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Für die Erklärung der Funktionsweise
einer Kältemaschine, einer Wärmepumpe oder eines Kühlschrankes
siehe Dokument Vereinfachte Darstellung
Kältekreislauf.
Begriff Kältemaschine ("Kälte
kann nicht erzeugt werden")
Der Begriff Kältemaschine ist eigentlich falsch, denn keine Maschine
kann Kälte erzeugen, da es physikalisch gesehen keine Kälte
gibt. Die Physik definiert Wärme als einen molekularen Bewegungszustand
der Materie, der erst am absoluten Nullpunkt - bei T=0 K bzw. t=
-273,15 °C - aufhört. Am absoluten Nullpunkt wird alle
Materie zum festen Körper, bei allen darüberliegenden Temperaturen
ist bereits Wärme vorhanden. Um zu kühlen, muss man also vorhandene
Wärmeenergie dort wegnehmen, wo man es kälter haben will.
Da aber Energie nicht verschwinden kann, muss diese
entzogene Wärmeenergie bei entsprechend höherer Temperatur wieder
an ein verfügbares Kühlmedium abgegeben werden. Die Wärmemenge
muss also vom niedrigen Temperaturniveau des gewünschten Wärmeentzugs
auf ein höheres Temperaturniveau für die Wärmeabgabe "hochgepumpt"
werden. Dies geht nach dem zweiten Hauptsatz der Wärmelehre nur mit
einem Energieaufwand für die "Pumpe".
Wann ist es eine Kältemaschine, wann eine
Wärmepumpe?
Eine Anlage, die einen derartigen thermodynamischen Kreisprozess durchführt,
nennt man, je nach dem gewünschten Nutzeffekt:
Kältesatz, Kälteanlage, Kältemaschine
Wenn die bei der niedrigen Temperatur entzogene Wärmemenge, die Kälteleistung
Q0 , der gewünschte Nutzen ist.
Wärmepumpe
Wenn die bei der höheren Temperatur abgegebene Wärmemenge, die
Wärmeabgabe QC , der gewünschte Nutzen ist, bzw.
auch, wenn beide Wärmemengen ganz oder teilweise Nutzleistung sind.
Da sich Kältemaschinen und Wärmepumpen in ihrem
prinzipiellen Aufbau gleichen, haben beide Varianten die gleichen Grundlagen
und beruhen auf den gleichen Verfahren der Kälteerzeugung.
Verfahren zur Kälteerzeugung
Zur Realisierung eines derartigen thermodynamischen Kreisprozesses gibt
es verschiedene Verfahren, die auf unterschiedlichen physikalischen Vorgängen
beruhen. Die gebräuchlichsten sind:
- Kompressionskälteprozesse
(unter Zufuhr mechanischer Energie):
- Kaltdampfkälteprozess mit Kältemitteln, die bei
den Arbeitstemperaturen den Aggregatzustand zwischen Dampfphase und
Flüssigkeitsphase ändern.
- Kaltluftkälteprozess mit Luft als Kältemittel, ohne
Aggregatszustandsänderung.
- Dampfstrahlkälteprozess z. B. mit Wasserdampf als Treibmittel
und Wasser als Kältemittel.
- Sorptionskälteprozesse
(unter Zufuhr von Wärme-Energie):
- Absorptionskälteprozess, wobei das Kältemittel in
einem Lösemittelkreislauf von niedrigem auf hohes Temperaturniveau
gehoben und durch Wärmezufuhr wieder für den Kälteprozess
freigesetzt wird.
- Adsorptionskälteprozess, wobei das Kältemittel an
einen festen Stoff angelagert und periodisch durch Wärmezufuhr
wieder freigesetzt wird. Durch zwei parallel und wechselweise betriebene
Anlagen wird ein quasi-stetiger Kühlprozess erreicht.
- Thermoelektrischer Kälteprozess
(unter Zufuhr elektrischer Energie)
- Auch als Peltier-Kälteprozess bezeichnet.
Bei den Verfahren zur Kälteerzeugung (in der Lüftungs-,
Klima- und Kältetechnik) und auch bei den Wärmepumpen hat der
Kaltdampf-Kompressions-Kälteprozess
die grösste Bedeutung.
Quellenangabe: Recknagel [1.11,
Kap. 5.2, Seite 1766]
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