Kälteanlagen

LBG-Lufttechnische Anlagen GmbH

Viele Kältemaschinen beruhen auf einem thermodynamischen Kreisprozess, bei dem unter Zuführung externer Energie an einer Stelle Wärme unterhalb der Umgebungstemperatur aufgenommen und an anderer Stelle bei höherer Temperatur abgegeben wird. In diesem Sinne ist eine Kältemaschine einer Wärmepumpe ähnlich. Zur Realisierung verwendet man:

sog. Kaltdampfanlagen, in denen die Eigenschaft von Stoffen genutzt wird, bei unterschiedlichen Drücken unterschiedliche Siede- bzw. Kondensationstemperaturen zu haben. Die so verwendeten Stoffe nennt man Kältemittel. Der Arbeitsbereich ist begrenzt durch die erreichbaren Siede- bzw. Kondensationstemperaturen der Kältemittel.

den Joule-Thomson-Effekt (JTE), der bewirkt, dass sich reale Gase bei der Entspannung (Drosselung) abkühlen. Dieser Effekt ist bspw. die Grundlage des Linde-Verfahrens. Durch mehrstufige Anwendungen können auch im industriellen Bereich sehr niedrige Temperaturen, z. B. zur Luftverflüssigung, erreicht werden.

Es gibt aber auch Verfahren, die ohne Gase und bewegte Teile auskommen.

Geschichte

Kälteerzeugung durch Abpumpen von Luft aus einem halb mit Diethylether gefüllten Glaskolben wurde bereits Mitte des 18. Jahrhunderts entdeckt, war aber noch ohne echten Nutzen. Die erste funktionierende Kältemaschine der Welt wurde 1845 von dem amerikanischen Arzt John Gorrie in Florida gebaut, der nach Wegen suchte, die Heilungschancen für Krankenhauspatienten im feuchtheißen Florida zu verbessern. Nach damaliger medizinischer Lehrmeinung war „schlechte Luft“ ein wesentlicher Krankheitsfaktor, und das aus den nördlichen Großen Seen herbeigeschaffte Wintereis, welches die einzige Kühlmöglichkeit darstellte, war in Florida wegen der großen Transportverluste sehr teuer. Gorries Maschine, die das umgekehrte Prinzip des Stirlingmotors nutzte, diente zur Eiserzeugung und zugleich zur Raumkühlung (Klimaanlage). Ein Prototyp wurde gebaut. Die Maschine war aber ein finanzieller Misserfolg (Patentanmeldung 8080, 6. Mai 1851). Gorrie starb einige Jahre später verarmt und verlacht. Erst in den 1870er Jahren wurden Kältemaschinen wirtschaftlich, die ersten großen Nutzer waren Brauereien, die so auch ohne natürliche kühle Höhlensysteme untergäriges, länger haltbares Lagerbier nach der Pilsener Methode brauen konnten. Zu den ersten großen Herstellern zählte der deutsche Industrielle Carl von Linde.

Ausführung des Systems zur Wärmeübertragung

Die durch die Kältemaschine „erzeugte“ Kälte kann für technische Prozesszwecke, zur Klimatisierung, zur Eiserzeugung (Eislaufbahnen) oder zur Haltbarmachung oder Kühlung von Lebensmitteln verwendet werden. Die Wärmeaufnahme kann auf direktem oder indirektem Weg erfolgen. Im Fall der indirekten Kühlung wird ein Kälteträger (Kaltwasser oder Sole) verwendet, der im ersten Wärmetauscher durch das verdampfende Kältemittel gekühlt wird und im zweiten Wärmetauscher die Wärme des zu kühlenden Mediums aufnimmt. Bei direkter Verwendung wird ein Wärmetauscher eingesetzt, der auf der einen Seite das verdampfende Kältemittel und auf der anderen Seite das zu kühlende Medium führt (Direktverdampfer).

Typen

Der wesentliche Unterschied zwischen Kompressions- und Sorptionskältemaschinen ist der, dass bei ersteren die benötigte Energie vollständig als mechanische Arbeit, bei letzteren dagegen in Form von Wärme zugeführt wird. Letztere benötigen mechanische Arbeit lediglich zur Überwindung der internen Druckverluste.
Der Wirkungsgrad wird für Kompressionskältemaschinen gewöhnlich auf die elektrische Antriebsenergie bezogen, womit sich im Vergleich zu Sorptionskältemaschinen deutlich günstigere Werte ergeben. Ein Vergleich dieser Art ist jedoch unzulässig, da mechanische bzw. elektrische Antriebsenergie in der Natur nicht verfügbar ist, sondern aus fossilen oder regenerativen Quellen mit Verlusten erzeugt (umgewandelt) werden muss, was sich auch im Energiepreis niederschlägt. Bezieht man diese Verluste ein, so sind die Wirkungsgrade von Sorptionskältemaschinen auch wertmäßig vergleichbar, wenn nicht sogar besser.
Der Wirkungsgrad wird bei Kältemaschinen Leistungszahl genannt.