Kälteprozeß

Der Verdampfungseffekt

Ein Kältemittel wird beim Verdampfen Wärme aufnehmen und seinen Aggregatzustand ändern. Dieses Zustandsänderung macht den Kühleffekt im Kältemittelkreis aus.

Wenn das Kältemittel durch Kühlschlangen hindurch, zur Atmosphäre hin offen, entspannen kann, so wird das Kältemittel die Umgebungswärme aufnehmen und bei einer des Druckes korrespondierenden Temperatur verdampfen. Bei Ammoniak ist dieses bei -33°C. Der Apparat, in dem das Kältemittel verdampft wird Verdampfer genannt.

Der Expansionsprozeß

Wenn flüssiges Kältemittel von einem höheren Druck im Sammler zu niederer Druck im Verdampfer fließen soll, muß dieses durch Armaturen geregelt werden. Dieses kann ein Expansionsventil, ein Schwimmerventil oder ein Kapillarrohr sein. Bei jedem dieser Einrichtungen expandiert das Kältemittel bei Eintritt in den Bereich des niedrigen Druckes. Die Entspannung geschieht über das Ventil schnell und auf einem relativ kurzen Weg.

Entspannungsgas oder Unterkühlung

Flüssiges Kältemittel, gelagert in einem Behälter, würde bei einer bestimmten Temperatur im Gleichgewicht stehen. Bei einem Kondensator steht flüssiges Kältemittel mit der Temperatur entsprechend der Kondensationstemperatur zur Verfügung. Die Flüssigkeit wird in jedem Zustand (Druck, Temperatur) auf die gesättigte Temperatur abgekühlt werden. Damit die Flüssigkeit die gesättigte Temperatur erreicht, muß das Kältemittel Wärme abgeben. Diese Wärme wird an die unmittelbare Umgebung, an die Moleküle des Kältemittels, abgegeben. Dadurch verdampft ein Teil des Kältemittels. Diese Reaktion setzt sich solange fort, bis die Flüssigkeit und der Dampf im Gleichgewicht mit der entsprechenden gesättigten Temperatur steht. Der hieraus resultierende Dampf wird Entspannungsgas oder auch flash gas genannt.

Kältemitteltemperatur

Wenn Wärme von einem Medium zum Kältemittel fließen soll, muß die Kältemitteltemperatur unter dem des Mediums liegen. Die Differenz zwischen den beiden Temperaturen wird durch die relative Größe und die Leistungsfähigkeit und Übertragungsfläche des Verdampfers bestimmt.

Die Übertragung folgt dem Gesetz: Q = k A dt

• Q = Leistung
• k = Wärmeübertragungskoeffizient
• A = Fläche
• dt = Temperaturdifferenz

Bei einer vorgegebenen Leistung und einer Vergrößerung der Fläche, kann die Temperaturdifferenz kleiner sein und umgekehrt. Wenn im Kälteprozeß die Kälteanforderung sinkt, dann sinkt auch die Leistung im Verdampfer. Verändert sich der Wärmeübertragungskoeffizient nur gering oder nicht, so wird auch die Temperaturdifferenz kleiner werden. Dieses ist für die Analyse vom Teillastverhalten wichtig zu wissen. Damit das Kältemittel fließen kann, muß es eine Druckdifferenz zwischen dem Verdampferein- und Austritt geben. So wie der Druck abnimmt, wird auch die korrespondierende Sättigungstemperatur sinken. Das Gleichgewicht des flüssiges Kältemittels wird durch das zusätzliche Verdampfen von Kältemittel wiederhergestellt. Der Flashgasanteil steigt und der Kühleffekt sinkt, so wie das Kältemittel auf dem Weg durch den Verdampfer einen niedrigeren Druck annimmt.

Bei der Berechnung des Prozesses wird jedoch der Druckverlust im Verdampfer vernachlässigt. Die meisten Verdampfer geben die gesättigte Verdampfungstemperatur entsprechend dem Druck am Austritt des Verdampfers an.

Zur guten Ausnutzung des Verdampfungsprozeß ist es wünschenswert, daß das gesamte Kältemittel im Verdampfer verdampft. In einigen Kühlern, wie z.B. bei überfluteten Verdampfern verläßt das Kältemittel den Kühler als gesättigten Dampf. Bei Systemen mit Expansionsventilen wird das Kältemittel so kontrolliert in den Verdampfer eingespritzt, daß es am Austritt eine zusätzliche Wärme aufgenommen hat. Hier spricht man von überhitztem Dampf.

Die Differenz zwischen dem Wärmeinhalt des Kältemittels vor dem Eintritt und nach dem Austritt wird Kühleffekt bezeichnet.

Der Verdichter

Die Komponenten in der Abbildung Nr. 17 (Figure 17) würden eine Kühlung ermöglichen. Aber diese Anordnung wäre eine sehr teure Art der Kälteerzeugung, da das Kältemittel ständig erneuert werden müßte. Um dieses zu verhindern, muß eine weitere Komponente eingesetzt werden, die einen echten Kreisprozeß ermöglicht. Dieses ist eine Funktion des Verdichters. Wenn der Kältemitteldampf vom Verdampfer in einen Behälter gelassen wird, dann würde der Druck in dem Behälter ansteigen bis schließlich ein Ausgleichsdruck entstanden ist. Damit der Druck nicht ansteigt und das Kältemittel im Verdampfer weiterhin verdampfen kann, wird ein Verdichter eingesetzt, der den gewünschten Verdampfungsdruck im Verdampfer, durch das Absaugen des Dampfes, aufrechterhält (siehe Bild 24).

Wenn der Verdichter mehr Dampf ansaugen kann, als der Dampf im Verdampfer entsteht, sinkt der Druck und entsprechend die Temperatur im Verdampfer. Wenn die Wärmeleistung zunimmt und das Kältemittel schneller verdampft als der Verdichter absaugen kann, wird der Druck und entsprechend die Temperatur im Verdampfer ansteigen. Somit wird ein Kältekreislauf solange ständig entsprechend des Leistungsbedarfs in Bewegung sein („rides with the load“), bis Verdichterleistung und Verdampferleistung ein Gleichgewicht erreicht haben. Damit das Kältemittel im Kreislauf wieder als Flüssigkeit zur Verfügung steht, muß es nachdem es den Verdichter als Druckgas verlassen hat wieder kondensiert werden. Diese Kondensation geschieht durch das Entziehen von Wärme aus dem Kältemittelgas. Eine Wärmeübertragung setzt ein, wenn die Temperatur des Kältemittelgases höher ist, als die Umgebungstemperatur. Die zweite Funktion eines Verdichters ist, die Temperatur des Kältemittels über die Umgebungs- bzw. Mediumtemperatur zu verdichten, so daß eine Wärmeübertragung stattfinden kann. Der Verdichter komprimiert das Kältemittelgas, wobei die Temperatur des Gases ebenfalls ansteigt. Dieses erlaubt nun, daß das Kältemittel seinen Wärmeinhalt an eine Umgebung (über Wärmeübertragung) abgeben kann. Das kältere Medium ( bzw. die Umgebung) kühlt das Kältemittel ab und entzieht soviel Wärme, daß das Kältemittel zu Flüssigkeit kondensiert.

 

Der Verdichtungsprozeß

Das Kältemittel welches den Verdampfer verläßt, tritt in den Verdichter als gesättigter Dampf oder als überhitzter Dampf ein. Das Kältemittel nimmt während der Kompression Wärme auf und verläßt den Verdichter als überhitztes Gas mit mehr Energie und einem größeren Wärmeinhalt als am Eintritt in den Verdichter.

 

Der Kondensator

In dem Kondensator wird dem Kältemittel Wärme entzogen. Dieses geschieht durch Wärmeübertragung an ein Medium mit niedrigerer Temperatur. Der Kondensator führt die Wärme ab, die das Kältemittel im Verdampfer aufgenommen hat und zusätzlich noch die Wärme, die das Kältemittel während des Verdichtungsvorgangs aufnahm. Als erster Schritt wird dem Kältemittel die Überhitzungswärme entzogen, bis das Kältemittel den Zustand des gesättigten Dampfes erreicht hat (Punkt D – E). Das weitere Entziehen von Wärme hat den Effekt zur Folge, daß das Kältemittel seinen Aggregatzustand ändert. Es wird vom gesättigten Dampf in das Naßdampfgebiet und schließlich zu Flüssigkeit überführt (Punkt E – A). Damit kann das Kältemittel im Prozeß wieder genutzt werden.

 

Die Kondensationstemperatur

Die Temperatur des Mediums, welches die Wärme des Kältemittels aufnehmen soll, bestimmt die Temperatur des Kältemittels bei der die Kondensation stattfindet. Während das Medium Wärme aufnimmt, steigt die Temperatur des Mediums und damit auch die Kondensationstemperatur. Damit die Kondensationstemperatur des Kältemittels immer auf dem gleichen Niveau gehalten werden kann, muß ständig neues kühleres Medium nachfließen. Zum Beibehalten der Wärmeübertragung muß das Kältemittel im Kondensator immer eine höhere Temperatur, als das Medium, haben.

Bei einem wassergekühlten Kondensator handelt es sich um einen Rohrbündelapparat mit dem Kältemittel in dem Mantel. Hier gibt es nur eine geringe Abweichung von Druck und Kondensationstemperatur durch den Apparat. Die Differenz zwischen der Kondensationstemperatur und der Temperatur des Kühlmediums, während der Wärmeübertragung im Apparat, kann aufgeteilt werden in die Eintrittstemperaturdifferenz und die Austrittstemperaturdifferenz. Bei luftgekühlten Kondensatoren durchströmt das Kältemittel die Wärmetauscherrohre vor und zurück. Hier muß ständig eine Druckdifferenz bestehen, damit eine Strömung des Kältemittels stattfindet. Bei den meisten Kondensatoren beträgt diese Druckdifferenz ca. 0,7 bar.

Der Überhitzungsanteil bezogen auf die gesamte Wärmeabfuhr beträgt ca. 10 – 20%. Da die Dichte des überhitzten Gases leicht ist, ist auch der Druckverlust gering. Bei einer Berechnung des Kondensators ist es notwendig, den Druckverlust zwischen dem Eintritt und dem Austritt des flüssigen Kältemittels zu ermitteln.
Am Beispiel von Ammoniak wird jedoch deutlich, daß der Druckverlust im Kondensator bei dem Kältekreislauf vernachlässigt werden kann. Bei einem Druckverlust von 0,7 bar über den Kondensator und einer Gaseintrittstemperatur von 85°C entspricht die Druckdifferenz lediglich einer Absenkung der Kondensationstemperatur von 1,6 °C. Zur Vereinfachung wird bei der Bewertung des Kältekreislaufes nur die Temperatur am Eintritt des Kondensators berücksichtigt. Der Druckverlust über den Kondensator wird vernachlässigt.

 

Unterkühlung der Flüssigkeit

Die meisten Kondensatoren sind so konstruiert, daß das Kältemittel am Austritt noch eine Unterkühlung erfährt. Wenn diese Unterkühlung bis vor das Expansionsventil beibehalten werden kann, wird der Anteil des Entspannungsgases (Flashgas) reduziert und der Verdampfungseffekt (Kühlungseffekt) des Kältemittels wird erhöht.