Kältetechnik und Kältemittelhandhabung (F-Gase)

Eine Wärmepumpe und eine Kälteanlage sind technisch gesehen dieselbe Maschine: ein Kältekreis, der Wärme von einem kalten an einen warmen Ort verschiebt. In einem Kühlschrank wird die Wärme aus dem Schrank herausgeschafft; in einer Wärmepumpe wird Wärme aus Außenluft, Erdreich oder Wasser ins Haus geschafft. Weil der Prozess ein Kältemittel unter Druck nutzt, ist er technisch anspruchsvoll und stark reguliert — die Kältemittel sind starke Treibhausgase, und die Arbeit ist zertifikatspflichtig.

Der Kältekreis nutzt aus, dass eine Flüssigkeit Wärme aufnimmt, wenn sie verdampft, und Wärme abgibt, wenn sie kondensiert. Über die Steuerung des Drucks lässt sich wählen, wo Verdampfung und Verflüssigung stattfinden — und damit Wärme von kalt nach warm verschieben. Vier Komponenten treiben den Kreislauf:

• 01Verdampfer: Das Kältemittel verdampft bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur und NIMMT Wärme aus der Umgebung AUF (Außenluft, Erdreich, Kühlraum). Hier wird es kalt.
• 02Verdichter: saugt den kalten Dampf an und verdichtet ihn, sodass Druck und Temperatur stark steigen. Hier wird die elektrische Arbeit zugeführt.
• 03Verflüssiger: Der heiße, verdichtete Dampf GIBT seine Wärme AB und kondensiert bei hohem Druck zu Flüssigkeit. Hier wird die nutzbare Wärme geliefert (in einer Wärmepumpe).
• 04Expansionsventil: senkt den Druck der Flüssigkeit wieder, sodass sie kalt und bereit zum Verdampfen wird — der Kreislauf beginnt von vorn.

Das wichtigste Werkzeug der Kältetechnik ist das log p,h-Diagramm (Druck-Enthalpie-Diagramm). Es stellt den Zustand des Kältemittels dar, mit dem Druck p (logarithmisch) auf der senkrechten Achse und der Enthalpie h (Wärmeinhalt pro kg) auf der waagerechten. In das Diagramm ist eine glockenförmige Sättigungskurve eingezeichnet: links von der Glocke ist das Kältemittel reine Flüssigkeit, rechts reiner Dampf, und unter der Glocke ist es ein Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf. Die vier Kreislaufschritte bilden zusammen ein Viereck im Diagramm.

• 01Verdampfung: waagerecht nach rechts innerhalb der Glocke beim niedrigen Druck — das Kältemittel nimmt Wärme auf und geht bei konstantem Verdampfungsdruck und konstanter Verdampfungstemperatur von flüssig in dampfförmig über.
• 02Verdichtung: aufwärts entlang einer Linie mit (nahezu) konstanter Entropie — der Verdichter hebt den Druck, und der Punkt wandert hinauf zum hohen Druck rechts von der Glocke (überhitzter Dampf).
• 03Verflüssigung: waagerecht nach links beim hohen Druck — der Dampf wird gekühlt, kondensiert und gibt Wärme bei konstantem Verflüssigungsdruck und konstanter Verflüssigungstemperatur ab.
• 04Entspannung: senkrecht nach unten bei (nahezu) konstanter Enthalpie durch das Expansionsventil — der Druck fällt zurück auf den Verdampfungsdruck, und der Kreislauf beginnt von vorn.

Das Diagramm macht die unsichtbaren Drücke und Temperaturen ablesbar: der Verdampfungs- und der Verflüssigungsdruck sind direkt als die beiden waagerechten Linien zu sehen, und die zugehörigen Sättigungstemperaturen liest man dort ab, wo die Linien die Glockenkurve schneiden. Die Länge der Verdampferlinie auf der Enthalpieachse ist die aufgenommene Kälteleistung pro kg, die Verflüssigerlinie ist die abgegebene Wärme pro kg, und die Differenz ist die Kompressorarbeit. Zwei bewusste Zuschläge sind mit eingezeichnet: die Überhitzung (der Dampf wird nach dem Verdampfer noch etwas zusätzlich erwärmt, sodass niemals Flüssigkeit in den Kompressor gesaugt wird) und die Unterkühlung (die Flüssigkeit wird etwas unter die Verflüssigungstemperatur abgekühlt, sodass vor dem Expansionsventil sicher Flüssigkeit steht). Beide werden als waagerechte Abschnitte außerhalb der Glocke abgelesen.