Kompressionskältemaschine
faffahgsaydahgdjgadgjs Die Kompressionskältemaschine stellt die häufigste Bauform der Kältemaschine dar. Diese Bauform nutzt den physikalischen Effekt der Verdampfungswärme bei Wechsel des Aggregatzustandes von gasförmig zu flüssig.
Ein Kältemittel, das in einem geschlossenen Kreislauf bewegt wird, erfährt nacheinander verschiedene Aggregatszustandsänderungen. Das gasförmige Kältemittel wird zunächst durch einen Kompressor komprimiert (verdichtet). Im folgenden Wärmetauscher (Kondensator) kondensiert (verflüssigt) es unter Wärmeabgabe. Anschließend wird das flüssige Kältemittel aufgrund der Druckänderung einer Düse expandiert bzw. entspannt. Im zweiten Wärmetauscher (Verdampfer) verdampft bzw. vergast das Kältemittel unter Wärmeaufnahme bei niedriger Temperatur (Kühlleistung). Der Kreislauf kann nun von vorne beginnen. Der Prozess muss von außen durch Zufuhr von mechanischer Arbeit (Antriebsleistung) über den Kompressor in Gang gehalten werden.
Die Kältemaschine wandelt so Wärme niedriger Temperatur (z.B. 5 °C) in Wärme hoher Temperatur (z.B. 30 °C) unter Zufuhr von Arbeit um.
Der Vorteil der Kompressionskältemaschine besteht darin, dass der apparative Aufbau relativ einfach ist und in sehr großen Stückzahlen, also auch kostengünstig, hergestellt werden kann. Außerdem ist das Kältemittel ein Ein-Stoff-System, für das eine Reihe von vorwiegend synthetischen Stoffen zur Verfügung steht, so dass sich eine große Anwendungs- und Einsatzbreite ergibt.
Die thermodynamische Grundlage der Kältemaschinen ist der Carnot-Prozess.
Geschichte
Im Jahre 1834 baute der US-Amerikaner Jacob Perkins (1766-1849) die erste Kompressionskältemaschine mit dem Kältemittel Ether, die er am 14. August 1835 unter dem Namen Äthereismaschine patentieren lässt. Das Kältemittel Ether hat jedoch den Nachteil, dass es mit Luftsauerstoff hochexplosive Peroxide bildet und die Äthereismaschinen zuweilen explodierten.
Kompressoren
Als Kompressoren kommen hauptsächlich und in der Reihenfolge steigender Kälteleistung Rollkolben, Scrollverdichter, Hubkolbenverdichter, Schraubenverdichter und Turboverdichter zum Einsatz.
Kühlersysteme mit einem Kompressor, der direkt an das Arbeitsvolumen angeschlossen ist, gehören zum Stirling-Typ, solche mit Hoch- und Niederdrucktanks und Verteilerventil zum Gifford-McMahon-Typ.
Kältemittel
Das Kältemittel ist so auszuwählen, dass der Siedepunkt bei hohem Druck über der Temperatur des Mediums liegt, an das die Wärme abgegeben wird, und entsprechend bei niedrigem Druck unter der Temperatur desjenigen Mediums, dessen Wärme aufgenommen wird. Das heißt andererseits, dass die Temperaturdifferenz des Kältemittels zwischen den Druckstufen größer sein muss als die zwischen den beiden über Kondensator und Verdampfer extern zugeführten Medien.
Gängige Kältemittel sind z. B. Ammoniak (NH3), Kohlendioxid (CO2), Kohlenwasserstoffe (z. B. Propylen, Isobutan) und auch Fluorkohlenwasserstoffe (FKW), wie z. B. R134a, R 507, R 407c. Für industrielle Kälteanlagen mit großer Leistung ist Ammoniak als natürliches Kältemittel weit verbreitet. Im Bereich der Gewerbekälte und der Klimatisierung werden meist FKW eingesetzt, die allerdings wegen ihres erheblichen Treibhauseffektes (engl. Global warming potential (GWP)) Gegenstand einer politischen Diskussion sind, die eine Einschränkung ihrer Verwendung zum Ziel hat. Die früher üblichen Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) sind wegen ihrer ozonzerstörenden Wirkung (engl. Ozone depletion potential (ODP)) in der EU bereits stark eingeschränkt und insbesondere für Neuanlagen nicht mehr zugelassen.
Namen
- Systeme mit Kolben bzw. Verdränger im Arbeitsvolumen werden als Stirling- oder Gifford-McMahon-Kühler bezeichnet.
- Systeme, die anstelle eines Kolben/Verdrängers Ventile und Tanks benutzen, werden Pulsröhrenkühler oder Pulsrohrkühler vom Typ Stirling oder Gifford-McMahon genannt.