Kältekreislauf in einer Wärmepumpe? – Funktion und Grundlagen

Es hört sich widersprüchlich an: Was macht ein Kältekreislauf in einer Wärmepumpe? Aber genau diesen scheinbaren Widerspruch aufzulösen, ist der Schlüssel zum Verständnis der Grundlagen und Funktionsweise von Kältekreisläufen und damit auch von Wärmepumpen.

Manuel Gräber

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June 30, 2021

© franconiaphoto / 123RF.com

Im Gegensatz zu den meisten anderen im Internet verfügbaren Quellen steigen wir nicht direkt in die Beschreibung der einzelnen Komponenten eines Kältekreislaufs ein, sondern beginnen mit den wesentlichen thermodynamischen Grundlagen. Das heißt wir klären das „wieso“ und „warum“, bevor wir zum „wie“ kommen.

Wärme strömt von warm nach kalt

Es ist vielleicht der wichtigste Grundsatz in der Thermodynamik: Wärme strömt von allein immer nur von hohen zu niedrigen Temperaturen.

Intuitiv ist dieser Zusammenhang jedem aus der eigenen Alltagserfahrung klar. Wenn nichts aktiv dagegen unternehme, kühlt mein heißer Kaffee mit der Zeit ab, bis er Umgebungstemperatur erreicht hat. Kälter als die Umgebung wird er aber nie werden, egal wie lange ich warte. Für einen erfrischenden Eiskaffee bei sommerlichen Temperaturen müsste ich bzw. mein Kühlschrank schon etwas tun.

Man kann diesen Grundsatz auch anschaulich mit der Analogie zu Wasser beschreiben. Beim Wärmestrom ist das treibende Potenzial die Temperatur, und bei strömendem Wasser ist es der Druck. Von allein strömt Wasser immer nur von hohem zu niedrigem Druck. Um es gegen diese natürliche Richtung zu befördern, z.B. in einer Heizungsanlage aus dem Keller bis ins 2. OG, muss ich aktiv etwas tun. In Heizungsanlagen macht man das mit einer Umwälzpumpe.

Genau wie eine Umwälzpumpe Wasser von einem niedrigen Druckniveau auf ein höheres pumpt, pumpt ein Kältekreislauf die Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres. Und genau daher kommt der Begriff Wärmepumpe.

Kältekreislauf oder Wärmepumpe?

Die kurze Antwort ist: es ist beides das gleiche. Sowohl ein Kältekreislauf als auch eine Wärmepumpe pumpen Wärme gegen die natürliche Fließrichtung. Nur die Nutzung ist unterschiedlich. In beiden Fällen muss – wie bei der Analogie zu Wasser und Umwälzpumpe – externe Energie zugeführt werden.

Man kann sich eine Kältemaschine oder Wärmepumpe einfach als Kiste vorstellen, in die man elektrische Energie hinsteckt, eine Seite kalt wird (Wärmestrom in die Kiste rein) und eine andere Seite warm wird (Wärmestrom aus der Kiste raus).

Je nach Anwendungsfall wird die warme oder kalte Seite genutzt. In einem Kühlschrank wird mit der kalten Seite der Innenraum gekühlt, während bei einer Wärmepumpe mit der heißen Seite das Heizungswasser erwärmt wird. Die jeweils andere Seite gibt es zwangsläufig auch. Beim Kühlschrank wird die Rückwand außen warm, gibt also Wärme an die Umgebung ab. Bei einer Luft-Wärmepumpe hingegen steht die kalte Seite z.B. draußen im Garten und nimmt Wärme aus der Umgebung auf.

Übrigens sprechen Heiztechnikhersteller häufig vom Kältekreislauf in ihren Wärmepumpen und nicht vom Wärmekreislauf. Und tatsächlich sind die Kältekreisläufe in Wärmepumpen und Kältemaschinen nahezu identisch.

Funktionsweise des Kältekreislaufs

Die bisher beschriebenen Grundlagen sind Naturgesetze und gelten für alle denkbaren technischen Umsetzungen. Es gibt viele verschiedene Technologien zur Kälteerzeugung aber die mit Abstand am meisten genutzte ist die Kompressionskälte. Das heißt wenn man von einem Kältekreislauf spricht, meint man damit in der Regel den Kompressionskältekreislauf – oder wissenschaftlich exakt ausgedrückt den Kalt-Dampf-Prozess.

Um diesen Prozess zu verstehen, braucht es eigentlich nur drei wesentliche physikalische Zusammenhänge:

  1. Eine Flüssigkeit, die verdampft, nimmt Wärme auf.
  2. Ein Gas, das flüssig wird, gibt Wärme ab.
  3. Die Temperatur bei Verdampfung und Verflüssigung steigt mit zunehmendem Druck.

Gehen wir zurück zum Gedanken aus den vorherigen Abschnitten: Wir wollen Wärme von einer niedrigen Temperatur auf eine hohe Temperatur pumpen. Nach den drei oben genannten physikalischen Gesetzmäßigkeiten geht das recht einfach. Wir suchen uns ein passendes Fluid, das sogenannte Kältemittel, und führen immer wieder folgende Zustandsänderungen aus:

  1. Flüssigkeit verdampfen bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur
  2. Den entstehenden Dampf auf ein höheres Druckniveau bringen
  3. Dampf bei hohem Druck und hoher Temperatur verflüssigen
  4. Die entstehende Flüssigkeit wieder auf das niedrige Druckniveau bringen

Und genau das ist das Funktionsprinzip eines Kältekreislaufs.

Praktische Umsetzung und Komponenten

Die oben beschriebenen 4 Zustandsänderungen sind noch recht abstrakt. Um einen funktionierenden Kältekreislauf in einer Wärmepumpe oder Kältemaschine aufzubauen, brauchen wir konkrete Komponenten.

Das Schema eines einfachen Kältekreislauf mit 4 Komponenten, die den 4 Zustandsänderungen entsprechen, sieht so aus:

Schema eines einfachen Kältekreislaufs

Für die Verdampfung (1) und Verflüssigung (3) werden Wärmeübertrager verwendet, in denen die Wärme zwischen Kältemittel und einem Sekundärmedium übertragen wird. Diese Wärmeübertrager (Verdampfer und Verflüssiger) gibt es in verschiedenen Bauarten, je nach Sekundärmedium. So macht es zum Beispiel einen großen Unterschied, ob die Verdampfungswärme aus der Umgebungsluft übertragen wird oder aus einem Wasserkreislauf und einer Erdwärmesonde. Für eine möglichst hohe Effizienz einer Wärmepumpe oder Kältemaschine ist es wichtig, Verdampfer und Verflüssiger passend zur Anwendung auszulegen.

Der Kältemittelverdichter (2) treibt den gesamten Prozess an. Hier muss externe Energie hinzugeführt werden. Je nach Leistungsklasse und Anwendung gibt es verschiedene Technologien, die entweder auf dem Verdrängungsprinzip basieren oder als Strömungsmaschinen funktioniere. Am einfachsten vorstellbar ist das Prinzip eines Hubkolbenverdichter, wie er z.B. in mechanisch angetriebenen PKW-Klimaanlagen verwendet wird. Genau wie bei einer Luftpumpe wird das Gas durch Hin- und Herschieben eines Kolbens verdichtet.

Die Entspannung des Kältemittels (4) ist der einfachste Schritt. Es genügt eine Engstelle in der Kältemittelleitung, an der ein hoher Druckverlust entsteht. Üblicherweise werden dafür sehr dünne lange Rohre (sog. Kapillarrohre) verwendet oder regelbare Ventile, um auf sich ändernde Randbedingungen reagieren zu können.

Diese vier Komponenten werden mit Rohrleitungen verbunden, so dass ein geschlossener Kreislauf entsteht. Über ein Ventil wird der Kältekreislauf mit Kältemittel befüllt, bis eine bestimmte Füllmenge und Druck erreicht wird. Fertig ist der Kältekreislauf.

In einem weiteren Blog-Artikel wird eine häufige Erweiterung dieses einfachen Kältekreislaufs beschrieben, und die Themen Kältemittelfüllmenge, Sammler und Abscheider diskutiert.

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Dr.-Ing.

Manuel Gräber

Managing Director

TLK Energy

Dr.-Ing. Manuel Gräber arbeitet seit 2008 an der Modellierung, Optimierung und Regelung von thermischen Systemen. Seine Promotion an der TU Braunschweig hat er mit dem Thema „Energieoptimale Regelung von Kälteprozessen“ abgeschlossen. Im Rahmen der Tätigkeiten als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Braunschweig und als Angestellter bei der TLK-Thermo GmbH hat er zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsprojekte mit verschiedenen Industriepartnern durchgeführt. Seine besondere Stärke ist die Verknüpfung einer breiten theoretischen Wissensbasis aus verschiedenen Disziplinen mit der praktischen Erfahrung konkreter Ingenieursprojekte.

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