Den idealen Kältekreislauf im p-h-Diagramm zeichnen

Wenn Sie schon einmal im Maschinenraum vor den beiden Manometern eines Verdichterverbunds standen und sich gefragt haben, was diese beiden Werte über die gesamte Anlage aussagen, liefert das Druck-Enthalpie-Diagramm die Erklärung. Diese Anleitung basiert auf einer Lerneinheit von Professor R. Paul Singh. Er zeigt, wie sich ein idealer Kompressionskältekreislauf allein aus zwei Drücken oder zwei Temperaturen in einem p-h-Diagramm konstruieren lässt.

Das Lesen dieses Diagramms ist eine nützliche Fähigkeit für Ihre EU-F-Gas-Prüfung zum Zertifikat A1. Es hilft Ihnen, Kältemittelzustände und die thermodynamischen Vorgänge im Kältekreislauf zu verstehen.

 

Druck und Temperatur: ein fester Zusammenhang

Bei jedem reinen Kältemittel besteht ein fester Zusammenhang zwischen Sättigungsdruck und Sättigungstemperatur. Im p-h-Diagramm ist der Druck in bar auf der linken senkrechten Achse und die Enthalpie in kJ/kg auf der unteren waagerechten Achse aufgetragen. Zeichnen Sie bei einem beliebigen Druck eine waagerechte Linie. An ihren Schnittpunkten mit der Siedelinie links und der Sattdampflinie rechts ist dieselbe Sättigungstemperatur angegeben.

„Bei jedem chemischen Stoff – und wir betrachten hier natürlich Kältemittel – besteht ein eindeutig definierter Zusammenhang zwischen Temperatur und Druck.“

Auf diesem festen Zusammenhang beruht die Funktion einer Druck-Temperatur-Vergleichskarte. Er ermöglicht auch, dass auf Ihren Manometern neben der Druckskala Temperaturskalen für R-410A oder R-134a aufgedruckt sind. Dieses Wissen wird im Thema „Thermodynamik“ der EU-Ausgabe behandelt. Anhang I der Durchführungsverordnung (EU) 2024/2215 legt die Anforderungen an die Thermodynamikkenntnisse für das EU-F-Gas-Zertifikat A1 gemäß Verordnung (EU) 2024/573 fest.

 

Zwei Drücke bestimmen den gesamten Kreislauf

Im Maschinenraum eines Kühllagers finden Sie am Verdichteraggregat zwei Manometer. Eines zeigt den Druck auf der Niederdruckseite, also den Verdampfungsdruck. Das andere zeigt den Druck auf der Hochdruckseite, also den Verflüssigungsdruck. Jede Kompressionskälteanlage, vom Flaschenkühler bis zum Kühlhaus, arbeitet zwischen diesen beiden Druckniveaus.

„In jeder Kälteanlage gibt es immer zwei Drücke. Der eine ist der Niederdruck, der andere der Hochdruck.“

Aufgrund des Druck-Temperatur-Zusammenhangs können die Angaben in einer Prüfungsfrage oder einer Planungsaufgabe in beiden Formen vorliegen:

• Zwei Drücke: Saugdruck und Verdichtungsenddruck, üblicherweise in bar absolut.
• Zwei Temperaturen: Verdampfungstemperatur und Verflüssigungstemperatur, in °C.

Jedes dieser Wertepaare reicht aus. Sind Temperaturen vorgegeben, suchen Sie diese auf den Sättigungskurven und lesen waagerecht den zugehörigen Druck ab. Sind Drücke vorgegeben, zeichnen Sie die waagerechten Linien direkt ein. Das Ziel ist bei fast jeder Berechnung gleich: die drei Enthalpiewerte bestimmen, die den Kreislauf beschreiben und üblicherweise mit H1, H2 und H3 bezeichnet werden.

 

Den Kreislauf Schritt für Schritt zeichnen

Professor Singh verwendet für sein Beispiel eine Verdampfungstemperatur von 10 °C und eine Verflüssigungstemperatur von 40 °C. Legen Sie ein ausgedrucktes Diagramm für Ihr Kältemittel bereit und führen Sie die folgenden Schritte aus.

1. Zeichnen Sie die Verdampferlinie. Suchen Sie 10 °C auf der Siedelinie und auf der Sattdampflinie. Verbinden Sie beide Punkte mit einer waagerechten Linie. Sie stellt die Niederdruckseite des Kreislaufs dar und liegt unterhalb der glockenförmigen Grenzkurve.
2. Zeichnen Sie die Verflüssigerlinie. Wiederholen Sie den Vorgang bei 40 °C. Diese waagerechte Linie liegt im Diagramm weiter oben und kennzeichnet die Hochdruckseite.
3. Folgen Sie für die Verdichtung einer Linie konstanter Entropie. Beginnen Sie rechts am Schnittpunkt der Verdampferlinie mit der Sattdampflinie. Folgen Sie von dort der Kurve konstanter Entropie schräg nach rechts oben, bis sie die Linie des Verflüssigungsdrucks erreicht. Sie befinden sich nun im Überhitzungsgebiet.
4. Zeichnen Sie für die Expansion eine senkrechte Linie nach unten. Gehen Sie zum linken Schnittpunkt der Verflüssigerlinie mit der Siedelinie. Zeichnen Sie von dort eine senkrechte Linie nach unten bis zur Linie des Verdampfungsdrucks. Diese Linie stellt den Vorgang im Expansionsventil dar.

„Manchmal ist es schwierig, einer Kurve konstanter Entropie genau zu folgen. Versuchen Sie es so gut wie möglich, indem Sie zwischen den benachbarten Linien konstanter Entropie nach Augenmaß interpolieren. Falls Ihr Ausgangspunkt genau dort liegt, wo eine Linie konstanter Entropie von der Sattdampflinie ausgeht, können Sie einfach dieser Linie folgen.“

Die Entropielinien sind im Diagramm eingezeichnet, liegen aber mit Abstand zueinander. Ihr Ausgangspunkt liegt deshalb selten genau auf einer davon. Interpolieren Sie nach Augenmaß zwischen den beiden nächstgelegenen Kurven und führen Sie den Bleistift beim Zeichnen nach oben parallel zu ihnen. Mit etwas Übung an einem echten Diagramm fällt das leichter.

 

Den Kreislauf lesen: die Bedeutung der einzelnen Linien

Sobald die vier Linien verbunden sind, bilden sie den geschlossenen idealen Kreislauf. Beschriften Sie die Eckpunkte mit E, A, B, C und D. Jeder Abschnitt lässt sich dann direkt einer Komponente im tatsächlichen Kältemittelkreislauf zuordnen.

Abschnitt	Komponente	Vorgang
E bis A	Verdampfer	Das Kältemittel siedet bei konstantem Niederdruck und nimmt Wärme aus dem Raum auf
A bis B	Verdichter	Der Dampf wird entlang einer Linie konstanter Entropie bis ins Überhitzungsgebiet verdichtet
B bis C	Verflüssiger (Enthitzung)	Die Überhitzungswärme wird bei konstantem Hochdruck abgeführt, bis der Dampf den Sättigungszustand erreicht
C bis D	Verflüssiger (Verflüssigung)	Der Dampf verflüssigt sich bei konstantem Hochdruck zu gesättigter Flüssigkeit
D bis E	Expansionsventil	Der Druck fällt bei konstanter Enthalpie wieder auf den Verdampfungsdruck

Zwei Punkte verdienen bei der Auswertung des Kreislaufs besondere Aufmerksamkeit.

Am Punkt B ist der Dampf überhitzt. Der Zustand am Verdichteraustritt liegt immer rechts von der Sattdampflinie. Bevor die Verflüssigung beginnen kann, muss diese Überhitzungswärme abgeführt werden. Viele Lehrbücher fassen B bis D als gesamte Wärmeabgabe des Verflüssigers zusammen. Für Berechnungen ist das zulässig. Sie sollten jedoch wissen, dass der erste Teil die Enthitzung und erst der zweite Teil einen tatsächlichen Phasenwechsel darstellt.

Die Expansion verläuft senkrecht. Der Druckabfall von D nach E wird bei konstanter Enthalpie eingezeichnet. Beim Durchströmen des Ventils wird weder Wärme ausgetauscht noch Arbeit verrichtet. Daher ist die Enthalpie bei E gleich der Enthalpie bei D. Das Video beschreibt dies als adiabatischen Vorgang. Genau genommen ist die Drosselung durch ein Ventil isenthalp. Die Annahme einer konstanten Enthalpie führt zur senkrechten Linie im Diagramm. Das praktische Ergebnis ist in beiden Fällen gleich: H am Ventileintritt ist gleich H am Ventilaustritt.

„Die Enthalpie an Punkt D und Punkt E ist gleich. Deshalb wird die Expansion immer als senkrechte Linie dargestellt.“

 

Warum die drei Enthalpiewerte wichtig sind

Der Kreislauf wird konstruiert, um die Enthalpiewerte an der waagerechten Achse abzulesen. Mit nur drei Zahlen können Sie die folgenden Größen berechnen.

• Die spezifische Kälteleistung ist die Enthalpiezunahme im Verdampfer von E nach A. Sie entspricht der nutzbaren Kühlung pro Kilogramm umlaufendem Kältemittel.
• Die Verdichterarbeit ist die Enthalpiezunahme von A nach B. Sie entspricht der zugeführten Energie pro Kilogramm umlaufendem Kältemittel.
• Die Wärmeabgabe des Verflüssigers ist die Enthalpieabnahme von B nach D. Sie muss der Summe der beiden anderen Größen entsprechen.
• Die Leistungszahl (COP) ergibt sich aus der spezifischen Kälteleistung geteilt durch die Verdichterarbeit.

Beachten Sie, wie das Diagramm die Auswirkungen von Auslegungsentscheidungen sichtbar macht. Wenn Sie die Verflüssigungstemperatur erhöhen, verschiebt sich die obere Linie nach oben. Die Verdichtungslinie wird länger, und die senkrechte Expansionslinie verschiebt sich nach rechts. Dadurch sinkt die spezifische Kälteleistung. Wenn Sie die Verdampfungstemperatur senken, verschiebt sich die untere Linie nach unten, wodurch die Verdichtungslinie ebenfalls länger wird. Deshalb erhöht ein verschmutzter Verflüssiger oder ein vereister Verdampfer den Energieverbrauch.

 

Was die F-Gas-Prüfung verlangt

Die EU-F-Gas-Prüfung zum Zertifikat A1 umfasst die Mindestkompetenzen aus Anhang I der Durchführungsverordnung (EU) 2024/2215. Das Thema „Thermodynamik“ der EU-Ausgabe behandelt die folgenden Anforderungen:

• Die grundlegenden ISO-Einheiten für Temperatur, Druck, Masse, Dichte und Energie kennen.
• Den Druck-Temperatur-Zusammenhang von Kältemitteln verstehen und wissen, wie er zur Überprüfung von Überhitzung und Unterkühlung genutzt wird.
• Tabellen und Diagramme, einschließlich des p-h-Diagramms, nutzen, um Kältemittelzustände bei indirekten Dichtheitskontrollen und Überprüfungen des Anlagenbetriebs auszuwerten.
• Die Funktion der vier Hauptkomponenten beschreiben: Verdichter, Verflüssiger, Expansionsorgan und Verdampfer.

Üben Sie zur Prüfungsvorbereitung, den Vorgang zu erkennen, den eine beschriftete Linie im p-h-Diagramm darstellt. Prüfen Sie, wo überhitzter Dampf, gesättigte Flüssigkeit und Zweiphasengemisch im Verhältnis zur glockenförmigen Grenzkurve liegen. Sie sollten außerdem verstehen, was mit dem Kreislauf geschieht, wenn der Verflüssigungsdruck steigt, und welche Linie bei konstanter Entropie eingezeichnet wird.

Prüfungstipp: Prägen Sie sich die Linienverläufe ein. Waagerechte Linien stehen für konstanten Druck (Verdampfer und Verflüssiger). Die schräg nach rechts oben verlaufende Linie steht für konstante Entropie (Verdichter). Die senkrechte Linie steht für konstante Enthalpie (Expansionsventil). Wenn Sie diese vier Linien erkennen, können Sie den Kreislauf ohne Zahlenberechnungen auswerten.

Merksatz: Punkt B am Verdichteraustritt liegt immer im Überhitzungsgebiet. Punkt D am Verflüssigeraustritt liegt auf der Siedelinie oder knapp links davon. Punkt E nach der Expansion liegt als Flüssigkeits-Dampf-Gemisch innerhalb der glockenförmigen Grenzkurve.

 

Wie F-Gas Exam Prep Sie dabei unterstützt

Zur Vorbereitung auf die EU-F-Gas-Prüfung zum Zertifikat A1 gehört neben der Wiederholung der Verordnung (EU) 2024/573 und der Verfahren zur Kältemittelrückgewinnung auch das Üben der Auswertung von p-h-Diagrammen.

F-Gas Pro – A1-Prüfungsvorbereitung bietet über 540 prüfungsnahe Fragen zu 15 Themen, jeweils mit einer ausführlichen Erklärung. Das Thema „Thermodynamik“ unterstützt Sie beim Wiederholen des Druck-Temperatur-Zusammenhangs, der Vorgänge im Kreislauf und der Kältemittelzustände.

Die App bietet Übungen nach Thema, Übungsprüfungen mit Zeitlimit, Lernkarten, Fortschrittsverfolgung und 12 Rechner. Sie ist für iOS und Android auf Englisch, Deutsch, Französisch, Italienisch, Spanisch und Polnisch verfügbar.

Üben Sie, den idealen Kreislauf aus zwei Temperaturen zu zeichnen und den Zustand an jedem Eckpunkt zu bestimmen. Die App ist eine unabhängige Lernhilfe. Sie ist keiner Zertifizierungsstelle angeschlossen und ersetzt weder einen anerkannten Schulungskurs noch eine Prüfung.