Funktionsweise und Anwendungen von Kühlschränken und Wärmepumpen

Ein Kühlschrank ist ein Gerät

Ein Kühlschrank ist ein Gerät, das in der Lage ist, die Temperatur eines bestimmten Objekts oder Ortes niedriger als die Umgebungstemperatur zu halten.

Top-Betrieb

Um die Funktionsweise zu erklären, ist es notwendig, den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik (QE) zu berücksichtigen:

• Es besteht eine Beziehung zwischen der verrichteten Arbeit und der entwickelten Wärme oder umgekehrt.
• Wenn der Endzustand des Systems gleich dem Anfangszustand ist, kann keine Wärme spontan von einem kälteren auf einen wärmeren Körper übertragen werden.

Die Kälte wird durch die Verdampfung einer Flüssigkeit erzeugt. Ein Kältemittel (QE) ändert seinen Zustand durch Kondensation oder Verdampfung bei bestimmten Drücken und Temperaturen.

Verwendete Kältemittel (QE-Fluid)

Häufig verwendete Fluide sind: Wasser, Methyl- und Ethylchlorid, Ammoniak, Propan, Butan sowie fluorierte und chlorierte Kohlenwasserstoffe.

Der Kreislauf (Verfassung)

Der Prozess läuft wie folgt ab:

1. Das Kältemittel gelangt in den Kompressor, wo seine Energie genutzt wird, um es zu komprimieren und zu verflüssigen.
2. Anschließend durchläuft es den Kondensator.
3. Danach wird es einem Expansionsprozess im Expansionssystem unterzogen.
4. Das Expansionsventil reduziert den Druck der Flüssigkeit, sodass sie im Verdampfer verdampft.
5. Die Flüssigkeit verdampft im Verdampfer und nimmt Wärme aus der Umgebung auf.
6. Anschließend kehrt das Kältemittel in den Kompressor zurück, um einen neuen Zyklus zu beginnen.

Allgemeiner Überblick über ein Kühlschranksystem

Rolle des Kompressors

Die Aufgabe des Kompressors ist zweifach:

• Er komprimiert das Kältemittel vom Dampfzustand in den flüssigen Zustand.
• Er erleichtert die Bewegung des Kältemittels durch den Kreislauf.

Der Kompressor wird von einem Motor angetrieben, der die Energie für den Kreislauf liefert. Das Kältemittel tritt in den Kondensator ein, wo die Verflüssigung stattfindet. Dabei gibt es Wärme an den Luftstrom oder das Wasser ab, während Druck und Volumen konstant bleiben. Die Flüssigkeit verlässt den Kühler und wird durch das Expansionsventil geleitet, wodurch sich das Volumen reduziert und es sich ausdehnt. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärme aus der Umgebung auf und verdampft, was die Kühlung bewirkt. Das Kältemittel verlässt den Verdampfer wieder in seinen ursprünglichen Bedingungen.

Anwendungen

Zu den Anwendungen gehören:

• Lebensmittelindustrie
• Transport verderblicher Produkte
• Klimaanlagen
• Kühl- und Gefriergeräte für den Hausgebrauch und medizinische Einrichtungen

Die Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe ist im Grunde ein Kühlschrank, der die Wärme des Kondensators nutzt, um einen bestimmten Raum zu heizen. Das Funktionsprinzip (QE) ist dasselbe wie beim Kühlschrank. Der Unterschied liegt in der beabsichtigten Wirkung:

• Der Kühlschrank ist darauf ausgelegt, einen Kühleffekt im Verdampfer zu erzeugen.
• Die Wärmepumpe ist darauf ausgelegt, einen Heizeffekt im Kondensator zu erzeugen.

Wärmepumpentypen

Wasser/Wasser-Wärmepumpe

Diese Pumpe kann kaltes Wasser mit einer Temperatur zwischen 13 und 15 Grad aufnehmen. Über eine Hydraulikpumpe wird Wasser in den Verdampfer geleitet. Das Kältemittel nimmt Wärme auf und verdampft. Das Wasser kühlt dadurch auf etwa 5 Grad ab. Das Kältemittel tritt in den Kondensatorkreis ein, nimmt Wärme auf und kondensiert. Das austretende Kältemittel ist heiß (ca. 50 Grad).

Luft/Luft-Wärmepumpe

Kalte Luft wird durch einen Lüfter angesaugt und zum Verdampfer geleitet. Dort nimmt das Kältemittel Wärme auf und verdampft; die austretende Luft ist kälter. Im Kondensator wird heiße Luft erzeugt und durch einen zweiten Lüfter geblasen. Das Kältemittel gibt Wärme ab und verflüssigt sich. Die Abluft wird mit einer Temperatur von etwa 50 Grad ausgeblasen.

Luft/Wasser- und Wasser/Luft-Wärmepumpen

Diese funktionieren ähnlich wie die Luft/Luft-Wärmepumpen, wobei sie als reversible Geräte sowohl Heizen als auch Kühlen liefern können.