Eine Kältemaschine dient der Kühlung von Räumen, Anlagen oder Gütern. Sie entzieht einem Kühlgut Wärme und gibt sie auf einem höheren Temperaturniveau an die Umgebung ab. Physikalisch wird dabei keine Kälte erzeugt, sondern Wärme abgeführt — umgangssprachlich spricht man trotzdem von Kälteerzeugung. Technisch handelt es sich meist um einen linksläufigen thermodynamischen Kreisprozess, den Kaltdampfprozess.
Eine Wärmepumpe funktioniert prinzipiell genau wie eine Kältemaschine. Der Unterschied liegt nur im Nutzen: Die Kältemaschine nutzt die kalte Seite, die Wärmepumpe die warme Seite.
Aufbau der Kompressionskältemaschine
Die Kompressionskältemaschine ist die verbreitetste Bauform — sie steckt in den meisten Kühlschränken. Ein Kältemittel zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf und durchläuft vier Bauteile:
- Verdichter (Kompressor): verdichtet den gasförmigen Dampf, der Druck und damit die Siedetemperatur steigen.
- Verflüssiger (Kondensator): ein Wärmeübertrager, in dem das Kältemittel unter Wärmeabgabe an die Umgebung kondensiert.
- Drossel: ein Expansionsventil oder Kapillarrohr, das den Druck und die Siedetemperatur absenkt.
- Verdampfer: ein zweiter Wärmeübertrager, in dem das Kältemittel bei niedriger Temperatur unter Wärmeaufnahme verdampft.
Der Prozess läuft nur weiter, solange mechanische Arbeit über den Verdichter zugeführt wird. Der Verdichter bestimmt maßgeblich Effizienz, Geräusch und Lebensdauer der Anlage; gebräuchlich sind Hubkolben-, Schrauben-, Scroll- und Turboverdichter.
Weitere Bauarten
- Absorptionskältemaschine: Die Verdichtung erfolgt nicht mechanisch, sondern durch eine temperaturbeeinflusste Lösung des Kältemittels. Antrieb ist Wärme, mechanische Arbeit wird nur für die internen Druckverluste gebraucht.
- Adsorptionskältemaschine: nutzt die bei der Adsorption in einem porösen Feststoff frei werdende Kondensationsenthalpie.
- Diffusionsabsorptionskältemaschine: arbeitet mit einem Inertgas und realisiert die Druckänderung als Partialdruckänderung. Vorteile sind der hermetisch geschlossene Druckkörper und der geräuschlose Betrieb — typisch für Camping- und Hotelkühlschränke.
- Dampfstrahlkälteanlage: eine Dampfstrahlpumpe verdunstet Wasser und kühlt damit das Medium ab.
- Joule-Thomson-Verfahren und Linde-Verfahren: Gase werden gedrosselt und kühlen sich dabei ab; mehrstufig sind sehr tiefe Temperaturen bis in die Nähe des absoluten Nullpunkts erreichbar.
- Pulsröhrenkühler: arbeitet ähnlich einem Stirlingmotor, kommt ohne mechanisch bewegte Teile im Kaltkopf aus — erreicht wurden rund 1,3 Kelvin.
- Peltier-Element: thermoelektrische Kühlung ohne Kältemittel; bei Temperaturdifferenzen von 50 bis 70 Kelvin sinkt die Kälteleistung jedoch auf null, daher werden mehrstufige Aufbauten verwendet.
- Magnetische Kühlung: nutzt den magnetokalorischen Effekt; effizienter als dampfbasierte Systeme, aber teuer wegen der benötigten Stoffe wie Gadoliniumverbindungen.
- Verdunstungskühlung: nutzt die Verdampfungsenthalpie des Wassers; adiabate oder adiabatische Kühlung. Sie ist der physikalische Kern des Schwitzens und der Nasskühltürme und wird in der Versorgungstechnik eingesetzt.
Direkte und indirekte Kühlung
Bei der indirekten Kühlung überträgt ein Kälteträger die Wärme: Er wird im ersten Wärmeübertrager durch das verdampfende Kältemittel gekühlt und nimmt im zweiten die Wärme des Kühlguts auf. Als Kälteträger dient meist Wasser, bei Frostschutz-Zusatz von Glykol spricht man von Sole. Bei der direkten Kühlung sitzt der Wärmeübertrager unmittelbar zwischen Kältemittel und Kühlgut.
Effizienz: Leistungszahl und EER
Die Effizienz wird mit der Leistungszahl angegeben. Für Kältemaschinen heißt sie meist EER (Energy Efficiency Ratio), für Wärmepumpen COP. Sie ist das Verhältnis von Kälteleistung zur eingesetzten technischen Leistung:
EER = Kälteleistung / Antriebsleistung = PK / (PH - PK)
Das theoretische Optimum ist der Carnot-Prozess; reale Anlagen erreichen ihn nur näherungsweise. Sorptionskältemaschinen mit Wärmeantrieb erreichen im Vergleich zur elektrisch angetriebenen Kompression deutlich ungünstigere Werte, was bei der Bewertung jedoch die Vorkette der Stromerzeugung berücksichtigen muss.
Von der Eismaschine zur Rechenzentrumskühlung
Die erste funktionierende Kältemaschine baute 1845 der amerikanische Arzt John Gorrie in Florida zur Eiserzeugung und Raumkühlung. Wirtschaftlich wurden Kältemaschinen in den 1870er Jahren mit den Brauereien, die zuvor Natureis in Eiskellern lagern mussten. Zu den ersten Herstellern zählte Carl von Linde.
Heute reicht die Bandbreite von Kühlschrank-Anlagen mit einigen hundert Watt Kälteleistung bis zu Großanlagen für Kühlhäuser oder die Klimatisierung von Bergwerken mit über 10 Megawatt. In Rechenzentren übernimmt typischerweise ein Kaltwassersatz die Kältebereitstellung; die anfallende Abwärme wird über Kühlturm oder Rückkühler abgeführt. Wer die Wärme nicht wegwerfen, sondern nutzen will, braucht Wärmerückgewinnung.