Grundlagen und Prozesse der Kühlhauskühlung
Dieser Artikel erläutert die Kälteprinzipien von Kühlhäusern anhand von Diagrammen und Prozessanalysen. Die Kälteprinzipien werden immer wieder betont, da nur durch das Verständnis der zugrundeliegenden Logik Betriebsprobleme in realen Situationen präzise ihren Ursachen zugeordnet werden können. Dies ermöglicht eine gründlichere Fehleranalyse und die Entwicklung passender Lösungen. Der Artikel verwendet dabei so weit wie möglich einfache Sprache.
Ob Kühlhaus oder Klimaanlage – keines der beiden erzeugt im eigentlichen Sinne Kälte. Kältetechnik beruht vielmehr auf Wärmeübertragung. Diese erfolgt durch die kontinuierliche Umwandlung und Zirkulation des Kältemittels zwischen flüssigem und gasförmigem Zustand, wodurch ein Wärmeaustausch stattfindet. Der gesamte Kreislauf besteht aus vier Phasen: Kompression, Kondensation, Drosselung und Verdampfung. Während der Zirkulation nimmt das Kältemittel kontinuierlich Wärme auf und gibt sie wieder ab, während es mit den vier Hauptkomponenten und Hilfseinrichtungen zusammenarbeitet, um Wärme zu transportieren.
Doch wann genau befindet sich das Kältemittel während dieses Prozesses in flüssiger Form? Wann wird es gasförmig? Wann steht es unter hohem und wann unter niedrigem Druck? Welche Prinzipien liegen diesen Veränderungen zugrunde?
Kompressionsprozess
Der Kompressor verdichtet Kältemittelgas mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck zu Dampf mit hoher Temperatur und hohem Druck.
Beginnen wir nun mit dem Herzstück der Kälteanlage – dem Kompressor. Wie der Name schon sagt, besteht die Hauptfunktion des Kompressors in der Kompression. Das zu komprimierende Medium muss jedoch immer gasförmig sein. Flüssigkeiten sind nämlich nahezu inkompressibel. Gelangt flüssiges Kältemittel in den Kompressor, kann dies zu Flüssigkeitsschlägen führen.
Stellen Sie sich vor, Flüssigkeit wird im Kompressorraum mit Gewalt komprimiert – das wirkt wie ein Hammer, der auf die internen Bauteile schlägt. Hält dieser Zustand an, fällt der Kompressor schnell aus und wird dauerhaft beschädigt. Deshalb wird üblicherweise ein Gas-Flüssigkeits-Abscheider vor dem Kompressor installiert. Er fungiert wie ein Torwart, der nicht vollständig verdampftes Kältemittel zurückhält und nur gasförmiges Kältemittel in den Kompressor lässt.
Nachdem das Gas in den Kompressor eintritt, verringert sich sein Volumen rapide, während Druck und Temperatur stark ansteigen. Schließlich entsteht ein Hochtemperatur-Hochdruckgas, das aus dem Kompressor austritt. Dieser Vorgang wird üblicherweise als Ausstoß bezeichnet.
Die Austrittstemperatur ist ein kritischer Parameter, da sie den Betriebszustand des Kompressors und den Zustand der Kälteanlage direkt widerspiegelt. Daher sind Kälteanlagen üblicherweise mit Austrittstemperaturanzeigen ausgestattet.
Gleichzeitig ist das Hochdruckmanometer direkt an die Druckleitung angeschlossen, um die Druckwerte in Echtzeit zu überwachen. Auch die Hochdruckseite des Hoch-/Niederdruckreglers ist hier angeschlossen. Sobald der Druck am Auslass den zulässigen Bereich überschreitet, wird das Hochdruckschutzsystem aktiviert und schaltet den Kompressor automatisch ab, um Schäden am Gerät zu verhindern.
Darüber hinaus transportiert das aus dem Kompressor austretende Hochtemperatur-Hochdruckgas auch einen Teil des Kompressoröls. Hierbei spielt der Ölabscheider eine wichtige Rolle. Er trennt das Öl ab und führt es dem Kompressor wieder zu, wodurch die Schmierung aufrechterhalten und ein reibungsloser Betrieb gewährleistet wird.
Beispieldiagramm für einen Kompressor
Kondensationsprozess
Hochtemperierter Dampf strömt durch den Kondensator, gibt Wärme an die Umgebung ab und kondensiert zu Flüssigkeit unter hohem Druck.
Der Kondensator dient als Kühlstation für das Hochtemperaturgas. Nachdem es vom Kompressor verdichtet wurde, gelangt das heiße und unter hohem Druck stehende Kältemittelgas in den Kondensator. Dort durchläuft es eine wichtige Umwandlung – den Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Zustand.
Dieser Vorgang ähnelt der Kondensation von Wasserdampf zu Wasser beim Abkühlen. Um das Kältemittel schnell abzukühlen und zu verflüssigen, ist der Kondensator mit Kondensatorlüftern ausgestattet. Diese Lüfter laufen jedoch nicht kontinuierlich. Ihr Betrieb wird präzise anhand des Systemdrucks gesteuert.
Denn wenn die Lüfter zu früh anlaufen, kann sich das Kältemittel verflüssigen, bevor genügend Wärme abgeführt wird, was die Kühlleistung verringert. Laufen die Lüfter hingegen zu spät an, kann der Systemdruck zu hoch werden.
Das System nutzt daher eine Steuerung, die mit der Druckleitung oder dem Flüssigkeitsbehälter verbunden ist, um den Druck zu erfassen und den Kondensatorlüfter intelligent zu regeln. Sobald das Kältemittel vollständig verflüssigt ist, fließt es in den Flüssigkeitsbehälter und wartet dort auf den nächsten Transportschritt.
Nachdem das Kältemittel den Flüssigkeitsbehälter verlassen hat, durchläuft es zunächst den Filtertrockner, der als Reinigungsstufe dient, indem er Verunreinigungen, Feuchtigkeit und saure Substanzen aus dem Kältemittel entfernt.
Einige Filtertrockner mit Aktivkohle sind speziell für die Absorption von Paraffinwachs ausgelegt, da Kältemittelöl bei Temperaturen unter -35 °C Wachs ausfällen kann. Mittel- und Hochtemperatur-Kälteanlagen benötigen diese Art der Wachsentfernung im Allgemeinen nicht.
Nach der Reinigung gelangt das Kältemittel in das Schauglas.
Das Schauglas ist ein wichtiges Bauteil zur Beurteilung des Zustands von Kälteanlagen. Techniker können durch Beobachtung des Schauglases den Trockenheitsgrad der Leitung bestimmen und feststellen, ob die Kältemittelmenge ausreicht oder ob Luft in das System eingedrungen ist, indem sie nach Blasen im Kältemittel suchen.
In diesem Stadium befindet sich das Kältemittel noch in einem unter hohem Druck stehenden flüssigen Zustand. Um zu verhindern, dass nach dem Abschalten weiterhin Kältemittel in den Verdampfer strömt, ist hinter dem Schauglas ein Magnetventil zur präzisen Durchflussregelung installiert.
Beispieldiagramm für einen Kondensator
Drosselungsprozess
Unter hohem Druck stehende Flüssigkeit durchströmt das Expansionsventil, erfährt dabei einen sofortigen Druckabfall und wird zu einem Gas-Flüssigkeits-Gemisch mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck.
Nach dem Durchströmen des Magnetventils gelangt das Kältemittel zum Expansionsventil. Dieses dient als Druckreduzierventil des Kältesystems. Beim Durchströmen des Expansionsventils reduziert die Drosselöffnung den Druck rapide, wodurch sowohl Druck als auch Temperatur des Kältemittels deutlich sinken. Das Kältemittel wird dadurch zu einem kalten, druckarmen Gas-Flüssigkeits-Gemisch.
Der Drosselvorgang selbst ändert nicht den Gesamtwärmeinhalt des Kältemittels. Der plötzliche Druckabfall senkt jedoch die Temperatur und erzeugt ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch, das Wärme aus dem Inneren des Kühlraums aufnehmen kann.
Gleichzeitig kann das Expansionsventil den Kältemittelstrom automatisch an die Kühllast des Kühlraums anpassen und so die Kühlleistung und Temperaturstabilität gewährleisten.
Beispieldiagramm für ein Expansionsventil
Verdunstungsprozess
Das Kältemittel tritt in den Verdampfer ein, entzieht dem Kühlraum Wärme, verdampft erneut, kühlt die Luft und kehrt zum Kompressor zurück, um den Kreislauf zu schließen.
Anschließend gelangt das Gas-Flüssigkeits-Gemisch mit niedriger Temperatur in den Verdampfer, den Luftkühler im Inneren des Kühlraums.
Der Verdampfer ist die Komponente, die den eigentlichen Kälteeffekt erzeugt. Hier nimmt das Kältemittel Wärme aus dem Inneren des Kühlraums auf und wandelt sich allmählich von flüssig in ein Gas mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck um.
Da der Speicherluft Wärme entzogen wird, sinkt die Lufttemperatur, wodurch der Kühlraum die erforderliche niedrige Temperatur erreicht.
Wenn das Kältemittel den Verdampfer verlässt, ist es vollständig in gesättigtes Gas umgewandelt und kehrt zum Kompressor zurück, um den nächsten Kältekreislauf zu beginnen.
Beispieldiagramm für einen Verdampfer
