Überblick
Die Thermodynamik erklärt die Funktionsweise von Kälteanlagen, Klimaanlagen und Wärmepumpen. Diese Grundlagen unterstützen die Vorbereitung auf das EU-Zertifikat A1 gemäß Durchführungsverordnung (EU) 2024/2215.
SI-Einheiten und Messung
- Druck: Pascal (Pa); 1 Pa = 1 N/m². Es gilt exakt: 1 bar = 100 kPa.
- Temperatur: Kelvin (K). Addieren Sie 273,15 zum Celsiuswert; 0 K = −273,15 °C. Beide Skalen haben gleich große Schritte, aber niemals gleiche Zahlenwerte.
- Energie: Joule (J). Leistung: Watt (W); 1 W = 1 J/s.
- Masse: Kilogramm (kg). Die Dichte (kg/m³) ist der Kehrwert des spezifischen Volumens (m³/kg).
Druck und Temperatur
Absolutdruck = Überdruck + Atmosphärendruck, wobei der Atmosphärendruck etwa 1,013 bar beträgt. Der Überdruck bezieht sich auf den Atmosphärendruck, der Absolutdruck auf das Vakuum. Prüfen Sie, welche Druckbezugsgröße die Druck-Temperatur-Tabellen des jeweiligen Kältemittels verwenden.
Ein höherer Druck erhöht die Sättigungstemperatur. Wird eingeschlossenes Gas bei konstantem Volumen erwärmt, steigt der Druck. Daltonsches Gesetz: Der Gesamtdruck entspricht der Summe der Partialdrücke; eingeschlossene Luft erhöht den Verflüssigungsdruck.
- Überhitzung: Dampftemperatur minus Sättigungstemperatur bei gleichem Druck. Somit gilt: −4 °C − (−10 °C) = 6 K. Sie schützt vor Flüssigkeitsschlägen; eine zu hohe Überhitzung erhöht die Verdichtungsendtemperatur und verringert die Kälteleistung.
- Unterkühlung: Sättigungstemperatur minus Flüssigkeitstemperatur. Somit gilt: 40 °C − 35 °C = 5 K. Eine stärkere Unterkühlung verringert die Flashgasbildung und erhöht die spezifische Kälteleistung.
Messen Sie Druck und Rohrtemperatur gemeinsam. Verwenden Sie bei Gemischen die Taupunkttemperatur für die Überhitzung und die Siedepunkttemperatur für die Unterkühlung. Ein thermostatisches Expansionsventil (TEV) regelt die Überhitzung am Verdampferaustritt.
Wärmeübertragung
- Wärmeleitung: durch Rohrwände.
- Konvektion: durch bewegte Luft oder Flüssigkeit.
- Wärmestrahlung: durch elektromagnetische Wellen.
Energie bleibt erhalten. Wärme fließt von selbst von wärmeren zu kälteren Körpern; um diese Übertragung umzukehren, muss bei der Kälteerzeugung Arbeit zugeführt werden. Die Entropie eines isolierten Systems nimmt bei irreversiblen Vorgängen zu und bleibt bei reversiblen Vorgängen konstant.
Der Kältekreislauf
- Verdichter: saugt überhitzten Dampf bei niedrigem Druck an; am Austritt herrschen der höchste Druck und die höchste Temperatur.
- Verflüssiger: enthitzt den Dampf, verflüssigt ihn und unterkühlt die Flüssigkeit. Die abgegebene Wärme entspricht der im Verdampfer aufgenommenen Wärme zuzüglich der Verdichtungsenergie.
- Expansionsorgan: senkt Druck und Temperatur bei annähernd konstanter Enthalpie. Ein Teil der Flüssigkeit verdampft zu Flashgas und kühlt dadurch die verbleibende Flüssigkeit ab.
- Verdampfer: nimmt Wärme hauptsächlich durch Verdampfen auf und überhitzt anschließend den Dampf.
Latente und sensible Wärme
Sensible Wärme verändert die Temperatur ohne Phasenänderung. Latente Wärme bewirkt eine Phasenänderung, bei reinen Kältemitteln unter konstantem Druck bei gleichbleibender Temperatur.
Gesättigte Flüssigkeit befindet sich am Siedepunkt; gesättigter Dampf befindet sich am Taupunkt. Zeotrope Gemische wie R-407C weisen einen Temperaturgleit auf. Leckagen können zur Fraktionierung führen und dadurch Zusammensetzung, Drücke und Kälteleistung verändern; Nachfüllen stellt die Leistung möglicherweise nicht wieder her. Füllen Sie diese Gemische flüssig ein und verhindern Sie dabei, dass Flüssigkeit in den Verdichter gelangt. Azeotrope Gemische weisen einen vernachlässigbaren Temperaturgleit auf.
Druck-Enthalpie-Diagramme
Der Druck ist auf der senkrechten Achse aufgetragen, meist logarithmisch; die spezifische Enthalpie (kJ/kg) auf der waagerechten Achse.
- Bereiche: unterkühlte Flüssigkeit links vom Sättigungsgebiet, Flüssigkeits-Dampf-Gemisch innerhalb und überhitzter Dampf rechts davon. Der Dampfanteil nimmt innerhalb des Sättigungsgebiets von links nach rechts zu.
- Verdampfung: waagerecht nach rechts; Verflüssigung: waagerecht nach links, unter Annahme eines konstanten Drucks.
- Expansion: senkrecht nach unten bei konstanter Enthalpie.
- Ideale Verdichtung: verläuft aufwärts entlang einer Kurve konstanter Entropie; reale Verdichtung erfordert mehr Arbeit.
Kreislaufeffizienz und Fehlersuche
Die spezifische Nutzkälteleistung ist die durch Verdampfung und nutzbare Überhitzung aufgenommene Wärme pro Kilogramm. Die Kälteleistung entspricht dem Massenstrom multipliziert mit dieser spezifischen Nutzkälteleistung.
COP im Kühlbetrieb = Kälteleistung ÷ Leistungsaufnahme des Verdichters. Ein COP von 3 bedeutet 3 kW Kälteleistung bei 1 kW Leistungsaufnahme. Eine höhere Verdampfungstemperatur oder eine niedrigere Verflüssigungstemperatur verbessert den COP. Druckverhältnis = absoluter Verdichtungsenddruck ÷ absoluter Saugdruck; höhere Druckverhältnisse verringern den volumetrischen Wirkungsgrad. Der SEER gewichtet die Effizienz über saisonale Teillastbedingungen hinweg.
Diese Prüfungsszenarien veranschaulichen typische Fehlerbilder; das tatsächliche Verhalten hängt von der Anlagenregelung ab:
| Fehler | Erwartete Veränderungen |
|---|---|
| Kältemittelleckage | Beide Drücke sinken; Überhitzung und Verdichtungsendtemperatur steigen; die Unterkühlung sinkt auf null. |
| TEV klemmt in geöffneter Stellung | Der Verdampfungsdruck steigt; die Überhitzung sinkt; Flüssigkeit droht den Verdichter zu beschädigen. |
| Eingeschränkter Luftstrom am Verflüssiger | Beide Drücke und die Verdichtungsendtemperatur steigen; die Unterkühlung geht verloren. |
| Eingeschränkter Luftstrom am Verdampfer | Beide Drücke und die Verdichtungsendtemperatur sinken; das TEV hält die Überhitzung aufrecht; die Unterkühlung sinkt auf null. |
Prüfungstipp: Verwenden Sie Absolutdrücke zur Berechnung von Druckverhältnissen. Geben Sie Überhitzung und Unterkühlung in K an. Bewerten Sie Druck-, Temperatur- und Luftstrommesswerte gemeinsam.
