Der Kältekreisprozess im h,log p-Diagramm — Überhitzung, Unterkühlung und Wirkungsgrad

Wenn du lernst, Kälteanlagen auszulegen, Fehler zu finden und sie zu optimieren, landest du früher oder später beim selben Werkzeug: dem h,log-p-Diagramm. Das ist ein Diagramm, in dem der Zustand des Kältemittels — Druck, Temperatur und Energieinhalt (Enthalpie) — abgelesen und in dem der gesamte Kreisprozess als Viereck eingezeichnet werden kann. Die Kompetenzziele der Ausbildung nennen es direkt: Du musst Kreisprozesse in h,log-p-Diagramme eintragen und daraus physikalische Konstanten und spezifische Leistungen für ein gegebenes Kältemittel ableiten können. Das Diagramm ist mit anderen Worten kein Schulstoff, den du nach dem grundforløb (Grundlehrgang) weglegst — es ist ein Arbeitsmittel, das du für den Rest deiner Laufbahn nutzt.

Auf der senkrechten Achse wird der Druck auf einer logarithmischen Skala abgelesen (daher 'log p'), und auf der waagerechten Achse die Enthalpie — also wie viel Energie das Kältemittel pro Kilogramm enthält. In der Mitte des Diagramms liegt eine glockenförmige Kurve: links der Kurve ist das Kältemittel flüssig, rechts davon Dampf, und unter der Glocke selbst ist es ein Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf. Jede Kurve im Diagramm gehört zu genau einem Kältemittel, denn verschiedene Stoffe sieden und kondensieren bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen.

Der Kreisprozess selbst wird als vier Linienabschnitte gezeichnet, die den vier Hauptkomponenten der Anlage folgen. Aus dem Verdampfer wird das Kältemittel als Dampf bei niedrigem Druck in den Verdichter gesaugt. Im Verdichter wird es zusammengepresst, und sowohl Druck als auch Temperatur steigen deutlich — das zeigt sich im Diagramm als senkrechter Sprung hinauf zu einem höheren Druckniveau. Im Verflüssiger gibt das Kältemittel bei nahezu konstantem Druck Wärme an die Umgebung ab, bis es flüssig geworden ist. Durch das Expansionsventil fällt der Druck schlagartig, ohne dass sich die Enthalpie ändert — das ist eine senkrechte Linie hinunter zur Niederdruckseite. Zuletzt nimmt das Kältemittel im Verdampfer Wärme auf und verdampft wieder bei niedrigem Druck, und der Kreis ist geschlossen.

• 01Verdampfer: Das Kältemittel nimmt Wärme auf und verdampft bei niedrigem Druck.
• 02Verdichter: Das Kältemittel wird zusammengepresst — Druck und Temperatur steigen.
• 03Verflüssiger: Das Kältemittel gibt Wärme ab und wird bei hohem Druck flüssig.
• 04Expansionsventil: der Druck fällt schlagartig, ohne dass sich der Energieinhalt ändert.

Die Überhitzung ist die Differenz zwischen der Temperatur, die das Kältemittel tatsächlich hat, wenn es den Verdampfer verlässt, und der Temperatur, bei der es beim aktuellen Druck sieden würde (der Sättigungstemperatur). Ist die Überhitzung zu gering, riskierst du, dass noch flüssiges Kältemittel in den Verdichter gelangt, was ihn beschädigen kann — flüssiges Kältemittel lässt sich nicht wie Dampf komprimieren. Ist die Überhitzung zu groß, wird der Verdampfer nicht voll ausgenutzt, und die Anlage wird weniger effizient. Deshalb ist die Überhitzung etwas, das du misst und einstellst, jedes Mal wenn du eine Anlage mit einem Expansionsventil wartest oder in Betrieb nimmst, das genau nach diesem Prinzip regelt.

Die Unterkühlung ist die entsprechende Größe auf der Hochdruckseite: der Unterschied zwischen der Sättigungstemperatur des Verflüssigers beim gemessenen Druck und der tatsächlichen Temperatur des flüssigen Kältemittels, kurz bevor es das Expansionsventil erreicht. Eine gewisse Unterkühlung stellt sicher, dass am Expansionsventil wirklich 100 % Flüssigkeit ankommt — ist Dampf beigemischt, verliert das Expansionsventil seine Leistung, und die Anlage leistet weniger, als sie sollte. Zu wenig Unterkühlung kann auf zu wenig Kältemittel oder einen Verflüssiger hindeuten, der die Wärme nicht wirksam genug abgibt; zu viel Unterkühlung zeigt sich oft, wenn zu viel Kältemittel in die Anlage gefüllt wurde.

Wenn du den Kreisprozess eingezeichnet und die Enthalpien in den vier Eckpunkten abgelesen hast, kannst du den Wirkungsgrad der Anlage berechnen, oft ausgedrückt als COP (Coefficient of Performance): das Verhältnis zwischen der Kälte- oder Wärmeleistung, die die Anlage liefert, und der Energie, die der Verdichter dafür aufwendet. Je höher der COP, desto mehr Leistung bekommst du pro Krone Strom. Der COP ist eine Momentaufnahme bei bestimmten Betriebsbedingungen, und genau deshalb legen die Kompetenzziele der Ausbildung Wert darauf, dass du Energietransport und Kälteleistung sowohl für einfache als auch für spezielle Kälteprozesse berechnen kannst — damit du beurteilen kannst, ob eine Anlage tatsächlich optimal läuft oder ob sie Energie verschwendet.

“Wer ein h,log p-Diagramm lesen kann, sieht, was in einer Anlage vorgeht, ohne eine einzige Schraube zu lösen.”