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Kältemaschine


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Eine Kältemaschine setzt einen thermodynamischen Kreisprozess um bei dem Wärme von Stoffen niedriger Temperatur auf solche Temperatur gefördert wird. Dies kann einerseits zur andererseits zur Gewinnung von Wärme aus Stoffen Temperatur ( Wärmepumpe ) genutzt werden.

Zur Realisierung verwendet man

  • sog. Kaltdampfanlagen in denen die Eigenschaften von Stoffen werden bei unterschiedlichen Drücken unterschiedliche Siede- bzw. zu haben. Die so verwendeten Stoffe nennt Kältemittel. Der Arbeitsbereich ist begrenzt durch die Siede- bzw. Kondensationstemperaturen der Kältemittel.

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

Kaltdampfanlagen

Erforderlich sind ein Kompressions- und ein sowie zwei Wärmetauscher die in einem Kreislauf zusammengeschaltet sind daß die Wärmetauscher beidseitig zwischen und Expansionselement geschaltet werden.

In dem Kreisprozeß wird nun das dampfförmig komprimiert bzw. komprimiert und verdampft (Antriebsleistung in dem folgenden Wärmetauscher (Kondensator) unter Wärmeabgabe <math>Q_H</math>) kondensiert daraufhin flüssig expandiert und in zweiten Wärmetauscher (Verdampfer) unter Wärmeaufnahme (Kühlleistung <math>Q_K</math>) verdampft. Bei der Kompression wird implizit der angehoben und entsprechend bei der Expansion wieder Bei Sorptionskältemaschinen (siehe unten) kommt als weitere <math>Q_H</math> noch die Sorptionswärme hinzu die aus Ab- bzw. Adsorber abgeführt werden muss.

Das Kältemittel ist so auszuwählen daß Siedepunkt bei hohem Druck über der Temperatur Mediums liegt an das die Wärme abgegeben und entsprechend bei niedrigem Druck unter der desjenigen Mediums dessen Wärme aufgenommen wird. Das andererseits dass die Temperaturdifferenz des Kältemittels zwischen Druckstufen größer sein muß als die zwischen beiden über Kondensator und Verdampfer extern zugeführten

Für den Betrieb der Kältemaschine ist aufzubringende Antriebsenergie in Form von mechanischer Arbeit Wärme nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik unerläßlich. Über den Verdampfer wird Kühlleistung Form von Wärme zugeführt die für den nicht unbedingt erforderlich ist jedoch Nutzenergie darstellt. am Kondensator abgegebene Heizenergie ist die Summe der am Verdampfer aufgenommenen Kühlenergie und der abzüglich der betriebsmäßigen Wärme- und Reibungsverluste.

Wenn dem Verdampfer Kühlenergie zugeführt und am Kondensator abgegebene Heizenergie genutzt wird wird Kältemaschine als Wärmepumpe betrieben. In der Regel ist dann Heizwärme größer als die aufgewendete Antriebsenergie. Bilanziert die Wärmepumpe energetisch auf diese Weise so an einen Wirkungsgrad > 1. Physikalisch gesehen dies jedoch nicht korrekt da nicht alle und abfließenden Wärmeströme berücksichtigt sind sondern nur die ökonomisch relevant sind. Der "exakt" arbeitende bezieht dagegen die Verdampferwärme mit ein und damit einen Wirkungsgrad < 1.

Grundsätzlich kann jeder Kaltdampfanlagenprozess als Wärmepumpe werden erforderlich ist lediglich dass Kondensations- und des Kältemittels bei den jeweiligen Drücken für Betrieb geeignet sind.

Der Wirkungsgrad η für Kühlleistung und wird mit der Antriebsleistung bestimmt zu

 <math> \eta_{Kuehlung} = \frac{Q_{K}}{Q_{A}} <= \frac{T_{Verdampfer}}{T_{Kondensator}-T_{Verdampfer}}  

 <math> \eta_{Heizung} = \frac{Q_{H}}{Q_{A}} <= \frac{T_{Kondensator}}{T_{Kondensator}-T_{Verdampfer}} \frac{1}{\eta_{carnotprozess}} </math>  

Insoweit ist das Prinzip für alle gleich.

Für die Kompression und die Expansion es jedoch unterschiedliche Lösungen die jede ihre und Nachteile hat. Deshalb unterscheidet man:

  • Die Kompressionskältemaschine ausgestattet mit einem mechanischen Kompressor einem oder einem Turbokompressor und einem Expansionsventil. Als wird lediglich ein Kältemittel benötigt das aus einer Komponente besteht. Als Antriebsenergie kann nur Arbeit verwendet werden.
  • Die Absorptionskältemaschine verfügt zusätzlich über einen Lösungsmittelkreis und Kältemittelzweig. Das Arbeitsmittel besteht aus zwei Komponenten Lösungsmittel und dem Kältemittel. Das Kältemittel muss Lösungsmittel vollständig löslich sein.
  • Die Diffusionsabsorptionskältemaschine arbeitet ähnlich wie die Absorptionskältemaschine die wird jedoch als Partialdruckänderung realisiert. Dazu ist dritte Komponente für das Arbeitsmittel erforderlich ein Ihr Vorteil liegt darin dass der Druckkörper abgeschlossen ist und keine lösbaren Dichtungen benötigt dass der Apparat geräuschlos arbeitet.
  • Die Adsorptionskältemaschine arbeitet mit einem festen Lösungsmittel dem an dem das Kältemittel ad- bzw. desorbiert Dem Prozess wird Wärme bei der Desorption und bei der Adsorption entnommen. Da das nicht in einem Kreislauf umgewälzt werden kann der Prozess nur diskontinuierlich ablaufen indem zwischen und Desorption zyklisch gewechselt wird.

Der wesentliche Unterschied zwischen Kompressions- und ist der dass bei ersteren die Primärenergie als mechanische Arbeit bei letzteren dagegen in von Wärme zugeführt wird. Letztere benötigen mechanische lediglich zur Überwindung der internen Druckverluste insbesondere das Expansionsventil.

Der Wirkungsgrad wird für Kompressionskältemaschinen gewöhnlich auf die Antriebsenergie bezogen womit sich im Vergleich zu deutlich günstigere Werte ergeben. Ein Vergleich dieser ist jedoch unzulässig da mechanische bzw. elektrische in der Natur nicht verfügbar ist sondern fossilen oder regenerativen Quellen mit Verlusten erzeugt werden muß was sich auch im Energiepreis Bezieht man diese Verluste ein so sind Wirkungsgrade von Sorptionskältemaschinen auch wertmäßig vergleichbar wenn sogar besser.

siehe auch Kühlschrank Wärmepumpe

Linde-Verfahren Joule-Thomson-Effekt (JTE)

Zur Kälteerzeugung wird die Temperatur eines (z. B. Luft Helium) das im Arbeitsbereich auskondensiert durch Drosselung abgesenkt. Damit sind sehr Temperaturen bis in die Nähe des absoluten erreichbar. Mit dem JTE kann eine Abkühlung ca. 0.4 K je bar Druckdifferenz an Drossel erreicht werden. Anlagen werden oft mehrstufig

Die apparative Darstellung ist ähnlich der Kompressionskältemaschine die Wärmetauscher werden jedoch nicht als bzw. Verdampfer gebaut. Zur energetischen Optimierung ist notwendig vor dem Expansionsventil (Drossel) das Gas einem Rekuperativ-Wärmetauscher mit dem von dem Kühler Gas vorzukühlen und dieses dabei entsprechend vorzuwärmen.

Thermoelektrischer Effekt Peltier-Element

Zur Kühlung kann auch ein Peltier-Element verwendet werden das elektrisch betrieben wird ohne Kältemittel auskommt jedoch nur eine geringe erzeugt.



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