Kältetechnik

Wussten Sie, dass die Kältetechnik bereits seit dem 19. Jahrhundert eine zentrale Rolle in der Lebensmittelkonservierung spielt? Ohne effektive Kältesysteme könnten Supermärkte viele ihrer Tiefkühlwaren nicht länger als ein paar Tage frisch halten. Angesichts steigender Temperaturen in den Sommermonaten wächst auch im privaten Bereich die Nachfrage nach zuverlässigen Klimaanlagen stetig, um Wohn- und Schlafräume angenehm kühl zu halten.

Wichtige Erkenntnisse

• Kältetechnik ist entscheidend für die Konservierung von Lebensmitteln.
• Supermärkte und der Einzelhandel sind stark auf effiziente Kältesysteme angewiesen.
• Die Nachfrage nach Klimaanlagen im privaten Bereich nimmt zu, insbesondere im Sommer.
• Gastronomie- und Industriebereiche nutzen Kältetechnik für verschiedene Anwendungen wie Bierkühlung und Maschinenkühlung.
• Service und Wartung spielen eine entscheidende Rolle für die Zuverlässigkeit der Klima- und Kältetechnik.

Einführung in die Kältetechnik

Die Einführung in die Kältetechnik beleuchtet die Kältetechnik Grundlagen und veranschaulicht, wie Kühlsysteme entwickelt und betrieben werden. Im Kern basiert die Kältetechnik auf dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik – Wärme fließt stets von einem wärmeren zu einem kühleren Ort, sofern keine Energie aufgewendet wird, um diesen Prozess umzukehren.

Die „Grundkurs Kältetechnik“, nun in der 13. Auflage, bietet einen umfassenden Einblick in die Materie. Mit einem Umfang von 371 Seiten und einem Preis von 42 Euro, richtet sich das Buch an Lehrlinge, Gesellen, Techniker und Planer im Bereich der Kältetechnik sowie an Unternehmen aus den Bereichen Heizung, Lüftung und Elektrotechnik. Die Autoren Heinz Veith und Dieter Schmidt bringen über 40 Jahre Erfahrung in der Kälte- und Klimatechnik sowie in der Prüfungsvorbereitung von Lehrlingen ein.

Verschiedene Kühlsysteme und Technologien werden in der Kältetechnik eingesetzt, um die gewünschte Kühlung zu erzielen. Hier sind einige der wichtigsten Verdichtertypen und ihre Kühlleistungen:

• Vollhermetische Hubkolbenverdichter: 50 kW bis 1 MW
• Halbhermetische Hubkolbenverdichter: 300 kW bis 1 MW
• Offenene Hubkolbenverdichter: 1 MW und mehr
• Schraubenverdichter: 200 kW bis 1 MW
• Scrollverdichter: unter 1 MW
• Turboverdichter: 350 kW bis 30 MW
• Absorptionsverdichter (thermisch angetrieben): 15 kW bis 6 MW

Diese Auflistung demonstriert die Vielfalt der verfügbaren Technologien und ihre unterschiedliche Leistungsfähigkeit. Die Auswahl des geeigneten Verdichters hängt von den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab.

Geschichte der künstlichen Kälte

Die Historie Kältetechnik begann mit den ersten Versuchen, Lebensmittel durch Kühlung haltbar zu machen. Bereits 1756 erzeugte der schottische Mediziner William Cullen erstes künstliches Eis. Entscheidende Fortschritte erzielte Carl von Linde, der 1877 die erste funktionsfähige Industrie-Kältemaschine mit NH3 als Kältemittel entwickelte.

Im Laufe der Zeit dominierten die Kreuzkopf-Kälteverdichter für mehr als 50 Jahre den Markt. Ab den 40er Jahren wurden diese durch schnelllaufende Kolben-, Schrauben- und Turbo-Verdichter abgelöst. Ein grundlegender Wandel zeichnete sich in den 50er Jahren ab, begleitet von einem Anstieg an Kältefachfirmen und unabhängigen Herstellern von Kälteanlagen-Komponenten.

Die Historie Kältetechnik zeigt eine signifikante Entwicklung im Markt, beispielsweise waren allein im Stuttgarter Raum acht Unternehmen tätig, die Verdichter, Wärmeaustauscher und Expansionsventile produzierten. Der Beruf des Kälteanlagenbauers wurde 1978 als Vollberuf anerkannt.

Die Entwicklung Kühlsysteme rückte in den 1930er-Jahren in den USA in den Fokus privater Haushalte. Bis 1954 war Liebherr maßgeblich an der Kühlschrankentwicklung beteiligt und wurde für Qualitätsprodukte bekannt. Die Kältetechnik spielt auch eine entscheidende Rolle in der Klimatisierung von OPs und Intensiv-Stationen, sowie bei der Lagerung von Impfstoffen und Medizinprodukten.

Historisch gesehen, hatte Deutschland um 1900 bereits über 1000 industrielle Kühlsysteme, vorwiegend in Brauereien und Schlachthöfen. Mit den Energielabels für Kühlgeräte, die seit dem 1. März 2021 reguliert sind, wird die Effizienz gesteigert und eine bessere Übersichtlichkeit gewährleistet.

Die Entwicklung Kühlsysteme und kommerzieller Kompressoren führte zur Einführung hermetisch abgedichteter Kompressoren und nicht-toxischer Kältemittel wie Freon. Innovationen wie das „Autofrigor“ durch Sulzer Escher Wyss trieben die Technologie im 20. Jahrhundert weiter voran.

Kältemittel und ihre Bedeutung

Kältemittel sind essenzielle Substanzen in der Kühltechnik, die in Kälteanlagen eingesetzt werden, um Wärme durch Phasenwechsel zu absorbieren und abzugeben. Gemäß DIN EN 378-1 Abs. 3.7.1 wird ein Kältemittel als Fluid definiert, das Wärme aufnimmt und bei höherem Druck und Temperatur abgibt.

Die Wahl des richtigen Kältemittels ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit und Effizienz von Kälteanlagen. Historisch gesehen wurden häufig fluorierte Gase verwendet, doch aufgrund ihrer negativen Umweltauswirkungen erfolgt zunehmend ein Wandel hin zu natürlichen Kältemittelarten wie CO2 oder Hydrofluorolefinen. Diese Umstellung auf umweltfreundlichere Optionen in der Kühltechnik hat zahlreiche Vorteile, darunter geringere Ozonabbau- und Treibhauspotentiale (ODP und GWP).

Die Nomenklatur von Kältemitteln wurde erstmals von Henne, Midgley und McNary von der Firma DuPont vorgeschlagen. Dabei erfolgt die Benennung gemäß DIN 8960 Abs. 6 mit dem Buchstaben R und drei Ziffern. Organische Kältemittel werden nach einem Schema benannt, das auf der Anzahl von Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Fluor- sowie gegebenenfalls Chlor- oder Bromatomen basiert. Zum Beispiel werden Isomere von Kältemitteln mit angehängten Kleinbuchstaben bezeichnet, wobei höhere Buchstaben die Asymmetrie des Isomers anzeigen.

Wichtige Kennwerte für Kältemittel umfassen das Ozonabbaupotenzial (ODP), Treibhauspotential (GWP), sowie physikalische Eigenschaften wie Viskosität und Siedepunkt. Die DIN EN 378 definiert Kältemittel als strömende Medien für die Wärmeübertragung in Kälteanlagen, die üblicherweise zwischen flüssigem und gasförmigem Aggregatzustand wechseln.

• Zu den grundlegenden Anforderungen an Kältemittel zählen: Umweltverträglichkeit, Nicht-Brennbarkeit, Nicht-Toxizität.
• Außerdem sollten sie chemisch stabil und kompatibel mit Systemölen sein.
• Die Auswahl des Kältemittels richtet sich stets nach dem spezifischen Einsatzbereich und den technischen Anforderungen der Kühltechnik.

Insgesamt sind Kältemittel ein integraler Bestandteil moderner Kühltechnik, wobei die Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicherer Kältemittelarten immer mehr an Bedeutung gewinnt.

Der Kältekreislauf: Funktionsweise und Anwendungen

Der Kältekreislauf ist ein zentraler Bestandteil moderner Kühltechnik und spielt eine entscheidende Rolle bei verschiedenen Kühlprozessen und Anwendungen. 90% aller heutzutage installierten Kühlsysteme nutzen den Kältekreislauf zur Kühlung. Dabei wird ein Kältemittel zyklisch durch vier Hauptkomponenten geführt: Verdampfer, Kältemittelverdichter, Entspanner und Verflüssiger.

Der Kalt-Dampf-Prozess ist ein weit verbreiteter Kompressionskältekreislauf, der bei der Kälteerzeugung am häufigsten zur Anwendung kommt. Hierbei treibt der Kältemittelverdichter den gesamten Prozess an, indem er externe Energie zuführt und das Kältemittel durch den Kreislauf pumpt. Der Verdampfer ist für die Verdampfung des Kältemittels zuständig, während der Verflüssiger die Wärme abführt und das Kältemittel verflüssigt. Diese Prozesse basieren auf grundlegenden Prinzipien der Thermodynamik und sind essenziell für die Funktion der Anlage.

Verschiedene Bauarten von Wärmeübertragern kommen zum Einsatz, abhängig vom verwendeten Sekundärmedium. Bei der Entspannung des Kältemittels werden typischerweise Kapillarrohre oder regelbare Ventile verwendet. Diese Komponenten sorgen dafür, dass der Druck des Kältemittels reduziert wird, bevor es erneut im Verdampfer Wärme aufnimmt.

Die Planung und Überwachung des Kältekreislaufs einschließlich der Füllmenge und des Drucks erfolgt durch das Beifüllen des Kältemittels über ein Ventil, um den Kreislauf abzuschließen. Eine regelmäßige Wartung und Inspektion durch zertifizierte Fachunternehmen ist notwendig, um die Effizienz und Langlebigkeit der Kälteanlagen zu gewährleisten. Bis zu 200.000 Euro Geldstrafe können bei unsachgemäßer Handhabung oder Nichteinhaltung der EU-Verordnung 1005/2009 verhängt werden.

Die Thermodynamik hinter diesen Kühlprozessen ermöglicht nicht nur effiziente industrielle Anwendungen, sondern auch alltägliche Geräte wie Kühlschränke und Klimaanlagen. Es ist daher unerlässlich, ein tiefes Verständnis für den Kältekreislauf zu haben, um die optimale Leistung und Umweltverträglichkeit der Kältesysteme zu gewährleisten.

Wärmeübertragung in der Kältetechnik

Die Wärmeübertragung ist ein zentrales Konzept in der Kältetechnik, das den Transfer von Wärmeenergie zwischen verschiedenen Medien und Oberflächen beschreibt. In der Kältetechnik erfolgt die Wärmeübertragung zwischen strömenden Stoffen, sei es gasförmig oder flüssig, mit unterschiedlichen Ausgangstemperaturen. Diese Temperaturdifferenz bildet das treibende Gefälle für den Wärmefluss.

Wärmeübertrager, die sowohl als Verdampfer als auch als Verflüssiger eingesetzt werden, spielen in der Kältetechnik eine entscheidende Rolle. In diesen Anwendungen kommt es zu einem Phasenübergang im Kältemittel. Man unterscheidet verschiedene Typen von Wärmeübertragern, darunter Doppelrohr-, Platten-, Koaxialwendel- und Rippenrohr-Wärmeübertrager. Die effiziente Kühlung wird durch die Wahl des richtigen Wärmeträgers gewährleistet.

• Wärmeübertragung im Verdampfer erfolgt in den Bereichen Verdampfung und Überhitzung.
• Die energetischen Vorgänge im Verflüssiger lassen sich in Enthitzung, Verflüssigung und Unterkühlung aufteilen.

2019 wurden zum ersten Mal mehr Wärmepumpen als Gasheizungen in neue deutsche Gebäude eingebaut. Dies zeigt die zunehmende Bedeutung der effizienten Kühlung und der Reduktion der CO2-Emissionen. Wärmepumpen, die jährlich etwa 2,6 Millionen Tonnen CO2 einsparen, sind bereits in rund einer Million Haushalte in Deutschland installiert. Die Forschung konzentriert sich derzeit auf die Entwicklung neuer, effizienter Wärmepumpentechnologien, wie Magneto-, Elasto- oder Elektrokalorik.

In Deutschland wurden etwa 3.200 Sorptionskälteanlagen installiert, welche die CO2-Emissionen im Vergleich zu Kompressionskälteanlagen um bis zu 80 Prozent verringern. Die Effizienz und Umweltfreundlichkeit von Wärmepumpen durch die Entwicklung neuer Materialien und Komponenten werden stetig verbessert, was eine größere Einsparung von Klimagasen ermöglicht. Bei der effizienten Kühlung spielen auch neue Kältemittel mit geringer Treibhauswirkung eine wichtige Rolle.

Kälteanlagen: Planung und Wartung

Bei der Planung von Kälteanlagen ist das Kälteanlagen Management von entscheidender Bedeutung. Der sorgfältige Auswahlprozess geeigneter Komponenten, Materialien und Anlagenkonfigurationen stellt sicher, dass maximale Effizienz und Zuverlässigkeit erreicht werden. Dabei müssen sowohl aktuelle als auch zukünftige Anforderungen der Infrastruktur berücksichtigt werden. Besonders bei Unternehmen mit digitalen Infrastrukturen, wie z.B. Rechenzentren, ist die präzise Planung essentiell für den reibungslosen Betrieb.

Die Wartung Kühlsysteme ist ein kontinuierlicher Prozess, der regelmäßige Inspektionen, Leistungsüberprüfungen sowie den Austausch abgenutzter oder defekter Teile umfasst. Diese Maßnahmen tragen nicht nur zur Erhöhung der Lebensdauer der Anlagen bei, sondern gewährleisten auch Betriebssicherheit und Energieeffizienz.

Ein strukturierter Wartungsplan ist unerlässlich, um mögliche Ausfälle frühzeitig zu erkennen und zu verhindern. Betriebe in der pharmazeutischen Produktion oder Lebensmittelindustrie haben besonders hohe Anforderungen an die Kälteanlagen, da eine konstante Temperierung, wie z.B. 2°C +/- 0,2°C, erforderlich ist, um die Produktqualität zu sichern. Auch in der Supermarktkühlung ist die Kältetechnik unverzichtbar und der größte Energieverbraucher mit einem Anteil von 37%, laut einer Studie des EHI.

Ein weiteres Beispiel sind redundante Kältesysteme, die in Umgebungen mit hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit der Kühlung installiert werden. Der Metropolregion Hamburg steht ein 24/7 Notdienst zur Verfügung, um bei Störungen schnell zu reagieren und die Ausfallzeiten zu minimieren.

Im Bereich des Kälteanlagen Management können durch Technologien, wie beispielsweise frequenzgesteuerte Klimaschränke, erhebliche Energieeinsparungen erzielt werden. Der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbauer hebt hervor, dass durch innovative Anlagentechnik bis zu 40% Energie eingespart werden können. Für Betreiber von Kälteanlagen mit mehr als 12 kW Kühlleistung sind energetische Inspektionen gesetzlich vorgeschrieben, was zusätzlich zur Energieeinsparung beiträgt.

Insgesamt ist ein effektives Kälteanlagen Management und die regelmäßige Wartung Kühlsysteme von zentraler Bedeutung für die Betriebseffizienz, Umweltverträglichkeit und Langlebigkeit der Kälteanlagen in verschiedenen Branchen.

Klimatisierungstechnologie

Moderne Klimatisierungstechnologien umfassen eine Vielzahl von Systemen und Methoden, die weit über die reine Kühlung hinausgehen. Sie dienen der umfassenden Kontrolle von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftqualität in Innenräumen. Seit der Entwicklung der ersten Klimatisierungssysteme Anfang des 20. Jahrhunderts, ursprünglich für industrielle Anwendungen, haben sich die Technologien rasant weiterentwickelt.

Ein zentraler Aspekt moderner Klimatisierung ist die effiziente Nutzung und Steuerung von Klimaelementen. Moderne Klimatisierung erfordert Techniken wie:

• Einsatz von Luftfiltern, die Staub und Allergene aus der Luft entfernen.
• Wärmerückgewinnung, bei der die von gekühlter Luft erzeugte Wärme zurückgeführt und genutzt wird.
• Variable Kühlmittelmengen, welche die Effizienz der Systeme steigern.
• Hohe Energieklassen bis zu A+++, um möglichst sparsam zu sein.
• Geräuschpegel, der bis auf 15 dB gesenkt werden kann.

Ein bedeutender Fortschritt in den Klimasystemen ist die Integration intelligenter Steuerungen und Inverter-Techniken. Diese ermöglichen es, Energieverbrauch und Komfort optimal auszubalancieren. Solche Systeme nutzen Sensoren, die auf Bewegungen im Raum reagieren, und können auch Funktionen wie Heizmodus und Luftfeuchtigkeitsregulation bieten.

Die umgewälzte Luft strömt durch spezielle Filter, die Staub, Pollen, Gerüche, Schimmel, Bakterien und andere Verunreinigungen auffangen können. Einige Einheiten verwenden sogar Hochtemperatursterilisation oder UV-C-Lampenbeleuchtung für zusätzliche Hygiene.

Die Steuerung der Klimaanlagen kann nicht nur über klassische Fernbedienungen erfolgen, sondern auch über mobile Anwendungen, Smart-Home-Systeme und Sprachassistenten wie Siri und Alexa. Die Einbindung in komplexe Gebäudemanagementsysteme sorgt für eine noch effizientere Nutzung der Technologien.

Energieeffizienz in Kälteanlagen

Die Steigerung der Energieeffizienz in Kälteanlagen ist ein zentraler Aspekt im Streben nach Nachhaltigkeit und Kostensenkung. Im Jahr 2017 hatte die Kältetechnik in Deutschland einen Anteil von 14 Prozent am gesamten Stromverbrauch. Durch den Einsatz energieeffizienter Komponenten und die Integration erneuerbarer Energiequellen können Betriebskosten gesenkt und Umweltauswirkungen minimiert werden.

Zu den Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz in Kälteanlagen gehören:

• Einsatz von drehzahlgeregelten Antrieben für Verdichter und Ventilatoren
• Steuerung des Verdichterdrucks
• Verwendung von Energie-Monitoring-Systemen zur kontinuierlichen Überwachung des gesamten Kälteerzeugungssystems

Statistiken zeigen, dass Energieeinsparungen von bis zu 30 Prozent je nach Einsatzbereich, Anlagentyp und -größe bei Kälteanlagen möglich sind, während bei Klimaanlagen sogar bis zu 70 Prozent gespart werden können. In großen Fleischverarbeitungsbetrieben tragen Kühl- und Klimatechniken etwa 50 Prozent zum gesamten Energieverbrauch bei. Supermarktkühlsysteme repräsentieren typischerweise zwischen 40-60 Prozent des Energieverbrauchs in Supermärkten.

Durch die Implementierung energieeffizienter Maßnahmen in der Kältetechnik könnten Energieeinsparungen zwischen 10-60 Prozent erzielt werden, mit Amortisationszeiträumen von 2-10 Jahren. Eine umfassende Lebenszyklusbetrachtung, die die Phasen Planung, Betrieb und Entsorgung einschließt, ist für den energieeffizienten Betrieb in Kühlsystemen unerlässlich.

Energieberatungen zur Effizienzverbesserung von Kälteanlagen und Gebäuden werden bis zu 80 Prozent für klein- und mittelständige Unternehmen gefördert. Es wird empfohlen, für die Energieberatung einen qualifizierten und zugelassenen Experten vom BAFA auszuwählen, um Förderansprüche zu erhalten.

Schließlich zeigt die Analyse, dass Energieeffizienzmaßnahmen Einsparungen von 10-60 Prozent bewirken können, mit Amortisationszeiträumen von 2-10 Jahren. Energieeffiziente Automatisierungstechnologie, die auf spezifische Systeme zugeschnitten ist, kann erheblich die Betriebsweise und Energieeffizienz von Kühlsystemen beeinflussen.

Umweltauswirkungen der Kältetechnik

Die Kältetechnik spielt eine zentrale Rolle in unserem modernen Leben, von der Kühlung unserer Lebensmittel bis zur Klimatisierung unserer Gebäude. Doch diese Technologie bringt auch erhebliche Umweltauswirkungen mit sich, insbesondere durch den Einsatz von Kältemitteln, die potente Treibhausgase sind. Der Energieverbrauch von Kälte- und Klimaanlagen hängt von Faktoren wie der Anlagengröße, dem Kühlmitteltyp und der Systemeffizienz ab. Eine erhöhte Energieaufnahme führt zu einem höheren CO2-Ausstoß, was zum Klimawandel beiträgt.

Kühlmittel wie FCKW, die in den 1990er Jahren wegen ihrer schädlichen Auswirkungen auf die Ozonschicht verboten wurden, können zur globalen Erwärmung beitragen. Daher sind umweltverträgliche Alternativen und der Übergang zu natürlichen Kältemitteln entscheidend, um die Umweltauswirkungen dieser Technologie zu verringern. Natürliche Kältemittel wie Kohlenwasserstoffe und CO2 haben geringere Treibhauspotenziale und sind somit wesentlich umweltschonender. Der Einsatz dieser Alternativen kann die Umweltschutz Kältetechnik fördern und gleichzeitig zur Reduzierung von Treibhausgasen beitragen.

Die Entsorgung von Kälte- und Klimaanlagen stellt ebenfalls eine Herausforderung dar. Giftige Chemikalien müssen sachgemäß entsorgt werden, um Umweltschäden zu vermeiden. Hinzu kommen negative Umwelteffekte wie Wasser- und Bodenverschmutzungen, verursacht durch chemische Behandlungen des Kühlturmwassers, sowie Lärmbelästigungen in städtischen Umgebungen. Ein verantwortungsvolles Abwassermanagement und Lärmschutzmaßnahmen sind daher unerlässlich, um die negativen Folgen für die Umwelt zu minimieren.

Zusätzlich können Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz, wie der Einsatz von Inverter-Technologie oder Wärmerückgewinnung, den Energieverbrauch und den CO2-Ausstoß reduzieren. Seit dem 1. Januar 2017 müssen neue Klimaanlagen von Pkw und leichten Nutzfahrzeugen mit Kältemitteln mit einem Treibhauspotenzial unter 150 befüllt werden. Diese Regelung fördert den Einsatz umweltfreundlicherer Kältemittel. Der Umstieg auf natürliche Kältemittel wie Ammoniak oder Wasser birgt viele Vorteile, darunter auch die Reduzierung der Emission persistenter Schadstoffe wie Trifluoressigsäure (TFA), die aus bestimmten fluorierten Kältemitteln entstehen.

Die insgesamt zu bewältigende Aufgabe ist es, durch technologische Innovation und strengere Umweltvorgaben sowohl die Effizienz der Kälteanlagen zu verbessern als auch deren Umweltauswirkungen nachhaltig zu minimieren. Der Einsatz umweltfreundlicher Kältemittel und die Umsetzung von Energieeffizienzmaßnahmen sind wesentliche Schritte, die zur Reduzierung von Treibhausgasen und zur Förderung des Umweltschutz Kältetechnik beitragen können.