Haushaltskühlgeräte (HKG)

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1 Haushaltskühlgeräte (HKG) Bedeutung Um eine hohe Effizienz bei der Konservierung von Lebensmitteln zu erreichen, ist es wichtig, daß diese sich im gesamten Zeitraum in der Kühlkette befinden. Diese beginnt beim Erzeuger, der die Ware abkühlt oder einfriert, setzt sich fort über den Transport und die Lagerung, sowohl in Kühllagern, als auch im Geschäft, bis hin zum Endverbraucher, der Kühl- und Gefrierschränke benötigt. Die Einführung der Kühl- und Gefriergeräte geschah in den vierziger Jahren in den USA und erst nach dem zweiten Weltkrieg in Europa. Der Haushaltskühlschrank ist in der Kühlkette die kleinste Einheit, aber auf Grund seiner großen Verbreitung, auf der Welt gibt es ca. 640 Millionen Geräte (ohne Rußland und China), hat er große wirtschaftliche Bedeutung erlangt. In Deutschland sind ca. 60 Millionen HKG im Einsatz. Die durchschnittliche Lebensdauer für ein Gefriergerät beträgt ca. 15 Jahre und für ein Kühlgerät ca. 10 Jahre. Weltweit werden jährlich 70 Millionen und in Deutschland allein ca. 3,8 Millionen Geräte verkauft. Die durchschnittliche Leistungsaufnahme beträgt für Geräte in Europa ca. 50W und in den USA und Japan, bedingt durch die größeren Nettovolumina, 200 bis 250 W. Somit ergibt sich für den Energieverbrauch durch HKG in Deutschland: P ges = P. N = 50W = 3.000MW Bei Stunden/Jahr Betriebszeit und einem Elektroenergiepreis von 0,25 DM/kWh ergibt dies Betriebskosten von: kW h/a. 0,25DM/kWh = DM/a Typen von Haushaltskühl- und -gefriergeräten Man kann die Geräte nach der Bauform in Schränke und Truhen einteilen. Nach den Temperaturzonen im Gerät unterteilt man: Gerät Eintemperaturkühlgerät Zweitemperaturgerät Kühlfach Gemüsefach Kühlfach Gemüsefach Gefrierfach * - Fach ** - Fach *** - Fach **** - Fach Temperaturen (in C) 5 max max.10 <-6 < -12 < -18 < zum Eingefrieren geeignet Eintemperaturgefriergerät < -18 Tab. 1 Einteilung der HKG nach Temperaturzonen Nach der Aufstellung der Geräte in verschiedenen Außentemperaturbereichen unterscheidet man in die Klimaklassen:

2 Klimaklasse Temperaturen ( C) SN (Sub-Normal) 10 bis 32 N (Normal) 16 bis 32 ST (Subtropisch) 18 bis 38 T (Tropisch) 18 bis 43 Tab. 2 Klimaklassen von HKG Aufbau des Gerätes HKG (siehe Abb. 1) bestehen aus der Schrankhülle 1 mit Tür 2 (bzw. Deckel bei Truhen) und den entsprechenden Einbauten zur Aufnahme des Kühlgutes 3 sowie dem eigentlichen Kälteaggregat. Bei den Kälteaggregaten kommt in 99% der hergestellten Geräte eine Kompressionskältemaschine zum Einsatz. Diese besteht aus dem Hermetikverdichter 4, einem Verflüssiger 5, einem Filtertrockner 6, einem Kapillarrohr 7 als Entspannungsorgan und einem oder mehreren Verdampfern 8. Da es Unterschiede im Nettovolumen und bei den benötigten Kälteleistungen zwischen Europäischen und Japanischen bzw. US-amerikanischen Kühlschränken gibt, sollen im folgenden die kleineren europäischen HKG beschrieben werden. Abb. 1 Haushaltskühlschrank Als Kältemittel war bis 1992 fast ausschließlich das FCKW R12 im Einsatz, dieses hat aber ein sehr hohes ozonzerstörendes Potential und wurde im Zuge des Montrealer Protokolls für Neuanlagen ab 1995 verboten. Zum jetzigen Zeitpunkt wird als Kältemittel für HKG fast ausschließlich der Kohlenwasserstoff Isobutan (R600a) verwendet. Da dieses brennbar ist, soll die Menge im Kreislauf gering sein, diese beträgt g. Hermetikverdichter Als Verdichter für Haushaltskühlgeräte kommen vor allem kleine einzylindrige

3 Hubkolbenverdichter (Abb. 2) zum Einsatz. Die Funktionsfähigkeit und der Energieverbrauch von HKG hängen stark von der optimalen Füllmenge an Kältemittel ab. Um Verlust von Kältemittel über die gesamte Lebensdauer zu vermeiden, ist es wichtig den Kältekreislauf gasdicht auszulegen. Dazu wird der Verdichter samt Motor in einer hermetischen Kapsel untergebracht und verschweißt. Das zur Schmierung verwendete Öl befindet sich am Kapselboden und wird über eine Ölfördereinrichtung an die entsprechenden Schmierstellen gebracht. Da man nachgeschaltete Ölfilter mit entsprechenden Reinigungsintervallen vermeiden will, muß das vom Verdichter in den Kreislauf eingebrachte Öl wieder zurückfließen. Bei den niedrigen Temperaturen im Verdampfer ist dies nur gewährleistet, wenn sich das Öl im Kältemittel löst. Die Menge des vom Öl gelösten Kältemittels variiert mit Öltemperatur und -druck und ändert damit die für die Kälteerzeugung bereitstehende Kältemitttelmenge. Bei der Kühlung der Hermetikverdichter unterscheidet man in vom Sauggas, vom Druckgas und vom Öl gekühlte Verdichter. Vorteil der letzteren Variante ist die geringere Überhitzung des Sauggases verglichen mit der Sauggaskühlung und das geringere Temperaturniveau verglichen mit der Druckgaskühlung. Zur Verringerung der Übertragung von Vibrationen auf das HKG ist der Motor-Verdichterblock innerhalb der Kapsel auf Federn gelagert. Abb. 2 Hermetikverdichter Hermetikverdichter werden von einigen wenigen Herstellern in großen Stückzahlen gefertigt. Zur Auswahl des Hermetikverdichters für einen bestimmten HKG werden vom Hersteller die Leistungszahlen für den jeweiligen Verdichter in einem bestimmten Normkältekreislauf nach CECOMAF angegeben. Dieser Kältekreislauf arbeitet bei einer Kondensationstemperatur von 55 C ohne Unterkühlung, mit isenthalper Entspannung, einer Verdampfungstemperatur von -25 C und einer Ansaugüberhitzung von 57 C. Die Leistungszahlen der Kompressoren liegen für 100 W Klemmleistung im Bereich von

4 0,9 bis 1,1 und für 50 W Klemmleistung im Bereich von 0,7 bis 0,9. Verflüssiger Es werden fast ausschließlich Verflüssiger mit freier Konvektion und Strahlung als Wärmetransportmechanismen an die Umgebung verwendet. Diese befinden sich bei herkömmlicher Konstruktion an der Rückwand des HKG und sind meist aus Stahlrohr mit aufgebrachter Wärmeübertragungsvergrößerungsfläche (Bleche, Stahldraht) gefertigt. Verdampfer Auch hier erfolgt die Wärmeübertragung an das Kühlgut durch freie Konvektion und Strahlung. Die Verdampfer sind als trockene Verdampfer ausgelegt. Das Kältemittel wird über das Kapillarrohr eingespritzt und verdampft beim Kontakt mit der warmen Verdampferoberfläche. Meist werden die Verdampfer aus Aluminium oder Kupfer nach dem Roll- oder Z-Bond Verfahren hergestellt. Zwei Platten aus den entsprechenden Materialien werden durch Walzen ganzflächig unter Ausnahme der Strömungskanäle verbunden. Die jetzt zum Einsatz kommenden Z-Bond Verdampfer werden aus einem plattierten Sandwich Al 99.5 // ZnAl 4 // Al 99.5 hergestellt. Dieses wird dann in Heißpressen erwärmt, bis das ZnAl 4 Lot schmilzt. Dann wird mit Stickstoff pneumatisch aufgeblasen. Kapillarrohr Das Kapillarohr übernimmt die Rolle des Drosselventils im Kältekreislauf und dient somit der Erhaltung des Druckunterschiedes zwischen Verflüssiger und Verdampfer. Es hat eine Länge von 2-4 m und einen Innendurchmesser von 0,5 bis 2 mm. Über eine Länge von ca. 1m befindet es sich im Wärmeaustausch mit der Saugleitung des Verdichters. Damit wird das Sauggas des Verdichters weiter überhitzt und die Kapillare wird gekühlt. Dies verringert die spezifische Enthalpie des Kältemittels am Austritt aus der Kapillare und erhöht damit die im Verdampfer erzielbare Kälteleistung. Schrankhülle Bei den Schrankhüllen hat sich die Schalenverbundbauweise durchgesetzt. Hierbei besteht der Außenmantel aus Stahlblech und der Inneneinsatz aus Kunststoff. Zwischen Außenmaterial und Inneneinsatz befindet sich der Isolierschaum, der gleichzeitig der starren Verbindung dient. Ein großer Teil der durch das Kälteaggregat abzuführenden Wärmelast ist der durch die Isolation und Türdichtungen einfallende. Deshalb ist man bestrebt den Wärmeeinfall durch die Schrankhülle zu minimieren. Aber eine Erhöhung der Isolierstärke führt zwangsläufig zur Verringerung des Platzangebotes, entweder außen in der Küche oder innen beim Stauraum. Dimensionierungsgrundlage ist daher die Vermeidung von Kondensation an der Außenwand. Die Temperatur an der Außenwand sollte daher nicht mehr als 4 K unter der Lufttemperatur liegen. Wichtiges Kriterium zur Beurteilung von Schrankhüllen ist die Schrankkonstante. Diese bezeichnet den je Kelvin Temperaturdifferenz in das Gehäuse über die Isolation, Tür, Türdichtung und eventuell andere Wärmebrücken einfallende Wärmestrom. Für Gefrierschränke liegen die Schrankkonstanten je 100 l Nettovolumen zwischen 0,4 und 0,9 W/Kund für Kühlschränke

5 zwischen 0,6 und 1 W/K. Kältekreislauf eines HKG Der Kältekreislauf (Abb. 3) besteht aus den Elementen Verdichter, Verflüssiger, Kapillarrohr und Verdampfer. Im Verdichter wird das Kältemittel komprimiert und gelangt dann in den Verflüssiger und kondensiert dort. Durch den starken Druckabfall über dem Kapillarrohr wird der Druck bis auf Verdampfungsdruck abgesenkt und gelangt in den Verdampfer. Der flüssige Anteil des Zweiphasengemisches wird verdampft und entzieht dem Kühlfach Wärme. Abb. 3 Kältekreislauf eines HKG Regelung von HKG Um die Leistung der Kältemaschine an den stark unterschiedlichen Bedarf anzupassen, wird diese getaktet, das heißt unterschiedlich lange zugeschaltet. Geregelt wird das Zuschalten der Kältemaschine über die Temperatur am Verdampfer. Erreicht der dort angebrachte Meßfühler eines Thermostaten eine bestimmte Maximaltemperatur (ca. 3 C), so schaltet die Kältemaschine (der Verdichter) ein. Die Kältemaschine entzieht dem Kühlgut und der Luft im Kühlfach Wärme und senkt damit deren Temperatur ab. Damit senkt sich auch die Verdamfertemperatur. Wird dort eine bestimmte minimale Temperatur (-15 C) unterschritten, so schaltet der Verdichter aus. Durch den Wärmeeinfall während der Stillstandsphase der Kältemaschine steigt die Temperatur des Kühlgutes und der Luft im Kühlfach wieder an. Wird der Maximalwert (ca. 3 C) erreicht, so schaltet die Kältemaschine wieder an. Wirkung der Kapillare als Drosselorgan Flüssiges Kältemittel tritt in die Kapillare ein. Aufgrund der Reibung und der

6 Beschleunigung des Fluides fällt der Druck des durchströmenden Kältemittels ab. Ein Teil des Kältemittels verdampft beim Durchfluß durch die Kapillare. Diagramm 1 zeigt die Abhängigkeiten des Massenstromes von Verdampfungsdruck und Kondensationstemperatur (Tk). Der Massenstrom durch den Verdichter sinkt mit fallendem Verdampferdruck, da die Dichte des angesaugten Kältemittels sinkt und sinkt mit steigender Verflüssigungstemperatur, da damit das Druckverhältnis steigt und der Verdichter gegen einen erhöhten Widerstand anlaufen muß (die Leckstrom- und Totraumverluste werden größer). Der Massestrom durch die Kapillare wird geringer, wenn das Druckverhältnis als treibende Kraft geringer wird. Damit stellt sich für eine gegebene Kondensationstemperatur z.b. 40 C nach einer Übergangszeit der Verdampfungsdruck ein, bei dem Kapillare und Verdichter den gleichen Massenstrom haben (Punkt 2). Diag. 1 Auslegung der Kapillare Die richtige Dimensionierung der Kapillare hat Einfluß darauf, daß die beschriebenen Selbstregelmechanismen des Kältekreislaufes funktionieren. Die richtige Kapillarlänge wird heute noch durch Energieverbrauchsoptimierung im Versuch bestimmt. Läßt die Kapillare zuviel durch, so kann ein gewisser Dampfanteil am Eintritt passieren, der zwar immer wieder durch den Kreislauf bewegt wird aber im Verdampfer keine Verdampfungswärme aufnimmt. Läßt die Kapillare zu wenig durch, so ist der Verdampfer ständig leer und der Verdichter erzeugt unnötig tiefe Verdampfungstemperaturen und läuft sehr uneffektiv. Eine lange Kapillare bedeutet einen geringen Massestrom im Vergleich zu einer kurzen, eine mit geringem Innendurchmesser bedeutet einen geringeren Massestrom im Vergleich zu einer mit einem großen Innendurchmesser.

7 Dimensionierung der Kälteanlage Die erforderliche Kälteleistung von HKG variiert in einem großen Bereich und wird im wesentlichen durch die eingebrachte Menge, Temperatur und Art des Kühlgutes, dem Luftwechsel mit der Umgebungsluft bei Öffnen der Tür und Abhängig von der Güte der Isolation von der Raumtemperatur am Aufstellungsort. Durch Verbesserung der Isolation gelangt man zu einer niedrigen Dauerlast, aber das Einbringen warmer Ware führt zu einer hohen Spitzenlast. Legt man die Kältemaschine bei verbesserter Isolation sehr klein aus, so arbeitet der HKG im Grundlastbereich sehr effizient, benötigt aber zum Abkühlen warmer Ware sehr große Zeiten. Arbeitet eine zu groß dimensionierte Kälteanlage für die Grundlast nur sehr kurz, so arbeitet der Verdichter wenig optimal (hohe Reibungsverluste). Energieverbrauchsreglementierung durch die EU Seit 1995 müssen alle Haushaltkühl- und Gefriergeräte in Energieverbrauchsklassen eingeteilt werden. Bezogen werden die Energieverbräuche auf einen jährlichen Standardenergieverbrauch der aus Nettovolumina und Temperaturbereichen ermittelt wird. A ist dabei die energetisch effizienteste Ausführung mit 55% des Standardenergieverbrauchs und G die uneffizienteste Ausführung mit 125% des Standardenergieverbrauchs. Geräte der Energieverbrauchsklasse G sollen nicht für den Verkauf zugelassen werden, was bei den Herstellern zu einer intensiven Suche nach Energieeinsparmöglichkeiten führt.