Basiswissen Prinzipien der Kälteerzeugung

KÄLTETECHNIK PRINZIPIEN DER KÄLTEERZEUGUNG
BASISWISSEN
PRINZIPIEN DER KÄLTEERZEUGUNG
Verschiedene Arten der Kälteerzeugung
ABSORPTIONSKÄLTEANLAGE
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Kompressionskälteanlage
Kaltgaskälteanlage (Stirling-Prinzip)
Absorptionskälteanlage
Thermoelektrische Kälteerzeugung (Peltierelement)
Bei einer Absorptionsanlage wird Ammoniak (NH3) als Kältemittel verwendet. Wie bei einer Kompressionskälteanlage verdampft flüssiges Ammoniak in einem Verdampfer und nimmt dabei Wärme auf. Das dampfförmige Ammoniak wird danach in einem Absorber in Wasser gelöst. Die
Ammoniaklösung wird erhitzt, so dass dampfförmiges Ammoniak austritt.
Der Ammoniakdampf wird in einem Verflüssiger wieder zu flüssigem
Ammoniak kondensiert.
Vortex-Kälteerzeuger
Um eine Temperaturdifferenz zwischen Verdampfung und Verflüssigung
sicherzustellen, muss ein Druckunterschied herrschen. Dieser wird durch
eine Pumpe für die Lösung oder ein sogenanntes Hilfsgas (Wasserstoff
H2) erzeugt. Bei Verwendung des Hilfsgases kann auf eine Pumpe
verzichtet werden und die Kältemaschine besitzt keine beweglichen Teile.
Die Zufuhr der Antriebsenergie erfolgt über den Kocher rein thermisch.
Die Beheizung des Kochers kann elektrisch oder mit Gas erfolgen. Auch
die Nutzung von Abwärme oder Solarenergie ist möglich.
KOMPRESSIONSKÄLTEANLAGE
Die Kompressionskälteanlage wird zur Kälteerzeugung am häufigsten verwendet. Hier wird der Effekt
ausgenutzt, dass beim Verdampfen einer Flüssigkeit
sehr viel Wärme aufgenommen wird. Beim Kondensieren des Dampfes wird diese Wärme wieder abgeben wird.
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3
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Durch unterschiedliche Drücke beim Verdampfen
und Kondensieren können die Temperaturniveaus so
eingestellt werden, dass ein Wärmetransport von der
kalten zur warmen Seite stattfindet.
Da das Kältemittel hierbei im geschlossenen Kreis
umläuft, spricht man vom Kältekreisprozess. Anstelle
des gezeigten Kolbenverdichters können auch
Schrauben-, Scroll-, Turbo- oder Dampfstrahlverdichter eingesetzt werden.
Als Kältemittel werden leicht siedende Flüssigkeiten
wie fluorierte Kohlenwasserstoffe (FKW), Propan, CO2
oder NH3 verwendet.
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Eine Kompressionskälteanlage besteht im einfachsten Fall aus einem Verdampfer 2 in dem zu kühlenden
Raum 1, einem Verdichter 3, einem Verflüssiger 4 und einer Drossel 5.
Die Kaltgaskälteanlage entspricht dem bekannten Stirling-Motor, nur
ist die Drehrichtung umgekehrt. Damit wird der Durchlaufsinn des
Kreisprozesses umgekehrt und aus der Kraftmaschine wird eine
Arbeitsmaschine, die als Wärmepumpe arbeitet.
flüssiges Ammoniak
Wasserstoff
arme Ammoniaklösung
Wasserstoff und Ammoniakdampf
THERMOELEKTRISCHE KÄLTEANLAGE
Thermoelektrische Kälteanlagen arbeiten mit dem
Peltiereffekt. Die Funktionsweise entspricht der
Umkehrung der aus der Temperaturmessung bekannten Funktion des Thermoelements. Beim Peltierelement wird ein spezielles Halbleitermaterial verwendet.
an. Peltierelemente können daher kühlen und heizen,
sind leicht regelbar und besitzen keine beweglichen
Teile oder Flüssigkeitsfüllungen.
kalte Seite
Es können sehr tiefe Temperaturen erreicht werden,
allerdings nimmt der Wirkungsgrad mit steigender
Temperaturdifferenz stark ab.
KALTGASKÄLTEANLAGE
Die Kaltgaskälteanlage nach dem Stirling-Prinzip wird zur Erzeugung
sehr tiefer Temperaturen eingesetzt. Anwendungsfälle sind die Luftverflüssigung oder die Kühlung von Infrarotkameras.
Ammoniakdampf
reiche Ammoniaklösung
Peltierelemente werden mit Gleichstrom betrieben, die
Stromrichtung gibt die Richtung des Wärmetransports
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1
warme
Seite
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Die Kaltgaskälteanlage besteht aus einem Arbeitszylinder 6 und einem Verdrängerzylinder 7.
Im Arbeitszylinder wird das Arbeitsgas (meist Helium) abwechselnd verdichtet und expandiert. Das verdichtete,
heiße Gas gibt seine Wärme im Wärmeübertrager 4 ab. Bei der Expansion kühlt das Gas ab und nimmt auf
der kalten Seite 2 des Verdrängerzylinders Wärme aus dem zu kühlenden Raum 1 auf. Verdrängerkolben 8
und Arbeitskolben 6 werden über einen Kurbeltrieb 5 entsprechend phasenverschoben bewegt.
Der Rekuperator 3 erhöht den Wirkungsgrad.
VORTEX-KÄLTEERZEUGER
Der Vortex- oder Wirbelkälteerzeuger gehört zu den
außergewöhnlichen Kältemaschinen. Hier wird aus
einem Druckluftstrom von Raumtemperatur ein kalter
und ein heißer Luftstrom erzeugt. Die Druckluft tritt
tangential in eine Wirbelkammer ein und wird hier in
schnelle Rotation versetzt. Es bildet sich im Zentrum
des Wirbels ein kalter Luftstrom, während sich die
Außenschicht des Wirbels erwärmt. Die kalte Luft wird
in der Mitte abgezogen und kann zur Kühlung dienen.
Der Vorteil dieser Kältemaschine besteht darin, dass
sie sehr einfach aufgebaut ist, keine beweglichen Teile
besitzt, keine giftigen Betriebsstoffe und keine elektrische Versorgung benötigt. Nachteilig ist der geringe
Wirkungsgrad.
kalte Luft
heiße
Luft
Druckluft
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