Kühlschrank und Gefrierschrank: Die Funktionsverfahren

Kühlschrank und Gefrierschrank: Die Funktionsverfahren

 

Kühl- und Gefriergeräte haben die Aufgabe, in ihrem Innenraum eine gegenüber der Umgebung niedrigere Temperatur zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Bei einer Innentemperatur von 0 ºC bis + 8 ºC dienen Kühlschränke zur kurzfristigen Lagerung von verderblichen Waren, während Gefrierschränke bei Temperaturen unter - 18 ºC zum Gefrieren und langfristigen Lagern von Gefriergut und Tiefkühlkost eingesetzt werden.

 

 Kühlvorgang

 

Dem Kühlvorgang der Geräte liegen verschiedene physikalische Gesetzmäßigkeiten zugrunde:

 

Jede Flüssigkeit nimmt beim Übergang vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand Wärme auf (wird erhitzt) und gibt diese beim Übergang vom dampfförmigen in den flüssigen Zustand wieder ab. Während des Verdampfungsprozesses bleibt die Temperatur der Flüssigkeit konstant. Unter Druck steigt diese Temperatur (Siedetemperatur) an, eine Druckminderung bewirkt ein Absinken der Temperatur.

 

Die in Kühl- und Gefriergeräten eingesetzten Flüssigkeiten bezeichnet man als Kältemittel (z. B. Ammoniak, Kohlenwasserstoffe). Ihr Siedepunkt liegt bei normalem Atmosphärendruck (1013 hPa = 1,013 bar) zwischen etwa - 100 ºC und + 25 ºC. Sie werden in einem Kreislauf geführt und die o. a. Eigenschaften genutzt. Das Kältemittel wird durch Aufnahme von Wärme aus dem Kühlschrankinneren erhitzt und der entstehende Dampf verdichtet, d. h., der Druck wird erhöht. Aufgrund der Druckerhöhung verflüssigt sich der Dampf unter Abgabe von Wärme an die Umgebung. Der Druck des wieder flüssigen Kältemittels wird gedrosselt, und der Prozess kann neu beginnen. Die heute üblichen Verfahren bei Kühl- und Gefriergeräten sind das Kompressions- und das Absorptionsverfahren. Sie unterscheiden sich in der Druckerzeugung im Kältemittelkreislauf.

 

 Kompressionsverfahren

 

Die eigentliche Kälteerzeugung findet im Verdampfer statt, wo das Kältemittel bei niedrigem Druck verdampft und der Umgebung (im Gefrierfach) Wärme entzieht. Der Dampf wird vom Kompressor angesaugt und auf den Kondensator-(Verflüssiger)druck verdichtet. Im Kondensator wird der verdichtete Dampf unter Wärmeabgabe an die Umgebung verflüssigt. Das Kältemittel strömt anschließend durch ein Drosselorgan (Kapillarrohr), welches den Druckausgleich zwischen Kondensator und Verdampfer verhindert und in dem das Kältemittel auf den niedrigen Druck entspannt wird. Das flüssige Kältemittel fließt zurück in den Verdampfer. Die Innentemperatur des Kühl- bzw. Gefrierschranks wird von einem Temperaturregler konstant gehalten, über den der Kompressormotor ein- bzw. ausgeschaltet wird.

 

 Absorptionsverfahren

 

Unter Absorption versteht man das Auflösen eines Dampfes oder Gases in einer Flüssigkeit. Kühlgeräte, die nach diesem Verfahren arbeiten, enthalten das Kältemittel Ammoniak, das vom Wasser leicht aufgenommen (absorbiert) wird. Der Druck wird hier durch Erhitzen eines mit stark ammoniakhaltigem Wasser gefüllten Kochers erzeugt. Das Ammoniak dampft aus, und das Wasser bleibt zurück. Im kontinuierlich arbeitenden Ausdampfungsprozess steigt der Druck so lange an, bis der Ammoniakdampf im Verflüssiger kondensiert und die aufgenommene Wärme abgibt. Wie beim Kompressionsverfahren strömt das Kältemittel durch ein Drosselorgan und nimmt im Verdampfer (Gefrierfach) bei niedrigem Druck wieder Wärme auf. Das schwach ammoniakhaltige und noch warme Wasser aus dem Kocher läuft über einen Wärmeaustauscher, wo es einen Teil seiner Wärme abgibt, in den Absorber. Hier nimmt es den reinen Ammoniakdampf, der aus dem Verdampfer strömt, wieder auf und sättigt sich ab. Eine kleine Umwälzpumpe fördert die entstandene Ammoniaklösung über den Wärmetauscher in den Kocher zurück.

 

Absorberkühlgeräte sind kompakt und durch den fehlenden mechanischen Kompressor relativ geräuschlos. Sie werden daher vorwiegend als Kleingeräte gebaut und z. B. beim Camping eingesetzt.

 

 Rechtliche Entwicklungen

 

Bis 1995 wurden als Kälte- und Isoliermittel Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) und Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) verwandt. Aufgrund der stark ozonschädigenden Wirkung und der Entstehung des »Treibhauseffektes« dürfen diese Kohlenwasserstoffe nicht mehr eingesetzt werden. Durch weitere Entwicklungsmaßnahmen, z. B. stärkere Isolierung, Abtauautomatik, Spartasten bei halber Beladung, konnte in den letzten Jahren der Energieverbrauch von Kühlgeräten deutlich vermindert werden. Im Laufe des Jahres 1997 sollten zudem alle Kühl- und Gefriergeräte in Deutschland mit dem Eurolabel gekennzeichnet werden, welches die Geräte in Energieeffizienzklassen von A bis G einteilt.