4.1 Kühl- und Gefriertechnik

Zum Erreichen der notwendigen Temperaturen zum Kühlen und Gefrieren müssen den Lebensmitteln und dem Geräteinnenraum Wärme entzogen werden. Dazu macht man sich die Eigenschaft von Flüssigkeiten zunutze, die unter dem Einfluss von Wärme verdampfen, d. h. in den gasförmigen Zustand übergehen. Die in Kühl- und Gefriergeräten eingesetzten Flüssigkeiten verdampfen bei niedrigen Temperaturen und werden daher als "Kältemittel" bezeichnet. Eingesetzt werden Fluor-Kohlen-Wasserstoffe, Kohlen-Wasserstoffe und Ammoniak. Das Kältemittel zirkuliert in einem geschlossenen Rohrsystem. Es gibt zwei Möglichkeiten der Kälteerzeugung in Kühl- und Gefriergeräten: das Kompressionssystem und das Absorptionssystem.

Bild: Systeme der Kälteerzeugung.

4.1.1 Kompressionssystem

Zum Kompressionssystem gehören die Bauteile Verdampfer (Kälteerzeuger), Verdichter (Kompressor), Verflüssiger (Kondensator) und Drosselorgan.

Bild: Kältemittelkreislauf beim Kompressionssystem.

In Kühl- und Gefriergeräten wird dem Innenraum am Verdampfer Wärme entzogen. Der Verdampfer besteht aus zwei verbundenen, z. T. lackierten Aluminiumblechen, in denen Kanäle verlaufen, oder aus Rohren, in denen sich das Kältemittel befindet. Verdampfer gibt es in verschiedenen Ausführungsformen: Flach-Verdampfer, Winkel-Verdampfer, U-Verdampfer oder Kompakt-Verdampfer.

  • Der Flach-Verdampfer
ist plattenförmig und parallel zur Geräterückwand angeordnet. Teilweise ist er in die Rückwand eingeschäumt (integrierter Verdampfer).
  • Der Winkel-Verdampfer
ist L-förmig angeordnet. Er umgibt den Boden und die Rückwand des Verdampferfachs bzw. des untersten Gefrierschubfachs.
  • Der U-Verdampfer
umgibt U-förmig den Boden und die Seitenwände von 1-Stern-Verdampferfächern/ Eiswürfelfächern.
  • Beim Kompakt-Verdampfer
Bei Geräten mit Umluft-Kältesystem (No-Frost) ist er über oder hinter dem Geräteinnenraum zwischen Innen- und Außengehäuse angeordnet.

Im Verdampfer verdampft das Kältemittel bei niedrigem Druck und entzieht dabei dem Innenraum des Gerätes und den Lebensmitteln die zum Verdampfen erforderliche Wärme. Damit im Verdampfer fortwährend Kältemittel unter Aufnahme von Wärme verdampfen kann, muss das entstehende gasförmige Kältemittel weiter transportiert werden.

Dies ist die Aufgabe des Verdichters, der im Sockelbereich angeordnet ist. Der Kompressor saugt das verdampfte Kältemittel über ein Ventil aus dem Verdampfer ab und verdichtet (komprimiert) es. Dadurch steigt die Temperatur des dampfförmigen Kältemittels an. Die Temperaturerhöhung schafft die erforderliche Temperaturdifferenz zwischen Verflüssiger und Umgebungsluft. Dies ist die Voraussetzung für die Wärmeabgabe des Kältemittel-Dampfes über den Verflüssiger an die Umgebungsluft.

Bei konventionellen Kompressoren (Hubkolbenverdichter) wird die Rotationsbewegung des Motors mit Hilfe einer Kurbelwelle in eine lineare Bewegung umgewandelt. Relativ neu auf dem Markt sind linear arbeitende Kompressoren (LG Electronics), die ohne Kurbelwelle arbeiten, da sich der Motor bereits linear bewegt. Dadurch werden Energieverluste durch Reibung (ca. 20 %) vermieden.

Außerdem gibt es bei Gefrierschränken VCC-Verdichter (variable capacity compressor) (Liebherr, Miele), die mit vier festen Drehzahlstufen des Motors je nach Kältebedarf des Gerätes arbeiten. Die Drehzahlstufe wird mittels der Elektronik über einen Inverter geregelt. Herkömmliche Kompressoren besitzen einen Motor mit einer festen Drehzahlstufe von ca. 2.800 U/min. Durch die VCC-Verdichtertechnik kann ca. 20-30 % Energie eingespart werden.

Das unter hohem Druck und erhöhter Temperatur stehende gasförmige Kältemittel gelangt durch ein weiteres Ventil aus dem Zylinder und strömt zum Verflüssiger. Der Verflüssiger besteht aus Blechlamellen und/oder Blechrohren, über deren Oberfläche das Kältemittel die Wärme an die Umgebung abgibt. Dabei wird das Kältemittel wieder flüssig, der Druck bleibt erhalten. Der Verflüssiger ist bei den Kühlgeräten freiliegend an der Geräterückwand angeordnet. Bei einigen Gefrierschränken kann er auch an der Rückwand oder zum Teil auch in der Seitenwand eingeschäumt sein. Letzteres findet Verwendung, wenn die Geräte neben ein Kühlgerät aufgestellt werden. Dann dient der Verflüssiger als Seitenwandheizung, damit es zwischen den Geräten nicht zur Kondenswasserbildung kommt.

Bild: Belüftung des Verflüssigers.

Bei Gefriertruhen ist der Verflüssiger meist großflächig an der Innenseite des Außengehäuses eingebettet und wird daher als Außenwand-Verflüssiger bezeichnet.

Bild: Aufbau und Kältemittelkreislauf eines Kühlschranks.

Das wieder verflüssigte Kältemittel gelangt nun durch das Drosselorgan – ein Rohr mir sehr geringem Durchmesser (Kapillarrohr) – in den Verdampfer. Im Drosselorgan baut sich der Druck wieder ab, so dass entspannte, flüssige Kältemittel unter Aufnahme von Wärme im Verdampfer wieder verdampft. Der Kältemittelkreislauf beginnt von neuem.

Die Funktion des Drosselorgans wird durch eine Trockenpatrone gewährleistet. Bei der ersten Inbetriebnahme des Gerätes bindet das in der Trockenpatrone vorhandene Trockenmittel die Feuchtigkeit, die mit dem Abfüllen des Kältemittels in den Kältemittelkreislauf gelangt. Da sich die Trockenpatrone unmittelbar vor dem Drosselorgan befindet, verhindert sie, dass Feuchtigkeit in das Drosselorgan gelangen kann. So ist ein Gefrieren der Feuchtigkeit und damit ein Verstopfen des Drosselorgans ausgeschlossen.

Bild: Aufbau und Kältemittelkreislauf einer Gefriertruhe.

4.1.2 Absorptionssystem

Dieses System wird überwiegend bei kleineren Kühlgeräten bzw. bei Kühlboxen eingesetzt. Es arbeitet absolut geräuschlos, da anstelle eines Motors ein Kocher das Aggregat antreibt. Der Betrieb dieser Geräte ist am Netz, an der Autobatterie, mit Flüssiggas oder Petroleum möglich. Aus den oben genannten Gründen werden diese kleinen Kühlgeräte vorwiegend in Büros, Hotelzimmern, beim Camping oder in Regionen ohne Stromversorgung verwendet. Im Absorptionsaggregat finden sich die wesentlichen Bestandteile des Kompressionssystems - Verdampfer und Verflüssiger - wieder.

Um das Kältemittel (Ammoniak) zur Zirkulation zu bringen, wird es erhitzt. Dies geschieht in einem Kocher, der durch eine der oben genannten Energiearten betrieben wird. Ebenso wie beim Kompressionssystem verdampft das Kältemittel und gelangt in den Verflüssiger.

Der Kältemittelkreislauf im Absorbergerät sieht folgendermaßen aus: Im Verdampfer verdampft das Ammoniak bei niedrigem Druck, es entzieht dabei dem Innenraum des Kühlgerätes und den Lebensmitteln die zum Verdampfen erforderliche Wärme. Der niedrige Druck des Ammoniaks wird mit dem Hilfsgas Wasserstoff erreicht. Das Gasgemisch Ammoniak und Wasserstoff gelangt in den Verdichter (Absorber). Im Verdichter, einem Sammelbehälter mit darüber liegender Rohrschlange, wird der Ammoniakdampf von dem Lösungsmittel Wasser absorbiert. Diese Ammoniak-Wasser-Lösung wird in den Kocher geleitet. Das Hilfsgas Wasserstoff wird im Verdichter frei und steigt zum Verdampfer zurück. Im Kocher, einem wärmegedämmten Metallbehälter mit Beheizung, wird die Ammoniak-Wasser-Lösung erhitzt. Ammoniak verdampft und steigt gasförmig zum Verflüssiger auf, während das Lösungsmittel Wasser zum Absorber zurück fließt. Der unter hohem Druck stehende Ammoniakdampf führt im Verflüssiger seine Wärme über Rohre und Lamellen an die Umgebung ab. Dadurch verflüssigt sich das Ammoniak und fließt in den Verdampfer zurück. Der Kreislauf beginnt von neuem.

Da das Absorptionssystem deutlich mehr Energie verbraucht als das übliche Kompressionssystem wird es nur für die oben genannten Anwendungen verwendet.

4.1.3 Zusammenfassung

Sowohl beim Kompressions- als auch beim Absorptionssystem nimmt das Kältemittel im Verdampfer Wärme auf und wird dadurch vom flüssigen in den gasförmigen Zustand überführt. Das gasförmige Kältemittel wird zur Verflüssigung beim Kompressionssystem verdichtet, beim Absorptionssystem erhitzt, wobei sich die Temperatur des Kältemittels weiter erhöht. Die aufgenommene Wärme wird an die Außenluft abgegeben, dabei verflüssigt sich das Kältemittel wieder. Das Kältemittel transportiert in den Betriebsphasen des Gerätes durch Änderung seines Aggregatzustandes (gasförmig/flüssig) Wärme aus dem Kältegerät nach außen. Die notwendige Energie wird beim Kompressionssystem dem Verdichter und beim Absorptionssystem dem Kocher zugeführt.