Der Kältekreislauf einfach erklärt: Latente Wärme, sensible Wärme und die vier Komponenten

Das Verständnis des Kältekreislaufs ist für Fachkräfte der Kälte-, Klima- und Wärmepumpentechnik unerlässlich. Dieser Beitrag erklärt den Kompressionskältekreislauf und stellt den Bezug zu den Kenntnissen her, die für die EU-F-Gas-Prüfung für das Zertifikat A1 erforderlich sind.

 

Beginnen wir mit Wasser statt mit Kältemittel

Bevor wir uns mit Kältemittel befassen, hilft ein Blick auf etwas, das jeder kennt: Wasser.

Nehmen Sie einen Eisblock mit einer Temperatur von 31 °F. Führen Sie Wärme zu, steigt seine Temperatur auf 32 °F, und er beginnt zu schmelzen. Entscheidend ist dabei Folgendes:

Solange ein Gemisch aus Eis und Wasser vorhanden ist — selbst wenn nur noch ein winziges Eiskörnchen übrig ist — bleibt die Temperatur gleich. Der Aggregatzustand ändert sich, die Temperatur jedoch nicht.

Diese verborgene Energie, die bei gleichbleibender Temperatur aufgenommen wird, ist latente Wärme (manchmal auch als Sättigungszustand bezeichnet). Sobald das letzte Stückchen Eis geschmolzen ist und zu 100% Flüssigkeit vorliegt, lässt weitere Wärmezufuhr die Temperatur endlich steigen — auf 33 °F, 34 °F und so weiter. Diese Temperaturänderung ohne Änderung des Aggregatzustands bezeichnet man als sensible Wärme.

Dasselbe geschieht erneut am oberen Ende. Während Wasser siedet, bleibt seine Temperatur bei 212 °F. Es muss sehr viel Energie zugeführt werden, um jedes Molekül in Dampf zu überführen, doch die Temperatur verändert sich erst, wenn zu 100% Dampf vorliegt. Dann führt sensible Wärmezufuhr wieder zu einer Temperaturerhöhung.

Diese beiden Begriffe sind zentral:

• Latente Wärme — Änderung des Aggregatzustands ohne Temperaturänderung (ein gesättigtes Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf)
• Sensible Wärme — Temperaturänderung ohne Änderung des Aggregatzustands

Kältemittel verhält sich genauso. Der einzige Unterschied besteht darin, dass Ingenieure Kältemittel ausgewählt haben, die bei geeigneten Drücken und Temperaturen sieden und kondensieren. So können wir Wärme innerhalb eines Gebäudes transportieren.

 

Die vier Komponenten

Jede Anlage, an der Sie jemals arbeiten werden — ob Komfortklimatisierung, Gewerbe- oder Industriekälte oder Haushaltskühlschrank — beruht auf denselben vier Komponenten:

1. Verdichter — die Dampfpumpe, das Herzstück der Anlage
2. Verflüssiger — gibt die Wärme ab
3. Drosselorgan — senkt den Druck
4. Verdampfer — hier findet die eigentliche Kühlung statt

Teilen Sie die Anlage gedanklich in zwei Bereiche: Der Verdampfer befindet sich innerhalb des klimatisierten Raums, der Verflüssiger außerhalb. Für Ihre Kunden zählt nur, dass kalte Luft aus dem Zuluftauslass strömt — unsere Aufgabe ist es, zu verstehen, warum das geschieht.

 

Druck und Temperatur ändern sich gemeinsam

Der gesamte Kreislauf beruht auf einem Zusammenhang. Bei einem festen Kältemittelvolumen gilt: Erhöhen Sie den Druck, steigt die Temperatur; senken Sie den Druck, sinkt die Temperatur. Das ist die praktische Kernaussage des Gesetzes von Gay-Lussac und der wohl nützlichste Zusammenhang im Arbeitsalltag.

Deshalb ist Ihre Druck-Temperatur-Tabelle auch so hilfreich. Wenn das Kältemittel gesättigt ist — also tatsächlich als Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf vorliegt — lässt sich die Temperatur direkt aus dem Druck bestimmen. Schließen Sie Ihre Manometer an, lesen Sie den Druck ab, und Sie kennen die Sättigungstemperatur dieses Kältemittels. Darauf beruht die Messung von Überhitzung und Unterkühlung, die im gesamten F-Gas-Lehrplan vorkommen.

 

Dem Kältemittel durch den Kreislauf folgen

Betrachten wir eine einwandfrei arbeitende R-410A-Anlage an einem Tag mit 90–95 °F Außentemperatur.

Verdichter — erhöht den Druck. Dampf mit niedrigem Druck strömt durch die große Saugleitung ein. Der Verdichter presst diese Moleküle in eine deutlich kleinere Heißgasleitung und erhöht den Druck dabei auf etwa 340 psig. Laut Tabelle entsprechen 340 psig bei R-410A einer Sättigungstemperatur von etwa 105 °F — die Oberfläche der Heißgasleitung erreicht jedoch aufgrund der Überhitzung und der Wicklungswärme etwa 165 °F. Das ist die heißeste Stelle der Anlage.

Verflüssiger — gibt die Wärme ab. Das Heißgas ist deutlich wärmer als die 90–95 °F warme Außenluft, und Wärme fließt immer vom wärmeren zum kälteren Bereich. Betrachten Sie die drei Phasen:

• Zunächst gibt das Gas sensible Wärme ab und kühlt dabei um etwa 50 °F in Richtung Verflüssigungstemperatur ab.
• Sobald sich das erste Flüssigkeitströpfchen bildet, ist der Sättigungszustand erreicht. Der Verflüssigerventilator führt weiterhin Wärme ab, sodass immer mehr Dampf zu Flüssigkeit wird, während die Temperatur bei 105 °F bleibt — das ist die Abfuhr latenter Wärme.
• Sobald zu 100% Flüssigkeit vorliegt, setzt die sensible Abkühlung wieder ein. Die Flüssigkeit kühlt um einige weitere Grad ab, wodurch Unterkühlung entsteht (beispielsweise 95 °F gegenüber einer Sättigungstemperatur von 105 °F, also etwa 10 °F Unterkühlung).

Diese Unterkühlung ist der Nachweis, dass das Kältemittel vollständig kondensiert ist — das ist unerlässlich, weil die nächste Komponente nur mit Flüssigkeit funktioniert.

Drosselorgan — senkt den Druck. Ob feste Drosselöffnung, Kapillarrohr, TEV oder elektronisches Expansionsventil: Die Aufgabe ist immer dieselbe. Flüssigkeit unter hohem Druck wird durch eine winzige Verengung gedrückt. Der Druck sinkt und mit ihm die Temperatur. Auf der Verdampferseite beträgt der Druck jetzt etwa 118 psig — bei R-410A entspricht das etwa 40 °F. Das Kältemittel tritt als kaltes, gesättigtes Gemisch aus, das zu ungefähr 80% aus Flüssigkeit und zu 20% aus Dampf besteht.

Verdampfer — hier findet die Kühlung statt. Das Gebläse saugt warme Rückluft (beispielsweise mit 80 °F) über das 40 °F kalte Verdampferregister. Diese Wärme lässt die Flüssigkeit verdampfen:

• Solange Flüssigkeit und Dampf gleichzeitig vorhanden sind, bleibt das Register bei 40 °F — es nimmt latente Wärme auf und kühlt dadurch die Luft am Zuluftauslass auf etwa 60 °F ab.
• Sobald der letzte Tropfen verdampft ist und zu 100% Dampf vorliegt, nimmt das Kältemittel sensible Wärme auf und wird überhitzt — typischerweise um etwa 12 °F — bevor es zum Verdichter zurückströmt.

Die nutzbare Kühlwirkung entsteht, während die verbleibende Flüssigkeit im Verdampfer verdampft. Deshalb soll ein hoher Flüssigkeitsanteil in den Verdampfer eintreten — und deshalb ist es wenig sinnvoll, eine Klimaanlage an einem sehr kalten Tag zu betreiben, weil die Last möglicherweise nicht ausreicht, um diese Flüssigkeit vollständig zu verdampfen.

Die Überhitzung ist noch aus einem zweiten Grund wichtig: Der überhitzte Dampf kühlt die Verdichterwicklungen. Eine übermäßig heiße Heißgasleitung deutet oft darauf hin, dass die Anlage zu wenig Kältemittel enthält.

 

Warum das für die F-Gas-Zertifizierung wichtig ist

Die EU-F-Gas-Prüfung für das Zertifikat A1 verlangt ein Verständnis dieses Kreislaufs, das über das Benennen der Bauteile hinausgeht. Das Thema Thermodynamik in der EU-Ausgabe behandelt die oben erläuterten Grundlagen. Diese entsprechen den Kompetenzanforderungen in Anhang I der Durchführungsverordnung (EU) 2024/2215:

• Ablesen von Sättigungstemperaturen aus Druck-Temperatur-Tabellen (Thermodynamik)
• Beurteilen von Überhitzung und Unterkühlung zur Einschätzung der Kältemittelfüllmenge. Diese Prüfungen unterstützen die Wartung, ersetzen aber keine vorgeschriebenen Dichtheitskontrollen. Art. 4 behandelt die Vermeidung von Emissionen und Art. 5 die Dichtheitskontrollen gemäß Verordnung (EU) 2024/573.
• Ausreichendes Verständnis der Wärmeübertragung, um Anlagen in Betrieb zu nehmen und Fehler zu suchen, ohne Kältemittel abzulassen. Dies unterstützt die Kompetenzen zur Rückgewinnung und zum Umgang mit Kältemitteln gemäß Anhang I der Durchführungsverordnung (EU) 2024/2215

Fragen zu einer heißen Heißgasleitung, zur Unterkühlung oder zu den Gefahren beim Eintritt von Flüssigkeit in einen Verdichter prüfen die oben erläuterten Zusammenhänge. Die Prüfung für das Zertifikat A1 umfasst theoretische und praktische Prüfungen.

 

Wie F-Gas Exam Prep Sie dabei unterstützt

Die App F-Gas Pro – A1 Exam Prep unterstützt Sie bei der Vorbereitung auf die EU-F-Gas-Prüfung für das Zertifikat A1:

• Über 540 prüfungsnahe Fragen zu 15 Themen, darunter Thermodynamik.
• Übungsprüfungen mit Zeitlimit, um unter Zeitdruck zu üben.
• Lernkarten und 12 Rechner zur Unterstützung beim Lernen und bei technischen Berechnungen.
• Ausführliche Erklärungen zu jeder Antwort, damit Sie Fehler verstehen und die entsprechenden Grundlagen wiederholen können.

Nutzen Sie die themenbezogenen Übungen, um die Wärmeübertragung und die vier Komponenten zu wiederholen. Prüfen Sie anschließend Ihr Verständnis mit Übungsprüfungen mit Zeitlimit. Die App ist eine unabhängige Lernhilfe und ersetzt weder einen anerkannten Schulungskurs noch eine Prüfung.