Kältetechnik: Grundlagen für jeden F-Gas-Techniker

Kältetechnik lässt sich auf verschiedenen Ebenen verstehen. Den Kreislauf und die Bezeichnungen der Leitungen können Sie im ersten Monat auswendig lernen – doch es kann Jahre dauern, bis Sie dieses Wissen tatsächlich zur Problemlösung einsetzen. Techniker können ihre Fähigkeiten zur Fehlerdiagnose verbessern, indem sie die Grundlagen wiederholen und ihr Verständnis vertiefen. Sobald Sie den Kreislauf verstehen, helfen Ihnen Druck- und Temperaturmesswerte dabei, die Vorgänge in der Anlage zu erkennen und möglichen Fehlern nachzugehen.

Dieser Beitrag greift eine Grundlagenschulung auf und bereitet sie für alle auf, die sich auf die Prüfung für das EU-F-Gas-Zertifikat A1 vorbereiten. Wir beginnen mit dem Druck, gehen dann auf Temperatur und Wärme ein und schließen mit den Gasgesetzen ab, die den Kreislauf ermöglichen.

„Der Kältemittelkreislauf ist ein faszinierendes Stück Naturwissenschaft und Chemie – ein ausgewogenes System, in dem alles alles andere beeinflusst.“

 

Die vier Hauptkomponenten

Jede Kälteanlage, vom Splitsystem im Wohnbereich bis zur gewerblichen Verbundkälteanlage, basiert auf denselben vier Komponenten:

1. Verdichter — bringt das Kältemittel in einen dampfförmigen Zustand mit hohem Druck und hoher Temperatur.
2. Verflüssiger — der Dampf strömt hindurch, gibt Wärme ab und verflüssigt sich bei hohem Druck.
3. Expansionsorgan (Dosiereinrichtung) — senkt den Druck und erzeugt dabei ein Flüssigkeits-Dampf-Gemisch mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur.
4. Verdampfer — nimmt Wärme aus der Raumluft auf; das Kältemittel tritt als Dampf mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur aus.

Ein hilfreicher Tipp zur Beschreibung des Ablaufs: Beginnen Sie bei einer Komponente, nicht bei einem Kältemittelzustand. Wenn Sie am Verdichter beginnen und dem Kreislauf folgen, bleibt Ihre Beschreibung in der richtigen Reihenfolge.

Eine Präzisierung sollten Sie sich merken: Eine gesättigte Flüssigkeit ist bei ihrer Sättigungstemperatur zu 100 % flüssig. Der eigentliche Phasenwechsel im Verflüssiger findet im Bereich des gesättigten Gemischs statt, in dem Flüssigkeit und Dampf nebeneinander vorliegen. Sobald die Verflüssigung abgeschlossen ist, führt jeder weitere Wärmeentzug zur Unterkühlung.

„Es ist in Ordnung, zunächst auswendig zu lernen, bevor Sie es verstehen – das hilft Ihnen, weil Ihnen die Begriffe dann schon vertraut sind.“

 

Druck: Was Ihre Manometer Ihnen wirklich anzeigen

Druck ist einfach Kraft, die auf eine Fläche wirkt. In der Praxis messen wir mit Manometern und Messsonden den Druck, den das Kältemittel auf seine Umschließung – die Kupferrohre – ausübt.

Sie müssen zwei Bezugsgrößen für den Druck unterscheiden. Die folgenden Beispiele verwenden PSI:

• Überdruck (PSIG) — das zeigen die Manometer Ihrer Monteurhilfe und Ihre Messsonden an, wenn sie auf Überdruck in PSI eingestellt sind. Der Atmosphärendruck (14,7 PSI auf Meereshöhe) ist bereits berücksichtigt. Deshalb zeigen sie null an, wenn sie zur Umgebungsluft offen sind.
• Absolutdruck (PSIA) — wird in thermodynamischen Berechnungen und manchen veröffentlichten Druck-Temperatur-Tabellen verwendet. Der Atmosphärendruck wird dabei nicht abgezogen.

Wenn Sie eine Druck-Temperatur-Tabelle mit PSIA verwenden, entspricht ein Wert von etwa 14,7 PSI bei normalem Atmosphärendruck einer Anzeige von null auf einem Überdruckmessgerät. Prüfen Sie immer den Tabellenkopf. Auch zur Berechnung des Druckverhältnisses eines Verdichters wird der Absolutdruck verwendet.

„Wir leben auf dem Grund eines Luftmeeres … Die Manometer beginnen einfach bei null – sie zeigen nicht an, dass wir unter einem Druck von 14 PSI leben.“

Wenn Sie den Druck unter null PSIG absenken, entsteht ein Vakuum. Genau das macht den Weltraum so lebensfeindlich – dort herrscht kein Druck. Ein echtes, vollständiges Vakuum erreichen wir nie; wir senken den Druck lediglich unter die 14,7 PSI, unter denen wir leben.

Drei Druckskalen für die Praxis

Unterschiedliche Größenordnungen erfordern unterschiedliche Einheiten:

• Kältemitteldruck → bar, kPa oder PSI
• Vakuum → Mikrometer Quecksilbersäule, mbar oder Pa. Bei Vakuumarbeiten in der Kältetechnik bedeutet ein Mikron ein Tausendstel Millimeter Quecksilbersäule. Beim Evakuieren einer Anlage benötigen Sie diese feine Auflösung, um das Erreichen Ihres Zielwerts zu bestätigen.
• Luftdruck / statischer Druck in Luftkanälen → Pa oder Zoll Wassersäule, gemessen mit einem Manometer. Der Druck strömender Luft kann das Abnehmen einer Verkleidung erschweren, beträgt aber nur einen winzigen Bruchteil eines PSI.

 

Temperatur ist nicht Wärme

Diese Unterscheidung ist grundlegend für die Kältetechnik.

Temperatur ist ein Maß für die mittlere Geschwindigkeit der Moleküle – also dafür, wie schnell sich die Moleküle bewegen. Langsame Moleküle (ein Eiswürfel) = niedrige Temperatur; schnelle, umherstoßende Moleküle (kochendes Wasser) = hohe Temperatur.

Wärme ist die gesamte thermische Energie in einem Stoff – und sie ist nicht dasselbe wie Temperatur. So etwas wie „Kälte“ gibt es nicht; es gibt nur die Abwesenheit von Wärme. Auch ein Eiswürfel enthält noch Wärmeenergie.

In der Kältetechnik bedeutet das: Eine Saugleitung kann sich eiskalt anfühlen und dennoch die gesamte Wärme transportieren, die gerade dem klimatisierten Raum entzogen wurde. Bei einer praktischen Vorführung schätzten Techniker die Temperatur einer Saugleitung auf Werte in den 40ern und 50ern Fahrenheit. Die Messsonde zeigte eine deutlich niedrigere Temperatur an, als fast alle erwartet hatten – und diese eiskalte Leitung transportierte Wärme.

„Dieselbe Wärme kann bei 47 °F oder bei 140 °F vorliegen – dieselbe Wärme. Das sollten Sie sich daraus merken.“

Unsere Aufgabe ist also nicht, Temperatur zu entfernen. Unsere Aufgabe ist, Energie – Wärme – aus dem Raum zu transportieren. Wir verändern die Temperatur nur, um diesen Wärmetransport zu ermöglichen.

Feuchtkugel- und Trockenkugeltemperatur

Auf der Luftseite messen Sie sowohl die Trockenkugeltemperatur (DB) als auch die Feuchtkugeltemperatur (WB). Die Feuchtkugeltemperatur berücksichtigt die Luftfeuchtigkeit über die Kühlwirkung der Verdunstung an einem befeuchteten Sensor. Daraus leiten wir die relative Luftfeuchtigkeit ab, die in Berechnungen wie die Sollüberhitzung eingeht. Die Temperaturdifferenz über dem Wärmeübertrager (DB der Rückluft minus DB der Zuluft) zeigt, wie viel Wärme die Luft abgegeben hat: Eine einwandfrei arbeitende Anlage senkt die Lufttemperatur typischerweise um etwa 20 °F.

 

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

Der zweite Hauptsatz beschreibt ein grundlegendes Prinzip: Wärme fließt immer vom wärmeren zum kälteren Bereich, bis beide einen Ausgleichszustand erreichen – das thermische Gleichgewicht.

Geben Sie einen Eiswürfel in ein Glas Wasser: Der Eiswürfel erwärmt sich, das Wasser kühlt ab, bis alles dieselbe Temperatur hat. Sowohl Druck- als auch Temperaturunterschiede streben einem Gleichgewicht entgegen.

Je größer die Temperaturdifferenz, desto schneller wird Wärme übertragen. Nähern sich die Temperaturen beider Seiten an, verlangsamt sich die Übertragung. Deshalb arbeiten Kühlregister unterhalb der Lufttemperatur:

• Ein Kühlregister mit 77 °F bei einer Raumlufttemperatur von 78 °F überträgt durchaus Wärme – allerdings sehr langsam und ineffizient.
• Ist das Kühlregister etwa 35 °F kälter als die Luft, wird Wärme schnell übertragen. Dadurch entsteht die Temperaturdifferenz von ~20 °F über dem Register.

Wir senken die Temperatur nicht noch weiter ab, obwohl das die Wärmeübertragung zusätzlich beschleunigen würde. Denn die Bedingungen ändern sich: ein verschmutzter Filter, Regen im Freien, eine veränderte Füllmenge. Ein Kühlregister, das heute bei 36 °F liegt, könnte morgen 28 °F erreichen und vereisen. Deshalb halten wir die Betriebstemperatur bei den meisten Anlagen zur Komfortkühlung im Bereich der 40er-Fahrenheitwerte. (Verdampfer in gewerblichen Tiefkühlanlagen arbeiten unterhalb des Gefrierpunkts. Ein planmäßiger Abtauzyklus entfernt dort das entstehende Eis.)

„Wir erzeugen keine Kälte. Wir transportieren Wärme aus dem Haus nach draußen und nutzen dafür die Naturgesetze.“

Dasselbe Prinzip – Energie strebt nach Gleichgewicht – gilt auch für elektrische Arbeit. Ein Voltmeter misst nicht „den Strom“, sondern die Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten. Messen Sie zwischen zwei Punkten desselben Leiters, sehen Sie selbst in einem unter Spannung stehenden Stromkreis null. Bei einer Messung gegen Erde kann dagegen eine Differenz auftreten. Elektrische Sicherheitsprüfungen müssen dem jeweils geltenden Verfahren zur Freischaltung und Prüfung folgen.

 

Das ideale Gasgesetz: Warum der Verdichter funktioniert

Das ideale Gasgesetz lautet PV = nRT. Das Gesetz von Gay-Lussac ergänzt den für uns wichtigsten Zusammenhang: Bei gleichbleibendem Volumen und gleichbleibender Gasmenge sind Druck und Temperatur direkt proportional.

Für die praktische Arbeit können Sie das Volumen und die Konstanten ausblenden und den Zusammenhang darauf reduzieren:

Druck ↔ Temperatur. Erhöhen Sie die eine Größe, muss die andere steigen. Senken Sie die eine, muss die andere fallen.

Dieser eine Zusammenhang erklärt beide Seiten des Kreislaufs:

• Der Verdichter erhöht den Druck, wodurch zwangsläufig die Temperatur steigt. Stellen Sie sich Moleküle vor, die in einem Raum umherfliegen. Schieben Sie die Wände zusammen, stoßen sie schneller zusammen – höhere Geschwindigkeit, höhere Temperatur –, obwohl keine Wärme zugeführt wurde. Der Verdichter nimmt Kältemittel auf, das den Verdampfer kalt verlassen hat (beispielsweise mit 48 °F und aufgenommener Wärme), und bringt es auf vielleicht 130 °F. Jetzt ist es deutlich wärmer als die Außenluft mit ~80 °F und kann diese Wärme im Verflüssiger abgeben.
• Die Dosiereinrichtung senkt den Druck des Kältemittels, sodass seine Temperatur unter die der Raumluft fällt. Dadurch kann der Verdampfer wieder Wärme aufnehmen.

„Um Wärme abzugeben, muss das Kältemittel wärmer sein als die Außenluft – und der Verdichter hat die Aufgabe, die Temperatur durch Druckerhöhung anzuheben.“

Die Aufgabe des Verdichters ist nicht, Wärme zuzuführen. (Die Motorwicklungen geben eine kleine Wärmemenge ab, wenn sie vom Sauggas gekühlt werden, doch das ist ein Nebeneffekt.) Sein Zweck ist, die Temperatur durch eine Druckänderung zu beeinflussen, damit die Wärme in die gewünschte Richtung fließt. Der Verdichter erzeugt das Ungleichgewicht auf der Hochdruckseite, die Dosiereinrichtung auf der Niederdruckseite. Zusammen schaffen sie die Voraussetzungen für die Wärmeübertragung.

 

Der Bezug zu Ihrer F-Gas-Prüfung

Für die Prüfung zum EU-F-Gas-Zertifikat A1 hilft Ihnen dieses Grundlagenverständnis bei mehreren Themen der EU-Ausgabe: Thermodynamik, Verdichter, Verflüssiger, Verdampfer, Expansionsventile und Prüfungen vor Inbetriebnahme. Die Mindestanforderungen an die Kenntnisse in Anhang I der Durchführungsverordnung (EU) 2024/2215 umfassen unter anderem folgende Fähigkeiten:

• Den vierstufigen Dampfkompressionskreislauf und die Aufgabe jeder Komponente erklären
• Gesättigte, unterkühlte und überhitzte Zustände unterscheiden
• Den Druck-Temperatur-Zusammenhang mithilfe einer Druck-Temperatur-Tabelle anwenden
• Die grundlegenden ISO-Standardeinheiten für Temperatur, Druck, Masse, Dichte und Energie erkennen

Die Verordnung (EU) 2024/573 legt außerdem, soweit jeweils anwendbar, Pflichten zu Dichtheitskontrollen, Leckage-Erkennungssystemen, Aufzeichnungen und Rückgewinnung fest. Das Verständnis des thermodynamischen Verhaltens einer Anlage unterstützt die technischen Arbeiten, die zur Erfüllung dieser Pflichten erforderlich sind.

 

Wie F-Gas Exam Prep Sie dabei unterstützt

Die App F-Gas Pro – A1 Exam Prep unterstützt Sie beim Wiederholen dieser Grundlagen für die Prüfung zum EU-Zertifikat A1. Die EU-Ausgabe bietet:

• Über 540 prüfungsnahe Fragen zu 15 Themen, darunter Thermodynamik, Anlagenkomponenten sowie Prüfungen vor der Inbetriebnahme und nach der Instandhaltung
• Übungsprüfungen mit Zeitbegrenzung und Übungen nach Themen
• Lernkarten und Fortschrittsverfolgung
• 12 Rechner zur Unterstützung technischer Berechnungen
• Ausführliche Erläuterungen zu jeder Antwort, damit Sie Fehler verstehen und korrigieren können

Lernen Sie zunächst den Kreislauf auswendig und vertiefen Sie anschließend Ihr Verständnis der darin ablaufenden Prozesse. Nutzen Sie Übungsfragen, um Konzepte zu erkennen, die Sie noch genauer lernen müssen, und wenden Sie diese Konzepte bei der Auswertung von Anlagenmesswerten an.