Warum muss Kältemittel Flüssig sein?
In einer Klimaanlage oder in einem Kühlschrank muss das Gasförmige Kältemittel welches eine hohe Temperatur hat , durch den Kondensator fließen dadurch Kühlt es ab und wird flüssig. Meine Frage ist aber , was jetzt genau der Sinn ist, dass das Kältemittel flüssig wird? Ist das einfach nur eine Art Nebenprodukt von dem abkühlen?
4 Antworten
Erstmal: Das Arbeitsmedium muß nicht zwingend flüssig werden.
Aber der Wechsel des Aggegatszustandes ist mit einem erhöhten Energieumsatz vebunden. Schauen wir uns die Kaltseite an:
Das Arbeitsmedium nimmt Energie auf, die Temperatur erhöht sich. In dem Moment wo der Siedepunkt erreicht wird braucht es nochmal eine ordentliche Energiemenge, um den Aggregatszustand zu wechseln, ohne daß die Temperaur steigt. Erst wenn dann noch weiter Energie zugeführt wird, steigt die Temnperatur weiter an.
Das ist natürlich ein praktischer Effekt, weil so neben der Energie für die Temperaturdifferenz zusätzlich die Verdampfungswärme aufgenommen und mittransportiert wird. Der Wirkungsgrad steigt deutlich an.
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Um mal exemplarisch eine Größenordnung zu geben:
Um 1kg Wasser zu verdampfen braucht es gut 2000kJ.
Um die gleiche Menge Wasser um 1K zu erwärmen sind es 4.18kJ.
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Heißt konkret also, um Wasser um knapp 100K zu erwärmen brauche ich 'nur' gut 400kJ, wenn ich den Wechsel des Aggregatzustands mitnehme, muß ich nochmal das 5-fache oben drauf legen.
Bei typischen Kältemitteln ist der Faktor nicht so extrem, es soll Dir aber vor Augen führen, warum man den Wechsel des Aggregatzustands eigentlich nutzen möchte.
Nachtrag:
Ich muß das ein wenig revidieren/ergänzen, nehmen wir mal Isobutan, Verdampfungswärme so um die 365kJ/kg, spezifische Wärmekapazität unter 2 kJ /K*kg (1,6?). Grundlegend ist die Wärmekapazität bei Gasen natürlich kleiner, als wenn man sie verflüssigt, also wenn man auf den Aggregatzustandswechsel verzichtet, dann natürlich vorzugsweise im flüssigen Aggregatszustand arbeiten.
Oder ist das so , dass durch die Expansion das Kältemittel kalt wird und dadurch die Wärme aufnimmt , da aber dann das Kältemittel noch verdampft, kann dann in dem Sinne noch mehr Wärme aufgenommen werden ? Und wenn es nicht expandiert, kann das Kältemittel dann gar keine Wärme aufnehmen und es kann dann auch nicht verdampfen?
Ohne Drossel keine Kompression. Kompression überhöht die Temperatur sehr stark, sodaß Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Die Drossel sorgt dafür, daß im Anschluß eine Expansion stattfindet, sodaß das Gas schnell abkühlt und dann im Verdampfer wieder gut Wärme aufnehmen kann.
(Ich gehe von einer Kompressionskältemaschien aus)
Stimmt das aber so ungefähr was oben geschrieben habe?
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Oder ist das so , dass durch die Expansion das Kältemittel kalt wird und dadurch die Wärme aufnimmt , da aber dann das Kältemittel noch verdampft, kann dann in dem Sinne noch mehr Wärme aufgenommen werden ? Und wenn es nicht expandiert, kann das Kältemittel dann gar keine Wärme aufnehmen und es kann dann auch nicht verdampfen?)
Naja, die Expansion sorgt erstmal für Abkühlung und Verflüssigung, sodaß es dann am Verdampfer angekommen wieder verdampfen und ordentlich Energie aufnehmen kann.
Nimm doch mal ein Kühlschrank, wenn ich den innen auf 10°C haben möchte und mein verdampftes Kühlmittel c.a. 10°C aufweist, wie soll das denn dann im Raum bei 20°C Energie abgeben? Geht nicht, es würde wärmer werden und unterm Strich der Innenraum auf Außentemperatur kommen.
Die Kompression sorgt dafür, daß es eben z.B. auf 50°C erwärmt wird, dann kann es an die Umgebung (20°C) Energie abgeben und dann bei der Expansion verteilt sich die innere Energie (des Gases) auf einmal auf ein größeres Volumen, sodaß die Temperatur sinkt (bis unter den Siedepunkt).
Also ist das so , dass Flüssiges Kühlmittel in das Expansionsventil reinfließt und sich entspannt und dadurch abkühlt und dann fließt das Kältemittel in den Verdampfer und dann nimmt das Kältemittel noch die Wärme auf und weil es ein niedrigeren Siedepunkt hat und verdampft wird noch mehr Energie dadurch aufgenommen?
Aber damit doch eine Flüssigkeit sieden kann , muss es doch wärme bekommen? Aber bei der Expansion wird doch der Flüssigkeit wärme entzogen? Wie kann dann die Flüssigkeit verdampfen?
Um beim Beispiel zu bleiben: Der Trick liegt darin daß der Siedepunkt leicht uterhalb der Zieltemperatur liegt.
Bei einem Kühlschrank muß mein Kühlmittel also z.B. einen Siedepunkt von 0°C haben. Nach der Drossel hat es dann z.B. -5°C. Also kann es im Verdampfer bei 8°C leicht verdampfen und wieder Wärme aufnehmen, sodaß der Innenraum noch kälter wird. mit einem solchen Kältemittel könntest Du also keine Frosttemperaturen erzeugen.
Ich kann allerdings den Siedepunkt durch den Druck beeinflussen, aber das würde jetzt wohl zu weit führen.
Achso. Aber das Mittel wird doch ab erst z.b unter 0°C Flüßig. Also ist ja dann das Mittel bei über 0°C Gasförmig. Wieso kann dann also das Mittel schon hinter dem Kühlschrank im Kondensator Flüßig sein? Hinter dem Kühlschrank sind doch keine 0°C
Die Werte waren exemplarisch. In der Realität nutze ich oft Mittel, deren Siedepunkt bei Normaldruck deutlich unter 0°C liegt und hebe diesen durch den Druck an.
Lies Dir doch einfach mal die Artikel auf Wikipedia zum Kühlschrank udn zur Kompressionskältemaschine durch.
habe ja ich doch schon , aber ich verstehe das leider nicht so ganz. Sonst hätte ich doch nicht gefragt :(
aber verstehe ich das richitg , dass man den Siedepunkt mit Druck beinflussen kann und dadruch halt möglich ist , dass das Kältemittel schon im Kondensator flüssig werden kann?
Ja. Bei einem Schnellkochtopf machst Du im Grunde nicht anderes, der Drucktopf hält im inneren einen Druck von 1.8 bar, weswegen der Siedepuntk von Wasser auf ~ 120°C ansteigt. Dadurch ist der Garprozess schneller fertig.
Gleiches Prinzip, auf der Kompressionsstrecke (Kondensator) erhöhe ich mit dem Kompressor den Druck, das Gas erhitzt sich, kühlt auf dem Weg zur Drossel aber kontinuierlich ab (Wärme an Kühlrippen und Umgebung) und erreicht irgendwann den Siedepunkt (bei diesem höheren Druck). kann es noch etwas Energie abgeben, dann kondensiert es.
also kann man jetzt sagen , dass durch den Kompressor das Kältemittel durch den Kondensator gepresst wird und weil da noch der Druck viel höher ist, wird das Gasförmige Kältemittel flüssig (weil dann der Siedepunkt viel höher ist). Dann geht das Kältemittel durch das Expansionsventil und kühlt sich stark ab (ein Teil von den flüssigen Kältemittel wird auch zum Gas , weil das Kältemittel stark auseinander gedrückt wird , aber das ist erstmal egal). Das Kältemittel fließt dann in den Verdampfer und da es zu einem noch kühl ist , kühlt es den Innenraum ab und weil dann der Druck viel niedriger ist, ist dann auch der Siedepunkt viel geringer. Dadurch das jetzt das flüssige Kältemittel verdampft , wird ein Teil der Wärme-Energie dazu benutzt , den Aggregatzustand zu wechseln, es (Latente Wärme) wird zwar der Innenraum kalt aber das Kältemittel bleibt erstmal bei gleicher Temperatur und dann geht das ganze wieder von vorn los.
Und eine kleine Nebenfrage noch , dass Expansionsventil ist zu einem dafür da , das Kältemittel zu entspannen ( wie bei einer Deo-Dose) und dadurch kühlt sich ab und zu anderem ist es dafür da , den Druck zu verringern, damit der Siedepunkt niedriger wird?
Es geht darum, dass bei dem Wechsel des Aggregatzustandes besonders viel Energie aufgenommen wird. Beim Verdampfen des Kältemittels kühlt es sich ab, da die Verdampfungswärme aufgenommen wird. Wird später das Kältemittel durch Druck verflüssigt, ist die aufgenommene Energie ja noch da, weshalb es sich weit stärker erwärmt, als nur durch die Kompression. Nun kann sich das Kältemittel außerhalb des Kühlschrankes abkühlen, wodurch die im Inneren aufgenommene Energie an die Umgebung abgegeben wird.
Und was bringt das eigentlich, dass das Kältemittel überhaupt Flüssig ist? Weil wenn man pure Luft (Also Gas) expandiert , wird es doch auch kalt.
Das versuchte ich eben schon zu erläutern: der Phasenübergang kann viel mehr Energie aufnehmen als nur die Kompression eines Gases. Wenn Du in der Gasphase bleibst, müsstest Du sehr viel Gas im Umlauf haben, um dieselbe Energie transportieren zu können. Es dürfte auch schwierig sein, große Temperaturunterschiede auf diese Weise zu erreichen.
Beim Verdampfen entzieht die Flüssigkeit der Umgebung erheblich mehr Wärme als durch die bloße Erwärmung. Der Wechsel des Aggregatzustands ist die eigentliche Kühlung. Dass das Kühlmittel dabei wärmer wird ist nur nebenbeigeplänkel.
Damit es gasförmig werden kann wobei es der Umgebung Wärme entzieht.
Also verstehe ich das richtig, dass nicht unbedingt eine Drossel(Expansionsventil) benötigt wird , damit kälte entsteht(Also wärme von einen Objekt abgezogen wird)?