Kältemaschine

Eine Kältemaschine ist ein Gerät, das [wie aus der Bezeichnung folgt] der Kälteerzeugung dient. An jeder Kältemaschine ist deswegen immer eine Stelle zu finden, die kälter als Umgebungstemperatur ist (z.B. Verdampfer bei Kompressionskältemaschinen oder Kaltfinger bei Gaskältemaschinen). Wird ein zu kühlendes Objekt mit dieser kalten Stelle in Kontakt gebracht, wird dieses Objekt gekühlt.

Eine Kältemaschine setzt einen thermodynamischen Kreisprozess um, bei dem Wärme unterhalb der Umgebungstemperatur aufgenommen und bei höherer Temperatur abgegeben wird. In diesem Sinne ist Kältemaschine einer Wärmepumpe ähnlich.

Die erste Kältemaschine der Welt wurde 1845 von amerikanischem Arzt John Gorrie in Florida, USA gebaut und diente zur Eiserzeugung (Patentanmeldung 8080, 6 Mai 1851).

Kühleffekte

1. Joule-Thomson -Effekt

2. arbeitsleistende Entspannung

3. Verdünstung

4. Mischeffekt

5. Wirbelrohr

6. Peltier-Effekt

7. Magnetische Effekte

8. Optische Effekte

9. weitere Effekte

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.

In 1895 hat Carl Linde so eine Anlage zur Luftverflüssigung eingesetzt und recht große Mengen (1 Eimer/h) an Luft verflüssigt. Das Joule-Thomson-Verfahren zur Luftverflüssigung heißt seitdem Linde-Verfahren.

Entscheidend für das Abkühlen nach dem Joule-Thomson-Verfahren ist jedoch, dass die Ausgangstemperatur unterhalb der Inversionstemperatur des jeweiligen Gases liegt. Diese liegt für Luft bei ca. +450 °C, 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 (für ein Van-der-Waals-Gas: Ti = 6,75 · Tk = 2a / Rb mit Tk=kritische Temperatur, a=Van-der-Waals-Konstante, b=Kovolumen) liegen.

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 angewendet zur Temperaturstabilisierung von Halbleiterlasern und Sensoren, in Auto-Kühlboxen, in Thermocyclern (PCR) und zur Kühlung von Bildaufnehmern in Kameras von Infrarot bis UV.

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. Energie muss zugeführt 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 magnetocalorischen Stoffe, z. B. Gadoliniumverbindungen, teuer sind.

=== Kälteanlagen ===: Zur Realisierung verwendet man:

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

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.

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 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 bis 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 Hotelkühlschränken verwendet.

Kompressionskälteanlagen

Die Kompressionskältemaschine ist mit einem mechanischen Kompressor (Verdichter) und einem Drosselorgan (Thermostatisches Expansionsventil) ausgerüstet. Erforderlich sind ein Kompressions- und ein Expansionselement sowie zwei Wärmeübertrager, die in einem Kreislauf derart zusammengeschaltet sind, dass die Wärmeübertrager beidseitig zwischen Kompressions- und Expansionselement geschaltet werden.

Kaltdampfkältemaschine: Prinzipschaltung

In dem Kreisprozess wird das Kältemittel dampfförmig komprimiert (verdichtet) (Antriebsleistung $W$ ), in dem folgenden Wärmeübertrager (Kondensator) unter Wärmeabgabe (Heizleistung $Q_{H}$ ) kondensiert (verflüssigt), daraufhin wird das flüssige Kältemittel aufgrund des Druckabfalls am Drosselorgan expandiert. Bei der Expansion verdampft eine Teilmenge des Kältemittels und die Temperatur sinkt. Im zweiten Wärmeübertrager (Verdampfer) nimmt das Kältemittel die zugeführte Wärme auf (Kühlleistung $Q_{K}$ ) und verdampft. Der Verdichter saugt das verdampfte Kältemittel an und der Kreisprozess ist geschlossen.

Für den Betrieb der Kältemaschine muss, gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, Energie von außen in Form von mechanischer Arbeit zugeführt werden. Die am Kondensator abgegebene Verflüssigungswärme ist die Summe aus der am Verdampfer aufgenommenen Kühlenergie, der Antriebsenergie und der betriebsmäßigen Verluste an der Kältedämmung und der Reibungsverluste.

Diese Technik ist weit verbreitet in Haushalts-Kühlschränken, Gefrierschränken, Gefriertruhen, Schankanlagen, Kühllagern, Klimaanlagen, Industriekühlern und Wärmepumpen.

Verdunstungskühlung

Die Verdunstungskühlung ist eine der ältesten und bewährtesten Kühlmethoden. Durch Verdunsten von Wasser an der Luft entsteht ein Kühlpotential, das immer unterhalb der Umgebungstemperatur liegt. Die erreichbare Untertemperatur hängt von den klimatischen Bedingungen der Luft ab und liegt in Deutschland im Mittel bei gut 10°C. Dies ist in vielen Fällen zur Raumklimatisierung ausreichend. Auch wird in einigen verfahrenstechnischen Anlagen, z.B. Naßkühlturm, die Kühlwirkung bei einer Luftkühlung verstärkt. Bis auf den Transport von Luft und Wasser wird zur Kälteerzeugung keinerlei mechanische-, elektrische- oder thermische Energie benötigt.

Leistungszahl

Der thermische Wirkungsgrad einer Kühl- oder Heizleistung bezogen auf die eingesetzte mechanische Arbeit wird als Leistungszahl oder Leistungsziffer bezeichnet. In der älteren Literatur wird das Symbol ε für die Leistungszahl verwendet. In der aktuellen Normung werden die englischen Bezeichnungen verwendet; für eine Kälteanlage wird der Begriff EER (energy efficiency ratio) verwendet.

Für die Kälteanlage mit Nutzung der Kühlleistung Q_K gilt:

$\epsilon _{K{\ddot {u}}hlung}=EER={\frac {Q_{K}}{W}}$

Die Abwärmeleistung ist die Summe aus der aufgenommen Kühlleistung und der technischen Arbeit, so dass gilt:

$\epsilon _{K{\ddot {u}}hlung}=EER={\frac {Q_{K}}{Q_{A}-Q_{K}}}$ .

Der Carnotprozess stellt den Grenzfall eines reversiblen Prozesses dar, der ideale Voraussetzungen fordert, die technisch nur bedingt erreichbar sind.

Die Wärmemenge kann ausgedrückt werden mit der Entropie S:

dQ=T\cdot dS

Wenn der reale Prozess mit dem Carnotprozess verglichen wird, kann für die Kälteanlagen geschrieben werden:

$\epsilon _{K{\ddot {u}}hlung}=EER={\frac {Q_{K}}{Q_{A}-Q_{K}}}<{\frac {T_{K}}{T_{A}-T_{K}}}=\eta _{c}$

Alle Temperaturen T in Kelvin.

Die Entropieänderung ΔS ist für den reversiblen Carnotprozess für die beiden isothermen Zustandsänderungen bei den Temperaturen T_H und T_U identisch und kann somit gekürzt werden.

Analog gilt für die Wärmepumpe:

$\epsilon _{Heizung}=COP={\frac {Q_{H}}{Q_{H}-Q_{U}}}<{\frac {T_{H}}{T_{H}-T_{U}}}=\eta _{c}$ .

Die Leistungszahlen technisch realisierter Kompressionskälteanlagen liegen meistens über 1. Im Bereich der Klimatisierung mit geringer Differenz zwischen Temperatur der gekühlter Luft und der Umgebung sind Leistungsziffern bis 7 erreichbar.

Für die Kompression und die Expansion gibt es jedoch unterschiedliche Lösungen, wobei jede ihre Vor- und Nachteile hat. Deshalb unterscheidet man:

Siehe auch

Weblinks