Druck-Enthalpie-Diagramme für den Kältekreislauf

Ein Druck-Enthalpie-Diagramm kann auf den ersten Blick einschüchternd wirken. Es ist jedoch eines der nützlichsten Hilfsmittel, um die Vorgänge im Kältemittel einer Kompressionskälteanlage zu verstehen. Sobald Sie die wichtigsten Bereiche erkennen und die vier Prozesse nachvollziehen können, ergibt sich aus Drücken und Temperaturen ein klares Bild des Anlagenbetriebs.

Dieses Wissen gehört unmittelbar zu den thermodynamischen Grundlagen der EU-F-Gas-Prüfung zum Zertifikat A1. Es unterstützt außerdem praktische Fertigkeiten rund um Verdichter, Verflüssiger, Verdampfer, Expansionseinrichtungen, Druckmessung und Anlagendiagnose.

„Das Kältemittel ist das Arbeitsmedium.“

Diese einfache Aussage ist grundlegend. Das Kältemittel zirkuliert kontinuierlich. Dabei verändern sich Druck, Temperatur, Enthalpie und Aggregatzustand, während es Wärme aufnimmt und abgibt.

Die vier Hauptbauteile des Kältekreislaufs

Ein einfacher Kompressionskältekreislauf enthält vier Hauptbauteile:

1. Verdichter: saugt Dampf bei niedrigem Druck an und verdichtet ihn zu Dampf mit hohem Druck und hoher Temperatur.
2. Verflüssiger: gibt Wärme ab und überführt das Kältemittel bei hohem Druck vom dampfförmigen in den flüssigen Zustand.
3. Expansionseinrichtung: senkt den Kältemitteldruck und regelt den Durchfluss zum Verdampfer.
4. Verdampfer: nimmt Wärme auf und überführt das Kältemittelgemisch bei niedrigem Druck in Dampf.

Die Hochdruckseite reicht normalerweise vom Verdichteraustritt über den Verflüssiger und die Flüssigkeitsleitung bis zum Eintritt der Expansionseinrichtung. Die Niederdruckseite beginnt nach der Expansionseinrichtung und verläuft über den Verdampfer und die Saugleitung bis zum Verdichtereintritt.

Bei Kältemanometern kennzeichnet üblicherweise Rot die Hochdruckseite und Blau die Niederdruckseite. Diese Farben erleichtern die Zuordnung. Dennoch müssen Techniker prüfen, ob die Schläuche richtig angeschlossen sind und ob Monteurhilfe und Schläuche für das Kältemittel und den Betriebsdruck geeignet sind.

Verdichter und Expansionseinrichtung erzeugen den Druckunterschied, der den Kreislauf ermöglicht. Hoher Druck bedeutet jedoch nicht automatisch, dass an jedem Punkt der Hochdruckseite dieselbe Temperatur herrscht. Die Kältemitteltemperatur verändert sich erheblich, wenn der Dampf enthitzt, verflüssigt und anschließend die Flüssigkeit unterkühlt wird.

Das Druck-Enthalpie-Diagramm lesen

Ein Druck-Enthalpie-Diagramm, meist als p-h-Diagramm abgekürzt, stellt zwei grundlegende Zustandsgrößen dar:

• Druck auf der senkrechten Achse, üblicherweise als Absolutdruck auf einer logarithmischen Skala
• Spezifische Enthalpie auf der waagerechten Achse, normalerweise in kJ/kg angegeben

Die Enthalpie beschreibt den Energieinhalt des Kältemittels je Masseneinheit. Besonders nützlich ist die Enthalpiedifferenz zwischen zwei Punkten. Mit ihr lassen sich die Verdampferleistung, die Wärmeabgabe des Verflüssigers und die Verdichterarbeit berechnen.

Jedes Kältemittel hat sein eigenes p-h-Diagramm. Ein Diagramm für R-410A kann nicht für R-134a, R-32, Ammoniak oder ein anderes Kältemittel verwendet werden, da jedes unterschiedliche thermodynamische Eigenschaften besitzt.

Das auffälligste Merkmal ist die Sättigungsglocke. Sie unterteilt das Diagramm in drei Hauptbereiche:

• Bereich der unterkühlten oder komprimierten Flüssigkeit: links von der Glocke
• Zweiphasengebiet: unterhalb der Glocke, mit Flüssigkeit und Dampf
• Bereich des überhitzten Dampfes: rechts von der Glocke

Die linke Begrenzung ist die Siedelinie. Die rechte Begrenzung ist die Taulinie.

Gesättigte Flüssigkeit, Dampfgehalt und gesättigter Dampf

An der Siedelinie liegt das Kältemittel als Flüssigkeit unmittelbar vor dem Beginn des Siedens vor. Dieser Grenzzustand wird häufig als Siedepunkt bezeichnet, weil bei weiterer Energiezufuhr die erste Dampfblase entsteht.

Innerhalb der Sättigungsglocke liegen Flüssigkeit und Dampf gleichzeitig vor. Der Dampfanteil wird als Dampfgehalt oder Trockengehalt des Kältemittels bezeichnet:

• Ein Dampfgehalt von 0 bedeutet gesättigte Flüssigkeit
• Ein Dampfgehalt von 0,5 bedeutet, dass etwa 50 % der Masse als Dampf vorliegen
• Ein Dampfgehalt von 1 bedeutet gesättigten Dampf

Der Dampfgehalt ist nur im Zweiphasengebiet definiert. Er darf nicht auf unterkühlte Flüssigkeit oder überhitzten Dampf angewendet werden.

An der Taulinie ist gerade der letzte Flüssigkeitsanteil verdampft. Nähert man sich dieser Grenze bei der Verflüssigung von der Dampfseite, wird dieser Zustand als Taupunkt bezeichnet, weil bei weiterer Abkühlung der erste Flüssigkeitstropfen entsteht.

„Der Zustand des Kältemittels hängt von Druck und Temperatur ab.“

Bei einem reinen Kältemittel im Sättigungszustand legt der Druck die Sättigungstemperatur fest. Viele Kältemittelgemische weisen einen Temperaturgleit auf, sodass ihre Siede- und Taupunkttemperaturen voneinander abweichen. R-410A ist ein nahezu azeotropes Gemisch mit nur geringem Temperaturgleit. Für genaue Messungen müssen Techniker dennoch die richtigen Herstellerdaten verwenden.

Unterkühlung verstehen

Unterkühlung liegt vor, wenn flüssiges Kältemittel unter die Sättigungstemperatur abgekühlt wird, die dem gemessenen Verflüssigungsdruck entspricht. Im p-h-Diagramm liegt unterkühlte Flüssigkeit links von der Siedelinie.

Wenn beispielsweise die zum Druck in der Flüssigkeitsleitung gehörende Sättigungstemperatur 40 °C und die gemessene Temperatur der Flüssigkeitsleitung 35 °C beträgt:

Unterkühlung = 40 °C − 35 °C = 5 K

Ausreichende Unterkühlung trägt dazu bei, dass das Kältemittel die Expansionseinrichtung vollständig flüssig erreicht. Fehlende Unterkühlung kann auf Kältemittelmangel, einen übermäßigen Druckabfall, eine unzureichende Verflüssigerleistung oder Flashgas in der Flüssigkeitsleitung hinweisen. Messwerte müssen immer zusammen mit Luftstrom, Last, Umgebungsbedingungen und Herstellervorgaben beurteilt werden.

Überhitzung verstehen

Die Überhitzung ist die Temperaturdifferenz, um die die Dampftemperatur die zum jeweiligen Druck gehörende Sättigungstemperatur übersteigt. Überhitzter Dampf liegt rechts von der Taulinie.

Wenn die Sättigungstemperatur bei Verdampfungsdruck 5 °C und die Saugleitungstemperatur 11 °C beträgt:

Überhitzung = 11 °C − 5 °C = 6 K

Überhitzung am Verdampferaustritt bestätigt, dass die Verdampfung abgeschlossen ist. Sie trägt außerdem dazu bei, den Verdichter vor flüssigem Kältemittel zu schützen. Übermäßige Überhitzung kann auf eine Unterversorgung des Verdampfers, einen eingeschränkten Kältemitteldurchfluss, eine zu geringe Füllmenge oder eine unzureichende Wärmeübertragung hinweisen. Sehr geringe Überhitzung kann auf eine Überversorgung oder das Risiko eines Flüssigkeitsrücklaufs zum Verdichter hindeuten.

Überdruck und Absolutdruck

Monteurhilfen zeigen normalerweise den Überdruck an, gekennzeichnet als PSIG oder bar(g). Der Überdruck wird gegenüber dem umgebenden Atmosphärendruck gemessen.

Thermodynamische Diagramme erfordern im Allgemeinen den Absolutdruck, gekennzeichnet als PSIA oder bar(a). Der Absolutdruck wird gegenüber einem vollkommenen Vakuum gemessen.

Der Zusammenhang lautet:

Absolutdruck = Überdruck + örtlicher Atmosphärendruck

Auf Meereshöhe beträgt der Standardatmosphärendruck etwa 14,7 psi oder 1,013 bar. Daher entspricht eine Manometeranzeige von 100 PSIG unter Standardbedingungen auf Meereshöhe etwa 114,7 PSIA.

Der Atmosphärendruck verändert sich mit der Höhenlage und dem Wetter. Deshalb sind 14,7 psi ein Näherungswert und kein allgemeingültiger Korrekturwert. Verwechseln Sie beim Eintragen eines Betriebszustands vor allem niemals Überdruck- und Absolutdruckskalen.

Die vier Prozesse im Diagramm nachvollziehen

Der Kältekreislauf wird durch vier miteinander verbundene Prozesse dargestellt:

1. Verdichtung: Überhitzter Dampf bei niedrigem Druck wird zu Dampf mit hohem Druck und hoher Temperatur. Druck, Temperatur und Enthalpie steigen.
2. Verflüssigung: Bei hohem Druck wird Wärme abgegeben. Das Kältemittel wird enthitzt, verflüssigt und gegebenenfalls unterkühlt.
3. Expansion: Das Kältemittel strömt durch das Drosselorgan. Der Druck fällt stark ab, während die Enthalpie annähernd konstant bleibt.
4. Verdampfung: Das Flüssigkeits-Dampf-Gemisch nimmt bei niedrigem Druck Wärme auf, siedet und tritt normalerweise als überhitzter Dampf aus.

Eine reale Anlage folgt keinen vollkommen idealen Linien. Druckverluste, ein begrenzter Verdichterwirkungsgrad, Wärmeübertragung in Rohrleitungen und wechselnde Last beeinflussen den gemessenen Kreisprozess.

Bedeutung für F-Gase und das EU-Zertifikat A1

Art. 4 der Verordnung (EU) 2024/573 legt Pflichten zur Vermeidung von Emissionen und zur unverzüglichen Reparatur festgestellter Leckagen fest. Art. 5 bestimmt die Anforderungen an Dichtheitskontrollen anhand von Tonnen CO2-Äquivalent für Gase in Anhang I und anhand der Masse für Gase in Anhang II Abschnitt 1. Dabei sind die erfassten Einrichtungen und Ausnahmen zu berücksichtigen. Art. 10 behandelt die Ausbildung und Zertifizierung von Personal, das geregelte Tätigkeiten ausführt. Siehe Verordnung (EU) 2024/573.

Das Verständnis der Kältemittelzustände unterstützt die Erfüllung dieser Pflichten. Es hilft Technikern, die Freisetzung von Flüssigkeit zu vermeiden, Kältemittel korrekt zurückzugewinnen, ungewöhnliche Betriebszustände zu erkennen und mögliche Probleme mit der Füllmenge von Störungen des Luftstroms oder Bauteilfehlern zu unterscheiden.

Anhang I führt fluorierte Treibhausgase und ihre Treibhauspotenziale auf. Bei Gemischen wie R-410A wird das GWP des Gemischs nach der Methode in Anhang VI aus den Werten der Bestandteile berechnet. Für R-410A wird üblicherweise ein GWP von 2088 angegeben. Daher sind Emissionsvermeidung und fachgerechte Rückgewinnung besonders wichtig. Siehe Verordnung (EU) 2024/573, Anhänge I und VI.

Für Teilnehmende an der EU-F-Gas-Prüfung zum Zertifikat A1 unterstützen Kenntnisse des p-h-Diagramms das Lernen im Thema Thermodynamik, das Verständnis des Kältekreislaufs und die Vorbereitung auf praktische Prüfungsbereiche zu folgenden Inhalten:

• Zusammenhänge zwischen Druck und Temperatur
• Phasenübergänge des Kältemittels
• Sichere Verwendung von Monteurhilfen
• Funktionsweise von Verdichter, Verflüssiger und Verdampfer
• Betriebsverhalten von Expansionseinrichtungen
• Überhitzung und Unterkühlung
• Vermeidung von Leckagen, Rückgewinnung und Umgang mit Kältemitteln

Prüfungsteilnehmende sollten auch die verschiedenen Zertifikate nach der Durchführungsverordnung (EU) 2024/2215 kennen. Das Zertifikat A1 deckt die geregelten Tätigkeiten mit F-Gasen und Kohlenwasserstoffen bei jeder Füllmenge ab. Das Zertifikat A2 deckt diese Tätigkeiten an Einrichtungen mit weniger als 3 kg beziehungsweise weniger als 6 kg bei entsprechend gekennzeichneten hermetisch geschlossenen Systemen ab. Das Zertifikat D deckt die Rückgewinnung von F-Gasen innerhalb dieser Füllmengengrenzen ab. Das Zertifikat E deckt Dichtheitskontrollen an F-Gas-Anlagen ohne Eingriff in den Kältemittelkreislauf ab. Siehe Durchführungsverordnung (EU) 2024/2215, Art. 3.

So unterstützt F-Gas Pro – A1-Prüfungsvorbereitung das Lernen

F-Gas Pro – A1-Prüfungsvorbereitung unterstützt Sie beim Wiederholen von Konzepten wie Sättigung, Enthalpie, Überhitzung und Unterkühlung. Die App enthält über 540 prüfungsnahe Fragen zu 15 Themen. So können Sie Thermodynamik zusammen mit Vorschriften, Dichtheitskontrollen, Rückgewinnung und bauteilspezifischen Themen wiederholen.

Sie können nach Themen üben, Übungsprüfungen mit Zeitbegrenzung absolvieren, mit Lernkarten lernen und ausführliche Erklärungen zu jeder Antwort nachlesen. Die App bietet außerdem 12 Rechner und eine Fortschrittsverfolgung. Sie ist für iOS und Android verfügbar. Sie ist eine unabhängige Lernhilfe, steht in keiner Verbindung zu einer Zertifizierungsstelle und ersetzt weder einen anerkannten Schulungskurs noch eine Prüfung.