Elemente des Kältemittelkreislaufs

Der in der Kühlung verwendete Kältemittelkreislauf ist ein geschlossener „Kreislauf der Kühlung mittels Verdampfung durch Dampfkompression".

Dabei wird die Verdampfung eines Kältemittels in einem Kreislauf genutzt, meistens in einem Wärmetauscher, der Verdampfer genannt wird. Für die Verdampfung wird der Umgebungsluft Energie entzogen, die dann den Kühlgutraum durch natürliche Konvektion oder Zwangskonvektion der Ventilatoren erreicht (siehe auch „KÜHLEN" und „DRUCK UND TEMPERATUR").

Nach dem Verdampfen ist das Kältemittel nicht mehr imstande, Energie zu absorbieren. Deshalb wird es durch Kondensation wieder in den flüssigen Zustand zurückgeführt.

Dabei stellt sich das Problem, dass eine ziemlich „kalte" Umgebung erforderlich ist, die imstande ist, Energie vom Kältemittel zu absorbieren. Sicherlich kann es nicht der gerade gekühlte Kühlraum sein.

Durch die Wechselbeziehung zwischen Druck und Temperatur bei der Zustandsänderung (höheren Drücken entsprechen höhere Temperaturen) wird ein Verdichter verwendet, um das Kältemittel auf einen höheren Druck als der Verdampfer zu führen (auch 8-10 Mal höher), damit der Verflüssigungsprozess bei Temperaturen stattfinden kann, die mit einer immer verfügbaren „kalten" Quelle kompatibel sind, allgemein der Außenluft des Gebäudes.

Hier erfolgt die Verflüssigung bei hohen Temperaturen (üblicherweise 35 - 55 °C) innerhalb eines Wärmetauschers, der die Außenluft in Kontakt mit dem Kältemittel bringt. Das Kältemittel kondensiert und kehrt dadurch zum flüssigen Zustand zurück, während sich die Außenluft erwärmt.

Das flüssige Kältemittel steht am Verflüssigeraustritt noch unter hohem Druck. Es ist also ein Entspannungsorgan erforderlich, das den Druck des flüssigen Kältemittels abbaut, bis der Druck für die Verdampfung erreicht ist. Nun ist das Kältemittel zum Ausgangszustand zurückgekehrt (flüssig bei niedrigem Druck und bei niedriger Temperatur) und kann der Lagerraumluft wieder Energie entziehen.

Die Hauptbestandteile des Kältemittelkreislaufs sind demnach:

Verdampfer: Ein Wärmetauscher ähnlich einem Heizkörper bei Verwendung mit Luft (Rippenwärmetauscher) oder kompakter bei Verwendung mit Wasser (Plattenwärmetauscher, Rohrbündelwärmetauscher). Er ermöglicht den Energieaustausch durch Wärmeleitung zwischen dem verdampfenden Kältemittel (das vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht) und der Luft (oder dem Wasser), die (das) abkühlt. Die Verdampfung erfolgt bei nahezu konstantem Druck und konstanter Temperatur (außer etwas Druckabfall). Das austretende Kältemittel ist ein überhitztes Gas mit einer leicht höheren Temperatur als die Verdampfungstemperatur.

Verdichter (Kompressor): Dabei handelt es sich um einen Volumenkompressionsmechanismus, also um eine progressive Volumenreduktion auf der Grundlage von Rotations- oder Kolbensystemen. Die Funktion des Verdichters ist es, das Kältemittel im Kreislauf zirkulieren zu lassen, also es im gasförmigen Zustand am Verdampferaustritt anzusaugen und es unter Druckerhöhung zum Verflüssiger hin zu verdichten. Die mechanische Arbeit der Verdichters impliziert eine deutlich Gastemperaturerhöhung (auch über 100 °C) und eine hohe Stromaufnahme. Der Strombedarf eines Verdichters ist umso größer, je größer die Differenz zwischen den beiden Arbeitsdrücken ist. Es ist wichtig, dass das in den Verdichter eintretende Kältemittel im gasförmigen Zustand ist, weil Flüssigkeiten bekanntlich inkompressibel sind. Der Verdichter wird aktiviert, sobald eine Kälteanforderung eingeht, meist anhand von Temperaturregelungssystemen.

Verflüssiger (Kondensator): Ein Wärmetauscher, analog zum Verdampfer, etwas größer als dieser, aber wie dieser in Form eines Rippen-, Platten oder Rohrbündelwärmetauschers. Er ermöglicht den Energieaustausch zwischen der mit Ventilatoren zwangsgeführten Außenluft (oder dem Wasser) und dem Kältemittel, das in Form von Heißgas aus dem Verdichter austritt. Das Kältemittel kühlt ab, kondensiert bei nahezu konstanter Temperatur und konstantem Druck und erfährt in der Folge eine leichte Unterkühlung. Am Verflüssigeraustritt ist das Kältemittel flüssig mit hohem Druck und einer Temperatur, die leicht unter der Verflüssigungstemperatur liegt.

Drosselorgan (Expansionsventil): Besteht aus einer verengten Öffnung, einer Kapillare reduzierten Durchmessers oder aus einem mechanischen oder motorisierten, mikroprozessorgesteuertem Regelventil. Die vom Drosselorgan erzeugte lokale Engstelle lässt den Druck des vom Verflüssiger stammenden flüssigen Kältemittels ohne Energieaustausch senken. Dabei kommt das Gesetz von Bernoulli zur Anwendung, nach dem eine Verengung die Geschwindigkeit des Fluids deutlich erhöht und von einem Druckabfall mit entsprechendem Temperaturrückgang begleitet wird. Auf diese Weise kehrt das flüssige Kältemittel zu niedrigem Druck und zu niedriger Temperatur zurück und ist wieder bereit zur Verdampfung und somit zur Wiederholung des soeben beschriebenen Kreisprozesses.

Das Drosselorgan ist auch für die Kältemittelstromregelung im Kreislauf ausgelegt. Ein übermäßiger Massenstrom beschädigt den Verdichter, weil er nicht vollständig im Verdampfer zu verdampfen imstande ist und ein Teil flüssig bleibt. Ein unzureichender Massenstrom reduziert den Wirkungsgrad der Maschine, weil die Verdampferleistung nicht vollständig ausgeschöpft wird.