Kältemittel, Kältemaschine und Wärmepumpe — Eigenschaften & Betrieb

Besonderheiten von Kältemitteln

Kältemittel können giftig sein. Sie können leicht entzündlich sein oder unter bestimmten Bedingungen Explosionen verursachen. Sie müssen eine Viskosität aufweisen, die ein Auslaufen erschwert. In der Regel sind sie nicht ätzend gegenüber Metallen.

Betrieb einer Kältemaschine

Eine Kältemaschine nutzt die Kühlwirkung eines Arbeitsprozesses. Zunächst wird Energie in Form von Arbeit (W) zugeführt, z. B. an den Kompressor. Das Kältemittel wird dadurch gasförmig verdichtet und steht anschließend unter hohem Druck. Im Kondensator verflüssigt sich das Gas und gibt dabei die Wärmemenge Q1 ab. Nach dem Passieren des Expansionssystems erweitert sich das Kältemittel und sein Druck sinkt. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel die Wärmemenge Q2 aus der Umgebung auf, verdampft und es erfolgt die Kühlung; anschließend liegt das Kältemittel wieder als Niederdruck-Gas vor.

Betrieb einer Wärmekraftmaschine

Analog zur Kältemaschine wird bei einer Wärmekraftmaschine Wärmearbeit genutzt: Statt die Kälte zu nutzen, wird hier Wärme in Arbeit oder Nutzwärme umgewandelt.

Wärmepumpe Wasser‑Wasser

Bei einer Wasser‑Wasser‑Wärmepumpe kann als Wärmequelle kaltes Wasser aus einem Brunnen mit Temperaturen zwischen 13 °C und 15 °C dienen. Mit Hilfe einer Pumpe wird das Wasser in den Verdampfer geleitet, wo es Wärme (Q2) an das Kältemittel abgibt und dieses verdampft. Das abfließende Wasser hat anschließend eine niedrigere Temperatur, z. B. 5 °C. Das warme Wasser tritt in den Kondensator ein und nimmt dort die bei der Kondensation freigesetzte Wärme (Q1) vom Kältemittel auf. Als Ergebnis des Kreislaufs erhält man warmes Wasser, beispielsweise bei etwa 50 °C.

Wärmepumpe Luft‑Luft

Bei einer Luft‑zu‑Luft‑Wärmepumpe wird kalte Außenluft von einem Ventilator angesaugt (z. B. 15 °C) und durch den Verdampfer geleitet. Das Kältemittel nimmt dabei die Wärme Q2 aus der Luft auf und verdampft. Die austretende Luft kann dadurch abgekühlt sein (z. B. auf 5 °C). Im Kondensator wird das Kältemittel von einem anderen Ventilator mit warmer Luft beaufschlagt (z. B. 30 °C oder mehr), es verflüssigt sich und gibt die Wärme Q1 ab. Die abgegebene Luft kann Temperaturen von etwa 50 °C erreichen und wird zur Raumbeheizung oder Prozesswärme genutzt.

Zustandsänderungen im Kältekreislauf (AB, BC, CD, DA)

Zustandsänderung AB

AB: Druck und Temperatur steigen bei abnehmendem Volumen durch Kompression (Kompressor).

Zustandsänderung BC

BC: Bei annähernd konstantem Druck nimmt das Volumen ab, weil das Gas kondensiert und zu einer Flüssigkeit wird, die weniger Raum einnimmt; dabei wird die Wärmemenge Q1 an die Umgebung abgegeben.

Zustandsänderung CD

CD: Der Druck sinkt und das Volumen steigt infolge der Expansion (z. B. durch ein Expansionsventil oder eine Drossel).

Zustandsänderung DA

DA: Das Volumen steigt stark bei nahezu konstantem Druck, weil das Kältemittel im Verdampfer verdampft. Dabei nimmt es die Wärme Q2 aus der Umgebung auf (Wärmeaufnahme).

Hinweis: In allen Beschreibungen wurde die ursprüngliche inhaltliche Aussage beibehalten und sprachlich sowie orthografisch korrigiert. Fachbegriffe wie Kompressor, Kondensator, Verdampfer, Expansionsventil sowie die Wärmemengen Q1 (Wärmeabgabe) und Q2 (Wärmeaufnahme) wurden klar benannt, um Lesbarkeit und SEO-Relevanz zu verbessern.