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Funktionsweise von Kältemaschinen und Wärmepumpen

Ganz gleich, ob Zuhause im eigenen Kühlschrank oder bei einer komplexen, industriellen Anlage: Die Kälteerzeugung unterliegt in vielen Fällen dem immer gleichen Grundprinzip, bei dem ein thermodynamischer Kreislaufprozess einem Raum oder einer Umgebung Kälte entzieht. 

Physikalischer Effekt

Das Verdampfen eines flüssigen Kältemittels, wie Wasser oder unter Druck verflüssigtem Stoff, wie Ammoniak, Propan und fluorierte Kältemittel (HFKW), erfordert die Zufuhr von Wärme aus der Umgebung. Die Umgebung wird dadurch abgekühlt. Diesen Effekt nutzen Kältemaschinen. Sie entziehen einem Kühlmedium Wärme, kühlen dieses also ab. Das heißt, dem abzukühlenden Medium wird keine „Kälte“ zugeführt, sondern es wird Wärme entzogen.

Technische Realisierung

Damit der verdampfende Stoff (das Kältemittel) nicht fortlaufend ersetzt werden muss, wird eine geringe Kältemittelmenge in einem Kreislaufsystem (Rohrleitung) einer Kältemaschine immer wieder verdampft und anschließend verflüssigt:

  • Ein elektromotorisch angetriebener Verdichter saugt aus einem Verdampfer, der von einem zu kühlenden Medium durchströmt wird, Kältemitteldampf an und verdichtet diesen, wodurch Druck und Temperatur deutlich ansteigen.

  • Das Kältemittel durchströmt anschließend einen Verflüssiger, der außen von kalter Luft oder kaltem Wasser durchströmt wird, dadurch wird das noch dampfförmige Kältemittel abgekühlt und schließlich verflüssigt.

  • Durch ein Expansionsventil gelangt das flüssige Kältemittel dann in den Verdampfer, wo es unter Aufnahme von Wärme aus dem zu kühlenden Medium verdampft und wieder vom Verdichter angesaugt wird.
  • Von direkten Systemen spricht man, wenn sich der Verdampfer an dem zu kühlenden Ort befindet, z. B. in einem  Kühlraum, einem Kühlregal im Supermarkt oder einem zu klimatisierenden Raum; das Kühlmittel, das dem Verdampfer Wärme zuführt, ist üblicherweise Luft, die mittels eines Ventilators transportiert wird. Die Kältemittelleitungen sind bei direkten Systemen normalerweise lang und haben damit einen großen Kältemittelinhalt, weisen einen geringen Rohrleitungsquerschnitt auf, müssen aber nicht thermisch gedämmt werden. Als Kältemittel werden nicht-brennbare Kältemittel eingesetzt.

  • Von indirekten Systemen spricht man, wenn der Verdampfer Wärme von einem flüssigen Kühlmittel  (oder Kühlsole) aufnimmt, das mittels einer Umwälzpumpe zu einer Kühlstelle gepumpt wird (und von dort wieder zurück). Die Kühlstelle ist dann ein von dem Kühlmittel durchströmter Wärmeübertrager, dem wiederum mit Luft Wärme zugeführt wird. Die Kühlmittelleitungen haben einen großen Durchmesser und müssen thermisch gedämmt werden. Bei indirekten Systemen befindet sich der Verdampfer in der Nähe des Verdichters, wodurch die Kältemittelleitungen kurz sind und die Kältemittelfüllmengen gering. Die Leckage-Wahrscheinlichkeit und die mögliche Leckagemenge sind dadurch gering. Als Kältemittel können einerseits nicht-brennbare sowie andererseits brennbare und giftige Stoffe eingesetzt werden, letztere benötigen dann eine zusätzliche Sicherheitstechnik.Der gesamte technische Aufwand indirekter Systeme ist höher als bei direkten Systemen.

  • Auch der Verflüssiger kann direkt und indirekt betrieben werden.

Bezeichnungen

Bei technischer Nutzung der kalten Seite (des Verdampfers) wird die Maschine als Kältemaschine bezeichnet, bei Nutzung der warmen Seite (des Verflüssigers) als Wärmepumpe. Bei gleichzeitiger oder zeitversetzter Nutzung (mittels Warmwasser oder Eisspeicher) von Wärme und „Kälte“ arbeitet eine solche „Hybrid“-Maschine besonders energieeffizient.

In vielen Anwendungsfällen kann dadurch auf eine Wärmebereitstellung durch Verbrennung fossiler Energieträger verzichtet werden (z. B. für die Raumheizung oder Warmwasserbereitung), oder ein Kühlbetrieb mit gespeicherter „Kälte“ kann aufrechterhalten werden, ohne dass die Kältemittelverdichter laufen müssen. So kann z. B. photovoltaisch oder mit Windkraft erzeugte Energie verschleißfrei gespeichert und zeitversetzt genutzt werden.