luft und Etherdampf) mit der Folge einer Druckerniedrigung im Gefäß und Abnahme des Flüssigkeitsvolumens) aus einem halb mit Diethylether gefüllten Glaskolben wurde bereits Mitte des 18. Jahrhunderts entdeckt, doch gab es anfänglich noch keine Nutzanwendungen.

Die erste funktionierende Kältemaschine der Welt wurde 1845 von dem amerikanischen Arzt John Gorrie in Florida gebaut, der nach Wegen suchte, die Heilungschancen für Krankenhaus-Patienten im feuchtheißen Florida zu verbessern. Nach damaliger medizinischer Lehrmeinung war „schlechte Luft“ ein wesentlicher Krankheitsfaktor, und das aus den nördlichen Großen Seen herbeigeschaffte Wintereis, das die einzige Kühlmöglichkeit darstellte, war in Florida wegen der großen Transportverluste sehr teuer. Gorries Maschine, die das umgekehrte Prinzip des Stirlingmotors nutzte, diente zur Eiserzeugung und zugleich zur Raumkühlung (Klimaanlage). Ein Prototyp wurde gebaut. Die Maschine wurde im Jahre 1851 patentiert,[1] war aber ein finanzieller Misserfolg. Gorrie starb einige Jahre später verarmt und verlacht.

Erst in den 1870er Jahren wurden Kältemaschinen wirtschaftlich, die ersten großen Nutzer waren Brauereien, die so auch ohne natürliche kühle Höhlensysteme untergäriges, länger haltbares Lagerbier nach der Pilsener Methode brauen konnten. Zu den ersten großen Herstellern zählte der deutsche Industrielle Carl von Linde.

Ausführung des Systems zur Wärmeübertragung

Die durch die Kältemaschine „erzeugte“ Kälte kann für technische Prozesszwecke, zur Klimatisierung, zur Eiserzeugung (Eislaufbahnen) oder zur Haltbarmachung oder Kühlung von Lebensmitteln verwendet werden. Die Wärmeaufnahme kann auf direktem oder indirektem Weg erfolgen. Im Fall der indirekten Kühlung wird ein Kälteträger (Kaltwasser oder Sole – oft auch als Gemisch mit Glykol zur Vermeidung von Gefrierung in den Leitungen) verwendet, der im ersten Wärmeübertrager durch das verdampfende Kältemittel gekühlt wird und im zweiten Wärmeübertrager die Wärme des zu kühlenden Mediums aufnimmt. Bei direkter Verwendung wird ein Wärmeübertrager eingesetzt, der auf der einen Seite das verdampfende Kältemittel und auf der anderen Seite das zu kühlende Medium führt.

Typen

Der wesentliche Unterschied zwischen Kompressions- und Sorptionskältemaschinen ist der, dass bei ersteren die benötigte Energie vollständig als mechanische Arbeit, bei letzteren dagegen in Form von Wärme zugeführt wird. Letztere benötigen mechanische Arbeit lediglich zur Überwindung der internen Druckverluste.

Der Wirkungsgrad wird für Kompressionskältemaschinen gewöhnlich auf die elektrische Antriebsenergie bezogen, womit sich im Vergleich zu Sorptionskältemaschinen deutlich günstigere Werte ergeben. Ein Vergleich dieser Art ist jedoch unzulässig, da mechanische bzw. elektrische Antriebsenergie in der Natur nicht verfügbar ist, sondern aus fossilen oder regenerativen Quellen mit Verlusten erzeugt (umgewandelt) werden muss, was sich auch im Energiepreis niederschlägt. Bezieht man diese Verluste ein, so sind die Wirkungsgrade von Sorptionskältemaschinen auch wertmäßig vergleichbar, wenn nicht sogar besser.

Der Wirkungsgrad wird bei Kältemaschinen Leistungszahl genannt.

Absorptionskälteanlagen

Die Absorptionskältemaschine verfügt zusätzlich über einen Lösungsmittel- und einen Kältemittelkreis. Das Arbeitsmittel besteht aus zwei Komponenten, einem Lösungsmittel und dem Kältemittel. Das Kältemittel muss in dem Lösungsmittel vollständig löslich sein. Technisch verbreitet sind Absorptionskältemaschinen mit Wasser als Kältemittel und einer wässrigen Lithiumbromid (LiBr)-Lösung als Lösungsmittel. Durch Vakuumbetrieb sind Verdampfungstemperaturen des Wassers bis ca. 3 °C erreichbar. Tiefere Temperaturen können Absorptionskältemaschinen erreichen, die Ammoniak (NH₃) als Kältemittel und Wasser als Lösungsmittel einsetzen. In großtechnisch eingesetzten Ammoniak-Absorptionskälteanlagen werden Verdampfungstemperaturen von −70 °C erreicht.

Bei Sorptionskältemaschinen kommt als weitere Heizleistung $Q_{H}$ noch die Sorptionswärme hinzu, die aus dem Ab- bzw. Adsorber abgeführt werden muss.

Adsorptionskälteanlagen

Die Adsorptionskältemaschine arbeitet mit einem festen Lösungsmittel, dem „Adsorbens“, an dem das Kältemittel ad- bzw. desorbiert wird. Dem Prozess wird Wärme bei der Desorption zugeführt und bei der Adsorption entnommen. Da das Adsorbens nicht in einem Kreislauf umgewälzt werden kann, kann der Prozess nur diskontinuierlich ablaufen. Deshalb werden zwei Kammern mit Adsorbens verwendet, in denen innerhalb eines Arbeitszyklus (6–10 Minuten) die Ad- und Desorption parallel verläuft. Nach Beendigung des Arbeitszyklus werden Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr zu den beiden Kammern getauscht (Umschaltung, ca. 1 min.). Dann beginnt die Ad- und Desorption erneut parallel. Dadurch kann eine fast gleichmäßige Kälteerzeugung gewährleistet werden.

Diffusionsabsorptionskältemaschine

Die Diffusionsabsorptionskältemaschine arbeitet ähnlich wie die Absorptionskältemaschine, die Druckänderung wird jedoch als Partialdruckänderung realisiert. Dazu ist eine dritte Komponente für das Arbeitsmittel erforderlich, ein Inertgas. Ihr Vorteil liegt darin, dass der Druckkörper hermetisch abgeschlossen ist und keine lösbaren Dichtungen benötigt, und dass der Apparat geräuschlos arbeitet. Die Technik wird beispielsweise in Camping- und Hotel-Kühlschränken verwendet.

Kompressionskälteanlagen

In der Kompressionskältemaschine fließt ein Arbeitsmedium in einem Strömungskreis und nimmt dabei abwechselnd Wärme bei niedriger Temperatur auf und gibt (mehr) Wärme bei höherer Temperatur ab. Um die Strömung und damit den Prozess in Gang zu halten ist Pumpen, also das Einbringen von mechanischer Arbeit notwendig. Solche Maschinen arbeiten entweder

durch abwechselndes Verdampfen und Kondensieren des Mediums (Kältemittel), oder
mit einem stets gasförmigen Medium (meist Luft).

Der erste Typ ist weit verbreitet und wird z. B. in Haushalts-Kühlschränken, Gefrierschränken und -truhen, Schankanlagen, Kühllagern, Klimaanlagen, Kunsteisbahnen, Schlachthöfen, Brauereien und der chemischen Industrie häufig verwendet.

Kaltdampfkältemaschine: Prinzipschaltung

In dem Kreisprozess wird gasförmiges Kältemittel von einem Kompressor verdichtet (unter Verbrauch der Antriebsenergie $W$ ). In dem nachgeschalteten Wärmeübertrager (Verflüssiger) kondensiert das Kältemittel, wobei es Wärme bei hoher Temperatur abgibt (Kondensationsenthalpie $Q_{H}$ ), entsprechend der bei dem hohen Druck ebenfalls hohen Kondensationstemperatur. Das flüssige Kältemittel wird zu einem Drosselorgan geleitet, wo sein Druck reduziert wird. In dem zweiten Wärmeübertrager (Verdampfer) nimmt das Kältemittel anschließend durch Verdampfen Wärme bei niedriger Temperatur auf, z. B. aus dem Kühlraum eines Kühlschranks (Verdampfungsenthalpie $Q_{K}$ ). Der Verdichter saugt das verdampfte Kältemittel wieder an und der Kreisprozess ist geschlossen. Es gilt $Q_{H}+A=W+Q_{K}$ , wobei $A$ die Abwärme ist, die der Kompressor direkt an die Umgebung abgibt.

Der zweite Typ arbeitet ebenfalls mit einem Kompressor, der das Arbeitsmedium (häufig Luft) verdichtet, wobei es sich erwärmt. Dann gibt es Wärme an die warme Umgebung ab, wobei es abkühlt, aber gasförmig bleibt. Anschließend strömt es z. B. durch eine Turbine, die es entspannt und weiter abkühlt. Die Turbine liefert einen Teil der vom Verdichter verbrauchten mechanischen Arbeit zurück. Das Medium nimmt dann Wärme aus dem zu kühlenden Raum auf, bevor es wieder verdichtet wird. Der Prozess kann auch offen gestaltet werden, indem Luft aus der Umgebung angesaugt, verdichtet, abgekühlt und entspannt wird, wonach sie in den zu kühlenden Raum geleitet wird (z. B. das Innere eines Autos oder Gebäudes).

Eine solche Anlage kann auch anstelle von Verdichter und Turbine mit einer dem Schukey-Motor entsprechenden Maschine arbeiten, die das Verdichten und Entspannen des Gases übernimmt, diese Lösung ist im technischen Aufbau einfacher. Diese Konstruktion ist unter anderem für Auto-Klimaanlagen interessant, wo der Vorteil besonders ins Gewicht fällt, kein Kältemittel zu brauchen, das bei einem Unfall entweichen kann und unter Umständen sogar eine Brandgefahr (je nach Art des Kältemittels) darstellt.

Die Entspannung unter Gewinn von mechanischer Arbeit (Turbine) kann im Prinzip auch durch eine einfache Drosselung des Gases ersetzt werden, denn reales Gas kühlt sich durch adiabate Drosselung ab (im Gegensatz zu idealem Gas, dessen Temperatur dabei gleich bleibt). Die Effizienz der Anlage ist dann aber wesentlich schlechter. Die Abkühlung des Gases ist viel geringer, außerdem entfällt die von der Turbine gelieferte nutzbare Arbeit.

Für den Betrieb einer Kältemaschine muss, gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, Energie von außen in Form von mechanischer Arbeit zugeführt werden, denn nur dann kann Wärme von einer Stelle mit niedriger Temperatur zu einer anderen mit höherer Temperatur befördert werden.

Dampfstrahlkälteanlage

Die Dampfstrahlkälteanlage ist eine thermische Kälteanlage, bei der Wasserdampf als Treibmittel, Kältemittel und Kälteträger verwendet wird. Durch die Expansion und Entspannung eines Wasserdampfstrahles wird ein Vakuum erzeugt und Wasserdampf aus einem Verdampfer angesaugt. Durch die Verdampfung wird das Wasserreservoir im Verdampfer abgekühlt und kann somit als Kälteträger genutzt werden.

Joule-Thomson-Effekt (JTE), Linde-Verfahren

Zur Kälteerzeugung wird die Temperatur eines Gases (z. B. Luft, Helium), das im Arbeitsbereich nicht auskondensiert, durch Drosselung abgesenkt. Mit dem JTE kann eine Abkühlung von ca. 0,4 K je bar Druckdifferenz (Luft ca. 1/4 K/bar, CO₂ ca. 3/4 K/bar) an der Drossel erreicht werden. Obwohl dieser Effekt scheinbar sehr gering ist, lassen sich damit auch niedrige Temperaturen bis in die Nähe des absoluten Nullpunktes erreichen. Anlagen werden oft mehrstufig ausgeführt.

Die apparative Darstellung einer Joule-Thomson-Anlage ist ähnlich der einer Kompressionskältemaschine, die Wärmeübertrager werden jedoch nicht als Kondensator bzw. Verdampfer gebaut. Zur energetischen Optimierung ist es notwendig, vor dem Expansionsventil (Drossel) das Gas in einem Rekuperativ(Gegenstrom)-Wärmeübertrager mit dem von dem Kühler rückkehrenden Gas vorzukühlen.

1895 hat Carl von Linde eine solche Anlage zur Luftverflüssigung eingesetzt und recht große Mengen (1 Eimer/h) an Luft verflüssigt. Das auf dem Joule-Thomson-Effekt beruhende technische Verfahren zur Luftverflüssigung und -zerlegung heißt seitdem Linde-Verfahren.

Entscheidend für das Abkühlen nach dem Joule-Thomson-Verfahren ist jedoch, dass die Ausgangstemperatur unterhalb der Inversionstemperatur T_i des jeweiligen Gases liegt. Diese liegt für Luft bei ca. +659 °C[2], für Wasserstoff bei −80 °C und für Helium bei −239 °C. Wird ein Gas unterhalb seiner Inversionstemperatur entspannt, so kühlt es sich ab, wird es oberhalb seiner Inversionstemperatur entspannt, so erwärmt es sich. Um ein Gas nach dem JT-Verfahren abkühlen zu können, muss daher die Ausgangstemperatur unterhalb der Inversionstemperatur liegen. Für ein Van-der-Waals-Gas lässt sich diese Temperatur durch nachfolgende Gleichung berechnen, hierbei entspricht $a$ dem Binnendruck, $b$ dem Kovolumen des Gases, $T_{k}$ der kritischen Temperatur und $R$ der universellen Gaskonstante.

T_{i}=6{,}75\cdot T_{k}={\frac {2\cdot a}{R\cdot b}}

Pulsröhrenkühler

Schematischer Aufbau eines Pulsröhrenkühlers

Ein Pulsröhrenkühler ist eine Kältemaschine, deren Funktionsprinzip etwa einem Stirlingmotor entspricht, die aber keine mechanisch beweglichen Teile erfordert. Dadurch sind sehr kompakte Kühlköpfe möglich und die erreichbare Minimaltemperatur wird nicht durch die mechanische Reibungswärme dieser Teile begrenzt. Als bisher tiefste Temperatur wurden um 1,3 K (= –272 °C) erreicht.

Thermoelektrischer Effekt, Peltier-Element

Zur Kühlung (oder Heizung) kann auch ein Peltier-Element verwendet werden, das elektrisch betrieben wird und ohne Kältemittel auskommt. Bei großen Temperaturdifferenzen (50…70 K) sinkt jedoch die Kälteleistung auf null. Für höhere Temperaturdifferenzen verwendet man pyramidenförmige, mehrstufige Aufbauten.

Diese Technik wird zur Temperaturstabilisierung von Halbleiterlasern und Sensoren, in Kfz-Kühlboxen, in Thermocyclern (PCR) und zur Kühlung von Bildaufnehmern in Kameras von Infrarot bis UV angewandt.

Magnetische Kühlung

Eine weitere Kühlmethode beruht auf den magnetischen Eigenschaften bestimmter Stoffe. Bei Magnetisierung setzen manche Stoffe Wärme frei, man nennt diese dann magnetocalorische Stoffe. Bei der magnetischen Kühlung wird der Stoff in ein Magnetfeld gebracht, wobei er sich erhitzt; die Wärme wird hier meist mittels einer Kühlflüssigkeit abgeführt. Der wieder auf Umgebungstemperatur gebrachte Stoff verlässt nun das Magnetfeld und entmagnetisiert sich im Bereich, der gekühlt werden soll. Bei der Entmagnetisierung nimmt der Stoff Wärme auf. Mechanische Arbeit muss von außen aufgebracht werden, um den magnetisierten Stoff aus dem Magnetfeld zu entfernen.

Solche Kühlsysteme sind meist effizienter als Systeme, die mit Dampf arbeiten, aber teurer, weil geeignete magnetocalorische Stoffe, z. B. Gadoliniumverbindungen, teuer sind.

Verdunstungskühlung

Bei der Verdunstungskühlung wird einem Medium (z. B. der Luft oder einer Oberfläche) durch die Verdunstung von Wasser Energie in Form von Wärme (Verdampfungsenthalpie) entzogen. Verdunstungskühlung wird im Bereich der Versorgungstechnik auch gerne adiabate oder adiabatische Kühlung genannt, da der physikalische Prozess theoretisch eine isenthalpe Umwandlung von sensibler in latente Wärme ist. Es handelt sich bei ihr um einen durch Phasenübergang (Wasser zu Dampf) verstärkten Wärmetransportprozess von hoher zu niedriger Temperatur und stellt damit einen selbst ablaufenden, „rechtsläufigen“ (= Kühlung) thermodynamischen Kreisprozess dar. Deshalb wird außer für den Transport von Luft und Wasser keinerlei zusätzliche mechanische, elektrische oder thermische Energie benötigt.

Beispiel zu Verdunstungskühlung im h,x-Diagramm

Das mögliche Ausmaß der Kühlung ist dabei von umgebender Lufttemperatur und -feuchtigkeit, also relativer Luftfeuchtigkeit, abhängig: Bei einer relativen Feuchte der Luft nahe 100 %, also mit Wasserdampf gesättigter oder gar übersättigter Luft (wie bei Nebel), ist der Effekt fast nicht feststellbar, der Sättigungsdampfdruck des Wassers in der Luft ist zu hoch. Je niedriger jedoch die relative Feuchte ist, desto höher ist aber das Potential weiterer Feuchtigkeitsaufnahme und umso mehr Wasser kann somit verdunsten und die Lufttemperatur verringern. Sämtliche Luftzustandsänderungen lassen sich im Mollier-h,x-Diagramm (absolute Feuchte gegen Temperatur) darstellen. Der gesamte Energieinhalt der Luft wird in kJ/kg angegeben. Da sich bei der Verdunstungskühlung der gesamte Energieinhalt nicht ändert (adiabatisch), verläuft die Zustandsänderung also immer auf den Isenthalpen im Diagramm (const kJ/kg) von links oben nach rechts unten. Bei relativer Luftfeuchte von 100 % erreicht man schließlich die Sättigungslinie. Beispielsweise enthält Luft mit einer Temperatur von 21 °C und 40 % relativer Feuchte eine Enthalpie von 36,7 kJ/kg, folgt man nun dem Verlauf dieser Isenthalpen im Diagramm, so schneidet sie die Taupunktlinie bei 13 °C und 100 % relativer Feuchte. Eine tiefere Temperatur als 13 °C lässt sich hier also durch Verdunstung nicht erreichen.

Verdunstungskühlung stellt den entscheidenden physikalischen Prozess hinter der kühlenden Wirkung des Schwitzens (oder auch bspw. eigenhändig benetzter, Wind ausgesetzter Haut) dar, dessen Wirksamkeit, wie besprochen, z. B. in einer Sauna nicht mehr gegeben ist. Auch fand diese Art der Kühlung schon früh in der Geschichte der Technik Anwendung, seit dem Altertum kennt man tönerne Gefäße, die befeuchtet werden und über ihre offenporige Oberfläche eine Verdunstung zulassen, die ihren Inhalt kühlt (z. B. Butterkühler aus Ton). Ein weiteres Beispiel für die frühe Nutzung ist der Windturm in Verbindung mit einem Qanat. Verfahrenstechnisch wird der Effekt in modernen Anlagen z. B. beim Nasskühlturm genutzt. Dieser kann in Mitteleuropa in der Regel bei 32 °C Außentemperatur eine Kühlwassertemperatur von rund 27 °C liefern, also eine Temperatur deutlich unterhalb der Umgebung.

Leistungszahl

Die Effizienz von Kältemaschinen und Wärmepumpen wird mit Hilfe der Leistungszahl oder Leistungsziffer $\varepsilon$ angegeben. Je nach Zusammenhang werden stattdessen auch die Abkürzungen EER (englisch energy efficiency ratio) für Kältemaschinen und COP (englisch coefficient of performance) für Wärmepumpen verwendet. Diese Größen geben jeweils das Verhältnis zwischen Kühl- bzw. Heizleistung und der eingesetzten technischen (mechanischen oder elektrischen) Leistung an.

Für eine Kälteanlage, die unter Einsatz der technischen Leistung $P$ dem kalten Reservoir die Kühlleistung $P_{\rm {K}}$ entnimmt, gilt:

\varepsilon _{\text{Kühlung}}=EER={\frac {P_{\rm {K}}}{P}}

Die technische Leistung entspricht der Differenz zwischen der Abwärmeleistung $P_{\rm {H}}$ und der aufgenommenen Kühlleistung, so dass gilt:

\varepsilon _{\text{Kühlung}}=EER={\frac {P_{\rm {K}}}{P_{\rm {H}}-P_{\rm {K}}}}

.

Der Wirkungsgrad $\eta$ einer Wärmekraftmaschine ist definiert als Verhältnis der erzeugten technischen Leistung $P=P_{\rm {H}}-P_{\rm {K}}$ und der aus dem heißen Reservoir aufgenommenen Wärmeleistung $P_{\rm {H}}$ . Er entspricht somit dem Kehrwert des COP:

\eta ={\frac {P_{\rm {H}}-P_{\rm {K}}}{P_{\rm {H}}}}

Gesetzliche Bestimmungen

Für Kältemaschinen gelten gesetzliche Vorschriften bezüglich der verwendeten Kältemittel und Effizienz. Für 2021 ist die EcoDesign ERP-Verordnung für saisonalen Effizienzanforderungen geplant.[3]

Siehe auch

Literatur

IKET (Hrsg.): Pohlmann-Taschenbuch der Kältetechnik. Grundlagen, Anwendungen, Arbeitstabellen und Vorschriften. 19. überarbeitete und erweiterte Auflage 2008. C.F. Müller Verlag, Heidelberg 2008, ISBN 978-3-7880-7824-9
Hans-Liudger Dienel: Der Ort der Forschung und Entwicklung im deutschen Kältemaschinenbau, 1880-1930. In: Technikgeschichte, 62. Bd. (1995), H. 1, S. 49–69.

Einzelnachweise

Patent US8080A: Ice Machine. Veröffentlicht am 6. Mai 1851, Erfinder: J. Gorrie.
D. Lüdecke, C. Lüdecke: Thermodynamik. Springer-Verlag, 2000, ISBN 978-3-540-66805-3, S. 340 (google.de [abgerufen am 27. Dezember 2013]).
Kältemaschinen bereit für EcoDesign-ErP-Verordnung 2021.

Weblinks

Commons: Chillers – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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[US8080A-1] Patent US8080A: Ice Machine. Veröffentlicht am 6. Mai 1851, Erfinder: J. Gorrie.

[2] D. Lüdecke, C. Lüdecke: Thermodynamik. Springer-Verlag, 2000, ISBN 978-3-540-66805-3, S. 340 (google.de [abgerufen am 27. Dezember 2013]).

[ERPV1-3] Kältemaschinen bereit für EcoDesign-ErP-Verordnung 2021.