Der Carnot-Kühlschrank: Funktionsweise und Kühlsysteme

Der Carnot-Kühlschrank und sein Funktionsprinzip

Das Funktionsprinzip von Kühlkreisläufen basiert ebenfalls auf dem Carnot-Prozess, der jedoch umgekehrt zu dem von Verbrennungsmotoren abläuft. Auf Kosten externer Arbeit extrahiert das Tieftemperatur-Fluid Wärme aus einer kalten Quelle, um sie an ein warmes Reservoir abzugeben. Eine Kälteanlage, die nach diesem Zyklus arbeitet, besteht aus den folgenden Elementen: einem Kondensator (dem heißen Reservoir T₁), einem Verdampfer (der Wärmesenke T₂), einem Kompressor, der den Druck und die Temperatur der Flüssigkeit erhöht, sowie einem Expander oder einer Turbine, in der Druck und Temperatur der Flüssigkeit abnehmen.

Die vier Phasen des Carnot-Kühlzyklus

• Phase 1–2: Der Kompressor, angetrieben von einem Motor (der die erforderliche Arbeit verrichtet), erhöht adiabatisch den Druck und die Temperatur des Kühlmittels von P₁ auf P₂ bzw. von T_F auf T_C.
• Phase 2–3: Die Flüssigkeit erreicht den Kondensator, wo sie unter Abgabe der Wärme Q₁ verflüssigt wird. Das Kühlsystem hält die Temperatur der Flüssigkeit dabei konstant auf T_C.
• Phase 3–4: Im Expander expandiert die Flüssigkeit adiabatisch, wobei sie abkühlt und der Druck sowie die Temperatur auf T_C sinken, sodass das Fluid teilweise verdampft.
• Phase 4–1: Die Flüssigkeit erreicht den Verdampfer, wo sie isotherm bei T_C expandiert und fast ausschließlich bei konstantem Druck verdampft, wobei sie Wärme Q₂ aus dem Kühlsystem aufnimmt.

Unterschiede zwischen Theorie und Praxis

In der Praxis weichen Kühlkreisläufe in zwei wesentlichen Punkten vom idealen Carnot-Prozess ab: Erstens sind reale Prozesse nicht vollständig reversibel. Zweitens unterscheidet sich die Kompression, da das Fluid am Verdichtereinlass oft eine Mischung aus Flüssigkeit und Dampf ist. Da solche Gemische Probleme bei der Kompression verursachen, wird in realen Systemen nur der Dampf komprimiert, bis nach der Verdampfung im Verdampfer gesättigter Dampf vorliegt. Zudem ist die Expansion der gesättigten Flüssigkeit über eine Turbine energetisch oft nicht effizient, da die gewonnene Arbeit geringer ist als der Aufwand für den Kompressor. Daher wird die Turbine meist durch ein einfaches Expansionsorgan wie eine Drosselklappe oder ein Laminierung-Ventil ersetzt, das den Druck durch eine Verengung senkt. So entsteht ein modifizierter Zyklus, der realen Systemen näherkommt.

Arten von Kühlsystemen: Dampf und Gas

Es gibt im Wesentlichen zwei Arten von Kühlsystemen: Dampf- und Gaskühlsysteme. Bei Dampfsystemen wird das Kältemittel in den verschiedenen Bauelementen abwechselnd verdampft und kondensiert, während das Kältemittel bei Gassystemen immer im gasförmigen Zustand bleibt.

Dampf- und Gaskühlsysteme im theoretischen Vergleich

Bei Dampf-Kühlsystemen sowie Gas- und Dampfsystemen ist der theoretische Zyklus im Grunde derselbe, er unterscheidet sich jedoch in der Reihenfolge der einzelnen Phasen. In einem Dampf-Kühlsystem laufen folgende Prozesse ab:

• Abschnitt 1–2: Adiabatische Kompression des Flüssigkeit-Dampf-Gemisches im Kompressor, bis gesättigter Dampf entsteht. Druck und Temperatur steigen; dies ist die Phase der Arbeitszufuhr.
• Abschnitt 2–3: Wärmeübertragung vom Kältemittel nach außen (an das heiße Reservoir). Die Flüssigkeit kondensiert unter Abgabe der latenten Verdampfungswärme bei konstanter Temperatur und konstantem Druck.
• Abschnitt 3–4: Adiabatische Expansion in einer Turbine (oder einem Expansionsventil), wobei das Gemisch aus gesättigter Flüssigkeit und Dampf Arbeit verrichtet und Temperatur sowie Druck sinken. Oft wird die Turbine durch ein Expansionsventil und einen Akkumulator ersetzt.
• Abschnitt 4–1: Absorption von Wärme aus der kalten Umgebung durch das Kühlmittel im Verdampfer. Das Gemisch reichert sich mit Dampf an und kehrt zu den ursprünglichen Bedingungen von Druck, Temperatur und Volumen zurück, um einen neuen Zyklus zu beginnen.

Beim Gas-Kühlsystem beginnt der Zyklus mit der adiabatischen Expansion in der Turbine (Abschnitt 3–4), wodurch nutzbare Arbeit entsteht. Anschließend nimmt das Gas in einem Wärmetauscher Wärme aus der kalten Umgebung auf, wodurch die Temperatur steigt (Abschnitt 4–1). Danach wird das Gas im Kompressor adiabatisch komprimiert, was externe Arbeit erfordert und Druck sowie Temperatur erhöht (Abschnitt 1–2). Schließlich gibt das Gas in einem Kühler Wärme nach außen ab und kehrt in den Ausgangszustand zurück, um einen neuen Zyklus zu beginnen (Abschnitt 2–3).

Anwendungen der modernen Kältetechnik

Zu den Anwendungen der Kältetechnik gehören: Kühlräume zur Lagerung von Lebensmitteln, Kühl-Lkw oder Waggons für den Transport leicht verderblicher Waren, Klimaanlagen und Haushaltsgeräte. In all diesen Fällen dient das zu kühlende System als Kältequelle und die Umgebung als heißes Reservoir.