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 eine 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 ausgenützt. 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 Wärme 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.

Wie funktioniert ein Kühlschrank? 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. Das Absorptionsverfahren: Als Absorption bezeichnet man allgemein die Lösung eines Dampfes oder Gases in einer Flüssigkeit oder einem festen Körper bzw. die Lösung einer Flüssigkeit in einem festen Körper, ohne daß dabei bleibende chemische Veränderungen entstehen. Die Absorption ist durch Wärmeeinwirkung wieder rückgängig zu machen. Kühlschränke, die mit dem Absorptionsverfahren arbeiten, enthalten gewöhnlich das Kältemittel Ammoniak (NH3), das von Wasser leicht aufgenommen (absorbiert) wird. Die Arbeitsweise des Absorptions-Kühlschranks ist folgende: · Wie beim Kompressionsverfahren gelangt das Kältemittel in flüssigem Zustand in den Verdampfer, in dem sich das Hilfsgas Wasserstoff befindet. Durch dessen Anwesenheit erreicht das Ammoniak den zum Verdampfen erforderlichen geringen Druck, dem Kühlraum wird also wiederum Wärme entzogen. · Der Absorber enthält Wasser, das die Eigenschaft besitzt, gasförmiges Ammoniak aufzunehmen (Absorption). Das Wasser saugt auf diese Weise den Ammoniak-Dampf aus dem Verdampfer, so daß hier weiteres Ammoniak verdampfen kann. · Das ammoniakhaltige Wasser wird nun in den Kocher geleitet. Hier wird es mittels einer elektrischen Heizung erhitzt, mit dem Ergebnis, daß das Ammoniak unter Druckerhöhung als Dampf freigesetzt wird, der schließlich in den Kondensator weitergeleitet wird. Das von Ammoniak befreite Wasser fließt über einen Nebenkreislauf in den Absorber zurück, wo es erneut zur Aufnahme von gasförmigem Ammoniak genutzt werden kann. · Im Kondensator angekommen gibt das erhitzte Ammoniak-Gas seine Wärme an die Umgebung ab. Dies geschieht über die Lamellen des Kondensators. Daraufhin verflüssigt sich das Ammoniak und es gelangt anschließend wieder in den Verdampfer, wo der Kreislauf von neuem beginnt. Absorptions-Kühlschränke haben den Nachteil, daß sie bei gleicher Kälteleistung rund dreimal soviel Energie verbrauchen wie ein Kompressions-Kühlschrank. Vorteilhaft jedoch ist, daß sie praktisch geräuschlos betrieben werden können, weil keine bewegten mechanischen Teile vorhanden sind. Außerdem können sie mit unterschiedlichen Energieformen arbeiten, wie z. B. 230 V Gleich- oder Wechselspannung, 12 V Gleichspannung, über das Kfz-Bordnetz oder auch mit Propangas. Der Einsatz von Absorptions-Kühlschränken ist deshalb auf Anwendungsfälle beschränkt, bei denen diese Eigenschaften besonders von Interesse sind, wie z. B. bei Campinggeräten oder Wohnzimmer-Kühlgeräten (Zimmer-Bar). Ist die Wärmeabgabe über den Kondensator gestört oder die Umgebungstemperatur zu hoch (ab etwa 30 °C), verringert sich die Kälteleistung des Gerätes erheblich. Darüber hinaus kann die Betriebsfähigkeit nach einem Transport oder längerer Schräglage des Kühlschranks beeinträchtigt sein. Diese Störung kann aber durch entsprechendes Neigen, Schütteln oder »auf den Kopf stellen« des Gerätes in der Regel behoben werden. Der Kühlschrank-Verdampfer ist sowohl bei den Absorptions- als auch bei den Kompressions-Kühlschränken vielfach kastenförmig ausgeführt. Er ist durch eine Klappe oder Tür gegen den eigentlichen Kühlraum abgetrennt. Sein Innenraum bildet das Verdampferfach, welches sich zum Einlagern von Tiefkühlkost und Gefriergut eignet.

Kühlschrank ohne Strom Der Norden von Nigeria ist eine arme Region, in der die Menschen von mühseliger Landwirtschaft leben. Ohne Elektrizität – also auch ohne Kühlschränke – verderben viele Lebensmittel innerhalb weniger Tage. Einkommensverluste für die Farmer und Krankheiten sind die Folge. Auch in Städten die über eine – oft nur sporadische - Stromversorgung verfügen, sind viele Leute ganz einfach zu arm um sich einen Kühlschrank leisten zu können. Motiviert von der Sorge um die Landbevölkerung und geleitet vom Gedanken an einfache, aber funktionierende afrikanische Technologie suchte der nigerianische Lehrer Mohammed Bah Abba eine Lösung für dieses Problem. Im ländlichen Norden als Kind einer Töpferfamilie geboren, lernte er schon von klein auf die Kunst des Töpferns und ihm fiel auf, daß Tontöpfe sowohl trocken als auch mit Feuchtigkeit vollgesogen intakt bleiben und ihre Form nicht verändern. Später kombinierte er diese simple Erfahrung mit dem Wissen, das er sich beim Studium vom Biologie, Chemie und Geologie erworben hatte. Ein Tontopf wird in einen etwas größeren gestellt, der Raum zwischen beiden wird mit feinem Sand gefüllt und dieser mit Wasser befeuchtet. Im heißen afrikanischen Klima verdunstet das Wasser rasch und erzeugt Kälte, die die im inneren Topf gelagerten Waren kühl und frisch hält. Ist der Sand trocken, gießt man einfach etwas Wasser nach und der “Kühlschrank” funktioniert wieder. Es hilft, wenn man den Topf in den Wind stellt. Den Effekt der Verdunstungskälte kennt eigentlich jeder, der schon mal seinen Finger abgeleckt und in den Wind gehalten hat, um festzustellen aus welcher Richtung er kommt.

Wie funktioniert ein Kühlschrank? Ein Kühlschrank beruht auf einem einfachen Prinzip: Wenn Flüssigkeiten verdampfen, nehmen sie Wärme auf. Wenn sie kondensieren, geben sie diese Wärme wieder ab. Versuch: Kühlung durch Verdunsten Auf die Haut gibt man etwas Wasser, Alkohol (F), Reinigungsbenzin (F) sowie eine andere leicht verdampfende Flüssigkeit wie Dichlormethan (Xn) oder (Diethyl-)Ether (F+). Durch Pusten können wir die Abkühlung beschleunigen. Wir stellen fest: Während die Flüssigkeit verdunstet, wird die Hautstelle deutlich kühler. So ähnlich funktionieren auch die Kühlmittel im Kühlschrank. Je schneller die Flüssigkeit verdunstet, desto kühler wird die Haut. So ähnlich funktionieren auch die Kühlmittel im Kühlschrank. Wie ein Kühlschrank funktioniert Man füllt das niedrigsiedende, flüssige Kühlmittel in ein geschlossenes Rohrsystem (Wärmeaustauscher-Röhren) mit einer Umwälzpumpe. Die Rohre liegen innen und außerhalb des Kühlschranks und ermöglichen einen Kreislauf, in dem das Kühlmittel (Wärmeaustauscher) herum gepumpt werden kann. Die Rohre sind aus besonders gut wärmeleitfähigem Material gemacht, also aus Metallen wie Kupfer oder Aluminium. Für die niedrigsiedende Flüssigkeit ist das Kühlschrank-Innere bei 4 °C noch ein warmer Raum. Sie verdampft. Wenn man genau hinhört, kann man die entstehenden Gasblasen gluckern hören. Ist die Flüssigkeit verdampft, wenn sie also nicht mehr kühlt und der Raum durch Undichtigkeiten wieder wärmer wird, wird mit Hilfe eines Thermostaten (ein durch die Temperatur gesteuerter Ein- und Ausschalter) die Umwälzpumpe angestellt. (Auch die kann man ab und zu laufen hören. Wenn die Pumpe ein- und ausschaltet, wackelt der Kühlschrank manchmal.) Die Pumpe zieht den Kühlmitteldampf durch die Rohre aus dem Kühlschrank-Inneren heraus und komprimiert ihn zugleich. Dabei wird die Verdampfungswärme wieder freigesetzt. Um sie rascher abzugeben, leitet man die noch recht warme Flüssigkeit durch Kühlrippen, die man hinter dem Kühlschrank sehen kann. (Deshalb sind die Kühlrippen immer so warm!) Die abgekühlte Flüssigkeit wird dann wieder über die Rohre in das Schrank-Innere hineingeleitet. Mit Hilfe eines Drosselventils wird der durch die Pumpe erzeugte Druck wieder reduziert. Damit kann die Kühlflüssigkeit unter Wärmeaufnahme wieder leicht verdampfen. Da der Druck geringer ist als der Luftdruck, verdampft sie auch schon bei höheren Temperaturen als bei den "klassischen" Siedepunkten, die man in Tabellen aufgelistet findet. Wir sehen: Wärme wird aus dem Kühlschrank heraus, nicht jedoch die Kälte hinein transportiert. Anders gesagt: Kälte ist nicht vergleichbar mit Wärme. Kälte ist die Abwesenheit von Wärme. Bei Kühlgroßanlagen der Industrie wird so viel Wärme produziert, dass man damit sogar Räume heizen kann! Der Kühleffekt ist umso besser, je niedriger der Siedepunkt der Flüssigkeit ist Desto tiefer kann man auch kühlen. Kühltruhen im Haushalt schaffen heute locker unter -30 °C. Erinnern wir uns an den Versuch: Wasser (Sdp. 100 °C) zum Beispiel zeigt keinen starken Auskühlungseffekt; man muß schon pusten, um Kühlung zu spüren. (Darauf beruhen unser Schwitzen und die Kühlung im leichten Wind.) Wasser wäre kein besonders geeignetes Kühlmittel für Kühlschränke. Alkohol (Sdp. 78,5 °C) wirkt schon besser, ebenso Reinigungsbenzin (Sdp. 69 °C). Am effektivsten erweisen sich bei unserem Versuch Dichlormethan (Sdp. 40 °C) und Ether, der bei 34,5 °C siedet. Besonders niedrigsiedende halogenierte Kohlenwasserstoffe nimmt der Chirurg bei kleinen Eingriffen sogar zum Vereisen der Haut. Man kann sie in der Apotheke auch als Kältesprays für Sportverletzungen kaufen. Für den Kühlschrankbetrieb liegen die Siedepunkte unserer Substanzen allerdings noch zu hoch. Deshalb hat man sich lange Zeit zunächst des verflüssigten Ammoniaks bedient; dessen Siedepunkt liegt bei -33,4 °C. Jedoch erwies sich das stark ätzende Ammoniak als zu gefährlich, so dass es beim Manipulieren am Kühlschrank zu schweren Unfällen kam. Man suchte deshalb nach ungefährlichen Alternativen. Es gibt nun glücklicherweise noch viele andere niedrigsiedende Stoffe, die man verflüssigen und als Kühlmittel nutzen kann. Da sind zum Beispiel die Frigene. (Der Name allein klingt schon nach Kälte. Er kommt aus dem Englischen: frigid, kalt.) Ihre Siedepunkte liegen je nach Zusammensetzung sehr tief: Frigen 11 (CCl3F; Sdp. 24,9 °C) und Frigen 12 (CCl2F2; Sdp. -30 °C). Frigene waren anfänglich geschätzt, wenn man einmal von den anfänglichen Dichtungsproblemen absieht, da es sich um hervorragende Lösemittel handelt. Frigene sind chemisch völlig inert, also reaktionsträge wie Edelgase. Nach der Erkenntnis aber, dass Frigene wie auch die anderen FCKW die Ozonschicht nachhaltig zerstören können, ersetzte man sie zunächst durch die Kohlenwasserstoffe Butan (Sdp. -0,5 °C) und Propan (Sdp. -42,2 °C). Die haben jedoch den Nachteil, dass sie brennbar sind und bei Beschädigungen (etwa beim gewalttätigen Enteisen des Kühlschrank-Inneren) freigesetzt werden. Das hat häufiger zum explosiven Ausräumen der Küche geführt. Man greift deshalb heute wieder mehr auf das bewährte, wenn auch immer noch ätzende Ammoniak zurück. Durch verbesserte Enteisungstechnik versucht man jedoch, die Gefährdung beim Manipulieren einzuschränken. Das betrifft auch die Reduzierung der Flüssigkeitsmenge.