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Kältemaschine

Eine Kältemaschine ist ein Gerät, das der Kälteerzeugung dient. An jeder Kältemaschine ist deswegen immer eine Stelle zu finden, die kälter als Umgebungstemperatur ist (z. B. Verdampfer bei Kompressionskältemaschinen oder Kaltfinger bei Gaskältemaschinen). Wird ein zu kühlendes Objekt mit dieser kalten Stelle in Kontakt gebracht, wird dieses Objekt gekühlt.

Viele Kältemaschinen beruhen auf einem thermodynamischen Kreisprozess, bei dem unter Zuführung externer Energie an einer Stelle Wärme unterhalb der Umgebungstemperatur aufgenommen und an anderer Stelle bei höherer Temperatur abgegeben wird. In diesem Sinne ist eine Kältemaschine einer Wärmepumpe ähnlich. Zur Realisierung verwendet man:

sog. Kaltdampfanlagen, in denen die Eigenschaft von Stoffen genutzt wird, bei unterschiedlichen Drücken unterschiedliche Siede- bzw. Kondensationstemperaturen zu haben. Die so verwendeten Stoffe nennt man Kältemittel. Der Arbeitsbereich ist begrenzt durch die erreichbaren Siede- bzw. Kondensationstemperaturen der Kältemittel.
den Joule-Thomson-Effekt (JTE), der bewirkt, dass sich reale Gase bei der Entspannung (Drosselung) abkühlen. Dieser Effekt ist bspw. die Grundlage des Linde-Verfahrens. Durch mehrstufige Anwendungen können auch im industriellen Bereich sehr niedrige Temperaturen, z. B. zur Luftverflüssigung, erreicht werden.

Es gibt aber auch Verfahren, die ohne Gase und bewegte Teile auskommen.

Typen

Technisch gibt es die verschiedensten Typen von Kältemaschinen:

Absorptionskälteanlagen
Adsorptionskälteanlagen
Diffusionsabsorptionskältemaschine
Kompressionskälteanlagen
Dampfstrahlkälteanlage
Joule-Thomson-Effekt (JTE), Linde-Verfahren
Pulsröhrenkühler
Thermoelektrischer Effekt, Peltier-Element
Magnetische Kühlung
Verdunstungskühlung

Der thermische Wirkungsgrad einer Kühl- oder Heizleistung bezogen auf die eingesetzte mechanische Arbeit wird als Leistungszahl oder Leistungsziffer bezeichnet. In der älteren Literatur wird das Symbol ε für die Leistungszahl verwendet. In der aktuellen Normung werden die englischen Bezeichnungen verwendet; für eine Kälteanlage wird der Begriff EER (energy efficiency ratio) verwendet.

Für die Kälteanlage mit Nutzung der Kühlleistung QK und der elektrischen Leistung W gilt:

ε_Kühlung = EER = Q_k/W

Bedeutung in der Geothermie

Wenn in der Geothermie von 'Kühlung' gesprochen wird ist meist die direkte Kühlung (direct cooling) als Technologie der Oberflächennahen Geothermie gemeint, denn die in Deutschland üblichen oberflächennahen Untergrundtemperaturen von ca. 10 °C reichen zur Kühlung von Räumen und Gebäuden durchaus aus.

Andererseits kann auch die Tiefengeothermie mit Hilfe von Kältemaschienen zur Kühlung genutzt werden. Dies sind dann meist Objekte mit einem größeren Kühlenegiebedarf.

Literatur

Beall, S. E, and Samuels, G.: The use of warm water for heating and cooling plant and animal enclosures . In: Oak Ridge National Laboratory Nummer ORNL-TM-3381 (1971), S. 56pp

Huang Jintao, Liu Qishou, Wang Yunlu: Research on Combined Power and Cooling System Using Ammonia-water Mixture. In: Journal of Xi’an Jiaotong University Nummer 36 (2002), S. 2236-2239

Lu, S. G. : Thermodynamic analysis and optimization of a new ammonia based combined power/cooling cycle. Ph. D. Dissertation, University of Florida, 2002

Reynolds, G.: Cooling with geothermal heat. In: Geothermics Nummer 2() (1970), S. 1658-1661

Xu, F. : Analysis of a novel combined thermal power and cooling cycle using ammonia-water mixture as a working fluid. Ph. D. Dissertation, University of Florida, , 1996

Yilmaz, C.: Thermodynamic and economic investigation of geothermal powered absorption cooling system for buildings. In: Geothermics Nummer 70() (November 2017), S. 239-248