Kältemaschine
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Eine Kältemaschine setzt einen thermodynamischen Kreisprozess um, bei dem Wärme unterhalb der Umgebungstemperatur aufgenommen und bei höherer Temperatur abgegeben wird. Der Kreisprozess einer Kältemaschine ist identisch mit dem Kreisprozess der Wärmepumpe; die Kältemaschine ist somit eine Wärmepumpe die zwischen den Temperaturen des Kühlraums und der Umgebung arbeitet. Die erste Kältemaschine der Welt wurde 1878 anlässlich der Weltausstellung in Paris von den Gebrüder Sulzer (heute Axima GmbH) gebaut.
Wärmepumpen können nach ihrem Verwendungszweck unterschieden werden in Kältemaschinen und Wärmepumpenheizungen. Bei einer Kältemaschine steht die von dem Kühlgut aufgenommene Wärme, bei einer Wärmepumpenheizung die an Umgebung abgegebene Wärme im Vordergrund.
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.
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[Bearbeiten] 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.
[Bearbeiten] 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. In großtechnisch eingesetzten Ammoniak-Absorptionskälteanlagen werden Verdampfungstemperaturen von −70 °C erreicht.
Bei Sorptionskältemaschinen kommt als weitere Heizleistung QH noch die Sorptionswärme hinzu, die aus dem Ab- bzw. Adsorber abgeführt werden muss.
[Bearbeiten] 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.
[Bearbeiten] 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.
[Bearbeiten] 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.
In dem Kreisprozess wird nun das Kältemittel dampfförmig komprimiert (verdichtet) (Antriebsleistung W), in dem folgenden Wärmeübertrager (Kondensator) unter Wärmeabgabe (Heizleistung QH) 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. In dem zweiten Wärmeübertrager (Verdampfer) nimmt das Kältemittel die zugeführte Wärme auf (Kühlleistung QK) 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.
[Bearbeiten] Linde-Verfahren, Joule-Thomson-Effekt (JTE)
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, CO2 ca. 3/4 K/bar) an der Drossel erreicht werden. Anlagen werden oft mehrstufig ausgeführt.
Die apparative Darstellung 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.
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.
[Bearbeiten] 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.
Diese Technik wird angewendet zur Temperaturstabilisierung von Halbleiterlasern und Sensoren, in Auto-Kühlboxen, in Thermozyklern (PCR) und zur Kühlung von Bildaufnehmern in Kameras von Infrarot bis UV.
[Bearbeiten] 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.
[Bearbeiten] Verdunstungskühlung
Die Verdunstungskühlung ist eine der ältesten und bewertesten 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.
[Bearbeiten] 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) und für Wärmepumpen COP (Coefficient of Performance) verwendet.
Für die Kälteanlage mit Nutzung der Kühlleistung QK gilt:
Die Abwärmeleistung ist die Summe aus der aufgenommen Kühlleistung und der technischen Arbeit, so dass gilt:
.
Analog kann für die Wärmepumpe mit der Heizleistung QH geschrieben werden:
Bei der Wärmepumpe ist die Heizleistung die Summe aus der aufgenommenen Wärme bei Umgebungsbedingungen QU und der technischen Arbeit, so dass gilt:
.
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:
Wenn der reale Prozess mit dem Carnotprozess verglichen wird, kann für die Kälteanlagen geschrieben werden:
Alle Temperaturen T in Kelvin.
Die Entropieänderung ΔS ist für den reversiblen Carnotprozess für die beiden isothermen Zustandsänderungen bei den Temperaturen TH und TU identisch und kann somit gekürzt werden.
Analog gilt für die Wärmepumpe:
.
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:
