Thermodynamik

In den Wärmeübertragern kann durch das zweiphasige Gemisch aus Gas und Flüssigkeit (bei gleicher Massenstromdichte) meist ein höherer Wärmeübergangskoeffizient als bei Gas- oder Flüssigkeitsströmung und damit eine hohe Flächennutzung bzw. eine niedrige Temperaturdifferenz erreicht werden. Das ergibt effiziente Wärmeübertrager mit relativ geringem Materialaufwand.

Die Kaltdampfkältetechnik ist mit ihrer Wärmeübertragung mit Phasenwechsel den meisten Kältetechnikern so selbstverständlich, dass fast nur von Verdampfungstemperatur und Verflüssigungstemperatur gesprochen wird, da diese Werte über die Dampfdruckkurve mit dem Druck korrelieren und für die Wärmeübertragung die wesentliche Größe Temperatur darstellen.

Bei der Wahl des Kältemittels sollte die Energieeffizienz mit bestimmend sein. Diese lässt sich theoretisch für den angedachten Betriebszustand berechnen – oder näherungsweise über die Leistungsdaten von Verdichtern mit den zur Auswahl stehenden Kältemitteln.

Die theoretische Berechnung geschieht über die theoretische Kälteleistung und die isentrope Verdichtungsleistung:

Symbol

Bedeutung

c

Verflüssiger

COP

Kälteleistungszahl (Coefficient of Performance)

h

spezifische Enthalpie

is

isentrop

m

Masse

o

Verdampfer

p

Druck

P

Antriebsleistung

Q

Wärmemenge

qov

volumetrische Kälteleistung in J/m3

s

spezifische Entropie

th

theoretisch

t

Temperatur

V

Verdichter

v

spezifisches Volumen in m3/kg

v

Index für volumetrisch

1

Eintritt

2

Austritt

Die theoretische Betrachtung zeigt im Vergleich verschiedener Kältemittel, ob angedachte Kältemittel energetisch eher gut oder schlecht zu der Anwendung passen oder eher nicht geeignet sind. Da sich bei der Berechnung der theoretischen Kälteleistungszahl COPth der Massenstrom herauskürzt, fließen nur Stoffdaten ein.

Bei verdichterbetriebenen Anlagen kann diese Betrachtung angewendet werden. Bei Absorptionsprozessen fließen noch einige weitere Betrachtungen ein, die in diesem Dokument nicht behandelt werden.

Anlagenauslegung und Betriebsbedingungen

Zu beachten ist beim Vergleich der Effizienz, dass verschiedene Kältemittel teilweise unterschiedliche Anlagenschaltungen benötigen, um bei vorgegebener Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur die bestmögliche Effizienz zu erreichen. Viele Kältemittel (wie Kohlenwasserstoffe und die meisten fluorierten Stoffe) bringen die besten COP bei Einsatz eines inneren Wärmeübertragers im Kreislauf, während dieser z.B. bei R717 (Ammoniak) die Effizienz verringert. Daher ist es möglicherweise sinnvoll, vor der Festlegung des Kältemittels auch verschiedene Betriebsbedingungen bzw Anlagenschaltungen durchzurechnen.

Theoretischer COP mit verschiedenen Kältemitteln abhängig von der Ansaugtemperatur bei Einsatz eines inneren Wärmeübertragers, bei einstufiger Verdichtung, to = -35°C und tc = 40°C, ohne Unterkühlung am Verflüssigeraustritt
Theoretischer COP mit verschiedenen Kältemitteln abhängig von der Ansaugtemperatur bei Einsatz eines inneren Wärmeübertragers, bei einstufiger Verdichtung, to = -35°C und tc = 40°C, ohne Unterkühlung am Verflüssigeraustritt