Druck-Enthalpie-Diagramm lesen: Leitfaden zur F-Gas-Prüfung

Fragen Sie eine Gruppe von Kältetechnikern, wozu das Druck-Enthalpie-Diagramm dient, und Sie werden zwei Antworten erhalten. Die eine Hälfte wird sagen, es sei ein Planungswerkzeug für Leute am Schreibtisch. Die andere Hälfte wird leise zugeben, dass die Fehlersuche an Anlagen schneller ging, sobald sie das Diagramm verstanden hatte. Die zweite Gruppe hat recht. Das p-h-Diagramm zeigt am klarsten, was Ihr Kältemittel zwischen Verdichteraustritt und Verdampferaustritt tut. Jeder Überhitzungswert, den Sie bei der Arbeit messen, entspricht einem Punkt in diesem Diagramm — ob Sie ihn einzeichnen oder nicht.

Dieser Leitfaden erklärt Bereich für Bereich, wie das Diagramm aufgebaut ist. Er folgt dabei dem Ansatz eines bekannten Lehrmoduls zur Thermodynamik. Bauen Sie es einmal selbst auf, und Sie müssen es nie wieder auswendig lernen.

Die Achsen anlegen

Beginnen Sie mit zwei Achsen. Die senkrechte Achse zeigt den Druck, und genau hier stolpern die meisten Einsteiger:

„Beachten Sie, dass die Skala logarithmisch sein wird. Wir haben also 0,1, 1, 10 und 100, und die Druckeinheit ist bar.“

Diese logarithmische Einteilung ist bewusst gewählt. Bei einer Tiefkühl-Verbundanlage kann die Verdampfung bei 0,6 bar Absolutdruck stattfinden, während der Verdichtungsenddruck über 25 bar liegt. Auf einer linearen Skala würde der gesamte Niederdruckbereich nahe dem Ursprung zusammengedrängt. Die logarithmische Einteilung bietet auf beiden Seiten der Anlage eine brauchbare Auflösung.

Die waagerechte Achse zeigt die spezifische Enthalpie in kJ pro Kilogramm Kältemittel. Sie ist ganz normal linear eingeteilt — 0, 100, 200, 300 und aufwärts. Enthalpie ist vereinfacht gesagt der Wärmeenergieinhalt pro Kilogramm. Der waagerechte Abstand zwischen zwei Punkten im Diagramm entspricht der bei diesem Prozess übertragenen Wärme. Deshalb lassen sich Leistungen mit dem Diagramm so direkt berechnen.

Merken Sie sich für die Prüfung: Die Drücke im p-h-Diagramm sind Absolutdrücke, keine Überdrücke. Ihre Monteurhilfe zeigt den Überdruck an. Addieren Sie ungefähr 1 bar, um den Absolutdruck zu erhalten, bevor Sie den entsprechenden Punkt im Diagramm suchen.

Die Glockenkurve und die Bereiche auf beiden Seiten

Als Nächstes kommt die Form, die jeder wiedererkennt: eine nach rechts verzogene Glockenkurve in der Mitte des Diagramms.

Der linke Ast ist die Siedelinie. Jeder Punkt darauf steht für Kältemittel, das vollständig flüssig ist, aber unmittelbar vor dem Sieden steht. Links davon liegt der Bereich der unterkühlten Flüssigkeit — Flüssigkeit, deren Temperatur unter der Sättigungstemperatur beim jeweiligen Druck liegt. Diesen Zustand möchten Sie in Ihrer Flüssigkeitsleitung haben, denn unterkühlte Flüssigkeit verdampft auf dem Weg zum Expansionsorgan nicht vorzeitig.

Der rechte Ast ist die Taulinie. Ein Punkt darauf steht für 100 % Dampf ohne jede Überhitzung. Rechts davon liegt der Bereich des überhitzten Dampfes, in dem das Gas über seine Sättigungstemperatur hinaus erwärmt wurde. Dort liegen sowohl die Zustände in Ihrer Saugleitung als auch in Ihrer Druckleitung.

Die beiden Äste treffen sich oben am kritischen Punkt. Oberhalb dieses Drucks und dieser Temperatur lässt sich nicht mehr sinnvoll zwischen Flüssigkeit und Dampf unterscheiden. Das Kältemittel kann dann durch keine noch so große Druckerhöhung verflüssigt werden. Deshalb verhalten sich transkritische CO₂-Anlagen so anders als herkömmliche HFKW-Anlagen. Sie arbeiten auf der Hochdruckseite oberhalb des kritischen Punktes. Dort findet daher keine Verflüssigung statt, sondern nur Gaskühlung.

Innerhalb der Glocke liegt das Zweiphasengebiet: Flüssigkeit und Dampf existieren nebeneinander. Fast alles, was in der Kältetechnik nützlich ist, geschieht innerhalb dieser Glocke.

Temperaturlinien: Drei Bereiche, drei Verhaltensweisen

Die Temperatur verhält sich in jedem der drei Bereiche anders. Zu verstehen, warum das so ist, bringt in der Prüfung mehr Punkte, als das Bild auswendig zu lernen.

Innerhalb der Glocke verlaufen die Temperaturlinien waagerecht. Während eines Phasenwechsels sind Druck und Temperatur fest miteinander verknüpft. Diesen Druck-Temperatur-Zusammenhang nutzen Sie täglich, wenn Sie einen Manometerwert in eine Sättigungstemperatur umrechnen. Im Video werden die Temperaturen an beiden Sättigungskurven jeweils auf gleicher Höhe eingetragen:

„An der Siedelinie tragen wir -50, -40, 20, 30 und 90 ein… und auf der rechten Seite schreiben wir jeweils auf derselben Höhe -50, -40, 20, 30 und 90.“

Gleicher Druck, gleiche Temperatur — ob der Dampfgehalt 5 % oder 95 % beträgt. Die gesamte zugeführte Wärme wird für die Verdampfung genutzt, nicht für eine Temperaturerhöhung.

Im Überhitzungsbereich fallen die Linien konstanter Temperatur von der Taulinie aus ab und krümmen sich nach rechts unten. Sobald auch der letzte Tropfen verdampft ist, erhöht weitere Wärmezufuhr die Temperatur. Das ist fühlbare Wärme, und genau deren Wirkung erfassen Sie mit Ihrer Überhitzungsmessung.

Im Unterkühlungsbereich verlaufen die Linien konstanter Temperatur praktisch senkrecht. Wie im Video erläutert wird, fehlen sie in den meisten veröffentlichten Diagrammen:

„Auf der linken Seite sehen wir diese Kurven im p-h-Diagramm eigentlich nicht, aber wir zeichnen diese senkrechten Linien von den verschiedenen Temperaturwerten aus ein… dabei wird vorausgesetzt, dass senkrechte Linien, die von diesen Temperaturen ausgehen, in diesem Bereich Linien konstanter Temperatur darstellen.“

Für die Praxis bedeutet das: Die Enthalpie unterkühlter Flüssigkeit hängt fast ausschließlich von der Temperatur und kaum vom Druck ab.

Linien konstanter Entropie

Von der Taulinie aus verlaufen die Linien konstanter Entropie schräg nach rechts oben. Sie sind vor allem für einen Prozess wichtig — die Verdichtung.

Die ideale Verdichtung ist isentrop, folgt also einer dieser Linien. Im Diagramm verläuft der Verdichtungsvorgang deshalb entlang einer Linie konstanter Entropie nach rechts oben, vom Ansaugzustand bis zum Verdichtungsenddruck. Reale Verdichter arbeiten nicht isentrop. Reibung, Wärmeübertragung und Ventilverluste verschieben den tatsächlichen Verdichtungsendpunkt weiter nach rechts. Deshalb liegen reale Verdichtungsendtemperaturen über dem theoretischen Wert. Der Abstand zwischen beiden beschreibt den isentropen Wirkungsgrad der Maschine. Er erklärt auch, warum ein verschlissener Verdichter mit undichten Ventilen unter gleichen Bedingungen eine höhere Verdichtungsendtemperatur erreicht als ein intakter.

Dampfgehaltslinien: Das Zweiphasengebiet lesen

Innerhalb der Glocke fächern sich mehrere Linien vom kritischen Punkt nach unten auf. Das sind die Linien gleichen Dampfgehalts, die beispielsweise mit 10 %, 20 % und so weiter bis 90 % beschriftet sind.

„Der Dampfgehalt wird manchmal auch Trockengehalt genannt. Diese Bezeichnung finden Sie auch in einigen Aufgaben.“

Beide Bezeichnungen meinen dasselbe — den Massenanteil des Dampfes:

• 0 % Dampfgehalt = die Siedelinie. Es ist keinerlei Dampf vorhanden.
• 100 % Dampfgehalt = die Taulinie. Alles ist dampfförmig, es bleibt keine Flüssigkeit übrig.
• Alles dazwischen = ein Nassdampfgemisch. Bei 25 % Dampfgehalt ist ein Viertel der Masse dampfförmig und drei Viertel sind noch flüssig.

Hier zeigt das Diagramm seinen Nutzen bei der Fehlersuche. Wenn flüssiges Kältemittel den Verflüssiger verlässt und durch das Expansionsventil strömt, verdampft durch den Druckabfall ein Teil davon schlagartig. Dieses Flashgas liefert keine nutzbare Kühlung — es hat seine latente Wärme bereits aufgenommen. Der Punkt, an dem sich das Kältemittel nach der Expansion im Diagramm befindet, zeigt Ihnen genau, wie viel Flashgas vorhanden ist. Bei stärkerer Unterkühlung der Flüssigkeit verschiebt sich dieser Punkt nach links zu einem niedrigeren Dampfgehalt. Dadurch steht mehr Flüssigkeit zur Verdampfung im Verdampfer zur Verfügung, und bei gleichem Massenstrom steigt die Kälteleistung. Die gesamte Begründung für eine ausreichende Unterkühlung lässt sich so mit einer einzigen Linie darstellen.

Entsprechend verläuft der Verdampfungsprozess innerhalb der Glocke waagerecht von links nach rechts: von beispielsweise 20 % Dampfgehalt am Eintritt bis zu 100 % an der Taulinie. Anschließend führt er in den Überhitzungsbereich, und zwar um so viele Kelvin Überhitzung, wie das Expansionsventil einregelt.

Die Bedeutung für die Prüfung zum EU-F-Gas-Zertifikat A1

Das p-h-Diagramm gehört zum Prüfungsstoff für das EU-F-Gas-Zertifikat A1 gemäß Durchführungsverordnung (EU) 2024/2215. In der EU-Ausgabe der App betrifft es insbesondere die Themen Thermodynamik, Alternative Kältemittel und Alternativen in der Praxis mit CO₂, Ammoniak und Energieeffizienz. Das Zertifikat A1 deckt die festgelegten Tätigkeiten mit F-Gasen und Kohlenwasserstoffen an Einrichtungen unabhängig von deren Füllmenge ab.

Der Prüfungsstoff verlangt, dass Kandidaten p-h-Diagramme verwenden und interpretieren können. Folgende Anwendungen sind für die Prüfungsvorbereitung relevant:

1. Latente und fühlbare Wärme — erkennen, dass eine waagerechte Bewegung innerhalb der Glocke latenter Wärme entspricht, während Bewegungen im Überhitzungs- und Unterkühlungsbereich fühlbarer Wärme entsprechen.
2. Überhitzung und Unterkühlung — wissen, in welchem Bereich die jeweilige Größe gemessen wird und warum beide für den Schutz des Verdichters und die Kälteleistung der Anlage wichtig sind.
3. Die Auswirkungen eines erhöhten Verflüssigungsdrucks — ein zugesetzter Verflüssiger erhöht den Druck auf der Hochdruckseite. Dadurch verlängert sich die Verdichtungsstrecke, die Verdichtungsendtemperatur steigt und die nutzbare Kältewirkung sinkt.
4. Kältemitteleigenschaften — verstehen, warum sich die Diagramme für R-744, R-290 und R-134a in Form und Skalierung so deutlich unterscheiden.

Auch die Vorschriften spielen eine Rolle. Die Verordnung (EU) 2024/573 verpflichtet Betreiber, Vorkehrungen gegen die unbeabsichtigte Freisetzung von F-Gasen zu treffen und technisch sowie wirtschaftlich durchführbare Maßnahmen zur Minimierung von Leckagen zu ergreifen. Eine Anlage mit unzureichender Unterkühlung, hoher Überhitzung oder Überfüllung muss mehr leisten, läuft heißer und belastet Verbindungsstellen und Dichtungen stärker. All das erhöht das Leckagerisiko. Art. 4 verlangt, dass festgestellte Leckagen unverzüglich repariert werden. Art. 5 legt Anforderungen und Intervalle für Dichtheitskontrollen fest. Maßgeblich ist bei Gasen aus Anhang I die Füllmenge in CO2-Äquivalent und bei Gasen aus Anhang II Abschnitt 1 die Füllmasse. Wer das p-h-Diagramm versteht, erkennt ineffizienten Betrieb, bevor daraus eine Emission entsteht.

Es besteht auch ein Zusammenhang mit der Kältemittelauswahl und der Minimierung der Füllmenge. Anhang IV legt Beschränkungen für das Inverkehrbringen bestimmter Erzeugnisse und Einrichtungen fest. Anhang VII enthält den Zeitplan für die schrittweise Verringerung der HFKW-Quoten. Das Verständnis des Kreislaufs hilft Technikern, die Anlagenleistung beim Einsatz von Kältemitteln mit niedrigerem GWP und geringeren Füllmengen zu beurteilen.

Das Diagramm zur Gewohnheit machen

Sie müssen kein p-h-Diagramm im Werkzeugkasten mitführen. Entscheidend ist das Bild im Kopf, damit Sie Ihre Messwerte einordnen können:

• Saugdruck und Saugleitungstemperatur → ein Punkt im Überhitzungsbereich rechts von der Taulinie. Der waagerechte Abstand zur Kurve entspricht Ihrer Überhitzung.
• Verdichtungsenddruck und Verdichtungsendtemperatur → ein Punkt weit rechts und oben, tief im Überhitzungsbereich.
• Druck und Temperatur der Flüssigkeitsleitung → bei vorhandener Unterkühlung ein Punkt links von der Siedelinie; ohne Unterkühlung ein Punkt auf der Kurve.

Drei Messungen, drei Punkte — damit haben Sie den tatsächlichen Arbeitskreislauf praktisch skizziert. Ein Techniker, der so denkt, erkennt ein im Durchfluss eingeschränktes Expansionsventil oder einen überfluteten Verdampfer schneller als jemand, der nur Zahlen mit einer Tabelle vergleicht.

Wie F-Gas Exam Prep dabei unterstützt

Die App F-Gas Pro – A1 Exam Prep unterstützt die Vorbereitung auf die Prüfung zum EU-F-Gas-Zertifikat A1. Sie ist für iOS und Android verfügbar und bietet:

• Über 540 prüfungsnahe Fragen zu 15 Themen, darunter Thermodynamik und der Kältekreislauf.
• Übungsprüfungen mit Zeitbegrenzung, um unter Zeitvorgaben zu üben.
• Lernkarten und Übungen nach Thema, um zentrale Konzepte zu wiederholen.
• 12 Rechner zur Unterstützung technischer Berechnungen.
• Ausführliche Erklärungen zu jeder Antwort, damit Sie das zugrunde liegende Prinzip nachvollziehen können.

Bearbeiten Sie die Thermodynamikfragen mit dem Diagramm im Kopf, um die Theorie mit den Messwerten an der Anlage zu verbinden. Die App ist ein unabhängiges Lernmittel und ersetzt weder einen anerkannten Schulungskurs noch eine Prüfung.