Der Kältemaschinenprozess
Beim Kältemaschinenprozess durchläuft das Arbeitsmittel den umgekehrten Weg, wie bisher bei den Wärmekraftmaschinen behandelt. Das Arbeitsmittel wird zunächst verdichtet. Dann wird ihm Wärme entzogen. Es wird expandiert, dann wird ihm nutzbringend Wärme zugeführt. Eine schematische Skizze findet sich in Abb. 1.
Abb. 1: Skizze des Prinzips des Kaltdampfprozesses [1]
Man unterscheidet verschiedene Energieformen, die zum Antrieb eines Kälteprozesses genutzt werden können. Technisch relevant sind insbesondere die folgenden Aspekte:
- Kompressionskälteprozesse werden durch Zufuhr von mechanischer Arbeit angetrieben;
- Bei Sorptionskälteprozessen erfolgt der Antrieb über Wärmeenergie. Hier wird ein thermischer Verdichter durch die Zufuhr von Wärme auf relativ hohem Temperaturniveau betrieben;
- Bei thermoelektrischen Prozessen wird direkt elektrische Energie zugeführt. Bei den sogenannten Peltier-Maschinen wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen zwei Metallen unterschiedlicher Art infolge eines Stromflusses eine Temperaturdifferenz zwischen den Metallkontaktstellen aufgebaut.
Tabelle 1 stellt verschiedene thermodynamische Parameter für einige ausgewählte Kältemittel dar.
Tabelle 1: Thermodynamische Parameter von Kältemaschinen-Arbeitsmitteln [2]
Die thermodynamischen Zustandsänderungen im Kaltdampfprozess, die im Folgenden näher beschrieben werden, sind in Abb.2 ersichtlich.
Abb. 2: Die Zustandsänderungen eines Kaltdampfprozesses in einem T,s- und einem log p,h-Diagramm [1]
Im Kaltdampf-Prozess treten folgende Zustandsänderungen auf: durch die Zustandsänderung von 1 nach 2 wird überhitzter Kältemittel-Dampf vom Verdichter angesaugt und reversibel adiabat von p0 auf p verdichtet. Nach dem Verdichter wird das Kältemittel zuerst in einer isobaren Wärmeabfuhr von 2 nach 3 bis zur Taulinie abgekühlt. Es schließt sich im selben Wärmeüberträger, dem Verflüssiger, in der ebenfalls isobaren Zustandsänderung von 3 nach 4 die vollständige Verflüssigung an. Dieser folgt die isobare Unterkühlung der Flüssigkeit von 4 nach 5. In dem nach dem Verflüssiger angeordneten Expansionsventil (Drossel) wird die Kältemittelflüssigkeit bei entsprechender Druckreduzierung von p auf p0 ins Nassdampfgebiet hinein von 5 nach 6 gedrosselt. Im Verdampfer erfolgt nun die vollständige isobare Verdampfung des Flüssigkeitsanteils (1 − x) von 6 nach 7 mit einer anschließenden ebenfalls isobaren Überhitzung von 7 nach 1, womit der Prozess geschlossen wird.
[1] Bernhard Weigand, Jürgen Köhler, Jens von Wolfersdorf 2008. Thermodynamik kompakt.Springer-Verlag Berlin 2008
[2] Fritz Dietzel, Walter Wagner 1990.Technische Wärmelehre. VOGEL Buchverlag Würzburg