18.5 Kühlen

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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
Kapitel 18
Wärme- und Kälteapparate
18.5 Kühlen
Verfasser:
Peter Amstutz, Eidg. Dipl. Elektroinstallateur, 079 415 03 69, pamstutz@gibz.ch
Hans-Rudolf Niederberger, Elektroingenieur FH/HTL, Vordergut 1, 8772 Nidfurn, 055 - 654 12 87
Ausgabe:
November 2010
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Die Autoren haftet nicht für irgendwelche mittelbaren oder unmittelbaren Schäden, die in
Zusammenhang mit dem in dieser Publikation Gedruckten zu bringen sind.
Die vorliegende Publikation ist nicht geschützt.
Alle Rechte liegen beim Verwender.
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Der Autor wünscht, dass alles reproduziert wird.
Vielen Dank für eine Rückmeldung, ihre Anregungen und Ergänzungen.
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
WÄRME UND KÄLTEGERÄTE
KÜHLEN
Seite
2
INHALTSVERZEICHNIS
18
WÄRME- UND KÄLTEAPPARATE
18.5
Kühlen
18.5.1
18.5.2
18.5.3
18.5.4
18.5.5
18.5.6
18.5.7
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Grundlagen
Aktive und passive Kühlgeräte
Kühlschranktypen
Kompressorverfahren
Absorptionsverfahren
Temperaturregelung
Tiefkühlgeräte
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
WÄRME UND KÄLTEGERÄTE
KÜHLEN
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Wärme- und Kälteapparate
18.5
Kühlen
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18.5.1 Grundlagen
Wärme fliesst immer vom wärmeren zum kälteren Punkt. Dieser Wärmefluss
kann mit einer isolierenden Wärmedämmschicht stark gebremst, aber nicht
ganz verhindert werden. Je kühler ein Lebensmittel gelagert wird, desto länger
ist es haltbar, weil die Vermehrung der Bakterien, die auch bei einwandfreien
Lebensmitteln immer in einer gewissen Anzahl vorhanden sind, viel langsamer
vor sich geht als bei höheren Temperaturen.
Kühlgeräte halten Lebensmittel im Temperaturbereich von etwa +2°C bis etwa
+10°C haltbar. Gefriergeräte kühlen das Gefriergut auf Temperaturen von -18°C
und tiefer. In tiefgefrorenem Zustand können Lebensmittel meist über einige
Monate gelagert werden und bleiben immer noch geniessbar.
Kühlung wurde schon in der Antike erreicht, indem große Mengen Eis aus den
Bergen in die Städte transportiert und zur Lagerung von Lebensmitteln in tiefen
Kellern (sog. Eiskellern Bild rechts) eingesetzt wurden.
Eiskeller
Grundsatz:
18.5.2 Aktive und passive Kühlgeräte
Man unterscheidet aktive und passive Kühlgeräte.
Passive Kühlgeräte sind Kühlboxen, Thermosflaschen usw. Durch isolierende Schichten, doppelwandigen
evakuierten Aufbau, eventuell verspiegelten Flächen und möglichst luftdichten Verschlüssen gelingt es, den
Wärmefluss gering zu halten. Getränke und Lebensmittel können so viele Stunden warm bzw. Kühl gelagert
werden.
Aktive Kühlgeräte haben eine Energiequelle, meist elektrischer Art, mit deren Hilfe die eindringende Wärme aus
dem Behälter heraustransportiert werden kann, so dass die Temperatur im Kühlraum konstant bleibt.
18.5.3 Kühlschranktypen
Bei allen Kühlschranktypen liegt folgendes Wirkungsprinzip zugrunde: Aus dem Inneren des Kühlschranks wird
Wärme entzogen und nach außen abgegeben. Beides geschieht mit Wärmeübertragung. Nach der Art, mit der
dies bewerkstelligt wird, unterscheidet man zwischen zwei Typen von Kühlschränken:
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WÄRME UND KÄLTEGERÄTE
KÜHLEN
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18.5.4 Kompressorverfahren
Alle Kühlsysteme arbeiten in einem geschlossenen
Kreisprozess, so auch der Kompressorkühlschrank. Der
Kompressorkühlschrank besteht aus vier grundlegenden
Bauteilen.
Der Verdichter (Kompressor) saugt das dampfförmige Kältemittel aus dem
Verdampfer an und verdichtet es. Dadurch erhöht sich die Temperatur des Dampfes.
Diese Erwärmung wird im Kondensator an die Umgebung abgegeben. Wegen dieser
Abkühlung bei hohem Druck ändert der Aggregatzustand des dampfförmigen
Kältemittels, es wird flüssig. Es steht aber immer noch unter dem hohen Druck des
Kondensators. Das flüssige Kältemittel gelangt durch das Expansionsventil in den
Verdampfer.
Das Expansionsventil besteht bei den Haushaltkühlgeräten aus einem langen,
dünnen Rohr mit sehr kleinem Innendurchmesser (Kapillarrohr). Dadurch wird das
Kältemittel auf den richtigen Druck entspannt, so dass es im Verdampfer
verdampfen und somit den Kreislauf beginnen kann.
Im Kondensator (Verflüssiger) wird die aus dem Verdampfungsraum stammende
Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben. Im Allgemeinen besteht er aus einer
dünnen Rohrleitung und einem Lamellengitter, das fast die gesamte Rückwand des
Kühlgerätes einnimmt.
Der Verdampfer ist ein Wärmetauscher, der die Wärme
aus dem Innenraum des Kühlgerätes an das Kältemittel
überträgt. Meist ist er aus zwei aufeinander
geschweissten Blechen Hergestellt, zwischen denen
Kanäle angebracht sind, in denen das Kältemittel
verdampft.
Auf der Grafik rechts, kann dieser Vorgang nochmals
vereinfacht dargestellt werden. Oben im Kühlraum der
Verdampfer welcher die Wärme der Umgebung entzieht.
Unten der Verdichter (Kompressor) der das Kältemittel
ansaugt und den Druck erhöht damit das dampfförmige
Kältemittel wieder verflüssigt. Der Verflüssiger, das sind
die Kühlrippen auf der Rückseite des Kühlschrankes die
dafür sorgen, damit die Wärme ausserhalb des
Schrankes abgegeben werden kann.
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WÄRME UND KÄLTEGERÄTE
KÜHLEN
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18.5.5 Absorptionsverfahren
Der Absorberkühlschrank arbeitet mit einem
Wasser-Ammoniak-Gemisch. Im Kocher
werden Ammoniak und Wasser durch
Wärmezufuhr (Gasflamme, elektrische
Beheizung, Sonnenwärme...) getrennt.
Danach werden das flüssige Wasser und das
gasförmige Ammoniak über verschiedene
Rohrsysteme weitergeleitet. Das Ammoniak
wird im Kondensator verflüssigt; hier gibt der
Kühlschrank Wärme ab. Ein Verdampfer
macht es wieder gasförmig - an dieser Stelle
kühlt der Kühlschrank. Anschließend wird das
Ammoniak im Absorber mit dem Wasser
zusammengeführt.
18.5.6 Temperaturregelung
Die Temperaturregelung erfolgt durch Ein- und Ausschalten des Kompressors. Ein
Temperaturfühler misst die Temperatur am Verdampfer. Dieser Ist- Wert wird mit
dem Soll- Wert verglichen.
Der meist mechanische Regler schaltet bei einer Regelabweichung den Regler ein
und aus. Am Regler kann meist keine echte Temperatur eingestellt werden, sondern
nur verschiedene Kältestufen. Beim normalen Haushaltkühlschrank ist die
Temperatur recht ungleichmässig verteilt. In der Nähe des Verdampfers kann sie
einige Grade tiefer sein als in der Nähe der Türe.
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WÄRME UND KÄLTEGERÄTE
KÜHLEN
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18.5.7 Tiefkühlgeräte
Kompressorkühlsysteme werden als Kühlschränke, oft in Verbindung mit einem
Gefrierfach, als Gefrierschränke und als Gefriertruhen verwendet.
Tiefkühlgeräte werden vorwiegend nach dem Kompressionsverfahren betrieben,
weil bei grossen Geräten nur mit diesem System die notwendige Kühlleistung
erreicht wird. Sie werden als Gefrierschränke und Gefriertruhen gebaut.
Gefriertruhen sind bis zu 20% wirtschaftlicher, weil durch das günstigere
Oberflächen- Volumen- Verhältnis die Wärmeverluste kleiner sind und beim
Öffnen der Türe weniger warme Luft eindringt. Die Leistung von Gefrierfächern
wird mit einer bestimmten Anzahl Sternen angegeben.
*
**
***
****
Die Energieaufnahme von Tiefkühlgeräten wird in kWh/24h angegeben. Die
Werte beziehen sich auf eine Umgebungstemperatur von 25°C und eine
Lagertemperatur von -18°C. Der Energiebedarf wird beeinflusst durch:
-
Qualität des Kühlaggregates
Qualität und Dimensionierung der wärmetechnischen Isolierung
Konstruktion der Türe, insbesondere Rahmen und Dichtung
Verhältnis von Inhalt und der Oberfläche
Umgebungstemperatur
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