EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Kapitel 18 Wärme- und Kälteapparate 18.5 Kühlen Verfasser: Peter Amstutz, Eidg. Dipl. Elektroinstallateur, 079 415 03 69, pamstutz@gibz.ch Hans-Rudolf Niederberger, Elektroingenieur FH/HTL, Vordergut 1, 8772 Nidfurn, 055-654 12 87 Ausgabe: November 2010 Copy is right Die Autoren haftet nicht für irgendwelche mittelbaren oder unmittelbaren Schäden, die in Zusammenhang mit dem in dieser Publikation Gedruckten zu bringen sind. Die vorliegende Publikation ist nicht geschützt. Alle Rechte liegen beim Verwender. Kein Teil dieser Publikation darf verborgen bleiben. Der Autor wünscht, dass alles reproduziert wird. Vielen Dank für eine Rückmeldung, ihre Anregungen und Ergänzungen. 01. April 2013 Version 2
EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite 2 INHALTSVERZEICHNIS 18 WÄRME- UND KÄLTEAPPARATE 18.5 Kühlen 18.5.1 Grundlagen 18.5.2 Aktive und passive Kühlgeräte 18.5.3 Kühlschranktypen 18.5.4 Kompressorverfahren 18.5.5 Absorptionsverfahren 18.5.6 Temperaturregelung 18.5.7 Tiefkühlgeräte 01. April 2013 Version 2
EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite 3 18 Wärme- und Kälteapparate 18.5 Kühlen 18.5.1 Grundlagen Wärme fliesst immer vom wärmeren zum kälteren Punkt. Dieser Wärmefluss kann mit einer isolierenden Wärmedämmschicht stark gebremst, aber nicht ganz verhindert werden. Je kühler ein Lebensmittel gelagert wird, desto länger ist es haltbar, weil die Vermehrung der Bakterien, die auch bei einwandfreien Lebensmitteln immer in einer gewissen Anzahl vorhanden sind, viel langsamer vor sich geht als bei höheren Temperaturen. Kühlgeräte halten Lebensmittel im Temperaturbereich von etwa +2 C bis etwa +10 C haltbar. Gefriergeräte kühlen das Gefriergut auf Temperaturen von -18 C und tiefer. In tiefgefrorenem Zustand können Lebensmittel meist über einige Monate gelagert werden und bleiben immer noch geniessbar. Kühlung wurde schon in der Antike erreicht, indem große Mengen Eis aus den Bergen in die Städte transportiert und zur Lagerung von Lebensmitteln in tiefen Kellern (sog. Eiskellern Bild rechts) eingesetzt wurden. Eiskeller Grundsatz: Kälte kann nicht erzeugt werden, sondern nur Wärme. Man kann aber an einem bestimmten Ort Wärme wegnehmen, wodurch sich dieser Ort abkühlt. 18.5.2 Aktive und passive Kühlgeräte Man unterscheidet aktive und passive Kühlgeräte. Passive Kühlgeräte sind Kühlboxen, Thermosflaschen usw. Durch isolierende Schichten, doppelwandigen evakuierten Aufbau, eventuell verspiegelten Flächen und möglichst luftdichten Verschlüssen gelingt es, den Wärmefluss gering zu halten. Getränke und Lebensmittel können so viele Stunden warm bzw. Kühl gelagert werden. Aktive Kühlgeräte haben eine Energiequelle, meist elektrischer Art, mit deren Hilfe die eindringende Wärme aus dem Behälter heraustransportiert werden kann, so dass die Temperatur im Kühlraum konstant bleibt. 18.5.3 Kühlschranktypen Bei allen Kühlschranktypen liegt folgendes Wirkungsprinzip zugrunde: Aus dem Inneren des Kühlschranks wird Wärme entzogen und nach außen abgegeben. Beides geschieht mit Wärmeübertragung. Nach der Art, mit der dies bewerkstelligt wird, unterscheidet man zwischen zwei Typen von Kühlschränken: Absorberverfahren und Kompressorverfahren 01. April 2013 Version 2
EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite 4 18.5.4 Kompressorverfahren Alle Kühlsysteme arbeiten in einem geschlossenen Kreisprozess, so auch der Kompressorkühlschrank. Der Kompressorkühlschrank besteht aus vier grundlegenden Bauteilen. Verdichter (Kompressor) Expansionsventil (Drossel) Kondensator Verdampfer Der Verdichter (Kompressor) saugt das dampfförmige Kältemittel aus dem Verdampfer an und verdichtet es. Dadurch erhöht sich die Temperatur des Dampfes. Diese Erwärmung wird im Kondensator an die Umgebung abgegeben. Wegen dieser Abkühlung bei hohem Druck ändert der Aggregatzustand des dampfförmigen Kältemittels, es wird flüssig. Es steht aber immer noch unter dem hohen Druck des Kondensators. Das flüssige Kältemittel gelangt durch das Expansionsventil in den Verdampfer. Das Expansionsventil besteht bei den Haushaltkühlgeräten aus einem langen, dünnen Rohr mit sehr kleinem Innendurchmesser (Kapillarrohr). Dadurch wird das Kältemittel auf den richtigen Druck entspannt, so dass es im Verdampfer verdampfen und somit den Kreislauf beginnen kann. Im Kondensator (Verflüssiger) wird die aus dem Verdampfungsraum stammende Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben. Im Allgemeinen besteht er aus einer dünnen Rohrleitung und einem Lamellengitter, das fast die gesamte Rückwand des Kühlgerätes einnimmt. Der Verdampfer ist ein Wärmetauscher, der die Wärme aus dem Innenraum des Kühlgerätes an das Kältemittel überträgt. Meist ist er aus zwei aufeinander geschweissten Blechen Hergestellt, zwischen denen Kanäle angebracht sind, in denen das Kältemittel verdampft. Auf der Grafik rechts, kann dieser Vorgang nochmals vereinfacht dargestellt werden. Oben im Kühlraum der Verdampfer welcher die Wärme der Umgebung entzieht. Unten der Verdichter (Kompressor) der das Kältemittel ansaugt und den Druck erhöht damit das dampfförmige Kältemittel wieder verflüssigt. Der Verflüssiger, das sind die Kühlrippen auf der Rückseite des Kühlschrankes die dafür sorgen, damit die Wärme ausserhalb des Schrankes abgegeben werden kann. 01. April 2013 www.ibn.ch Version 4
EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite 5 18.5.5 Absorptionsverfahren Der Absorberkühlschrank arbeitet mit einem Wasser-Ammoniak-Gemisch. Im Kocher werden Ammoniak und Wasser durch Wärmezufuhr (Gasflamme, elektrische Beheizung, Sonnenwärme...) getrennt. Danach werden das flüssige Wasser und das gasförmige Ammoniak über verschiedene Rohrsysteme weitergeleitet. Das Ammoniak wird im Kondensator verflüssigt; hier gibt der Kühlschrank Wärme ab. Ein Verdampfer macht es wieder gasförmig - an dieser Stelle kühlt der Kühlschrank. Anschließend wird das Ammoniak im Absorber mit dem Wasser zusammengeführt. 18.5.6 Temperaturregelung Die Temperaturregelung erfolgt durch Ein- und Ausschalten des Kompressors. Ein Temperaturfühler misst die Temperatur am Verdampfer. Dieser Ist- Wert wird mit dem Soll- Wert verglichen. Der meist mechanische Regler schaltet bei einer Regelabweichung den Regler ein und aus. Am Regler kann meist keine echte Temperatur eingestellt werden, sondern nur verschiedene Kältestufen. Beim normalen Haushaltkühlschrank ist die Temperatur recht ungleichmässig verteilt. In der Nähe des Verdampfers kann sie einige Grade tiefer sein als in der Nähe der Türe. 01. April 2013 www.ibn.ch Version 4
EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite 6 18.5.7 Tiefkühlgeräte Kompressorkühlsysteme werden als Kühlschränke, oft in Verbindung mit einem Gefrierfach, als Gefrierschränke und als Gefriertruhen verwendet. Tiefkühlgeräte werden vorwiegend nach dem Kompressionsverfahren betrieben, weil bei grossen Geräten nur mit diesem System die notwendige Kühlleistung erreicht wird. Sie werden als Gefrierschränke und Gefriertruhen gebaut. Gefriertruhen sind bis zu 20% wirtschaftlicher, weil durch das günstigere Oberflächen- Volumen- Verhältnis die Wärmeverluste kleiner sind und beim Öffnen der Türe weniger warme Luft eindringt. Die Leistung von Gefrierfächern wird mit einer bestimmten Anzahl Sternen angegeben. Ein Tiefkühlfach ohne Stern bringt 0 Grad Celsius oder etwas kältere Temperaturen. Es eignet sich nur für Eiswürfel. * 1 Stern-Fach; Temperatur -6 C Hier halten sich bereits eingefrorene Lebensmittel bis zu einer Woche. ** 2 Stern-Fach; Temperatur -12 C Sie eignen sich für schon eingefrorene Lebensmittel, die hier bis zu drei Wochen halten. *** 3 Stern-Fach; Temperatur -18 C Sie sind geeignet, um bereits eingefrorene Lebensmittel über mehrere Monate zu halten. Das hängt aber von den Lebensmitteln selbst ab. **** 4 Stern-Fach; Temperatur -24 C Sie haben genügend Power, um Lebensmittel selbst einzufrieren. Je nach Art des Lebensmittels hält dieses mehrere Monate. Die Energieaufnahme von Tiefkühlgeräten wird in kwh/24h angegeben. Die Werte beziehen sich auf eine Umgebungstemperatur von 25 C und eine Lagertemperatur von -18 C. Der Energiebedarf wird beeinflusst durch: - Qualität des Kühlaggregates - Qualität und Dimensionierung der wärmetechnischen Isolierung - Konstruktion der Türe, insbesondere Rahmen und Dichtung - Verhältnis von Inhalt und der Oberfläche - Umgebungstemperatur 01. April 2013 www.ibn.ch Version 4