Funktionsweise und Komponenten von Kältemaschinen

1. Das Prinzip der Kältemaschine

Eine Kältemaschine arbeitet als geschlossener thermodynamischer Kreisprozess. Dabei nimmt das System die Wärmemenge Q2 aus einer kalten Quelle im Verdampfer auf und gibt die Wärmemenge Q1 an eine Wärmequelle im Kondensator ab. Da Q1 > Q2 gilt, muss dem System von außen Energie in Form von Arbeit W zugeführt werden.

Dies ist ein geschlossener Kreislauf, bei dem das System am Ende des Zyklus wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt. Bei einer Wärmekraftmaschine wird hingegen eine Wärmemenge Q1 aufgenommen und ein Teil davon als Arbeit W abgegeben, während der Rest als Q2 an die Umgebung abgegeben wird.

2. Kältemittel

Das Kältemittel ist ein Fluid, das bei bestimmten Temperaturen und Drücken seinen Aggregatzustand zwischen flüssig und gasförmig ändert. Ein ideales Kältemittel muss folgende Anforderungen erfüllen:

• Sicherheit: Es darf weder toxisch noch brennbar oder explosiv sein.
• Physikalische Eigenschaften: Eine geeignete Viskosität, um Leckagen zu vermeiden.
• Materialverträglichkeit: Es darf keine korrosive Wirkung auf Metalle haben.

Bisher wurden verschiedene Stoffe eingesetzt:

• Butan und Propan: Kostengünstig, aber aufgrund ihrer Brennbarkeit gefährlich.
• Schwefeldioxid (SO2): Giftig.
• FCKW (Fluorchlorkohlenwasserstoffe): Schädigen die Ozonschicht.
• H-FCKW (Hydrochlorfluorkohlenwasserstoffe): Werden heute primär verwendet.

3. Konfiguration der Kompressionskältemaschine

Eine Kompressionskältemaschine besteht aus vier grundlegenden Elementen:

Kompressor

Das Kältemittel wird im dampfförmigen Zustand komprimiert. Hierfür wird ein elektrischer Motor benötigt, der die Energie W zuführt.

Kondensator

Das Kältemittel wird abgekühlt und verflüssigt, wobei die Wärmemenge Q1 an die Umgebung abgegeben wird.

Expansionsorgan

Der Druck des flüssigen Kältemittels wird reduziert, um es an den Druck des Verdampfers anzupassen.

Verdampfer

Das flüssige Kältemittel verdampft. Dabei nimmt es die Wärmemenge Q2 aus der Umgebung auf, wodurch der zu kühlende Raum abgekühlt wird. Nach diesem Prozess kehrt das Kältemittel in den ursprünglichen Zustand zurück und gelangt erneut zum Kompressor, um den Kreislauf zu schließen.