Ratgeber
Kältemaschinen werden zur Kühlung von Gütern, Maschinen und industriellen Prozessen sowie zur Klimatisierung von Räumen genutzt. Sie funktionieren prinzipiell genauso wie Wärmepumpen, nur in umgekehrter Richtung, indem sie Wärme abführen und dadurch Kälte erzeugen.
In unserem Ratgeber erfahren Sie, wie Kältemaschinen funktionieren und worauf beim Kauf zu achten ist.
Kältemaschinen sind aus kaum einem Lebensbereich mehr wegzudenken. Sie werden im industriellen Sektor genauso wie in Unternehmensgebäuden und in Privathaushalten genutzt. Zum Einsatz kommen sie, um Güter und verderbliche Waren wie Lebensmittel oder Getränke zu kühlen oder um zu verhindern, dass schwere Maschinen oder industrielle Anlagen während des Betriebs überhitzen. Darüber hinaus werden sie begleitend zu technischen Prozessen eingesetzt, die nur innerhalb einer bestimmten Umgebungstemperatur ablaufen dürfen, und finden bei der Klimatisierung von Räumen Verwendung. Das können Mietwohnungen, Eigenheime, Gewerberäume und Betriebe, aber auch Produktions- und Werkstätten, Industriehallen und Serverräume sein.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, Kälte zu erzeugen. Abhängig davon, welche Technik zugrunde liegt, unterscheidet man spezifische Arten von Kältemaschinen.
Zu den gebräuchlichsten zählen Kompressionskältemaschinen. Sie sind häufig in Kühlschränken und in Klimaanlagen verbaut und machen sich den Effekt der Verdampfungsenthalpie zunutze, die den meisten vermutlich eher unter der umgangssprachlichen Bezeichnung Verdunstungskälte bekannt ist.
Das Grundprinzip dabei ist, dass das Verdampfen einer Flüssigkeit die Aufnahme von Energie (Wärme) erfordert. Umgekehrt wird dieselbe Menge an Energie abgegeben, wenn ein Gas sich verflüssigt. Dann spricht man von Kondensationsenthalpie.
Eine Kompressionskältemaschine beruht nun auf folgendem Funktionsprinzip: Ein Kältemittel durchläuft innerhalb eines geschlossenen Kreislaufs mehrere Aggregatzustände. Zu Beginn wird es in gasförmigem Zustand durch einen Kompressor unter hohem Druck mechanisch verdichtet und danach durch einen Wärmeübertrager (Verflüssiger) bei gleichbleibendem Druck kondensiert, also in einen flüssigen Aggregatzustand gebracht. Das kommt dadurch zustande, dass der Verflüssiger dem gasförmigen Kältemittel Wärme entzieht (Kondensationsenthalpie).
Dadurch wird es gekühlt und verflüssigt sich. Anschließend wird das Kältemittel auf einen niedrigeren Druck entspannt und durch einen zweiten Wärmeübertrager (Verdampfer) verdampft, so dass es wieder in einen gasförmigen Zustand übergeht. Das geschieht unter der Aufnahme von Wärme, die der Verdampfer aus der Umgebung zieht, wodurch diese abkühlt. Der Kreislauf beginnt dann von vorn.
Da sich das Kältemittel in einem geschlossenen System befindet, verbraucht es sich nicht. Voraussetzung dafür ist natürlich, dass das Kältesystem vollständig dicht ist.
Etwas anders als Kompressionskältemaschinen funktionieren Sorptionskältemaschinen. Hier läuft der Kreisprozess zwar äquivalent ab, das Kältemittel wird aber nicht mechanisch, sondern thermisch verdichtet. Ermöglicht wird das dadurch, dass Sorptionskältemaschinen Wärme für den Antrieb nutzen, wohingegen Kompressionskältemaschinen elektrische Energie benötigen, damit der Verdichter seine Arbeit verrichten kann. Das hat den Vorteil, dass Sorptionskältemaschinen keinen Strom verbrauchen und überall eingesetzt werden können, wo ausreichend Wärme zur Verfügung steht oder günstig zu haben ist. Das ist beispielsweise in Umgebungen der Fall, in denen Abwärme entsteht oder Fernwärme genutzt wird.
Sorptionskältemaschinen erzeugen Kälte durch die Verdampfung eines flüchtigen Kältemittels, das von einem Lösungsmittel absorbiert oder adsorbiert wird. In dem Zusammenhang werden Adsorptionskältemaschinen und Absorptionskältemaschinen unterschieden. Bei einer Absorptionskältemaschine wird ein flüssiges Lösungsmittel verwendet, in das das Kältemittel eindringt und sich auflöst. Am gebräuchlichsten sind Absorptionskältemaschinen, die Wasser als Kältemittel und Lithiumbromid (LiBr) als Lösungsmittel verwenden. Es gibt aber auch Ausführungen, die Ammoniak (NH3) als Kältemittel und Wasser als Lösungsmittel nutzen. Adsorptionskältemaschinen arbeiten dagegen mit einem festen Lösungsmittel, an dessen Oberfläche sich das Kältemittel anlagert bzw. adsorbiert oder desorbiert wird. Bei der Desorption wird Wärme zugeführt und bei der Adsorption entnommen.
Es gibt noch eine ganze Reihe weiterer Kältetechnologien, die zur Kälteerzeugung genutzt werden. So machen sich manche Kältemaschinen beispielsweise den thermoelektrischen Effekt zunutze und arbeiten mit Peltier-Elementen. Dabei handelt es sich um elektrothermische Wandler, die aus unterschiedlich dotierten Halbleitern bestehen und in der Lage sind, bei Stromfluss eine Temperaturdifferenz (Peltier-Effekt) und umgekehrt bei Temperaturdifferenz einen Stromfluss zu erzeugen (Seebeck-Effekt).
Peltier-Elemente können zur gezielten Temperatursteuerung von Objekten eingesetzt werden und je nach Stromrichtung heizen oder kühlen. Kältemaschinen mit Peltier-Elementen werden elektrisch betrieben und kommen ohne Kältemittel aus. Sie werden vorrangig zum Zweck der Temperaturstabilisierung eingesetzt, etwa bei Halbleiterlasern, Sensoren, Bilderaufnehmern in Kameras, aber auch in Kfz-Kühlboxen.
Eine weitere Kühlmethode ist die magnetische Kühlung. Grundlegend hierfür ist die Eigenschaft bestimmter Stoffe, Wärme freizusetzen, wenn sie magnetisiert werden. Man spricht in dem Zusammenhang von magnetocalorischen Stoffen. Ein Beispiel dafür sind Gadoliniumverbindungen. Bei der magnetischen Kühlung wird ein magnetocalorischer Stoff in ein Magnetfeld gebracht, woraufhin sich dieser erwärmt.
Die entstehende Wärme wird mithilfe einer Kühlflüssigkeit abgeführt, so dass der Stoff wieder auf Umgebungstemperatur abkühlt. Er verlässt das Magnetfeld und entmagnetisiert sich, wobei er Wärme aus der Umgebung aufnimmt. Der umgebende Bereich wird auf diese Weise gekühlt.
Beim Kauf einer Kältemaschine sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen. Wichtig ist zunächst einmal, dass die Kühlleistung auf den Bedarf abgestimmt ist und dass sich die Betriebskosten im Rahmen halten. Das lässt sich einschätzen, wenn man den Wirkungsgrad der Kälteanlage kennt und darauf basierend deren Wirtschaftlichkeit ermittelt. Da die Auswahl an Kältemaschinen und Kühlanlagen auf dem Markt relativ groß ist, ist es umso bedeutender, den individuellen Kühlbedarf exakt zu bestimmen, um ein geeignetes und möglichst effizient arbeitendes Gerät zu finden.
Wenn hohe Temperaturunterschiede überwunden werden müssen, muss die Kälteanlage eine entsprechend hohe Leistung aufbringen. Das resultiert meist in einer größeren Bauweise, wozu der nötige Platz zur Verfügung gestellt werden muss. Für geringe Temperaturunterscheide kann eine kleine Kältemaschine dagegen ausreichend sein. Generell gilt: Je wärmer die Umgebung, desto höher ist der Energiebedarf, der zum Kühlen aufgebracht werden muss.
Neben der Kälteleistung und dem Platzangebot ist das Betriebsgeräusch ein weiteres relevantes Kriterium. Wird die Kältemaschine in einer lärmsensiblen Umgebung eingesetzt, ist darauf zu achten, dass sich die Lautstärke der Kälteanlage im zulässigen Bereich bewegt. Anderenfalls kann es passieren, dass sich beispielsweise Mitarbeitende oder Bewohner und Bewohnerinnen gestört fühlen. Der Einsatzbereich ist auch insofern relevant, als in manchen Branchen strenge Auflagen für Klimatechnik gelten. Das ist beispielsweise im Lebensmittel-, Chemie- und Pharmaziesektor der Fall, wo hohe hygienische Standards gelten. Werden Kälteanlagen oder Klimageräte im Allgemeinen in so einem Umfeld installiert, müssen sie alle notwendigen Vorschriften erfüllen.
Je nach Anwendungszweck kann es sinnvoll sein, auf Wärmepumpen-Kältemaschinen als 2-in-1-Geräte zurückzugreifen. Solche Geräte sind in der Lage, nicht nur zu kühlen, sondern bei Bedarf auch zu heizen. Das Funktionsprinzip ist dasselbe, nur dass Wärmepumpen-Kältemaschinen einen Wärmeübertrager haben, der die Wärme der Umgebungsluft auf das Kältemittel überträgt. Der Verdichter, der das Kältemittel zum Verdampfen bringt, hebt das Temperaturniveau des Dampfes nochmals an, so dass die daraus resultierende Wärme auf das Heizsystem übertragen werden kann. Da die Abwärme des Verdichters zu Heizzwecken genutzt werden kann, fällt die Wärmeleistung von Wärmepumpen-Kältemaschinen etwas höher aus als die Kälteleistung.
Ist eine große oder permanente Kühlleistung gefordert, wie es in Rechenzentren, Serverräumen oder Industrieanlagen häufig der Fall ist, kann es sinnvoll sein, eine Kältemaschine mit einem Freikühler zu kombinieren. Bei einer freien Kühlung wird Luft als kostenlose Ressource dazu verwendet, die Kühlflüssigkeit einer Kälteanlage abzukühlen. Dadurch muss die Kühlanlage weniger Arbeit leisten, die sie ansonsten für die mechanische Kühlung aufbringen müsste. Freikühler, die über Wärmetauscher mit Lamellen oder Ventilatoren verfügen, können die erhitzte Kühlflüssigkeit rasch auf eine niedrigere Temperatur bringen. Überschüssige Wärme wird auf diese Weise abtransportiert, so dass das Kältemittel schnell weiterverwendet werden kann. Die Kombination mit einem Freikühler kann sich positiv auf den thermischen Wirkungsgrad der Kältemaschine und auf den Verbrauch von Kühlenergie auswirken, was letztlich Kosten spart.
Gibt es auch Kompressionskältemaschinen mit offenem Kältekreislauf?
Ja. Eine Alternative zu Kompressorkältemaschinen mit geschlossenem Kältekreislauf sind solche mit offenem System, die ohne Kältemittel auskommen. Sie nutzen Luft als Arbeitsmedium und eignen sich gut für Klimatisierungszwecke. Ähnlich wie bei Maschinen mit geschlossenem Kältekreislauf wird die Luft zunächst von einem Kompressor unter hohem Druck verdichtet. Dann wird sie ebenso bei hohem Druck auf Umgebungstemperatur abgekühlt und anschließend durch eine Turbine geführt, wo sie auf einen niedrigeren Druck gebracht und sofort zur Klimatisierung genutzt werden kann. Die technische Arbeit, die an der Turbine entsteht, ist für die Vorverdichtung verwendbar, was letztlich effizienter ist. Trotzdem konnten sich diese Kompressorkältemaschinen bislang nicht durchsetzen.
Was ist der Unterschied zwischen luftgekühlten und wassergekühlten Kältemaschinen?
Kältemaschinen müssen selbst gekühlt werden, um während des Betriebs entstehende Wärme aus dem Kühlkreislauf abzutransportieren. Das kann mithilfe von Luft oder Wasser geschehen. Bei luftgekühlten Kältemaschinen wird die Umgebungsluft als Kühlmedium genutzt. Diese Ausführungen sind eine gute Wahl für kleinere bis mittelgroße Anwendungen an Standorten, in denen weder zu hohe noch zu tiefe Temperaturen herrschen und das Temperaturniveau möglichst gleichbleibend ist. Sie sind aufgrund ihres einfacheren Aufbaus unkompliziert zu installieren und zu warten. Deswegen sind luftgekühlte Kältemaschinen für viele Prozesse und Anlagen die bevorzugtere, weil praktikablere Lösung. Bei wassergekühlten Kühlmaschinen wird die Wärme aus dem Kühlkreislauf an Wasser abgegeben. Solche Ausführungen sind komplexer gebaut, erbringen aber die bessere Kühlleistung, wodurch sie sich gut für größer dimensionierte Kühlaufgaben eignen bzw. für Umgebungen mit höherer Temperatur, die verhältnismäßig stark heruntergekühlt werden sollen.
Was ist ein Kaltwassersatz?
Ein Kaltwassersatz ist eine Kältemaschine, die anstelle eines Kältemittels kaltes Wasser oder ein Gemisch aus Wasser und Glykol als Kühlmedium nutzt. Solche Geräte werden auch als Flüssigkeitskühler bezeichnet. Der Zusatz von Glykol ermöglicht es, Wasser auf tiefe Temperaturen unterhalb von 0 °C herunter zu kühlen, ohne dass es gefriert. Abhängig davon, ob der Kühlkreislauf über Luft oder mithilfe von Wasser gekühlt wird, unterscheidet man in luftgekühlte und wassergekühlte Flüssigkeitskühler.
Was sind natürliche Kältemittel?
Als natürliche Kältemittel werden solche bezeichnet, die frei in der Natur vorkommen. Sie müssen aber nicht zwangsläufig aus der Natur stammen, sondern sind meist industriell hergestellt. Beispiele für natürliche Kältemittel sind Ammoniak, Wasser, Kohlendioxid sowie Kohlenwasserstoffe wie Propan und Isobutan.