RP-Energie-Lexikon
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Kältemaschine

Definition: eine Maschine zur Erzeugung von Kälte, die also auch kalten Körpern noch Wärme entziehen kann

Englisch: refrigerating machine

Kategorie: Wärme und Kälte

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 28.06.2010; letzte Änderung: 14.03.2020

URL: https://www.energie-lexikon.info/kaeltemaschine.html

Eine Kältemaschine oder Kühlaggregat ist eine Maschine, die Kälte erzeugen kann. Mit anderen Worten kann sie auch einem kalten Körper noch Wärme entziehen. Da diese Wärmeenergie nicht einfach verschwinden kann, muss sie anderswo, und zwar meist auf einem höheren Temperaturniveau, als Abwärme abgegeben werden. Beispielsweise kann das Kälteaggregat eines Kühlschranks dem kalten Innenraum Wärme entziehen und diese in die wärmere Raumluft abgeben. Die Antriebsenergie der Kältemaschine wird zusätzlich als Wärme frei.

Eine Kältemaschine kann als eine Wärmepumpe betrachtet werden, bei der freilich der Aspekt der Kälteerzeugung (anders als z. B. bei einer Wärmepumpenheizung) im Vordergrund steht. In den meisten Fällen handelt es sich um eine Kompressions­wärmepumpe, bei der ein Kältemittel bei geringem Druck in einem Kondensator Wärme abgibt und bei einem stark reduzierten Druck in einem Verdampfer bei niedrigerer Temperatur aufnimmt. Ein Kompressor, der z. B. mit einem Elektromotor angetrieben wird, erzeugt diese Druckunterschiede.

Es gibt auch andere Technologien für Kältemaschinen. Teilweise basieren sie auf ähnlichen physikalischen Prinzipien wie Kompressions­kältemaschinen, jedoch gibt es auch völlig andere Funktionsprinzipien. Beispielsweise können Peltier-Elemente (aus Halbleitern bestehend) dieselbe Funktion erfüllen, und zwar ohne jegliche bewegte Teile, somit auch völlig geräuschlos. Der Aufwand an elektrischer Energie für dieselbe Kühlleistung ist jedoch tendenziell höher. Ebenfalls gibt es magnetische Kühlverfahren und die Laserkühlung für extrem tiefe Temperaturen. Ein wiederum anderer Ansatz ist die Absorptionskältemaschine, welche mit Wärme auf einem höheren Temperaturniveau (d. h. oberhalb der Umgebungstemperatur) betrieben wird. (Der Artikel über Absorptionswärmepumpen erklärt das Funktionsprinzip.) In manchen Fällen kann hierfür Abwärme von anderen Anlagen oder auch Solarwärme eingesetzt werden. Wenn Abwärme aus einem Blockheizkraftwerk verwendet wird, spricht man von Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung.

In jedem Fall braucht eine Kältemaschine für ihren Antrieb Exergie. Es kann sich um mechanische Energie handeln (bei der Kompressions­kältemaschine), um elektrische Energie (beim Peltier-Element), um Hochtemperaturwärme (bei der Absorptionskältemaschine) oder um Licht (bei der Laserkühlung).

Beispiele für den Einsatz von Kältemaschinen

Einige Beispiele für die Verwendung von Kältemaschinen sind:

  • Kühlschränke und Tiefkühltruhen
  • Raumklimageräte und zentrale Klimaanlagen für Gebäude
  • industrielle Anlagen, z. B. zur Produktion von flüssigem Stickstoff oder von Trockeneis (gefrorenem Kohlendioxid)
  • spezielle Anlagen für die Forschung, beispielsweise zur Laserkühlung von Atomen und Molekülen auf Temperaturen sehr nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt

Leistungszahl und Energieeffizienz einer Kältemaschine

Die Leistungszahl oder Leistungsziffer (auch EER = Energy Efficiency Ratio) einer Kältemaschine ist das Verhältnis von Kühlleistung und Antriebsleistung. Beispielsweise ist die Leistungszahl 4, wenn die Kühlleistung vierfach so hoch ist wie die Antriebsleistung. Die abgegebene Wärmeleistung ist dann das Fünffache der Antriebsleistung. Eine hohe Leistungszahl zeigt eine gute Energieeffizienz an. Jedoch hängt, wie weiter unten erklärt, die erreichbare Leistungszahl nicht nur von der Qualität der Kältemaschine ab, sondern auch von den Betriebsbedingungen, insbesondere von den Temperaturniveaus der Kälteerzeugung und der Abwärme. Für den Vergleich die Energieeffizienz von Klimageräten gibt es so genannte SEER-Werte, die aus EER-Werten für unterschiedliche Temperaturniveaus und unterschiedliche Auslastung des Geräts gemittelt sind. Sie sind sehr viel aussagekräftiger als nur ein EER-Wert bei Normbedingungen. Der Artikel über das Energy Efficiency Ratio erklärt die Details.

Bei Wärmepumpen ist die Leistungszahl anders definiert, nämlich als das Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung zur Antriebsleistung. Diese Kennzahl ist immer höher, da die abgegebene Wärmeleistung etwa der Summe von Kälteleistung und Antriebsleistung entspricht (nicht unbedingt genau, da etwas Wärme anderswo verloren gehen kann, etwa in den Heizkeller).

Die physikalisch maximal erreichbare Leistungszahl (für jegliche Art von Kältemaschine) ist um eins kleiner als der Kehrwert des Carnot-Wirkungsgrads, den man aus der Kühltemperatur und der Abwärmetemperatur berechnet. Reale Kältemaschinen erreichen allerdings diese physikalische Grenze meist bei Weitem nicht. Beispielsweise könnte eine ideale Kältemaschine eine Kälteleistung von 1000 W bei 10 °C und einer Abwärmetemperatur von 30 °C mit einer Antriebsleistung von lediglich 76 W erzeugen. (Die Leistungszahl wäre dann 1000 W / 76 W = 13,2.) Eine reale Kältemaschine, deren Effizienz durch diverse Verlustprozesse begrenzt wird, dürfte dafür jedoch deutlich über 100 W benötigen.

Für den energieeffizienten Betrieb von Kältemaschinen ist es essenziell, die Temperaturdifferenz zwischen Kälte und Abwärme nicht höher als unbedingt nötig werden zu lassen. Beispielsweise sollte eine Klimaanlage besser große Mengen von Luft geringfügig abkühlen als geringere Mengen sehr kalter Luft zu liefern. Ebenfalls sollte der Kondensator einer Kältemaschine möglichst gut gekühlt werden, d. h. mit einem möglichst guten Wärmeübergang zwischen Kältemittel und Kühlluft oder Kühlwasser.

Eine leider noch wenig genutzte, aber sehr energieeffiziente Technik ist es, die Kühlleistung nicht wie üblich durch thermostatisches An- und Ausschalten des Kompressors zu regeln, sondern durch eine Drehzahlregelung des Kompressors. Dies erhöht die Energieeffizienz schon deswegen, weil bei verminderter Leistung so die Temperaturgradienten im Verdampfer und im Kondensator reduziert werden.

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Siehe auch: Kälte, Kältemittel, Kälteleistung, Temperatur, Kühlschrank, Split-Klimagerät, Raumklimagerät, Klimaanlage, Wärmepumpe, Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, Leistungszahl, Energieeffizienz, Peltier-Element
sowie andere Artikel in der Kategorie Wärme und Kälte

Alles verstanden?


Frage: Wie viel Antriebsleistung braucht eine Kältemaschine mit EER = 4, um eine Kälteleistung von 8 kW zu erzeugen?

(a) 2 kW

(b) 8 kW

(c) 32 kW


Frage: Liegt die Energieeffizienz typischer Kältemaschinen nahe am physikalisch Möglichen?

(a) Ja, die Leistungszahl liegen oft schon recht nahe der Grenze, die der zweite Hauptsatz der Thermodynamik setzt.

(b) Nein, oft könnte es theoretisch auch mit weniger als halb soviel Antriebsleistung gehen.


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