Was ist ein Kühlsystem?

Ein Kühlsystem entzieht Wärme, es produziert keine Kälte, wie der Name vielleicht glauben lässt. Ein Kühlsystem ist ein Wärmetransportsystem, das auf einer Seite (z.B. im Kühlbehälter) Wärme aufnimmt und diese auf der anderen Seite (Kühlaggregat) abgibt.

Die Wärme kann auf verschiedene Arten entzogen werden. Es gibt drei verschiedene Kühlsysteme:

  • Peltier-Kühlsystem
  • Absorber-Kühlsystem
  • Kompressor-Kühlsystem

Das Peltier-Kühlsystem

Im Jahre 1834 beobachtete der französische Physiker Peltier (1785-1845), dass sich die Berührungsstelle von zwei verschiedenen Metallen, durch die ein Gleichstrom fliesst, entweder erwärmt oder abkühlt, je nach Richtung in die der Strom fliesst. Vor allem die Abkühlung war zu jener Zeit eine bemerkenswerte Erscheinung, denn die Erzeugung von Wärme mit elektrischem Strom war schon bekannt, die Kühlung hingegen nicht.

Lange Zeit galt das Werkstoffpaar Wismut-Antimon, als die Kombination, welche den grössten Kälteeffekt erzeugen konnte. Die Kühlung war jedoch so gering, dass man den Peltier-Effekt lange Zeit nicht nutzen konnte. Der Peltier-Effekt war eine interessante Entdeckung, konnte aber technisch nicht genutzt werden.

Seit etwa 40 Jahren ist die Kühlung durch den Peltier-Effekt nutzbar, weil geeignete Halbleiterwerkstoffe entwickelt wurden, die bessere Kontakte zwischen den einzelnen Materialschichten ermöglichen.

Ein Peltier-Element, wie dieses thermo-elektrische Element genannt wird, besteht aus zwei Halbleitern, von denen der eine negativ leitend und der andere positiv leitend ist. Diese beiden Halbleiter sind an der Stirnseite durch Kupferbrücken verbunden. Der Übergang vom Halbleitermaterial zur Kupferbrücke muss einen möglichst geringen elektrischen und thermischen Widerstand haben, um einen guten Wirkungsgrad zu gewährleisten. Zudem muss die Übergangstelle Temperaturwechseln standhalten und zug- und druckfest sein. Damit die beiden Halbleiter ihre thermo-elektrischen Eigenschaften nicht verändern, darf das Kupfer der Brücke nicht in die Halbleiter gelangen.

Vorteile des Peltier-Kühlsystems

  • Lagenunabhängig
  • Kompakte Bauweise
  • Preis

Nachteile des Peltier-Kühlsystem

  • Schlechter Wirkungsgrad, etwa 8 Mal schlechter als ein Kühlsystem mit Kompressor
  • Sehr hoher Stromverbrauch/li>
  • Schlechter Isolierwert des gesamten Kühlsystems bei Stillstand
  • Die beiden Wärmeaustauscher (= Peltier-Element) müssen beieinander liegen

Ersetzen bestehender Peltier-Kühlaggregate durch das Kompressor-Aggregat VISBD35FEPT1.

Das Absorber-Kühlsystem

Das Absorber-Kühlsystem kann mit Gas, 12-Volt-Gleichstrom und 230-Volt-Wechseltrom betrieben werden. Der Betrieb mit Gas ist vor allem für Wohnwagen ein Vorteil. Beim Betrieb mit Strom ist jedoch der Stromverbrauch 3-5 Mal höher als bei einem Kühlsystem mit Kompressor.

Vorteile des Absorber-Kühlsystems

  • Betrieb mit Gas
  • Keine Verschleissteile
  • Geräuschlos

Nachteile des Absorber-Kühlsystems

  • Schlechter Wirkungsgrad, 3-5 Mal schlechter als ein Kühlsystem mit Kompressor
  • Ab +35 °C Aussentemperatur massiver Leistungsabfall
  • Schräglagenempfindlich
  • Bewegungsempfindlich
  • Definierte Bauweise des Absorber-Kühlsystems

Das Kompressor-Kühlsystem

Ein Kompressor-Kühlsystem besteht aus einem Kompressor, zwei Wärmeaustauschern (Kühlelement und Verflüssiger), einem Drosselorgan und dem Kältemittel.

Der Kompressor
Der Kompressor befördert das Kältemittel von einem Wärmeaustauscher zum anderen. Auf der Saugseite (Eingang) des Kompressors ist das Kühlelement auf der Druckseite des Verflüssigers.

Der Verflüssiger (Kondensator)
Der Kompressor pumpt das Kältemittel in den Verflüssiger. Das Drosselorgan staut am Ausgang des Kondensators das Kältemittel und im Verflüssiger entsteht ein hoher Druck, der das Kältemittel verflüssigt (kondensiert). Durch diesen Vorgang gibt das Kältemittel Wärme ab.

Das Drosselorgan
Das Drosselorgan besteht aus Kapillarrohren mit einem Innendurchmesser von 0.2 bis 1 mm. Diese dünnen Rohre stauen das Kältemittel. Bei Mehrfachkühlstellen, Gewerbe- und Industrieanlagen, werden an Stelle von Kapillarrohren meist Expansionsventile als Drosselorgan eingesetzt. Hier die verschiedenen Drosselorgange in der Übersicht:

  • Kapillarrohr
  • Thermisches Expansionsventil mit äusserem Druckausgleich
  • Automatisches Expansionsventil
  • Hochdruckschwimmer
  • Niederdruckschwimmer

Kühlelement (Verdampfer)
Vom Verflüssiger fliesst das Kältemittel durch das Drosselorgan in den Verdampfer, wo es verdampft. Im Verdampfer ist der Druck niedrig, da das Drosselorgan nur kleine Mengen Kühlmittel durchlässt und der Kompressor hier saugt. Durch diesen niedrigen Druck verdampft das Kältemittel und nimmt Wärme auf.

Kältemittel
Das ideale Kältemittel hat folgende Eigenschaften:

  • Hohe Verdampfungswärme
  • Ideale Verdampfungstemperatur je nach Anwendung
  • Grosse Molekularstruktur (Dichtigkeitsproblem bei Schweissnäten von Rohrbindungen und bei Schläuchen)
  • Nicht korrodierend mit den Bauteilen des Kühlsystems und dem Maschinenöl
  • Chemisch stabil
  • Nicht hygroskopisch (nicht feuchtigkeitsbindend)
  • Geringe Herstellungskosten
  • Nicht giftig
  • Nicht brennbar, nicht explosiv
  • Biologisch abbaubar

Vorteile des Kompressor-Kühlsystems

  • Leistungsstark
  • Je nach Kompressor lagenunabhängig
  • Individuell baubar

Nachteile des Kompressor-Kühlsystems

  • Der Kompressor ist ein Verschleissteil
  • Hoher Preis
  • Leckempfindliches Leitungssystem bei schlechter Verarbeitung
  • Mangel an kompetenten Fachleuten