Kältetechnik: Grundlagenwissen
Grundlagenwissen
Kältetechnik
Philipp Bruck M. Sc., TARA Ingenieurbüro Bremen
21.06.2018 1
Kältetechnik: Grundlagenwissen
Unsere Leistungen
✓ Energieberatung
✓ Energiemanagementsysteme
✓ Energieaudits
✓ Energieeffizienznetzwerke
✓ Klimaschutz für Unternehmen
✓ Energieeffizienzgutachten
✓ Energiechecks
✓ Fördermittelberatung
✓ Vorträge
✓ Seminare
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Kältetechnik: Grundlagenwissen
Gliederung
1. Einführung
2. Wie funktionieren
Kompressionskältemaschinen?
3. Komponenten von
Kompressionskältemaschinen
4. Wie funktionieren Sorptionskältemaschinen?
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Kältetechnik: Grundlagenwissen
Wofür brauche ich überhaupt „Kälte“?
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Kühlung von
Lebensmitteln
Maschinenbau/
Kühlung
Klimatisierung
(inklusive IKT)
Kältetechnik: Grundlagenwissen
Wie funktionieren Kältemaschinen?Beispiel Kompressionskältemaschine
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Kältemittelkreislauf
zweigeteilt:
▪ „Kalte“ Seite bei niedrigem
Druck und geringer
Temperatur (unten)
▪ „Warme“ Seite bei hohem
Druck und hoher
Temperatur (oben)
Ko
mp
ress
or
Dro
ssel
Kondensator
Verdampfer
Umgebung
Kühlobjekt
Wärme
Wärme
Kältemittel
Kältetechnik: Grundlagenwissen
Wie funktionieren Kältemaschinen?Beispiel Kompressionskältemaschine
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▪ Verdampfer: nimmt
Umgebungswärme auf niedrigem
Temperaturniveau auf
Ko
mp
ress
or
Dro
ssel
Kondensator
Verdampfer
Umgebung
Kühlobjekt
Wärme
Wärme
Kältemittel
Kältetechnik: Grundlagenwissen
Wie funktionieren Kältemaschinen?Beispiel Kompressionskältemaschine
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▪ Kompressor/Verdichter:
verdichtet unter Einsatz
elektrischer Energie das
Kältemittel und bringt es damit
auf höhere Temperatur
Ko
mp
ress
or
Dro
ssel
Kondensator
Verdampfer
Umgebung
Kühlobjekt
Wärme
Wärme
Kältemittel
Kältetechnik: Grundlagenwissen
Wie funktionieren Kältemaschinen?Beispiel Kompressionskältemaschine
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▪ Kondensator/Verflüssiger: gibt
Wärme an Umgebung/Nutzung ab
Ko
mp
ress
or
Dro
ssel
Kondensator
Verdampfer
Umgebung
Kühlobjekt
Wärme
Wärme
Kältemittel
Kältetechnik: Grundlagenwissen
Wie funktionieren Kältemaschinen?Beispiel Kompressionskältemaschine
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▪ Drossel/Expansionsventil:
entspannt das Arbeitsmedium,
wodurch es wieder abkühlt
Ko
mp
ress
or
Dro
ssel
Kondensator
Verdampfer
Umgebung
Kühlobjekt
Wärme
Wärme
Kältemittel
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Physikalische Grundlagen 1:Siedepunkt ist druckabhängig
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Qu
elle: W
ikim
edia
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mon
s, g
em
ein
frei.
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Physikalische Grundlagen 2:Phasenübergang ist energieaufwendig
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-50
0
50
100
0 200 400 600 800 1000
Tem
pera
tur
/ °C
Enthalpie / Wh/kg
93 116 627
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Gliederung
1. Einführung
2. Wie funktionieren
Kompressionskältemaschinen?
3. Komponenten von
Kompressionskältemaschinen
4. Wie funktionieren Sorptionskältemaschinen?
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KreisprozessKompressionskältemaschine
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▪ Verdampfer: nimmt
Umgebungswärme auf niedrigem
Temperaturniveau auf
▪ Kompressor/Verdichter:
verdichtet unter Einsatz
elektrischer Energie das
Kältemittel und bringt es damit
auf höhere Temperatur
▪ Kondensator/Verflüssiger: gibt
Wärme an Umgebung/Nutzung ab
▪ Drossel/Expansionsventil:
entspannt das Arbeitsmedium,
wodurch es wieder abkühlt
Ko
mp
ress
or
Dro
ssel
Kondensator
Verdampfer
Umgebung
Kühlobjekt
Wärme
Wärme
Kältemittel
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Kreisprozess Kompressionskältemaschine
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Tem
pera
tur
(lo
g.)
HeißdampfNassdampf
flüssig gasförmig„gemischt“
Enthalpie
flüssig
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KreisprozessKompressionskältemaschine
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Tem
pera
tur
(lo
g.)
HeißdampfNassdampf
2
3
4
12
34
1Kühlobjekt
Umgebung
Kühlobjekt
Ko
mp
ress
or
Dro
ssel
Kondensator
Verdampfer
Umgebung
Enthalpie
flüssig
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KreisprozessKompressionskältemaschine
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Dru
ck (
log
.)
Enthalpie
flüssig HeißdampfNassdampf
2
3
2
34
1
Umgebung
Kühlobjekt
Ko
mp
ress
or
Dro
ssel
Kondensator
Verdampfer
4
1
Wärmeleistung ሶ𝑄c
Kälteleistung ሶ𝑄0 El. Leistung 𝑃el
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Gliederung
1. Einführung
2. Wie funktionieren
Kompressionskältemaschinen?
3. Komponenten von
Kompressionskältemaschinen
4. Wie funktionieren Sorptionskältemaschinen?
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Verdampfer
▪ Ziel:
› Dem zu kühlenden Medium Wärme entziehen
(und dem Kältemittel zuführen).
▪ Direktes vs. indirektes System:
› Bei indirektem System zur Verdampfung drittes Medium
zwischengeschaltet (zwischen zu kühlendes Medium und
Kältemittel), z. B. Wasser-Glykol-Gemisch
▪ Bauarten:
› Flüssigkeitskühlung: Rohrbündel-, Plattenwärmeübertrager
› Luftkühlung (mit/ohne Ventilator)
› Eisspeicher (Latentwärmespeicher)
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Verdichter/Kompressor
▪ Ziel:
› Dampfförmiges Kältemittel bei niedrigem Druck und niedriger
Temperatur aus dem Verdampfer absaugen
› Verdichten und dadurch auf höhere Temperatur und höheren
Druck bringen
▪ Bauarten:
› Hubkolbenverdichter
› Rotationskolbenverdichter:
Schrauben-, Scroll-, Turboverdichter usw.
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Kältetechnik: Grundlagenwissen
Verdichter: Hubkolbenverdichter
▪ Funktionsweise „wie Fahrradpumpe“
▪ Bauarten: Antrieb innerhalb oder außerhalb des (mit Kältemittel
gefüllten) Gehäuses?
› offen (selten)
› halbhermetisch (häufig in der Klimatechnik)
› vollhermetisch (insb. Kühlmöbel)
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Kältetechnik: Grundlagenwissen
Verdichter: Rotationsverdichter
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▪ Vorteile: nur drehende Bewegung, keine Ventile, stufenlose
Drehzahlregelung
▪ Bauarten:
› Schraubenverdichter (einrotorig/zweirotorig)
Grafik: Wikimedia Commons, user
Motorhead, CC BY-SA 2.5.
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Verdichter: Rotationsverdichter
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▪ Vorteile: nur drehende Bewegung, keine Ventile, stufenlose
Drehzahlregelung
▪ Bauarten:
› Scrollverdichter/Spiralverdichter:
eine fixe, eine rotierende Spirale rollen ineinander
Grafik: Wikimedia Commons, gemeinfrei
Kältetechnik: Grundlagenwissen
Verdichter: Rotationsverdichter
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▪ Vorteile: nur drehende Bewegung, keine Ventile, stufenlose
Drehzahlregelung
▪ Bauarten:
› Turboverdichter: Funktionsprinzip „umgekehrte Turbine“
Grafik: Wikimedia Commons, gemeinfrei
Kältetechnik: Grundlagenwissen
Verdichter: Übersicht
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Bauart
Kälte-
leistung
von … bis …
Vollhermetische Hubkolbenverdichter 50 kW
Halbhermetische Hubkolbenverdichter 300 kW
Offene Hubkolbenverdichter 1 MW
Schraubenverdichter 200 kW 1 MW
Scrollverdichter < 1 MW
Turboverdichter 350 kW 30 MW
Absorptionsverdichter (thermisch) 15 kW 6 MW
Angaben: SIEMENS; eigene Recherchen.
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Verflüssiger/Kondensator
▪ Ziel:
› Wärmeentzug der Energie, die bei Verdampfen und Verdichten
zugeführt wurde.
▪ Wärmesenke:
› Heizsystem (Wärmepumpe)
› Wärmerückgewinnung/Abwärmenutzung
› Umgebungsluft
▪ Bauarten entsprechend:
› Wassergekühlte Verflüssiger, z. B. Rohrbündelwärmeübertrager
› Luftgekühlte Verflüssiger, z. B. statisch belüftet (wie beim
Kühlschrank) oder mit Ventilator (Klimasplitgeräte)
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Kältetechnik: Grundlagenwissen
Expansionsventil
▪ Ziel:
› Kältemittel auf niedrigeren Druck und niedrigere Temperatur
bringen
› Menge des Kältemittels zum Verdampfer steuern
▪ Bauarten:
› Thermostatisches Expansionsventil
› Elektronisches Expansionsventil
› Überhitzung im Verdampfer wird laufend gemessen.
› Regler sorgt durch Kältemittelmenge für höchstmögliche
Verdampfungstemperatur und damit möglichst geringe
Überhitzung.
› Dadurch höhere Leistungszahlen insb. im Teillastbereich.
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Kältetechnik: Grundlagenwissen
Kältemittelleitungen
▪ Dichtigkeit des Systems (hohe Drücke, entweichende Kältemittel)
▪ Dämmung der Leitungen
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Gliederung
1. Einführung
2. Wie funktionieren
Kompressionskältemaschinen?
3. Komponenten von
Kompressionskältemaschinen
4. Wie funktionieren Sorptionskältemaschinen?
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Kältetechnik: Grundlagenwissen
KreisprozessAbsorptionskältemaschine
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Ko
mp
ress
or
Dro
ssel
Kondensator
Verdampfer
Kältemittel
Kältetechnik: Grundlagenwissen
KreisprozessAbsorptionskältemaschine
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Dro
ssel
Kondensator
Verdampfer Absorber
Au
stre
iber
mit
Rekti
fikati
on
„thermischer Verdichter“
mit Kältemittel
angereichertes LösungsmittelKältemittel
Lösungsmittel
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KreisprozessAbsorptionskältemaschine
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Dro
ssel
Kondensator
Verdampfer Absorber
Au
stre
iber
mit
Rekti
fikati
on
Lösungsmittel
Kältemittel mit Kältemittel
angereichertes Lösungsmittel
„thermischer Verdichter“
Kältetechnik: Grundlagenwissen
KreisprozessAbsorptionskältemaschine
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Dro
ssel
Kondensator
Verdampfer Absorber
Au
stre
iber
mit
Rekti
fikati
on
Lösungsmittel
Kältemittel mit Kältemittel
angereichertes Lösungsmittel
Kühlen
Heizen
Rückkühlen
Rückkühlen
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Absorptionskältemaschinen
▪ Einsatzbereiche ab 15 kW, bis > 5 MW
▪ Lohnen sich (nur), wenn viel ungenutzte Abwärme (> 70 °C) zur
Verfügung steht.
▪ Weitgehend geräuschloser, vibrationsfreier Betrieb
▪ Kombination mit Kompressionskälte (für Spitzenlast) möglich
▪ Häufigste Arbeitsstoffpaare:
› Kältemittel Wasser, Lösungsmittel Lithiumbromid (LiBr)
(insbesondere für Klimakälte, sehr geringe Drücke)
› Kältemittel Ammoniak (NH3), Lösungsmittel Wasser
(insbesondere für TK-Anwendungen)
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Kältetechnik: Grundlagenwissen
Adsorptionskältemaschinen
▪ Adsorption = Anlagerung an einen Feststoff
▪ Weil Feststoff nicht umgewälzt werden kann: diskontinuierlicher
Prozess in zwei Phasen:
› Adsorption & Verdampfung
› Desorption & Kondensation
▪ Damit auch als Kältespeicher geeignet
▪ Vorteil: Antriebstemperaturen für Desorption um 60 °C
▪ Nachteile: Geringe Wärmeverhältnisse (Arbeitszahl), hohe
Investitionskosten, hohes Gewicht
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Kältetechnik: Grundlagenwissen
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Philipp Bruck, M. Sc.
TARA Ingenieurbüro Bremen
Geschäftsführung: Dr.-Ing. Anne Schierenbeck
Parkstraße 10, 28209 Bremen
Tel. 0421 – 346 8815
www.tara-bremen.de