Der Kaltdampfprozess ist ein linksläufiger Kreisprozess, der die Zustandsänderungen eines Kältemittels idealisiert nachbildet. Er beschreibt, was in jeder Kompressions-Kältemaschine und in jeder Kompressionswärmepumpe physikalisch abläuft. Der Name grenzt ihn von Kaltluftmaschinen ab, die Luft als Arbeitsmittel nutzen: Beim Kaltdampfverfahren verdampft und kondensiert das Arbeitsmittel, es wechselt also seinen Aggregatzustand.
Die vier Zustandsänderungen
Das Kältemittel durchläuft im Kreis vier Schritte:
- Verdampfen: Bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur nimmt das Kältemittel im Verdampfer Wärme auf. Hier findet die eigentliche Kälteerzeugung statt.
- Verdichten: Der Verdichter hebt den Druck an. Mit dem Druck steigt die Siedetemperatur, der Dampf wird heißer.
- Verflüssigen: Im Verflüssiger gibt das Kältemittel die aufgenommene Wärme plus die Antriebsenergie an die Umgebung ab und kondensiert.
- Entspannen: Über eine Drossel — Expansionsventil oder Kapillarrohr — fällt der Druck ab, die Siedetemperatur sinkt, und der Kreislauf beginnt von vorn.
Merksatz zur Reihenfolge: verdampfen, verdichten, verflüssigen, entspannen. Die Kälteerzeugung findet ausschließlich im Verdampfer statt.
Warum das Kältemittel verdampft und nicht verdunstet
Ein geschlossener Kältekreis verdampft das Kältemittel vollständig im Verdampfer und verflüssigt es vollständig im Verflüssiger. Zwischen Verdampfer und Verdichter liegt meist eine Überhitzungsstrecke, damit kein flüssiger Tropfen in den Verdichter gelangt — dieser könnte Schäden durch Flüssigkeitsschlag verursachen. Im Verdampfer wird deshalb der Zustandspunkt im Nassdampfgebiet nach rechts, also in Richtung gesättigter oder überhitzter Dampf, verschoben; der Verdichter saugt nur gasförmiges Kältemittel an.
Kaltdampf und Umgebungstemperatur
Entscheidend ist die Druckabhängigkeit der Siedetemperatur: Das Kältemittel verdampft bei niedrigem Druck schon bei wenigen Grad Celsius oder darunter und verflüssigt bei hohem Druck bei 30 bis 50 Grad Celsius — also bei Temperaturen, die über der Umgebungstemperatur liegen. Nur dadurch kann Wärme überhaupt an die Umgebung abgegeben werden, obwohl das Kühlgut kälter ist als diese.
Ein Grenzfall ist der Betrieb im überkritischen Bereich: Bei Kohlenstoffdioxid (R-744) liegt der kritische Punkt so niedrig, dass die Wärmeabgabe oberhalb davon nicht mehr als Kondensation, sondern als Gasabkühlung stattfindet.
Effizienz des Kreisprozesses
Die Effizienz beschreibt die Leistungszahl. Die technische Leistung P entspricht der Differenz zwischen der abgeführten Wärmeleistung PH und der aufgenommenen Kälteleistung PK:
EER = PK / P = PK / (PH - PK)
Der Carnot-Prozess bildet den Kälteprozess mit der höchsten Leistungsziffer und dient als theoretischer Vergleichsmaßstab; reale Anlagen erreichen ihn nur annähernd, weil die Zustandsänderungen technisch nicht ideal umsetzbar sind. Bei Wärmepumpen kehrt sich die Betrachtung um: Die genutzte Größe ist das Verhältnis von Heizleistung zu Antriebsleistung (COP) — im Jahresmittel die Jahresarbeitszahl.
Kaltdampf, Absorption und Verdunstung
Der Kaltdampfprozess beschreibt den mechanisch angetriebenen Kompressionsprozess. Die Absorptionskältemaschine nutzt dagegen eine temperaturbeeinflusste Lösung statt eines Verdichters und wird mit Wärme angetrieben. Gänzlich ohne Kreisprozess kommt die direkte Verdunstungskühlung aus: Dort wird Wasser verdunstet, und die dafür benötigte Verdampfungsenthalpie kühlt das Medium — zum Beispiel beim Kühlturm oder bei der freien Kühlung. In Rechenzentren folgt die Kälteversorgung diesem Schema: Der Kaltwassersatz stellt Kälte bereit, die Kosten dieser Kette bewertet die Carbon Usage Effectiveness.