Eine Kälteanlage hat grundsätzlich die folgenden vier Hauptkomponenten, der Kühler hat – je nach Einsatzzweck und Ausführung – noch weitere Komponenten zur Steuerung und Sicherheit:
· Kompressor
· Kondensator
· Drosselorgan
· Verdampfer
Ähnlich wie diese vier Hauptkomponenten basiert auch das Funktionsprinzip der Kälteanlage auf vier Arbeitsschritten. Im ersten Schritt saugt der Kompressor Kältemittel, das als gasförmiger Arbeitsstoff definiert werden kann, aus dem Verdampfer an. Dort wird das Kältemittel dann entsprechend verdichtet bzw. auf einen höheren Druck gebracht. Dabei entsteht Wärme, die vom Kältemittel aufgenommen wird. Im zweiten Schritt wird das nun verdichtete Gas einem Verflüssiger zugeführt, wo es bei nahezu konstantem Druck kondensiert und somit wieder gekühlt wird. Das verflüssigte Kältemittel wird zum Drosselorgan geführt, wo es in den Verdampfer eingespritzt wird. Nach dem Drosselorgan fällt der Druck ab und das Kältemittel beginnt zu verdampfen, wodurch es durch den Wechsel des Aggregatzustandes die Wärmeenergie dem Medium entziehen kann. Danach gelang das Kältemittel gasförmig zum Verdichter zurück.
Das gasförmige Kältemittel wird aus dem Saugrohr angesaugt und verdichtet. Wir saugen zum Beispiel Kältemittel mit 5 bar und 5°C an und saugen es dann an 15bar Kompression. Dabei entsteht Wärme, die vom Kältemittel aufgenommen und auf ca. 65 °C erhitzt wird. Das Kältemittel strömt nun in den Kondensator, wo das stark überhitzte Kältemittel abgekühlt wird. Da der Druck nahezu konstant bleibt, liegen wir unterhalb der Temperatur, bei der das Kältemittel kondensiert, also wieder flüssig wird. Wir können uns zum Beispiel vorstellen, dass wir bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit und Temperatur eine Flasche Wasser aus dem Kühlschrank nehmen. Kurz darauf beginnt es zu „schwitzen“ und es bildet sich Kondenswasser. Dem Kältemittel wird Wärme entzogen, bis es vollständig verflüssigt ist.
Das flüssige Kältemittel strömt zum Drosselorgan, wo der Druck von Verflüssigungsdruck auf Verdampfungsdruck reduziert wird. In unserem Beispiel von 15 bar auf 5 bar. Der Druckabfall lässt das flüssige Kältemittel entspannen.
Stellen wir uns als Beispiel einen Deo-Tank vor, in dem das Medium auch flüssig ist, sobald wir die Zerstäuberdüse öffnen, kommt das Medium als Dampf und teilweise als Flüssigkeit heraus. Die verbleibende Flüssigkeit benötigt Energie, um weiter zu verdampfen und der Umgebung Wärme zu entziehen. Wie in Schritt 3 beschrieben, strömt das Kältemittel in und durch den Verdampfer und das Flüssigkeits-Dampf-Gemisch nimmt Wärme aus der Umgebung auf. Daher können wir ein anderes Medium wie Luft kühlen. Das Saugrohr beginnt am Ende des Verdampfers und wir gehen zurück zu Schritt 1.
Der Kondensator hat die Aufgabe, die Wärme, bestehend aus der Verdampfungswärme und dem Energieeintrag während des Verdichtungsprozesses, abzuführen. Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Kondensatorausführungen.
Rohrbündelkondensator: Diese Art von Kondensator wird verwendet, wenn ausreichend Kühlwasser vorhanden ist. Es besteht aus einem horizontalen Rohrmantel, an dem Luftansaugbleche und Leitbleche zur Abstützung des Innenrohrs angeschweißt sind. Die beiden Endkappen werden mit Bolzen und Hülsen befestigt.
Das Kältemittelkondensat strömt durch den Mantelraum, während das Kühlwasser durch das Innenrohr strömt. In den Endkappen wird das Wasser durch die Leitbleche umgelenkt, die auf diese Weise den Kondensator mehrfach durchlaufen. Typischerweise sind Kondensatoren für eine Kühlwassererwärmung von 5-10 K ausgelegt.
Wenn es erforderlich oder sogar erforderlich ist, die umlaufende Wassermenge zu reduzieren, kann ein Verdunstungskondensator eingesetzt werden. Dieser Verflüssigertyp besteht aus einem Gehäuse mit eingebauter Verflüssigerschlange, Wasserverteilungsrohren, Tropfenabscheider und Ventilator. Gasförmiges Kältemittel tritt von oben in die Spule ein und tritt von unten aus.
Wasser wird durch Düsen aus einem über den Rohrschlangen montierten Verteiler auf die Rohrschlangen gesprüht, wo es in eine Auffangwanne fällt. Der Lüfter sorgt für einen starken Luftstrom nach oben. Die dafür benötigte Verdampfungswärme wird dem Kältemittel entzogen, das dann zu kondensieren beginnt.
Das Prinzip der Wasserverdunstung wird auch in sogenannten „Kühltürmen“ genutzt. Sie werden mit Rohrbündelkondensatoren verwendet. Kühlwasser wird dann zwischen den beiden Einheiten zirkuliert. Der Aufbau eines Kühlturms ähnelt im Prinzip einem Verdunstungskondensator, jedoch werden anstelle eines Kondensatorwärmetauschers Rohrschlangen verwendet
Installiert zur Tropfenabscheidung. Beim Durchströmen des Kühlturms erwärmt sich die Luft im Gegenstrom zum fallenden Wasser. Die Wärmeaufnahme erfolgt hauptsächlich durch Verdunstung eines Teils des zirkulierenden Wassers. Das verdunstete Wasser steht dem Kühlkreislauf nicht mehr zur Verfügung und muss durch zusätzliches Wasser ersetzt werden.
Luftgekühlte Kondensatoren werden in Situationen empfohlen, in denen kein Wasser zur Verfügung steht, um die Kondensatorwärme abzuführen. Aufgrund der schlechteren Wärmeübertragungseigenschaften von Luft im Vergleich zu Wasser ist hier eine größere äußere Wärmeübertragungsfläche erforderlich. Durch an den Kondensatorrohren angebrachte Lamellen oder Rippen und einen ausreichend großen Luftstrom, der von den Lüftern erzeugt wird, kann eine mit Kühlwasserbetrieb vergleichbare Leistung erreicht werden.
Diese Art von Kondensator wird üblicherweise in der gewerblichen Kühlung verwendet.
Die Aufgabe des Expansionsventils ist es, dem Verdampfer die richtige Kältemittelmenge zuzuführen. Das Kältemittel wird durch die Druckdifferenz zwischen Verflüssiger und Verdampfer zugeführt.
Die Sonde ist mit einer kleinen Menge Flüssigkeit gefüllt. Im Rest des Sensors, der Kapillare und dem Raum über der Membran, befindet sich Sattdampf mit einem der Temperatur des Sensors entsprechenden Druck. Der Raum unterhalb der Membran ist direkt mit dem Verdampfer verbunden, der Druck dort entspricht also dem Verdampfungsdruck. Die Öffnung des Ventils ist abhängig von:
· der Fülldruck über der Membran,
· Verdampfungsdruck unter der Membran
· Federdruck unter der Membran.
Im Normalbetrieb ist das eingespritzte Kältemittel vollständig verdampft, bevor es den Verdampfer verlässt. Im letzten Teil des Verdampfers wird der Sattdampf überhitzt. Daher ist die vom Fühler gemessene Temperatur gleich der Verdampfungstemperatur plus Überhitzung.
Wird zu wenig Kältemittel eingespritzt, heizt sich der Kältemitteldampf weiter auf, wodurch Temperatur und Druck im Sensor ansteigen. Dadurch biegt sich die Membrane nach unten und öffnet das Ventil entsprechend über den Druckstift. Umgekehrt nimmt die Ventilöffnung ab, wenn die Sensortemperatur abnimmt.
Es gibt viele verschiedene Versionen von thermostatischen Expansionsventilen, und viele Varianten jedes Typs werden hergestellt. Je nach Anwendung werden unterschiedliche Anforderungen an den Verdampfer gestellt. Daher gibt es verschiedene Verdampferbauformen.
Verdampfer mit natürlicher Konvektion oder „Silent Cooling“ werden aufgrund ihrer schlechten Wärmeübertragung relativ selten eingesetzt. Sie bestehen in der Regel aus Rippenrohren.
Wird der Luftstrom durch den Verdampfer durch einen Lüfter gelenkt, erhöht sich dessen Kühlleistung deutlich. Die erhöhte Luftgeschwindigkeit verbessert den Wärmeübergang von der Luft zu den Verdampferrohren, so dass bei gleicher Leistung ein kleinerer Verdampfer eingesetzt werden kann.
Zur Flüssigkeitskühlung werden verschiedene Verdampfer eingesetzt. Die einfachste Version besteht aus Spulen, die in einen offenen Tank eingetaucht sind. Am gebräuchlichsten sind jedoch geschlossene Systeme in Form von Rohrbündelverdampfern.
