Thermodynamik im Maschinenbau, Teil III, Kältekreisläufe

Letzte Woche haben wir über einen Bereich der Thermodynamik gesprochen, der sich mit Energiezyklen befasst. Ein Beispiel dafür ist ein Kohlekraftwerk. Diese Woche lernen wir einen anderen Bereich der Thermodynamik kennen, den der Kühlkreisläufe. Im Mittleren Westen hat es geschneit, daher scheint das Thema durchaus angemessen zu sein.

Natürlich befindet sich ein Kühlkreislauf in Ihrem Kühlschrank, aber wussten Sie, dass er sich auch in Ihrer Klimaanlage befindet? Kühlzyklen arbeiten im Vergleich zu Leistungszyklen auf entgegengesetztem Boden. Sie wissen, der Ort, an dem alles rückwärts funktioniert. Anstatt dass Wärme in den Kreislauf fließt und Strom ausgeht, geht in einem Kühlkreislauf Strom ein und Wärme geht aus – das heißt aus Ihrem Kühlschrank oder einem klimatisierten Haus.

Betrachten wir ein Beispiel für den in Abbildung 1 gezeigten einfachen Kältekreislauf für Klimaanlagen. Der Kreislauf besteht aus vier wichtigen Teilen: einer Verdampferwendel, einem Kompressor, einer Kondensatorspule und einem Expansionsventil. Alle Teile sind durch Rohre verbunden und das gesamte System ist hermetisch mit Kältemittel im Inneren abgedichtet.

Kühlschrank1

Abbildung 1 – Ein einfacher Kühlkreislauf in einer Klimaanlage

Der Kompressor ist sozusagen das Herzstück des Betriebs. In unserem einfachen Zyklus besteht der Kompressor aus einem Kolben, der von einem Elektromotor angetrieben wird, der sich innerhalb eines Zylinders hin und her bewegt. Der Motor läuft, wenn sich der Kolben hin und her bewegt und der Kompressor Kältemittel durch die Rohre, die Kondensatorschlange, das Expansionsventil und die Verdampferschlange pumpt. Wie ihr Herz hat die Pumpe Rückschlagventile, die das Kältemittel in einer Richtung durch das System fließen lassen (in unserem Beispiel gegen den Uhrzeigersinn). Wie wir gleich sehen werden, ist es wichtig, dass der Fluss in einer Richtung bleibt, damit der Zyklus funktioniert.

Das Kältemittel ist das Lebenselixier des Kreislaufs. Es ist eine Chemikalie, die hergestellt wird, um spezielle thermodynamische Eigenschaften zu haben. Zum Beispiel ist es sehr gut darin, bei niedrigen Temperaturen, wie z. B. der Lufttemperatur in Ihrem Haus, schnell viel Wärme aufzunehmen.

Die Verdampferwendel in Abbildung 1 befindet sich in Ihrem Haus. Wenn das Kältemittel in die Verdampferwendel gelangt, ist es eine Mischung aus Flüssigkeit und Dampf. In der Verdampferwendel verdunstet das flüssige Kältemittel, während es die Wärme aus dem Raum aufnimmt. Ja, das stimmt, das Kühlmittel kocht bei Raumtemperatur! Die Wärmeaufnahme im Verdampfer wird durch die Verwendung eines Ventilators erleichtert, um die Luft aus dem Raum durch die Spule zu drücken. Die warme Luft im Raum wird von der Klimaanlage angesaugt und die kalte Luft tritt in den Raum ein.

Aber das ist nicht das Ende der Geschichte. Diese Raumwärme muss irgendwie aus dem Haus kommen, wo sie abgeführt werden kann. Auf diese Weise kann das Kältemittel eine weitere Wärmeladung aufnehmen, wenn es durch die Verdampferwendel zurückfließt. Die Wärme aus dem Kältemittel abzuleiten ist jedoch nicht einfach, da die Wärme natürlich von einem wärmeren Ort zu einem kälteren Ort fließen möchte. Wie gehen Sie mit Mutter Natur um und lassen Wärme von Ihrem Haus, wo es kalt ist, zu außerhalb Ihres Hauses, wo es heißer ist, fließen? Es braucht Arbeit, und hier kommt der Kompressor ins Spiel.

Der Kompressor saugt zuerst den Kältemitteldampf aus dem Verdampfer und erhöht dessen Druck und Temperatur. Dieses Herz ist wie unser ein großartiger Arbeiter. Wenn der Dampf den Kompressor verlässt und durch die Kondensatorspule außerhalb Ihres Hauses strömt, befindet er sich in einem Zustand, in dem er seine Wärme leicht an die heiße Luft draußen abgeben kann. Die Wärmeabgabe wird durch die Verwendung eines anderen Lüfters unterstützt, der dazu dient, die Außenluft über die Außenflächen der Kondensatorspule zu drücken. Wenn dann Wärme an die Außenluft abgegeben wird, kondensiert das Kältemittel wieder zu einer Flüssigkeit.

Nach dem Verlassen der Kondensatorspule passiert das flüssige Kältemittel das Expansionsventil, wo sein Druck und seine Temperatur verringert werden. Das Kältemittel ist nun bereit, eine neue Wärmelast an der Verdampferspule aufzunehmen, und der Zyklus wird mit Hilfe eines laufenden Elektromotors wiederholt.

Nächste Woche werden wir unsere Erforschung der Thermodynamik fortsetzen und uns auf einen Bereich konzentrieren, der als Stöchiometrie bekannt ist und sich mit der Mathematik hinter chemischen Reaktionen befasst, wie sie beispielsweise beim Verbrennen von Brennstoffen stattfinden. Mathe macht Spaß. Wiederhole das immer wieder für dich.

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