Der Kältemittelkreislauf

Kältemittelkreislauf

Im folgenden werden die einzelnen Bauteile eines einfachen Kältemittelkreislauf beschrieben, um schließlich den gesamten Kreislauf verständlich erläutern zu können.

Der Verdampfer

Ein flüssiges Kältemittel nimmt während seiner Verdampfung Wärme auf. Diese Phasenänderung erzeugt in einem Kältemittelkreislauf "Kälte". Wenn ein Kältemittel bei Umgebungstemperatur durch eine Drosselstelle in die frei Atmosphäre hinaus expandiert, nimmt sie von der umgebenden Luft Wärme auf und verdampft. Ändert sich der Atmosphärendruck, verdampft das Kältemittel mit einer anderen Temperatur, da die Verdampfungstemperatur druckabhängig ist.
Das Bauteil, in dem der beschriebene Prozess abläuft, ist der Verdampfer. Seine Aufgabe ist es, Wärme aus dem umgebenen Medium zu entfernen, d.h. Kälte zu"erzeugen".

Der Verdichter

Der Kälteprozess ist, wie bereits erwähnt, ein geschlossener Kreisprozess. Das Kältemittel expandiert folglich nicht, wie im obigen Beispiel beschrieben, in die freie Atmosphäre.

Wird das vom Verdampfer kommende Kältemittel in einen geschlossenen Behälter eingespeist, steigt dessen innerer Druck bis zum Verdampfungsdruck. Die Kältemittelzufuhr vom Verdampfer wird somit allmählich aufhören, und die Temperatur sowohl im Verdampfer als auch im Behälter wird sich nach und nach der Umgebungstemperatur anpassen.

Um einen niedrigeren Druck und somit eine niedrigere Temperatur in dem Behälter aufrechtzuerhalten, muss ihm Dampf entzogen werden. Dies erreicht man mittels eines Verdichters, der Dampf aus dem Verdampfer saugt. Der Verdichter kann mit einer Pumpe verglichen werden, die im Kältemittelkreislauf Dampf fördert.
In einem geschlossenen Kreislauf streben Druck und Temperatur immer einem Gleichgewichtszustand zu. Saugt beispielsweise der Verdichter aus dem Verdampfer mehr Dampf ab, als dort erzeugt wird, fällt der dort herrschende Druck und damit die Temperatur. Umgekehrt steigen Druck und Temperatur, sofern die Verdampferbelastung so ansteigt, dass die erzeugte Dampfmenge die Kapazität des Verdichters übersteigt.

Der Verdichtungsprozess

Kältemittel verlässt den Verdampfer entweder im Zustand gesättigten oder überhitzten Dampfes und wird nach dem Eintritt in den Verdichter komprimiert. Die Verdichtung wird in der Regel mit Hilfe eines Kolben erreicht und ist daher vergleichbar mit der Betriebsweise eines Verbrennungsmotors eines Autos. Um seine Arbeit verrichten zu können, muss dem Verdichter Energie zugeführt werden. Diese Energie wird beim Verdichtungsprozess wiederum auf das Kältemittel überführt. Aufgrund der zugeführten Verdichtungs-energie verlässt das Kältemittelgas den Verdichter bei einem - im Vergleich zum Eintrittszustand - höheren Druck und in einem stark überhitzten Zustand. Die zugeführte Verdichterenergie ist abhängig von Anlagendruck und -temperatur. Es ist einleuchtend, dass mehr Energie aufgewandt werden muss, um 1 kg Dampf auf 10 bar zu komprimieren als auf 5 bar.

Der Verflüssiger

Das Kältemittel gibt im Verflüssiger Wärme ab, die einem anderen Medium niedrigerer Temperatur zugeführt wird. Die abgegebene Wärmemenge setzt sich zusammen aus der im Verdampfer aufgenommenen Energie und der für die Verdichtung benötigten Verdichtungsenergie.

Das Medium, das diese Wärmemenge aufnimmt, kann Wasser oder Luft sein. Bedingung ist, dass die Temperatur des Mediums niedriger ist als die Verflüssigungstemperatur. Der Verflüssigungsprozess ist vergleichbar mit dem Verdampfungsprozess, nur sind die Zustandsänderungen gegenläufig, d.h. von der Dampfphase zum flüssigen Zustand.

Der Expansionsprozess

Kältemittelflüssigkeit strömt vom Verflüssiger zu einem Sammler, der dem im Abschnitt 3.1 erwähnten Behälter entspricht.

Aufgrund der Druckerhöhung durch den Verdichter ist der Sammlerdruck viel höher als der Verdampferdruck. Um wiederum den Druck auf das Niveau des Verdampferdruckes abzusenken, muss eine Drosselstelle eingebaut werden, durch die das Kältemittel expandieren kann. Das entsprechende Bauteil ist in der Regel ein Expansionsventil.

Unmittelbar vor dem Expansionsventil befindet sich das flüssige Kältemittel etwas unterhalb seiner Siedetemperatur. Durch die plötzliche Drucksenkung geschieht eine Zustandsänderung. Das Kältemittel fängt an zu sieden und verdampft bei einer niedrigeren Temperatur. Diese Verdampfung vollzieht sich im Verdampfer, womit sich der beschriebene Kältekreislauf schließt.

Die Hoch- und Niederdruckseite der Kälteanlage

Es treten eine Anzahl verschiedener Temperaturen im Kältekreislauf auf, da wir es mit unterkühlter und gesättigter Flüssigkeit sowie mit gesättigten und überhitzten Dampf zu tun haben. Prinzipiell herrschen aber nur zwei Drücke in der Anlage vor; der Verdampfungs- und der Verflüssigungsdruck. Entsprechend teilt sich der Kältekreislauf in eine Niederdruck- und eine Hochdruckseite auf.