Druck-Enthalpie leicht gemacht: p-h-Diagramme für F-Gas-Prüfungen

Das Druck-Enthalpie-Diagramm kann anfangs schwer zu deuten sein. Es enthält Kurven, schräge Linien und kleine Zahlen. Wenn Sie jeweils nur eine Linienschar betrachten, wird es verständlicher.

Eugene Silberstein, der seit über 40 Jahren in der Branche tätig ist und heute die technische Ausbildung am ESCO Institute leitet, hat einen ganzen Kurs zu diesem Problem entwickelt. Er führt mit folgender Beobachtung in das Thema ein:

Wenn wir die Art ändern, wie wir die Dinge betrachten, ändern sich die Dinge, die wir betrachten.

Das Diagramm ist nicht einfacher geworden. Was sich ändert, ist Ihre Herangehensweise. Im Folgenden erklären wir das p-h-Diagramm Linienschar für Linienschar. Anschließend verknüpfen wir es mit den Kenntnissen zum Kältekreislauf, die für die EU-F-Gas-Prüfung zum Zertifikat A1 erforderlich sind.

 

Warum eine Anlage überhaupt im Diagramm darstellen?

Vor Ort sammeln Sie Informationen stückweise. Für einen Messwert gehen Sie zum Luftbehandlungsgerät, für einen weiteren nach draußen zum Verflüssigungssatz und für die Zulufttemperatur wieder hinein. Jeder Messwert beschreibt einen Teil der Anlage.

Ein vollständig eingezeichneter p-h-Verlauf verbindet diese Messwerte zu einem Gesamtbild der Anlage. Aus diesem einen Diagramm können Sie:

• Die spezifische Kälteleistung und die Kälteleistung der Anlage abschätzen
• Die Effizienz abschätzen (COP und daraus EER und SEER)
• Den Kältemittelmassenstrom je kW Kälteleistung ermitteln
• Den Fördervolumenstrom des Verdichters bestimmen
• Den Zustand und den Dampfgehalt des Kältemittels an jeder Stelle im Kreislauf ermitteln
• Füllmengen- und Luftstromfehler anhand der Form des Verlaufs diagnostizieren

Auch für die Tätigkeit als zertifizierte Fachkraft ist das praktisch relevant. Die intelligenten Werkzeuge und Diagnose-Apps, die Techniker heute verwenden, beruhen auf der Mathematik des p-h-Diagramms. Wer das Diagramm versteht, kann die Ergebnisse dieser Hilfsmittel besser deuten, wenn eine Anlage nicht die erwartete Leistung bringt.

 

Das Diagramm in seine Bestandteile zerlegen

Das Diagramm lässt sich leichter deuten, wenn Sie jeweils nur eine Linienschar betrachten.

Linien konstanten Drucks verlaufen waagerecht. Der Druck ist auf der senkrechten Achse aufgetragen. Bewegen Sie sich nach links oder rechts, bleibt der Druck unverändert; nach oben steigt er, nach unten sinkt er. Beachten Sie dabei: Die senkrechte Achse zeigt den Absolutdruck, nicht den Überdruck. Addieren Sie etwa 1 bar (14,7 psi) zum Manometerwert, um näherungsweise den Absolutdruck zu erhalten.

Linien konstanter Enthalpie verlaufen senkrecht. Die Enthalpie — der Wärmeinhalt — ist auf der waagerechten Achse aufgetragen. Bewegen Sie sich entlang einer senkrechten Linie nach oben oder unten, bleibt der Wärmeinhalt unverändert. Nach rechts nimmt die Enthalpie zu, nach links nimmt sie ab.

Enthalpie ist ein vornehmes Wort für Wärme.

Das ist schon die ganze Definition. Die Temperatur beschreibt die Intensität der Wärme; die Enthalpie beschreibt ihre Menge, in kJ pro Kilogramm.

Die Sättigungskurve liegt in der Mitte — wegen ihrer Form wird sie gelegentlich als Daumenabdruckkurve bezeichnet. Sie teilt das Diagramm in drei Bereiche:

Bereich	Lage	Was dort geschieht
Unterkühlte Flüssigkeit	Links von der Kurve	100 % Flüssigkeit, unterhalb ihrer Sättigungstemperatur — Verflüssigeraustritt
Gesättigtes Gemisch	Unter der Kurve	Flüssigkeit und Dampf liegen gleichzeitig vor — Phasenwechsel in Verdampfer und Verflüssiger
Überhitzter Dampf	Rechts von der Kurve	100 % Dampf, oberhalb seiner Sättigungstemperatur — Verdampferaustritt, Saugleitung, Verdichter

Linien konstanten Dampfgehalts liegen unter der Sättigungskurve. Jede Linie steht für eine Abstufung von 10 % im Verhältnis von Flüssigkeit zu Dampf. Die linke Grenze entspricht 100 % Flüssigkeit, die rechte 100 % Dampf. Markieren Sie einen beliebigen Punkt unter dieser Kurve, können Sie die Zusammensetzung ablesen — beispielsweise 80 % Flüssigkeit und 20 % Dampf am Verdampfereintritt.

Linien konstanter Temperatur verlaufen bei einem Einstoffkältemittel wie R-134a unter der Sättigungskurve waagerecht. Dort entspricht einem Druck genau eine Temperatur. Bei einem zeotropen Gemisch — den Kältemitteln der 400er-Reihe — verlaufen diese Linien schräg. Diese Neigung ist der Temperaturgleit, und Sie können ihn direkt messen: Zeichnen Sie eine waagerechte Linie durch die Sättigungskurve, lesen Sie die Temperatur an den beiden Schnittpunkten ab und bilden Sie die Differenz. Rechts von der Kurve knicken die Linien konstanter Temperatur stark nach unten ab.

Linien konstanten spezifischen Volumens verlaufen mit geringer Neigung durch den Bereich des überhitzten Dampfes. Sie zeigen, welches Volumen ein Kilogramm Kältemittel unter diesen Bedingungen einnimmt. Da ein Verdichter als Pumpe mit festem Hubvolumen arbeitet, können Sie mithilfe des spezifischen Volumens am Verdichtereintritt das Hubvolumen in den tatsächlichen Kältemittelmassenstrom umrechnen — ein entscheidender Schritt bei Leistungsberechnungen.

Linien konstanter Entropie sind die steil verlaufenden Linien. Silberstein erklärt Entropie anhand des Begriffs der Umkehrbarkeit. Verdichten Sie Kältemittel in einem Zylinder, steigt der Druck; lassen Sie den Kolben zurückgehen, kehrt der Druck auf seinen Ausgangswert zurück. Die Verdichtung ist umkehrbar, daher folgt die ideale Verdichtung einer Linie konstanter Entropie. Schmelzen Sie einen Eiswürfel und verringern Sie dann die Wärmezufuhr wieder — das Wasser wird dadurch nicht wieder zu Eis. Dieser Prozess überschreitet Entropielinien.

 

Die vier Prozesse entlang des Kreislaufs

Verfolgen Sie nun den Kreislauf:

1. Verdichtung — die Linie verläuft nach oben rechts, entlang einer Linie konstanter Entropie oder parallel dazu. Druck und Enthalpie steigen, weil der Verdichter dem Kältemittel sowohl Verdichtungswärme als auch Motorwärme zuführt.
2. Verflüssigung — die Linie verläuft oben von rechts nach links. Beachten Sie, dass sie im Bereich des überhitzten Dampfes beginnt: In der Heißgasleitung und im ersten Abschnitt des Verflüssigers findet Enthitzung statt, noch keine Verflüssigung. Anschließend durchquert das Kältemittel die Sättigungskurve und verflüssigt sich. Schließlich reicht der Verlauf über die linke Grenze hinaus in den unterkühlten Bereich — das kleine Dreieck oben links entspricht der Unterkühlung.
3. Expansion — eine exakt senkrechte Linie nach unten durch das Drosselorgan. Druck und Temperatur fallen stark ab; die Enthalpie bleibt vollständig unverändert. Es wird weder Wärme zugeführt noch abgeführt, daher kann die Linie nicht seitlich verlaufen.
4. Verdampfung — die Linie verläuft unten von links nach rechts. Sie beginnt unter der Sättigungskurve, typischerweise bei etwa 80 % Flüssigkeit und 20 % Dampf, und endet außerhalb der Kurve im Bereich des überhitzten Dampfes. Zwischen Verdampferaustritt und Verdichtereintritt liegt der kurze Abschnitt der Saugleitung — je kürzer dieser Abschnitt, desto besser.

Der letzte Punkt hat eine direkte Auswirkung in der Praxis. Entfernen Sie die Dämmung einer Saugleitung und zeichnen Sie die Anlage erneut ein: Der Saugleitungsabschnitt wird länger, während sich die gesamte Verdichtungslinie nach rechts verschiebt. Der Verlauf zeigt, wie zusätzliche Überhitzung in der Saugleitung die Effizienz verringert.

 

Effizienz ohne Mathematik erklärt

Effizienz ist das Verhältnis von nutzbarer Leistung zu Energieaufwand. In der Kältetechnik gilt:

• Der Nutzen ist die spezifische Nettokälteleistung (NRE) — die im Verdampfer aufgenommene Wärme.
• Der Aufwand ist die Verdichtungswärme (HOC) — die vom Verdichter zugeführte Energie zuzüglich der unerwünschten Wärmeaufnahme in der Saugleitung.

Leistungszahl (COP) = NRE ÷ HOC. Die folgenden Umrechnungen und Näherungsbeziehungen beruhen auf US-Bewertungskonventionen, bei denen EER in BTU/h pro Watt angegeben wird:

• EER = COP × 3,412 (Umrechnung zwischen BTU/h und Watt)
• SEER ≈ EER × 1,2
• EER2 ≈ 0,95 × EER und SEER2 ≈ 0,95 × SEER

Mit diesen Näherungsbeziehungen lassen sich keine saisonalen EU-Effizienzkennwerte bestimmen. Tragen Sie fünf Punkte ein und lesen Sie fünf Enthalpiewerte ab, um die Leistung unter den gemessenen Betriebsbedingungen zu beurteilen.

 

Fehler an der Form erkennen

Das Diagramm kann die Fehlerdiagnose unterstützen. Zeichnen Sie zuerst eine einwandfrei arbeitende Anlage ein, dann eine fehlerhafte. Die Richtung der Verschiebung weist auf die Fehlergruppe hin:

Fehler	Wie sich der Verlauf verschiebt	Typische Anzeichen
Überfüllung	Nach oben links	Das Unterkühlungsdreieck wächst; der Verdichtereintritt nähert sich der Kurve (die Überhitzung sinkt)
Unterfüllung	Nach unten rechts	Das Unterkühlungsdreieck schrumpft; die Überhitzung steigt
Drosselorgan führt zu viel Kältemittel zu	Der Verlauf wird niedriger	Weniger Kältemittel auf der Hochdruckseite, mehr auf der Niederdruckseite
Zu geringe Kältemittelzufuhr / verengte Flüssigkeitsleitung	Der Verlauf wird höher	Überschuss auf der Hochdruckseite, Mangel auf der Niederdruckseite
Luftstromfehler auf der Niederdruckseite (Verdampfer)	Nach unten links	Saugdruck und Sättigungstemperatur sinken
Luftstromfehler auf der Hochdruckseite (Verflüssiger)	Nach oben rechts	Verdichtungsenddruck und Verflüssigungstemperatur steigen

Luftstromprobleme verschieben den Verlauf entlang der Diagonalen von unten links nach oben rechts, Füllmengenprobleme dagegen entlang der Diagonalen von oben links nach unten rechts.

Die beiden Diagonalen weisen auf zwei Fehlergruppen hin. Diese Beobachtung macht das Diagramm zu einem nützlichen Diagnosewerkzeug.

Sie erklärt auch, warum ein verschmutzter Filter die Leistung verringert. Dem Kältemittel wird weniger Wärme zugeführt. Dadurch sinken Saugdruck, Sättigungstemperatur und spezifische Nettokälteleistung, während die Verdichtungswärme zunimmt und der COP fällt. Das Verständnis dieser Veränderungen unterstützt eine präzisere Diagnose.

 

Einordnung in den F-Gas-Prüfungsstoff

Art. 10 der Verordnung (EU) 2024/573 legt die Zertifizierungs- und Ausbildungsanforderungen fest. Art. 4 und Anhang I der Durchführungsverordnung (EU) 2024/2215 bestimmen die theoretischen und praktischen Prüfungsanforderungen für das Zertifikat A1. Das p-h-Diagramm unterstützt mehrere Themen der EU-Ausgabe:

• Thermodynamik — Sättigung, Überhitzung, Unterkühlung, latente und sensible Wärme, der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur sowie der Temperaturgleit zeotroper Gemische im Kältekreislauf
• Verdichter, Verflüssiger, Verdampfer und Expansionsventile — die Aufgabe jeder Komponente und ihre Zuordnung zu einem Abschnitt des Diagrammverlaufs
• Alternativen in der Praxis: CO₂, Ammoniak und Energieeffizienz — die theoretische A1-Prüfung enthält mindestens eine Frage zur Energieeffizienz von Einrichtungen; eine Anlage mit schlechtem COP benötigt für dieselbe Kälteleistung mehr Strom
• Lecksuche — Anhang I umfasst die Auswertung von p-h-Diagrammen bei indirekten Dichtheitskontrollen; bei einer unterfüllten Anlage kann der Verlauf nach unten rechts verschoben sein, mit erhöhter Überhitzung und verringerter Unterkühlung

Anhang I nennt ausdrücklich thermodynamische Prozesse und die Auswertung von p-h-Diagrammen. Passende Wiederholungsfragen sind etwa, welcher Prozess isenthalp ist, wo im Verflüssiger die Enthitzung stattfindet, was der Temperaturgleit bei einem Gemisch bedeutet und wie sich die Überhitzung bei einer überfüllten Anlage verändert. Das Diagramm hilft, jede dieser Antworten zu erklären.

 

Wie F-Gas Exam Prep Sie dabei unterstützt

Thermodynamik und die Auswertung von p-h-Diagrammen gehören zu den Kenntnissen, die für die EU-F-Gas-Prüfung zum Zertifikat A1 erforderlich sind.

Die App F-Gas Pro – A1-Prüfungsvorbereitung bietet über 540 prüfungsnahe Fragen zu 15 Themen, darunter Thermodynamik mit dem Kältekreislauf. Die Fragen behandeln Sättigung, Überhitzung, Unterkühlung, latente Wärme, Temperaturgleit und Anlageneffizienz. Jede Antwort enthält eine ausführliche Erklärung, die das Verständnis unterstützt.

Die App enthält Übungsprüfungen mit Zeitlimit, Lernkarten und 12 Rechner sowie Übungen nach Themen und eine Fortschrittsverfolgung. Sie ist für iOS und Android verfügbar. Sie ist eine unabhängige Lernhilfe und ersetzt weder einen anerkannten Lehrgang noch eine Prüfung.

Verwenden Sie ein p-h-Diagramm für ein Kältemittel, mit dem Sie regelmäßig arbeiten. Zeichnen Sie eine Anlage ein, von der Sie wissen, dass sie einwandfrei arbeitet. Zeichnen Sie danach eine Anlage ein, die Sie gerade repariert haben. Der Vergleich der Diagrammverläufe mit Ihren eigenen Messwerten hilft, die Theorie mit der praktischen Arbeit zu verknüpfen.