Wie funktioniert ein Kühlschrank?

Als Erfinder des Kühlschrankes gilt Carl Paul Gottfried von Linde (11.06.1842 – 16.11.1934). 1876 erhielt er ein Patent für den Kühlschrank.

Ein Kühlschrank erzeugt Kälte, das heisst, er entfernt Wärme. Das Ergebnis ist dann eine tiefe Temperatur. Kälteerzeugung ist in Wirklichkeit also Wärmeentziehung. Wenn man einen Raum kühlen will, muss die Wärme aus diesem Raum entfernt und dorthin gebracht werden, wo die Wärme nicht stört.

Bei der physikalischen Kälteerzeugung wird der Aggregatzustandswechsel einer Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand ausgenutzt. Hierbei wird Wärme aufgenommen. Alle Flüssigkeiten, die zur Kälteerzeugung verwendet werden, nennt man Kältemittel. Diese Kältemittel haben einen niederen Siedepunkt. So nieder, dass die Wärme der Lebensmittel im Kühlschrank das Kältemittel zum Sieden bringt.

Im Kühlraum befindet sich beispielsweise eine Rohrschlange, der sogenannte Verdampfer, in dem sich das Kältemittel befindet. Die Wärme im Kühlraum dringt durch die Rohrwand bis zum Kältemittel durch und bringt dieses zum Sieden, wobei das Kältemittel verdampft. Die Wärme, die während der Verdampfung aus dem Kühlraum aufgenommen wurde, ist nun im Kältemitteldampf enthalten. Dieser Kältemitteldampf wird nun durch eine Rohrschlange zum Kompressor (Verdichter) geleitet.

Der Kompressor verdichtet den Kältemitteldampf auf einen höheren Druck und pumpt ihn in den Kondensator (Verflüssiger). Der Kondensator besteht ebenfalls aus einer Rohrschlange, die an der hinteren Aussenwand des Kühlschranks angebracht ist. Das Kältemittel gibt die aus dem Kühlraum aufgenommene Wärme an die Umgebungsluft ab. Dabei kühlt das Kältemittel ab und wird wieder flüssig.

Diese Kältemittelflüssigkeit wird durch die Rohrleitung wieder zum Verdampfer (im Inneren des Kühlschranks) geleitet. Die eingeleitete Menge wird vom Drosselventil gesteuert, damit genau die Menge nachgefüllt wird, welche vorher verdampft ist. Jetzt kann der Kältekreislauf von neuem beginnen.

Ein Kühlschrank besteht also im Wesentlichen aus einem Kompressor (Verdichter), einem Kondensator (Verflüssiger), einem Verdampfer und einem Drosselventil (zwischen Kondensator und Verdampfer).

Die ganze Anlage ist also ein mechanisch/physikalisches System, das Wärme vom Inneren des Kühlschrankes nach aussen befördert, und das mit Hilfe von Kältemittel, welches zweimal seinen Aggregatzustand ändert.

Kältemittel: Durch ihren niederen Siedepunkt (d.h. sie verdampfen schon bei niederen Temperaturen) sind sie in der Lage, Wärme aus dem Inneren des Kühlschrankes aufzunehmen und nach aussen zu befördern.

Verdampfer: Der Verdampfer besteht aus einer Rohrschlange, die im Inneren des Kühlschranks angebracht ist. Die Wände des Verdampfers nehmen die Wärme der Luft im Kühlraum auf. Durch diese Wärme verdampft das flüssige Kältemittel.

Kompressor (Verdichter): Der Kompressor hat die Aufgabe, den Kältemitteldampf bis zu seinem Verflüssigungspunkt zu Verdichten, damit er im Kondensator wieder flüssig werden kann (durch Abkühlung).

Kondensator (Verflüssiger): Der Kondensator hat die Aufgabe, die aus dem Kühlraum aufgenommene Wärme an die Umgebung abzugeben. Das passiert, indem der Aggregatzustand des Kältemittels von gasförmig nach flüssig verändert wird. Der Kondensator befindet sich an der Rückseite des Kühlschranks, wo die Wärme nicht stört. Aus dem Kondensator wird das Kältemittel über das Drosselventil wieder in den Verdampfer geleitet.

Drosselventil: Das Drosselventil reguliert die Flüssigkeitsmenge, welche in den Verdampfer eingespritzt werden muss, um diejenige Menge aufzufüllen, die vorher verdampft ist.Kühlschränke dienen der kurzfristigen Lagerung leicht verderblicher Lebensmittel. Bei einer Kühlraum-Innentemperatur von 2–8° C ist die Vermehrung von Mikroorganismen, die für das Verderben der Lebensmittel verantwortlich sind, bereits erheblich eingeschränkt. Daraus resultiert eine längere Haltbarkeit der Nahrungsmittel.

Der eigentliche Kühlungsprozess, der in einem Kühlschrank abläuft, basiert auf fundamentalen Naturvorgängen. Entscheidend ist die Tatsache, dass eine Flüssigkeit, die verdampft, ihrer Umgebung Wärme entzieht. Ein Parfüm, das beispielsweise auf der Haut verdampft, hinterlässt einen kühlenden Eindruck. Während des Verdampfungsvorganges bleibt die Temperatur der Flüssigkeit konstant, die Temperatur der unmittelbaren Umgebung sinkt dagegen in Richtung der Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit ab. Wenn man andererseits den Dampf einer Flüssigkeit zusammenpresst (komprimiert), wird sich seine Temperatur erhöhen. Der komprimierte und erhitzte Dampf kann diese Wärme an seine Umgebung abgeben und danach in den flüssigen Zustand übergehen. Kühlaggregate vereinigen die beschriebenen Prozesse in einem geschlossenen Kreislauf. Die Flüssigkeit, die dafür in einem Kühlschrank verwendet wird, bezeichnet man als Kälte- oder Kühlmittel. Sie entzieht dem Kühlgut Wärme und gibt diese an einer anderen Stelle des Kreislaufs wieder ab. Als Kältemittel benötigt man Stoffe, die unter normalem Druck bei Temperaturen verdampfen, die erheblich unter 0° C liegen. Dazu gehören z.B. Ammoniak (Siedepunkt: –33° C) und verschiedene Frigene, wie z.B. Freon (Siedepunkt: –31° C), das zu den Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKWs) gehört. Nach ihrer Verwendung entweichen die FCKWs in die Erdatmosphäre, wo sie aufgrund ihrer hohen chemischen Stabilität bis in die Stratosphäre gelangen können. Hier werden unter Einwirkung der energiereichen Sonnenstrahlung Chlor-Atome von den FCKW-Molekülen abgespalten. Dadurch erhöht sich die Anzahl der freien Chlorradikale rapide, die ihrerseits für die Zerstörung der lebensnotwendigen Ozonschicht verantwortlich gemacht werden.

Die Kältemittel-Kreisläufe von Kühlschränken arbeiten entweder nach dem Kompressions- oder nach dem Absorptionsverfahren.

Das Kompressionsverfahren: Kühlschränke, die nach dem Kompressionsverfahren arbeiten, enthalten in den meisten Fällen das Kältemittel Freon (CF2Cl2). Der Kreislauf des Kompressionssystems stellt sich folgendermassen dar:

  • Das zunächst flüssige Kältemittel gelangt in den Verdampfer, der sich im Kühlraum befindet. Hier verdampft das Kältemittel, wobei die dazu benötigte Wärme (Verdampfungswärme) über das Verdampfergehäuse dem Kühlraum entzogen wird. Dabei steigt die Temperatur des Kältemittels nicht an, die entzogene Wärmemenge wird lediglich für die Änderung seines Aggregatzustandes (flüssig > gasförmig) benötigt.
  • Der Kompressor (Verdichter), der mit einem Antriebsmotor gekoppelt ist, saugt das dampfförmige Kältemittel aus dem Verdampfer an, um es in den Kondensator (Verflüssiger) zu befördern.
  • Der Kondensator ist, von Kühlrippen umgeben, auf der Rückseite des Kühlschranks ausserhalb des Kühlraums angeordnet. Das Kältemittel kann aus dem Kondensator nicht so schnell entweichen – in der Regel über ein dünnes Rohr (Kapillarrohr) –, wie es vom Kompressor hineingedrückt wird. Dadurch gerät es unter hohen Druck und erhitzt sich. Weil die Kondensatorwände aber eine niedrigere Temperatur als der erhitzte Dampf besitzen, kommt es hier zu einer Verflüssigung (Kondensation) des Dampfes. Die dabei freiwerdende Wärmemenge wird über den Kondensator an die Umgebung abgegeben, was zur Folge hat, dass sich die Rückseite des Kühlschranks erwärmt. Bei diesem Vorgang ändert sich die Temperatur des Kühlmittels nur geringfügig. Die Wärmeabgabe wird im wesentlichen durch den Verflüssigungseffekt erzielt.
  • Nachdem das nun flüssige Kühlmittel das Kapillarrohr (Drosselstelle) verlassen hat, erfährt es infolge einer Querschnittserweiterung des Rohres schlagartig eine Temperaturabnahme und gelangt bei niedrigem Druck wieder in den Verdampfer. Bei diesen geringen Druckverhältnissen, die vom Kompressor verursacht werden, verdampft das Kältemittel erneut und der Kreislauf beginnt von vorne.

Wenn im Kühlschrank die gewünschte tiefe Temperatur unterschritten wird, schaltet ein Thermostat den Kompressions-Motor aus; der Kreislauf des Kühlmittels hört damit auf. Wird dagegen im Kühlschrank die vorgegebene Temperatur überschritten, schaltet der Kompressor wieder ein. Die Einschaltphasen sind am leisen Summen erkennbar.