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Grundlagen der kompressorbasierten Kühlung

Lytron setzt eine kompressorbasierte Kühlung für seine Kodiak Kühlgeräte und Großkühler ein. Die Grundbegriffe einer kompressorbasierten Kühlung sind nachstehend beschrieben.

Physikalisches Grundprinzip

Um die Zusammenhänge eines kompressorbasierten Kühlsystems zu verstehen, sind drei physikalische Phänomene zu beachten:

  1. Wenn Gas komprimiert wird, erhöht sich die Temperatur. Umgekehrt senkt sich die Temperatur, wenn es sich ausdehnt. Dies ist eine der Ableitungen des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik.
  2. Die Temperatur einer reinen Flüssigkeit bleibt beim Sieden oder Verdampfen konstant. Wir alle kennen dieses Phänomen aus der Küche. Wenn Sie die Temperatur von kochendem Wasser messen, bleibt die Temperatur konstant bei 100 oC, solange flüssiges Wasser vorhanden ist. Auch bei der Kondensation von Gasen bleibt die Systemtemperatur solange konstant, bis das gesamte Gas in Flüssigkeit umgewandelt wurde.
  3. Letztendlich ist ein beträchtlicher Energieaufwand erforderlich, um den Aggretgatzustand einer Flüssigkeit zu ändern. Mit anderen Worten, es ist mehr Energie erforderlich, um eine bestimmt Wassermenge zu verkochen, als dieselbe Wassermenge von 0 oC auf 100 oC zu erhitzen. Dies bedeutet, dass beim Phasenwechsel eine beträchtliche Energiemenge gespeichert und dann wieder freigegeben werden kann.

Der Kühlkreislauf

Wie der Name schon besagt, ist der Kühlkreislauf ein geschlossener Vorgang. Das Kühlmittel bewegt sich vom Kompressor zum Kondensator, über ein Regelgerät zu einem Verdampfer und dann wiederholt sich der Kreislauf (siehe Abbildung 1).

 Abbildung 1 illustriert Komponenten eines auf einem Kompressor basierendem Kühlsystems

Ein Kompressor macht genau das, was sein Name schon aussagt: er komprimiert das Kühlmittel. Vom Verdampfer kommt Niederdruckgas am Kompressor an, der dieses in Hochdruckgas umwandelt. Wie schon an anderer Stelle erwähnt, steigt beim Komprimieren von Gas die Temperatur an.

Das Kühlmittel wird dann als heißes Gas zum Verdampfer weitergeleitet. Der Kondensator ist ein Wärmetauscher, der mit einer kälteren Flüssigkeit, normalerweise Umgebungsluft, das Kühlmittel abkühlt. Während das Kühlmittel durch den Wärmetauscher fließt, kondensiert es zu einer heißen Flüssigkeit. Das flüssige Kühlmittel verlässt den Kondensator und fließt zum Regelgerät des Systems.

Das Regelgerät kann ein Reglerventil oder ein Kapillarrohr sein und sorgt für einen Druckabfall. Wie schon zuvor erwähnt, sinkt bei zunehmendem Druck der Siedepunkt von Flüssigkeiten. Ein Teil der Kühlflüssigkeit verdampft und die Temperatur des Flüssigkeit-Gas-Gemisches fällt. Das kalte Kühlmittel fließt dann zum Verdampfer.

Der Verdampfer ist ein weiterer Wärmetauscher, über den Wärme zwischen dem Medium, das gekühlt werden soll, der sogenannten Wärmequelle, und dem Kühlmittel fließen kann. Die Wärmequelle in einem Kühler ist die Kühlflüssigkeit, die in das Gerät fließt. Das Kühlmittel tritt als Gas-Flüssigkeitsgemisch mit niedriger Temperatur in den Verdampfer ein. Die Temperatur der Wärmequelle ist hier mit Absicht immer höher als der Siedepunkt des Kühlmittels. Im Verdampfer verdampft das Kühlmittel durch die Aufnahme von Wärme von der Wärmequelle. Gemäß dem "zweiten physikalischen Grundprinzip" bleibt die Temperatur des Kühlmittels während des Verdampfens konstant. Das Kühlmittel verlässt den Verdampfer als ein Gas, tritt in den Kompressor ein und der Kreislauf beginnt von vorne.

Diesen Vorgang haben wir selbstverständlich sehr vereinfacht dargestellt. Wenn Sie weitergehende Informationen wünschen, empfehlen wir ein Buch mit technischen Grundlagen der Thermodynamik, wie z. B. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics von J.M Smith, H.C. Van Ness, M.M. Abbott, Mcgraw-Hill Chemical Engineering Series, 1996.