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physik artikel (Interpretation und charakterisierung)

Wie funktioniert ein kühlschrank?


1. Atom
2. Motor





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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:

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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:


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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.

 
 




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