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Die Kompressionskältemaschine ist eine Kältemaschine, die den physikalischen Effekt der Verdampfungsenthalpie bei Wechsel des Aggregatzustandes von flüssig zu gasförmig nutzt; diese sehr häufige Bauform wird in den meisten Kühlschränken genutzt.
Ein Kältemittel, das in einem geschlossenen Kreislauf bewegt wird, erfährt nacheinander verschiedene Aggregatzustandsänderungen. Dabei wird ausgenutzt, dass sich die Kondensations- und die Siedetemperatur eines Gases (hier des Kältemittels) abhängig von seinem Druck verändert. Das gasförmige Kältemittel wird zunächst durch einen Kompressor komprimiert (verdichtet), wobei die Siedetemperatur steigt. Im folgenden Wärmeübertrager (Verflüssiger) kondensiert (verflüssigt) es unter Wärmeabgabe. Anschließend wird das flüssige Kältemittel aufgrund der Druckänderung über eine Drossel, zum Beispiel ein Expansionsventil oder ein Kapillarrohr, entspannt, wobei die Siedetemperatur sinkt. Im nachgeschalteten zweiten Wärmeübertrager (Verdampfer) verdampft das Kältemittel unter Wärmeaufnahme bei niedriger Temperatur (Siedekühlung). 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.
Das Kältemittel nimmt eine Wärmeleistung auf einem niedrigen Temperaturniveau (zum Beispiel 5 °C kalter Kühlschrankinnenraum) auf und gibt sie unter Zuführung von mechanischer Arbeit auf einem höheren Temperaturniveau an die Umgebung ab (zum Beispiel 35 °C Verflüssigungstemperatur in dem Wärmeübertrager auf der Kühlschrankrückseite).
Der Carnot-Prozess bildet den Kälteprozess mit der höchsten Leistungsziffer; er kann in realen Kompressionskälteanlagen nur annähernd erreicht werden, da die thermodynamischen Zustandsänderungen des Carnot-Prozesses in realen Anlagen nur annähernd technisch umgesetzt werden können.
Die Bandbreite der Kompressionskälteanlagen reicht von relativ einfachen Kühlschrank-Kompressionskälteanlagen mit Kälteleistungen von einigen 100 W bis zu Großanlagen für Kühlhäuser oder zur Klimatisierung von Bergwerken (Wetterkühlmaschine) mit Kälteleistungen über 10 MW.
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 ließ. Das Kältemittel Ether hat jedoch den Nachteil, dass es mit Luftsauerstoff hochexplosive Peroxide bildet und die Äthereismaschinen zuweilen explodierten.
Charles Tellier, französischer Ingenieur geb. 1828 in Amiens, gest. 1913 in Paris; entwickelte 1868/69 die Kompressionskältemaschine und rüstete 1876 das erste (Übersee-)Kühlschiff (Route Rouen-Buenos Aires) aus.
Kompressoren mini|Verflüssiger, Verdampfer, Wärmeübertrager, Filter in einer Kälteanlage mini|Maschinensatz einer Kompressionskältemaschine mini|Kompressor und Wärmetauscher an der Rückwand eines Kühlschrankes mini|Laufrad eines Turboverdichters für R-134a (Kühlleistung 1,4 MW, Drehzahl 20225 n/min, Durchmesser 213 mm)
mini|Flüssigkeitskühlsatz mit zwei Kolbenverdichtern mini|Verdampfer einer Kompressionskälteanlage 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 Hinsichtlich der Wahl des Kältemittels müssen folgende Aspekte berücksichtigt werden:
Dampfdruck des Kältemittels Der Dampfdruck des Kältemittels im Arbeitsbereich zwischen dem Verflüssigung- und Verdampfungszustand sollte in einem technisch beherrschbaren Bereich liegen. Im Hochdruckbereich sollten keine übermäßigen Wandstärken für Verdichter, Druckbehälter und Rohrleitungen erforderlich werden, andererseits sollten die Querschnitte der Apparate und Rohrleitungen im Niederdruckbereich nicht zu groß werden, da die Dichte des Dampfes und die Verdampfungsenthalpie deren Dimensionierung bestimmen. Falls auf der Niederdruckseite Unterdrücke auftreten, müssen Entlüftungsapparate installiert werden, um die unweigerlich eindiffundierende Luft auszuschleusen. Thermodynamische Eigenschaften Neben dem Dampfdruck im Einsatzgebiet der Kältemittel sind die Größen Verdampfungsenthalpie und Isentropenexponent entscheidend für die Auslegung des Kältemittelkreislaufes. Die Verdampfungsenthalpie und der Dampfdruck bei der Verdampfungstemperatur bestimmen die volumetrische Kälteleistung und somit die Dimensionierung der Apparate. Der Temperaturanstieg des Kältemittels bei der Verdichtung wird im Wesentlichen durch den Isentropenexponent bestimmt. Umweltaspekte Aus Umweltgesichtspunkten sind natürliche Kältemittel wie Ammoniak (NH3), R-290 Propan (C3H8), R-744 Kohlenstoffdioxid (CO2) vorzuziehen. Ammoniak hat die Nachteile, dass es giftig ist und nicht mit Buntmetallen verträglich ist. Allerdings sind bereits geringe Leckagen aufgrund der niedrigen Geruchsschwelle (5 ppm) wahrnehmbar. Propan und Butan sind hoch entzündliche Gase, so dass bei diesem Kältemittel der Explosionsschutz zu beachten ist. Kohlenstoffdioxid hat einen hohen Dampfdruck, so dass die Bauteile des Kältekreislaufes für höhere Drücke zu dimensionieren sind. Aufgrund der hohen Dichte und volumetrischen Kälteleistung haben die Bauteile ein geringeres Volumen. Bei der Drosselung verdampft ein relativ hoher Anteil der Flüssigphase, was zusätzliche Bauteile zum energieeffizienten Betrieb nötig macht. Ein Ejektor wird häufig in einstufigen Anlagen eingesetzt, er ist einer Strahlpumpe ähnlich und gewinnt einen großen Teil der Verdichtungsarbeit zurück. In Kaskadenanlagen wird CO2 häufig als Tieftemperaturkältemittel verwendet. Als Kältemittel für die Hochdruckstufe kommen auch natürliche Stoffe (Ammoniak, Propan) oder fluorierte Kohlenwasserstoffe zum Einsatz.
Gängige Kältemittel sind Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) und teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW) wie zum Beispiel R-134a (Tetrafluorethan), deren Gemische wie zum Beispiel R-507, R-407C und R-404A, außerdem Ammoniak (NH3), Kohlendioxid (CO2), Kohlenwasserstoffe (zum Beispiel Propylen, Isobutan und Propan). 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 Treibhauspotentials Gegenstand einer politischen Diskussion sind, die eine Einschränkung ihrer Verwendung zum Ziel hat. Die Verwendung der früher üblichen Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) ist wegen deren Ozonabbaupotential in der EU bereits stark eingeschränkt worden; ihr Einsatz für Neuanlagen ist nicht mehr zulässig. Neben Einstoff-Kältemitteln können auch Kältemittel-Gemische zum Einsatz kommen. Hierbei unterscheidet man azeotrope Gemische von solchen mit Temperatur-Glide.
Kältemittelkreislauf mini|Kältemittelkreislauf mit Kompressor, Verflüssiger (Kondensator), Drosseleinrichtung (Drøvleventil) und Verdampfer (Fordamper). Der einfache Kältemittelkreislauf besteht aus den vier Bauelementen Kompressor (K), Verflüssiger (C), Drosseleinrichtung (E) und Verdampfer (V). Bei der einstufigen Kälteanlage wird zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite unterschieden. Die Hochdruckseite (kurz: HD) reicht von der Druckseite des Verdichters bis zum Drosselorgan. Die Niederdruckseite (kurz: ND) umfasst den Kältekreislauf hinter der Drosselung bis zum Verdichtereintritt.
Verflüssiger Der Verflüssiger wird entweder durch Luft oder Wasser gekühlt. Der luftgekühlte Verflüssiger ist eine Rohranordnung, dessen Oberfläche durch aufgeschrumpfte Kupfer- oder Aluminiumlamellen vergrößert wird. Ein Lüfter fördert die Kühlluft durch das Lamellenpaket. Bei Kleinkühlgeräten wie Kühlschränken beschränkt man sich auf die natürliche Konvektion, so dass der Lüfter entfallen kann. Die Verflüssigungstemperatur und damit auch die Leistungszahl der Kälteanlage ist von der Kühllufttemperatur abhängig. Technisch aufwändiger und wartungsintensiver sind Verdunstungsverflüssiger, da hier aufgrund der Teilverdunstung des Wassers sehr niedrige Verflüssigungstemperaturen möglich sind. Durch die zusätzliche Verdunstung des Wassers kann eine sehr niedrige Verflüssigungstemperatur erreicht werden, die im Grenzfall der Feuchtkugeltemperatur entspricht. Bei trockener Luft kann die Verflüssigungstemperatur unterhalb der Umgebungstemperatur liegen. Es muss allerdings das verdunstete Kühlwasser ersetzt und aufbereitet werden. Bei wassergekühlten Verflüssigern wird die freiwerdende Kondensationsenthalpie zunächst auf den Wärmeträger Wasser oder Wasser-Sole-Gemisch übertragen. Das Kühlwasser wird über eine Kreiselpumpe zu dem Kühlturm befördert. Wenn ein offener Kühlwasserkreislauf genutzt wird, kann durch Verrieselung des Wassers auch hier die Verdunstungskühlung genutzt werden. Im Kühlturm wird das Wasser durch Düsenstöcke nach unten versprüht. Im Gegenstrom wird Luft durch den Kühlturm gedrückt. Es erfolgt ein Wärmeaustausch und ein Teil des Kühlwassers verdampft. Am Luftaustritt sind Tropfenabscheider angeordnet, um Wassertropfen wieder in die Kühlturmtasse abzuleiten.
Verdampfer In der Kältetechnik werden überflutete Verdampfer oder Wärmeübertrager mit Kältemitteleinspritzung (Trockenexpansion) eingesetzt.
Verdampfer mit Trockenexpansion mini|Fließbild des einfachen Kälteanlagenprozesses Verdampfer mit Trockenexpansion sind am Eintritt mit einem Drosselorgan ausgerüstet, das so ausgelegt ist, dass das Kältemittel am Austritt vollständig verdampft und überhitzt ist. Das Kältemittel wird in Tröpfchenform in den Verdampfer eingespritzt.
Als Drosseleinrichtung werden in Kleinkühlgeräten (Kühlschränke) Kapillarrohre eingesetzt, die ungeregelt sind und somit einen konstanten Druckverlustbeiwert haben. Kapillarrohre können daher nur in Geräten eingesetzt werden, deren Kühlleistungen nahezu konstant ist. Die Kältemittelfüllmenge muss auf die Betriebsbedingungen abgestimmt sein, damit kein flüssiges unverdampftes Kältemittel vom Verdichter angesaugt wird.
In sonstigen Kühlgeräten mit Trockenexpansion werden oft thermostatische Expansionsventile mit innerem oder äußeren Druckausgleich eingesetzt. Mechanisch arbeitende Expansionsventile arbeiten ohne Hilfsenergie. Am Austritt des Verdampfers ist ein Fühler an die Rohrleitung angelegt. Der Hub des Einspritzventils und damit der Einspritzmassenstrom werden über den Druck der eingeschlossenen Fühlerfüllung geregelt. Als Regelgröße wird die Überhitzung des austretenden Kältemittels genutzt. Neuerdings kommen vermehrt elektronische Expansionsventile zum Einsatz, die eine feinere Abstimmung des Regelverhaltens ermöglichen und die Leistungszahl der Kälteanlage verbessern.
Überflutete Verdampfer mini|Einstufige Kälteanlage mit Pumpenumlauf Anlagen mit überfluteter Fahrweise besitzen auf der Niederdruckseite einen Kältemittelbehälter, den sogenannten Abscheider, in dem flüssiges Kältemittel mit einer Gasüberlagerung unter Sattdampfbedingungen vorgehalten wird. Der Füllstand des Abscheiders wird entweder über einen mechanischen Schwimmerregler (Hoch- oder Niederdruckschwimmer) geregelt oder es ist eine Füllstandsregelung mit einer Füllstandsonde und einem Regelventil in der Flüssigkeitsvorlaufleitung installiert. Der Druck im Abscheider wird auf einem bestimmten Wert gehalten, welcher durch die erforderlichen Temperaturen an den Kühlstellen festgelegt ist. Die Kältemittelverdichter saugen das Gas aus dem oberen Bereich des Abscheiders ab, wodurch das Sattdampfgleichgewicht bei der geforderten Temperatur im Abscheider erhalten bleibt.
Als Kältemittel kommt hier meistens Ammoniak zum Einsatz. Die Anwendung des Kältemittels CO2 ist bislang auf Sonderfälle beschränkt.
Thermosiphonanlage