Kältemaschine
Eine Kältemaschine setzt einen thermodynamischen Kreisprozess um, bei dem Wärme von Stoffen niedriger Temperatur auf solche hoher Temperatur gefördert wird. Dies kann einerseits zur Kühlung, andererseits zur Gewinnung von Wärme aus Stoffen niedriger Temperatur (Wärmepumpe) genutzt werden.
Zur Realisierung verwendet man
- sog. Kaltdampfanlagen, in denen die Eigenschaften von Stoffen genutzt werden, bei unterschiedlichen Drücken unterschiedliche Siede- bzw. Kondensationstemperaturen zu haben. Die so verwendeten Stoffe nennt man Kältemittel. Der Arbeitsbereich ist begrenzt durch die erreichbaren Siede- bzw. Kondensationstemperaturen der Kältemittel.
- den Joule-Thomson-Effekt (JTE), der bewirkt, dass sich reale Gase bei der Entspannung (Drosselung) abkühlen. Dieser Effekt ist bspw. die Grundlage des Linde-Verfahrens. Durch mehrstufige Anwendungen können auch im industriellen Bereich sehr niedrige Temperaturen, z. B. zur Gasverflüssigung, erreicht werden.
Typen
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 Lösungsmittelkreis und einen Kältemittelzweig. Das Arbeitsmittel besteht aus zwei Komponenten, einem Lösungsmittel und dem Kältemittel. Das Kältemittel muss im 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.
Es werden unterschiedliche Kältemittelpaare verwendet (üblich: NH3 (Ammoniak) und Wasser; Lithium-Bromid und Wasser) Es gibt in einer solchen Anlage zwei Kreisläufe: 1. Den Kreislauf des Kältemittels und 2. den Kreislauf der Lösung
Bei Sorptionskältemaschinen kommt als weitere Heizleistung noch die Sorptionswärme hinzu, die aus dem Ab- bzw. Adsorber abgeführt werden muss.
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.
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, indem zwischen Ad- und Desorption zyklisch gewechselt wird.
Kompressionskälteanlagen
- Die Kompressionskältemaschine ist mit einem mechanischen Kompressor und einem Drosselorgan ausgerüstet.
Erforderlich sind ein Kompressions- und ein Expansionselement sowie zwei Wärmetauscher, die in einem Kreislauf derart zusammengeschaltet sind, dass die Wärmetauscher beidseitig zwischen Kompressions- und Expansionselement geschaltet werden.
In dem Kreisprozess wird nun das Kältemittel dampfförmig komprimiert (verdichtet) (Antriebsleistung ), in dem folgenden Wärmetauscher (Kondensator) unter Wärmeabgabe (Heizleistung ) kondensiert (verflüssigt), daraufhin wird das flüssige Kältemittel aufgrund der Druckänderung (bedingt durch das Drosselorgan) expandiert, und in dem zweiten Wärmetauscher (Verdampfer) unter Wärmeaufnahme (Kühlleistung ) wieder verdampft. Bei der Kompression wird implizit der Siedepunkt angehoben und entsprechend bei der Expansion wieder abgesenkt.
Für den Betrieb der Kältemaschine ist extern aufzubringende Antriebsenergie in Form von mechanischer Arbeit und/oder Wärme nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik unerlässlich. Über den Verdampfer wird Kühlleistung in Form von Wärme zugeführt, die für den Betrieb nicht unbedingt erforderlich ist, jedoch Nutzenergie darstellt. Die am Kondensator abgegebene Heizenergie ist die Summe aus der am Verdampfer aufgenommenen Kühlenergie und der Antriebsenergie abzüglich der betriebsmäßigen Wärme- und Reibungsverluste.
Anwendung:
weit verbreitet in Haushalt-Kühlschränken, Gefrierschränken, Gefriertruhen, Schankanlagen, Kühllagern, Klimaanlagen, Industriekühlern und auch als Wärmepumpe.
Wärmepumpen
Wenn dem Verdampfer Wärmeenergie zugeführt und die am Kondensator abgegebene Wärmeenergie genutzt wird, wird die Kältemaschine als Wärmepumpe betrieben. In der Regel ist dann die Heizenergie größer als die aufgewendete Antriebsenergie. Bilanziert man die Wärmepumpe energetisch auf diese Weise, so erhält an einen Wirkungsgrad > 1. Physikalisch gesehen ist dies jedoch nicht korrekt, da nicht alle zu- und abfließenden Wärmeströme berücksichtigt sind, sondern nur die, die ökonomisch relevant sind. Der "exakt" arbeitende Physiker bezieht dagegen die Verdampferwärme mit ein und findet damit einen Wirkungsgrad < 1.
Grundsätzlich kann jeder Kaltdampfanlagenprozess als Wärmepumpe gestaltet werden, erforderlich ist lediglich, dass Kondensations- und Siedetemperatur des Kältemittels bei den jeweiligen Drücken für den Betrieb geeignet sind.
Auch der Joule-Thompson-Effekt kann prinzipiell als Wärmepumpe arbeiten - das ist jedoch nicht gebräuchlich. Die Umkehrung - die Gewinnung von mechanischer Energie aus einem Wärmestrom - findet im Sterlingmotor statt.
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad η für Kühlleistung und Heizleistung ist begrenzt durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik:
Alle Temperaturen T in Kelvin.
Insoweit ist das Prinzip für alle Kaltdampfprozesse gleich.
Für die Kompression und die Expansion gibt es jedoch unterschiedliche Lösungen, die jede ihre Vor- und Nachteile hat. Deshalb unterscheidet man:
Siehe auch: Kühlschrank, Wärmepumpe
Zur Kälteerzeugung wird die Temperatur eines Gases (z. B. Luft, Helium), das im Arbeitsbereich nicht auskondensiert, durch Drosselung abgesenkt. Damit sind sehr niedrige Temperaturen bis in die Nähe des absoluten Nullpunktes erreichbar. Mit dem JTE kann eine Abkühlung von ca. 0.4 K je bar Druckdifferenz (Luft ca. 1/4 K/bar, CO_2 ca. 3/4 K/bar) an der Drossel erreicht werden. Anlagen werden oft mehrstufig ausgeführt.
Die apparative Darstellung ist ähnlich der einer Kompressionskältemaschine, die Wärmetauscher werden jedoch nicht als Kondensator bzw. Verdampfer gebaut. Zur energetischen Optimierung ist es notwendig, vor dem Expansionsventil (Drossel) das Gas in einem Rekuperativ(Gegenstrom)-Wärmetauscher mit dem von dem Kühler rückkehrenden Gas vorzukühlen.
Entscheidend für das Abkühlen nach dem Linde-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 Linde-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...70k) sinkt jedoch die Kälteleistung auf null. Für höhere Temperaturdifferenzen verwendet man pyramidenförmige, mehrstufige Aufbauten.
Anwendungen:
Kühlung von Halbleiterlasern und Sensoren, Auto-Kühlboxen.
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.
Weblinks
Forum für Kältetechnik
Deutscher Kältetechnischer Verein