Wärmelehre

Zur Funktionserklärung hilft der Kreislauf der abgebildeten Wärmepumpe auf der Folie (oben links), der entsprechend der rechten Abbildung gegen den Uhrzeigersinn gelesen wird. In den dort dargestellten Verdampfer (Wärmetauscher) tritt die Spezialflüssigkeit (Kühlmittel) in flüssiger Form ein. Der Druck und die Temperatur im Innern der Anlage müssen dort also entsprechend sein, im Beispiel sind dies ein Druck von 3,5⋅ 105 Pa und eine Temperatur von 2 Grad Celsius. Beim Durchströmen durch den Wärmetauscher ändert sich an diesen Daten (Druck und Temperatur) nichts (!). Die Flüssigkeit ist allerdings hinsichtlich ihres Siedepunktes so gewählt, dass die zugeführte Wärmeenergie (beim Durchströmen des Wärmetauschers) zu einer Änderung des Aggregatzustands der Flüssigkeit führt. Das verwendete Medium verlässt den Verdampfer also in Gasform. Die benötigte Wärmeenergie wird der Umgebung des Wärmetauschers entzogen. Durch die Veränderung des Siedepunktes wird es dort also „kälter“. Die Bezeichnung „Verdampfer“ beschreibt exakt seine Funktion, nämlich das „Kältemittel“ während des Durchlaufs in den dampfförmigen (= gasförmigen) Zustand zu bringen. Bei einem Kühlschrank befindet sich der Verdampfer im Innern des Geräts nahe bei den zu kühlenden Lebensmitteln, bei der Klimaanlage im Auto kühlt er die vorbeiströmende Luft, die dann ins Fahrzeuginnere geleitet wird.

Für die Fortsetzung des Kreisprozesses steht nun hinter dem Kompressor „Dampf“ von deutlich höherem Druck und höherer Temperatur zur Verfügung. Die gesamte innere Energie des Füll-Mediums stammt hier etwa zu 30 % aus dem Verdichtungsvorgang im Kompressor und zu 70 % aus der Energieaufnahme im Verdampfer. Das Transportmedium gelangt nun links zum Kondensator, dem zweiten Wärmetauscher. In diesem Bauteil kann es nun (Wärme)energie abgeben. Handelt es sich bei der gesamten Anlage z. B. um eine „Wärmepumpe“ zum Beheizen eines Hauses, wird an dieser Stelle die Heizung des Hauses mit der Wärmeenergie versorgt, die zum größten Teil draußen mithilfe des Verdampfers etwa einem Fluss, dem Grundwasser oder der Umgebungsluft entzogen worden ist. Ist der Zweck der Anlage die Kühlung, z. B. eine „Klimaanlage“, ist die Wärmeenergie an dieser Stelle eher ein „Abfallprodukt“: Sie wird an die Umgebung abgegeben und heizt diese auf. Auch beim Auto kann diese typischerweise im Sommer anfallende Energie leider nicht für einen Abruf im nächsten Winter gespeichert werden. Der zweite Wärmetauscher ist also auch hier eher ein „notwendiges Übel“, und der Betrieb mit eingeschalteter Klimaanlage bedeutet auch deshalb stets einen höheren Kraftstoffverbrauch. Im Kondensator muss nun die Umkehrung dessen geschehen, was vorher im Verdampfer stattgefunden hat: Das Medium, das in Gasform eintritt, gibt beim Hindurchströmen Energie ab. Dabei sollen Druck und Temperatur konstant bleiben; die abgegebene „Kondensationsenergie“ dient dazu, das Mittel wieder in eine Flüssigkeit zu verwandeln. Nach dem Durchlaufen des „Kondensators“ steht das Füllungsmaterial wieder als Flüssigkeit zur Verfügung, allerdings noch mit hohen Druck- und Temperaturwerten. Bei der Auto-Klimaanlage kommt es im Gegensatz zu den meisten anderen Wärmepumpen jedoch – je nachdem wie stark sie eingeschaltet wird – schon im Kondensator zu geringem Temperaturabfall von 10 °C bis im Extremfall 30 °C. Um den Schülern das grundsätzliche Verständnis der Vorgänge zu erleichtern, ist dieser Temperaturabfall auf der Folie nur durch 60 °C dargestellt. Der wesentliche Temperaturabfall findet auch im Auto im Expansionsventil statt.

Wie die entsprechenden Bauteile bei einer Klimaanlage im Auto aussehen, zeigen die auf der Folie aufgeführten Prinzipdarstellungen. Im Verdampfer entspannt sich das flüssig eingesprühte Kältemittel und verdampft. Die dazu notwendige Verdampfungswärme wird der, durch die Verdampferlamellen streichenden, warmen Frischluft entzogen, die sich dabei abkühlt. Im Fahrzeug wird es so schön kühl. Das nun gasförmige Kältemittel tritt aus dem Verdampfer aus. Es wird dann vom Kompressor angesaugt. Der Kompressor saugt kaltes, gasförmiges Kältemittel mit niedrigem Druck an. Das Kältemittel wird im Kompressor verdichtet und erhitzt sich dabei. Es wird in den Kreislauf gepumpt. In dieser Phase ist das Kältemittel gasförmig, steht unter hohem Druck bei hoher Temperatur. Das Kältemittel gelangt auf kurzem Weg in den Kondensator (Verflüssiger). Dem verdichteten, heißen Gas wird jetzt im Kondensator durch die durchströmende Luft (Fahrtwind und Gebläse) Wärme entzogen. Bei Erreichen des vom Druck abhängigen Taupunktes kondensiert das Kältemittelgas und wird flüssig. In dieser Phase ist das Kältemittel also flüssig, steht unter hohem Druck mit mittlerer Temperatur. Das flüssige Kältemittel fließt weiter zu einer Engstelle, hier dem Expansionsventil. Dort wird es in den Verdampfer eingesprüht, wodurch es zum Druckabfall kommt. Zur kompletten Anlage, wie sie tatsächlich im Auto zu finden ist, gehören zu einem störungsfreien Langzeitbetrieb noch weitere Bauteile. Eine solche Übersicht zeigt die Abbildung auf der Folie rechts.