Kühlanlagen 31.08.2018, 15:12
Die Hauptbaugruppen einer Kühlanlage sind der Kompressor, der Kondensator (auch Verflüssiger), das Entspannungsventil (auch Drossel), der Verdampfer. Der Beitrag beschreibt das Kühlprinzip.
Kühlanlagen
Die Aufgabe von Kühlanlagen ist es, Einrichtungen und Prozesse aller Art zu kühlen und kühl zu halten. Dazu gehören
– im Haushalt: Kühlschränke, Gefrierschränke
– in Gebäuden und mobilen Anlagen: Innenräume
– in der Agrartechnik: Melkanlagen, Lagerräume
– in Kraftfahrzeugen: Klimaanlagen
und Andere.
Im Prinzip funktionieren die genannten Anlagen nach einem gleichbleibenden Prinzip. Bild 1 zeigt es schematisch.
Bild 1: Kühlanlage, hier Kühlschrank
Die Baugruppen der Kühlanlage sind
1. Kompressor
2. Kondensator (auch Verflüssiger)
3. Entspannungsventil (auch Drossel)
4. Verdampfer.
Der Kühlprozess verläuft auf dem im Folgenden beschriebenen Weg.
Die Anlage ermöglicht es dem gasförmigen Kältemittel, zu zirkulieren. Dabei handelt es sich um eine nicht unproblematische Chemikalie 1).
Wird die Anlage eingeschaltet, beginnt der Kompressor 1 zu laufen. Beschreibung unten. Er verdichtet das Kältemittel, das sich dabei erhitzt und verflüssigt. Die Lamellen des Kondensators 2 mit ihrer großen Oberfläche geben ihre Wärme an die Außenluft ab.
Das flüssige Kältemittel fließt zum Entspannungsventil 3, in dem es an Druck verliert und sich in Gas umzuwandeln beginnt. Dies setzt sich im Verdampfer 4 fort. In diesem Prozess kühlt sich das Kühlmittel ab. Die Kälte geht auf die Kühlelemente (Bleche, Lamellen) über. Das in diesem Bereich vorhandene Kühlgut (Feststoffe, Luft, Wasser, Milch usw.) wird auf diese Weise gekühlt. Die Temperatur wird mit einem Thermostat gesteuert, der den Kompressor je nach gewünschter Temperatur ein- bzw. ausschaltet.
Kompressor (Bild 2): Der unten liegende E-Motor treibt über einen Kurbeltrieb den Kolben (gelb) an. Dieser verdichtet das im geschlossenen Kreislauf zirkulierende Kältemittel.
Bild 2: Kompressor schematisch
1) Seit Kurzem warnt das Umweltbundesamt vor dem Kältemittel R1234yf. Es steckt in den meisten Auto-Klimaanlagen und wurde eingeführt, weil das Vorgängermittel R134a als umweltschädlich eingestuft worden war. Laut Umweltbundesamt kann das neue Mittel das Trinkwasser belasten. Aus dem Trinkwasser könne TFA mit den üblichen Aufbereitungsverfahren nicht entfernt werden, sodass weitere Einträge unbedingt vermieden werden müssten. Das Umweltbundesamt schlägt CO2-Klimaanlagen als Alternative vor.
Hier seien noch zwei Fragen geklärt:
1. Warum wird das Kältemittel im Kondensator flüssig?
Kondensation ist der Übergang eines Stoffes vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand. Beispielhaft kann man sich eine Flasche Wasser vorstellen, die bei hoher relativer Feuchte und Temperatur aus dem Kühlschrank geholt wird (Bild 3). Die Flasche fängt nach kurzer Zeit an, zu „schwitzen“; die Wasserperlen sind das Kondensat. Sobald das Kältemittel eine bestimmte Temperatur unterschreitet, ändert es seinen gasförmigen Zustand und wird flüssig.
Bild 3: Kondensierung
2. Wie funktioniert das Entspannungsventil?
Venturi und Bernoulli fanden heraus, dass in einem strömenden Gas oder einer Flüssigkeit ein Geschwindigkeitsanstieg einen Druckabfall zur Folge hat (Bild 4). Man spricht dann auch vom Drosseleffekt. Erfahrungsgemäß ist der Schüler davon überzeugt, das Gegenteil sei der Fall, wenn also etwa eine Flüssigkeit in einem Rohr schneller strömt, müsse mit der größeren Geschwindigkeit v auch der Druck p zunehmen. Dass der Druck abnimmt, kann man mit einem einfachen Versuch beweisen.
Sie finden ihn im tec. LF-Beitrag https://www.lehrerfreund.de/technik/1s/beispiele-und-vergleiche/3000
Bild 4: In der Querschnittsverkleinerung fällt der Druck ab
Die folgende Skizze ist als Vorlage für Arbeitsblätter gedacht.
