Akademik

Kältemaschine,

 

Vorrichtung zur Kühlung von geschlossenen Räumen oder von festen, flüssigen oder gasförmigen Körpern auf eine vorgegebene Temperatur, die unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, und zu deren Aufrechterhaltung. Dazu muss unter Arbeitsaufwand Wärmeenergie von einem kälteren (und dabei noch kälter werdenden) Körper auf einen wärmeren Körper übertragen werden. Der notwendige Arbeitsaufwand ist umso größer, je tiefer die geforderte Temperatur liegt. Das Funktionsprinzip der Kältemaschine beruht im Wesentlichen auf der Ausnutzung verschiedener physikalischer Effekte und der Anwendung thermodynamischer Kreisprozesse. Der wichtigste Kreisprozess ist der in den Kaltdampfmaschinen angewendete Kaltdampfprozess, bei dem ein leicht siedendes, flüssiges Kältemittel zwischen zwei verschiedenen Drücken und den dazugehörigen Siedetemperaturen geführt wird. Die zur Verdampfung des flüssigen Kältemittels benötigte Wärmeenergie (Verdampfungswärme) wird der Umgebung entzogen, wodurch sich diese abkühlt. Bei der Kompressionskältemaschine befindet sich das siedende Kältemittel in einem Verdampfer, wo es dem Kälteträger, dem Kühlraum oder Kühlgut (direkte Verdampfung) Wärme entzieht (d. h. Kälte erzeugt). Der dabei freigesetzte Dampf wird von einem elektromotorisch betriebenen Kompressor (Kolben-, Turbo-, Schraubenverdichter) aus dem Verdampfer abgesaugt und auf Kondensatordruck komprimiert. Der nun stark überhitzte Dampf gelangt in den luft- oder wassergekühlten Kondensator, wo zunächst die Überhitzungswärme und dann die Kondensationswärme abgeführt wird; das Kältemittel wird flüssig. Das flüssige Kältemittel wird dann durch einen Drosselvorgang wieder auf den Ausgangsdruck entspannt und in den Verdampfer expandiert, womit der Kreislauf geschlossen ist.

 

Für die Sorptionskältemaschine hat die Adsorption im Gegensatz zur Absorption keine technische Bedeutung mehr. Absorptionskältemaschinen haben statt des mechanischen einen »thermischen Kompressor« mit einer zwischen Absorber und Austreiber umlaufenden Lösung. Dabei wird der Kältemitteldampf dadurch verdichtet, dass er im Absorber bei niedrigem Druck von der (an Kältemittel) armen Lösung absorbiert wird und im Austreiber (Kocher, Generator) bei hohem Druck unter Wärmezufuhr aus der reichen Lösung wieder ausgetrieben wird. Die übrig bleibende Lösung fließt dann als arme Lösung über einen Wärmetauscher in den Absorber zurück. Der Kältemitteldampf wird (wie bei der Kompressionskältemaschine) im Kondensator verflüssigt, im Drosselorgan auf niedrigen Druck entspannt und im Verdampfer unter Wärmeaufnahme verdampft. - Die beiden wichtigsten in Absorptionskältemaschinen verwendeten Stoffpaare sind Ammoniak als Kältemittel mit der wässrigen Ammoniaklösung als Absorptionsmittel oder Wasser als Kältemittel mit wässriger Lithiumbromidlösung als Absorptionsmittel. Das Stoffpaar Wasser/Lithiumbromidlösung kann nur bei Verdampfungstemperaturen oberhalb 0 ºC (d. h. in der Klimatechnik) eingesetzt werden.

 

Dampfstrahlkältemaschinen sind Vakuumkühlanlagen, bei denen der Druck ganz oder teilweise mittels eines Dampfstrahlbrüdenverdichters erniedrigt wird. Der Dampfstrahlapparat übernimmt somit die Funktion des mechanischen Kompressors einer Kompressionskältemaschine.

 

Beim Kaltgasprozess bleibt das Kältemittel trotz der sehr tiefen Temperaturen stets gasförmig. Als Kältemittel werden Wasserstoff, Helium, Luft (Kaltluftmaschine) u. a. verwendet. Die Funktion der Kaltgasmaschine beruht auf der Expansion und der gleichzeitigen Abkühlung von Gasen, die vorher mechanisch komprimiert wurden. Es gibt verschiedene Kreisprozesse, die einer Kaltgasmaschine zugrunde gelegt werden können, z. B. Carnot-, Ackeret-Keller-, Philips-Prozess. Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Kaltgasmaschine liegt im Bereich tiefer Temperaturen zwischen —100 ºC und —260 ºC.