Kältemaschinen und Wärmepumpen

Kältemaschinen und Wärmepumpen arbeiten nach dem gleichen Prinzip. Die Temperaturen, für welche sie ausgelegt sind, unterscheiden sich und ihr Zweck ist grundverschieden, doch das Grundprinzip ist bei beiden gleich:

• Kältemaschinen haben zum Ziel, einem Wärmereservoir Wärme zu entziehen – was wir als Kühlen bezeichnen. Damit können mit dem Prinzip der Kältemaschinen praktisch beliebig tiefe Temperaturen erreicht werden
• Wärmepumpen haben zum Ziel, Wärme an einem Ort zu entziehen und diese an einem anderen Ort und v.a. bei höherer Temperatur wieder abzugeben. Die Abgabe der Wärme bei höherer Temperatur ist für Heizzwecke besonders praktisch, weil ein grosser Teil der Energie gratis aus der Umgebung gewonnen werden kann

Die Kältemaschine als umgekehrte Wärmekraftmaschine

Kältemaschinen lassen sich am besten als die Umkehrung des Prinzips von Wärmekraftmaschinen verstehen. Wärmekraftmaschinen nehmen Wärme aus dem “heissen” Reservoir bei \(T_H\) auf, geben einen Teil davon als Arbeit wieder ab und geben den Rest der Wärme wieder an ein “kaltes” Reservoir bei \(T_K\) ab.

Bei Kältemaschinen sind die Fliessrichtungen der Energien alle umgekehrt. Die Kältemaschine nimmt Wärme aus dem “kalten” Reservoir bei \(T_K\) auf. Um zu funktionieren, nimmt sie Arbeit auf. Schliesslich gibt sie ihre gesamte, aufgenommene Energie als Wärme an das “heisse” Reservoir bei \(T_H\) wieder ab.

Das Faszinierende daran ist, dass Wärme von einer tiefen Temperatur an ein Reservoir mit höherer Temperatur “gepumpt” wird. Die Natur geht immer den anderen Weg: Wärme fliesst immer vom Reservoir mit der höheren Temperatur zum Reservoir mit der niedrigeren Temperatur. Die Kältemaschine kehrt diesen natürlichen Vorgang um. Dank ihrer Erfindung konnten erstmals tiefere Temperaturen erreichen, die sonst auf der Erde nie natürlich vorkommen.

Interessant ist auch, dass die eingesetzte Arbeit im Vergleich zur aufgenommenen Wärme relativ klein ist. So gesehen bilden Kältemaschinen einen Sonderfall in Sachen Wirkungsgrad, denn es die Kühlleistung ist grösser als die eingesetzte elektrische Leistung, so dass der Wirkungsgrad grösser als 100% ist! Analog ist der Wirkungsgrad von Wärmepumpen immer grösser als 100%. Mit relativ wenig eingesetzter Arbeit erreichen wir eine grosse Menge an Heizwärme, die die Wärmepumpe abgeben kann.

Kreisprozess einer Kältemaschine im p,V-Diagramm

Im obigen p,V-Diagramm ist der Kreisprozess einer Kältemaschine dargestellt. Wir erkennen dies sofort an der Laufrichtung. Im Gegensatz zur Wärmekraftmaschine (WKM), läuft der Kreisprozess im Gegenuhrzeigersinn. Die eingeschlossene Fläche entspricht wieder der Arbeit, die dieses Mal aber eingesetzt werden muss. Als Fluid benutzt die Kältemaschine speziell ausgesuchte Kühlmittel, deren Siedepunkte sich für den Temperaturbereich der Kältemaschine besonders eignen.

Beachte, dass wir uns wie beim Clausius-Rankine-Kreisprozess im und in der Nähe eines Zweiphasengebiets bewegen, d.h. das Kühlmittel kondensiert und verdampft im Verlauf des Prozesses.

Die folgenden Zustandsänderungen sind für den Kreisprozess einer Kältemaschine typisch:

1 ➝ 2 : Adiabatische Kompression: Das gasförmige Kältemittel im Kompressor schnell komprimiert, so dass es sich auf die höhere Temperatur \(>T_H\) erwärmt.

2 ➝ 3 : Isobare Wärmeabgabe: Das heisse Kühlmittel gelangt in einen Wärmetauscher wo es seine Wärme abgeben kann. Zuerst kühlt es sich ab, dann bleibt es bei \(T_H\), wo es kondensiert und seine Kondensationswärme abgibt.

3 ➝ 4 : Adiabatische Entspannung: Das flüssige Kühlmittel, das immer noch unter Druck steht, gelangt in ein Drosselventil wo es sich sehr schnell entspannt. Durch diese Entspannung sinkt die Temperatur auf \(T_K\) runter

4 ➝ 1 : Isobare Wärmeaufnahme: Das kühle und teilweise verdampfte Kühlmittel kommt in einen Wärmetauscher, wo es Wärme aufnimmt

Das Wichtigste ist, dass bei der hohen Temperatur \(T_H\) Wärme abgegeben und bei der tieferen Temperatur \(T_K\) Wärme aufgenommen wird. Beim Kühlschrank ist \(T_K \approx 0 \(°C und \(T_K \approx 40\) °C, d.h. das Fluid nimmt bei 0 °C Wärme auf und gibt sie hinter dem Kühlschrank bei ca. 40 °C wieder an die Umgebung ab. Der Kühlschrank hat an seiner Rückseite entsprechende Heizschlangen, die die Wärme abgeben.

Bestandteile einer Kältemaschine

Der Kreisprozess der Kältemaschine wird wie folgt realisiert:

1 ➝ 2 : Adiabatische Kompression: Der Kompressor (Verdichter) komprimiert das kalte Fluid (Kühlmittel) bei tiefer Temperatur auf einen höheren Druck. Dabei wird es erhitzt. Der Kompressor verrichtet die Arbeit \(W_{in}\) am Fluid. Es ist der Kompressor, der das typische Kühlschrankgeräusch verursacht.

2 ➝ 3 : Isobare Wärmeabgabe: Das heisse, gasförmige Fluid geht jetzt in den Wärmetauscher, der mit der Umgebung in Kontakt steht. Das Fluid kann hier seine Wärme abgeben (\)Q_{out}\)) und auch kondensieren, so dass es zusätzlich seine Kondensationswärme abgeben kann. Bei grösseren Kältemaschinen und Klimaanlagen werden die Heizschlangen zusätzlich mit einem Gebläse gekühlt (erzwungene Konvektion). Meistens ist dieser Wärmetauscher draussen oder auf dem Dach des Gebäudes montiert, wo er seine Wärme an die Umgebung abgeben kann.

3 ➝ 4 : Adiabatische Entspannung: Das flüssige Kühlmittel ist jetzt immer noch bei der hohen Temperatur, aber es steht immer noch unter Druck und ist jetzt flüssig. Nun passiert es ein Drosselventil wo es sich sehr schnell entspannt. Durch diese starke Druckabnahme sinkt die Temperatur und das Kühlmittel verdampft teilweise, was zu einer zusätzlichen Abkühlung führt. Das Kühlmittel erreicht dabei die tiefe Temperatur \(T_K\). Bei industriellen Anlagen ist das Rohr unmittelbar nach dem Drosselventil meist mit Rauhreif verdeckt.

4 ➝ 1 : Isobare Wärmeaufnahme: Das kühle und teilweise verdampfte Kühlmittel kommt in einen Wärmetauscher. Dort nimmt es Wärme auf (\)Q_{in}\)) und verdampft vollständig. Dieser Wärmetauscher ist auf der kühlenseite. Es sind die Kühlschlangen im Kühlschrank oder es ist die kühlende Einheit einer zweiteiligen Klimaanlage, die im Raum montiert ist.