Einführung in die Kältetechnik

Kälteanlagen sind allgegenwärtig und haben einen enormen Einfluss auf unser tägliches Leben. Jedes Mal, wenn Sie Lebensmittel im Kühlschrank oder Gefrierschrank aufbewahren oder die Klimaanlage einschalten, verwenden Sie Kühlsysteme. Grundsätzlich besteht die Aufgabe dieser Systeme darin, einem kalten Speicher Wärme zu entziehen und sie in einem warmen Speicher abzulagern, entgegen der natürlichen Richtung des Wärmeflusses. Die vorherrschende Technologie, die eingesetzt wird, um dies zu erreichen, ist der Dampfkompressionszyklus. In diesem Video wird veranschaulicht, wie der Dampfkompressionszyklus funktioniert, und dann gezeigt, wie er in einem einfachen handgepumpten Kühlsystem eingesetzt wird. Am Ende werden noch einige weitere Anwendungen besprochen.

Der Dampfkompressionszyklus ist ein thermodynamischer Kreislauf, der an einem Arbeitsmedium oder Kältemittel durchgeführt wird, so dass Wärme aus dem kalten Behälter in das Kältemittel und aus dem Kältemittel in den heißen Behälter fließt. Dies erfordert eine mechanische Zirkulation des Kältemittels sowie koordinierte Übergänge seines thermodynamischen Zustands. Der Zyklus nutzt die Vorteile der Dampfkuppel, eines Bereichs des Kältemittelphasenraums, der in den Diagrammen der Temperaturentropie und der Druckenthalpie zu sehen ist. In diesen Diagrammen zeigt der linke Bereich die flüssige Phase, die teilweise durch die gesättigte Flüssigkeitslinie begrenzt ist, und der rechte Bereich die Dampfphase, die in ähnlicher Weise durch die gesättigte Dampflinie begrenzt ist. Die Sättigungslinien treffen sich an dem kritischen Punkt, oberhalb dessen das Fluid super kritisch ist. Zwischen den Sättigungslinien ist das Fluid zweiphasig und die Temperatur ist eine Funktion des Drucks, wie durch die Isothermen im Druckenthalpiediagramm angezeigt. In diesem Bereich können Temperatur und Druck nicht unabhängig voneinander variiert werden, so dass jeder Druckwert eine Temperatur angibt. Daher kann die Temperatur eines zweiphasigen Gemisches durch Änderung des Drucks eingestellt werden. Schauen wir uns vor diesem Hintergrund den Dampfkompressionszyklus an. Nehmen wir zur Veranschaulichung an, dass R-134a das Kältemittel ist und einen Massendurchfluss von 0,01 Kilogramm pro Sekunde hat. Der Zyklus besteht aus vier Stufen: Kompression, Kondensation, Expansion und Verdampfung. Jedes beschreibt einen Übergang zwischen den wichtigsten Haltepunkten des Kältemittels. Während der Verdichtung tritt Niederdruckdampf in den Kompressor ein, und der Arbeitseingang des Kompressors wird verwendet, um das Kältemittel unter Druck zu setzen. Nach dem Verlassen des Kompressors gelangt der Hochdruckdampf in den Kondensator, wo die Wärme an den umgebenden heißen Speicher abgegeben wird, da das Kältemittel isobar kondensiert. Das Hochdruck-Kältemittel befindet sich nun in flüssiger Phase und fließt dann durch eine Drosselexpansionsvorrichtung. Die Flüssigkeit dehnt sich beim Durchgang isentrop aus, und wenn ihr Druck abfällt, blitzt sie in einen zweiphasigen Zustand und fällt auf eine niedrigere Temperatur ab. In der letzten Stufe tritt das Niedertemperatur-Kältemittel in den Verdampfer ein und nimmt Wärme aus dem Kältespeicher auf. Dies führt zu einer isobaren Verdampfung, wenn das Kältemittel durchströmt. Der Zyklus ist abgeschlossen, wenn der Niederdruck-Kältemitteldampf zum Kompressor zurückkehrt. In diesem Beispiel beträgt die Kühlleistung des Verdampfers 1,67 Kilowatt und die Arbeitsaufnahme des Kompressors 0,31 Kilowatt, sodass die Leistungszahl oder der Systemwirkungsgrad 5,4 beträgt. Nachdem Sie nun verstanden haben, wie der Kreislauf funktioniert, bauen und analysieren wir einen einfachen Kühlschrank, um diese Prinzipien in Aktion zu zeigen.

Vorsicht, dieses Experiment umfasst Systeme mit erhöhtem Druck und die Verwendung von Kältemitteln, die bei hohen Konzentrationen gefährlich sein können. Befolgen Sie immer angemessene Sicherheitsvorkehrungen und tragen Sie geeignete persönliche Schutzausrüstung. Sorgen Sie für eine ausreichende Belüftung bei der Arbeit mit Kältemitteln. Beginnen Sie mit dem Bau des Kühlsystems mit dem Dampfkompressor. Installieren Sie ein Schrader-Ventil an einem Anschluss eines doppeltwirkenden Pneumatikzylinders und schließen Sie dann ein Rohrverschraubungs-T-Stück an den anderen Anschluss an. Befestigen Sie Rückschlagventile an den beiden verbleibenden Anschlüssen des T-Stücks, so dass einer nach innen und der andere nach außen zeigt. Diese Konfiguration ermöglicht es, Kältemittel aus dem Verdampfer anzusaugen und mit hohem Druck in den Kondensator abzuleiten. Der Kompressor wird von einer modifizierten Hochdruck-Fahrrad-Standpumpe angetrieben. Entfernen Sie die Gummiperlen-Rückschlagventilkomponente von der Rohrleitung der Fahrradpumpe. Auf diese Weise kann sich der Kompressor zwischen den Pumphüben ausdehnen und Kältemittel ansaugen. Installieren Sie Rohrverschraubungs-T-Stück mit Manometern auf beiden Seiten des Kompressors, damit der vor- und nachgeschaltete Druck überwacht werden kann. Die Verbindung der T-Stücke erfolgt über Rückschlagventile, die nur eine Strömung in eine Richtung zulassen. Wenn der Kolben ausgefahren ist, ermöglicht das linke Rückschlagventil den Zufluss vom Niederdruckverdampfer zum Kompressorvolumen. Wenn der Kolben gedrückt wird, wird der Dampf unter Druck gesetzt und durch das rechte Rückschlagventil zum Hochdruckkondensator gedrückt. Durch Drehen des Kolbens kann ein kontinuierlicher Niederdruckdampfstrom aus dem Verdampfer angesaugt und mit hohem Druck zum Kondensator abgegeben werden. Die nächste Stufe des Systems ist der Kondensator, den wir aus einem Stück Aluminiumrohr konstruieren werden. Formen Sie den Schlauch zu einer Spule, indem Sie ihn vier Umdrehungen lang um einen starren Gummikern mit einem Durchmesser von 2,5 Zentimetern wickeln, und befestigen Sie dann mit einer Klemmverschraubung ein Ende an der offenen Öffnung des T-Stücks hinter dem Kompressor. Stellen Sie sicher, dass Sie die Verschraubungen gemäß den Herstellerrichtlinien installieren und festziehen. Installieren Sie anschließend ein kurzes Stück durchsichtiges PVC-Rohr zwischen zwei Reduzierrohrbögen. Dieser dient als Behälter für das Hochdruckkältemittel, das mit einer weiteren Klemmverschraubung mit dem Auslass des Kondensatorschlauchs verbunden ist. Die nächste Stufe ist der Expander, aber dies ist auch ein praktischer Ort, um einen Ladeanschluss zum Befüllen und Ablassen von Kältemittel hinzuzufügen. Konstruieren Sie den Ladeanschluss, indem Sie einen A.N.S.A.E.-Bördelanschluss mit einem Kugelhahn und einem weiteren Rohr-T-Stück kombinieren. Schließen Sie an einer Seite des Rohr-T-Stücks ein Nadelventil für die Expansionsvorrichtung an. Verwenden Sie zum Schluss einen weiteren Abschnitt Aluminiumrohr, um den dritten Anschluss des Rohr-T-Stücks mit dem tiefsten Punkt des Behälters zu verbinden. Der einzige verbleibende Abschnitt ist der Verdampfer. Bilden Sie eine zweite Spule aus Aluminiumrohren mit der gleichen Technik wie zuvor und verbinden Sie sie zwischen dem Nadelventilauslass und dem Kompressoreinlass, um den Kühlkreislauf zu vervollständigen. Nachdem das System zusammengebaut ist, füllen Sie es durch den Ladeanschluss mit Druckluft, um es auf Undichtigkeiten zu testen. Verwenden Sie ein Seifenwasserspray, um undichte Verbindungen zu identifizieren und bei Bedarf Reparaturen durchzuführen. Schließen Sie abschließend Thermoelemente zur Temperaturmessung an den Kondensator und die Verdampferschlangen an. Sie sind nun bereit, den Kühlschrank zu laden und zu bedienen.

Das Aufladen ist ein zweistufiger Prozess. Zuerst wird Luft aus dem System evakuiert und dann Kältemittel zugesetzt. Verbinden Sie den mittleren Anschluss eines Kältemittelfüllverteilers mit dem Ladeanschluss am Kühlschrank. Schließen Sie dann eine Vakuumpumpe an den Niederdruckanschluss des Verteilers und eine Dose Kältemittel an den Hochdruckanschluss an. Schließen Sie alle Ventile und schalten Sie dann die Vakuumpumpe ein. Öffnen Sie nach und nach alle Ventile des Systems, um Luft aus dem System abzuleiten. Nachdem die Luft aus dem System evakuiert wurde, öffnen Sie kurz das Kältemittelbehälterventil, um die Kältemittelleitung von Luft zu entfernen, und schließen Sie es dann wieder. Nachdem die gesamte Luft evakuiert wurde, isolieren Sie die Vakuumpumpe, indem Sie den Niederdruckanschluss am Kältemittelfüllverteiler schließen. Drehen Sie den Kältemittelbehälter um und injizieren Sie flüssiges Kältemittel in das System, bis der Füllstand im Hochdruckbehälter leicht über dem Niveau des Nadelventils liegt. Der letzte Schritt besteht darin, das Nadelventil so einzustellen, dass es gerade noch geöffnet ist, und dann den Fahrradpumpenschlauch mit dem Schrader-Ventil am Kompressor zu verbinden. Betreiben Sie den Kühlschrank, indem Sie die Fahrradpumpe pumpen, während Sie es tun, verfolgen Sie die hohen und niedrigen Seitendrücke sowie die Verdampfer- und Kondensatortemperaturen. Wenn stationäre Bedingungen erreicht sind, notieren Sie diese Druck- und Temperaturwerte. Wenn die Messgeräte den Überdruck, d. h. den Druck relativ zur Atmosphäre, melden, wandeln Sie die Messwerte in absoluten Druck um, indem Sie dem Messwert eine Atmosphäre hinzufügen.

Werfen Sie einen Blick auf die Leistungsergebnisse Ihres Kühlschranks. Vergleichen Sie zunächst die gemessenen Temperaturen mit den entsprechenden Sättigungstemperaturen des Kältemittels bei den gemessenen Nieder- und Oberdrücken. In diesem Fall stimmen die Maße genau überein. Die Diskrepanz der Verdampfertemperatur kann auf die Wärmeübertragung von der Umgebungsluft auf die Außenseite des Thermoelements zurückzuführen sein. Die Kondensatortemperatur liegt innerhalb der experimentellen Toleranz, kann aber auch wärmer als erwartet erscheinen, wenn das Thermoelement zu nahe am überhitzten Teil des Kondensators platziert wird. Schließen Sie die Analyse ab, indem Sie die Zustandspunkte und die ungefähren Verbindungskurven in Temperaturentropie- und Druckenthalpiediagrammen angeben. Sie sehen, dass das einfache System im Vergleich zu kommerziellen Systemen eine begrenzte Leistung bei geringer Kühlleistung und geringem Hub bietet. Da ein Großteil der Eingangsarbeit für das Verdichten von Luft in der Fahrradpumpe aufgewendet wird, könnte die Leistung mit einem Kältemittel mit niedrigerem Druck verbessert werden. Darüber hinaus wäre die Verwendung eines Expansionsventils, das eine größere Druckdifferenz aufrechterhalten kann, von Vorteil. Die meisten kommerziellen Systeme verwenden ein temperaturgesteuertes Expansionsventil, das seine Öffnung dynamisch anpasst, um eine gewünschte Verdampfertemperatur aufrechtzuerhalten. Nachdem wir nun den grundlegenden Prozess analysiert haben, schauen wir uns einige andere typische Anwendungen an.

Der Dampfkompressionszyklus ist die vorherrschende Kältetechnik, die in vielen gängigen Geräten verwendet wird. Das Thermomanagement für die Elektronik hat immer mehr an Bedeutung gewonnen, da die Größe der Komponenten stetig abgenommen hat und gleichzeitig die Anforderungen an Leistung und Geschwindigkeit gestiegen sind. Die Kühlung von Supercomputern und anderer Hochleistungselektronik mit dem Dampfkompressionszyklus hat viele Vorteile gegenüber anderen Technologien. Der Dampfkompressionszyklus kann auch als Wärmepumpe verwendet werden. In diesem Modus wird die Wärme im Verdampfer aus einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen aufgenommen und dann an einen wärmeren, klimatisierten Raum abgegeben. Dies kann im Vergleich zur Durchlaufheizung eine effiziente Art der Beheizung sein, da der größte Teil der abgegebenen Wärme aus der Umgebung entnommen wird und nur ein kleiner Teil als mechanische Arbeit dem Kompressor zugeführt wird.

Sie haben gerade Joves Einführung in die Kühlung und den Dampfdom gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie der Dampfkompressionszyklus in Kühlsystemen implementiert wird und wie Sie die Leistung mithilfe von Temperaturentropie- und Druckenthalpiediagrammen analysieren können. Danke fürs Zuschauen.