Kältemaschinen


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Zuletzt aktualisiert von Rolf Gloor am 05.05.2011

Zur Erzeugung von technischer Kälte gibt es folgende Methoden:

  • Verdampfung
    • Verdunstung von Flüssigkeit (Schwitzen)
    • Kältekompressor (umgekehrter Dampfturbinenkreislauf)
    • Absorbtionstechnik (das Kältemittel wird mit Hitze aus dem Kondensat ausgetrieben)
  • Expansion
    • Kaltgasmaschine (umgekehrter Gasturbinenprozess) für die Verflüssigung von Luft (Edelgase, Stickstoff, Sauerstoff)
    • Stirlingmotor (angetrieben wird die eine Seite heiss, die andere kalt)
  • Spezielle Effekte
    • Peltierelement
    • Magnetokalorische Effekt von Gadolinium und Mangan

Die am häufigsten umgesetzte Methode zur Erzeugung der Kälte ist die Kältemaschine mit Kompressor.

Wirkungsgrad, Kältezahl und COP

In den meisten Kälteanlagen wird mit 1 kW Kompressorleistung mehr als 1 kW Wärmeleistung transformiert (umgangssprachlich: Kälte abgegeben). Der Begriff Wirkungsgrad ist daher nicht nützlich. Bei Kältemaschinen wird der Begriff Kältezahl ε verwendet. Bezogen auf die thermodynamisch theoretisch mögliche maximale Kältezahl könnte man aber einen technischen Wirkungsgrad bestimmen.

Wie bei Wärmekraftmaschinen kann zur Beurteilung eines idealen Kälteprozesses auf Basis der verschiedenen Temperaturen der modifizierte Carnotfaktor herangezogen werden. Dieser errechnet sich aus der Differenz der höchsten zur tiefsten Temperatur durch die höchste Temperatur in Kelvin (0 °C = 273,15 K) welche in einem Prozess vorkommen.

Kältezahl ε (Temperaturen in Kelvin)

Für die Berechnung des Wärmepumpenwirkungsgrades COP ist es die Beziehung:

Carnotfaktor (Temperaturen in Kelvin)

Der COP ist um den Wert 1 grösser als die Källtezahl ε.

Beispiel Kältekompressor

kaeltemaschinen_kompressor
Kältemittelkreislauf im Druck-Enthalpie Diagramm eines üblichen Kältemittels mit -20 °C Verdampfertemperatur und 60 °C Kondensatortemperatur.

Im diesem Beispiel einer hohnen Kondensationstemperatur von 60 °C und einer Verdampfertemperatur von - 20 °C ergibt die theoretische Kältezahl ε = (273 K - 20 K) / (60 K - - 20 K) = 253 K / 80 K = 3.16

Wenn man die Kältezahl aus dem Druck-Enthalpie-Diagramm herausliest, beträgt bei einer Kompressorleistung von 60 kJ/kg die Kälteabgabe 120 kJ/kg, was eine Kältezahl ε von 2 ergibt.Wenn der Kompressor ideal wäre und auf der Kennline einer konstanten Entropie verlaufen würde er nur 40 kJ/kg benötigen, was eine Kältezahl von ε von 3 ergeben würde, welche nahe am Wert aus den Temperaturdifferenzen liegt.

In diesem Beispiel ist aber ausserhalb des Kältemittelkreislaufes die Kühltemperatur nur - 10 °C und die Umgebungstemperatur beträgt nur 50 °C, das heisst die theoretische Kältezahl ε beträgt 263 K / 60 K = 4.38. Der Kältemaschine hat aber ein ε von 2. Der Wirkungsgrad gegenüber einer idealen Maschine beträgt somit 2 / 4.38 = 46%. Nebst dem Kompressor beeinflussen auch die Qualität und Grösse der Wärmetauscher beim Verdampfer und Kondensator den Wirkungsgrad.

 

kaeltemaschinen_kompressor
Kältemittelkreislauf im Druck-Enthalpie Diagramm eines üblichen Kältemittels mit -20 °C Verdampfertemperatur und 60 °C Kondensatortemperatur.

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