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| KOMPRESSIONSKRAFTWERKSYSTEM | ||
| FRAGEN ODER KOMMENTARE | ||
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AUTOR: | Roger Yeh |
| E-MAIL: | [email protected] | |
| COURSE: | 2 | |
| Klasse/Jahr: | 1 | |
Hauptfunktionsanforderung: Wärme aus einem umschlossenen Bereich abführen.
DESIGN-PARAMETER: Kompressionskälteanlagen.
GEOMETRIE/STRUKTUR:
Kältemittel, Verdichter, Expansionsventil (Durchflussregler),Verdampfer, Verflüssiger, Rohrleitungen und Rohre.
Skematik der Kompressionskälteanlage
Erläuterung der Funktionsweise/des Einsatzes:
Kältemittel fließt durch den Kompressor, der den Druck des Kältemittels erhöht. Anschließend fließt das Kältemittel durch den Verflüssiger, wo es von der dampfförmigen in die flüssige Form kondensiert und dabei Wärme abgibt. Durch die abgegebene Wärme wird der Verflüssiger „heiß zum Anfassen“. Nach dem Verflüssiger fließt das Kältemittel durch das Expansionsventil, wo es einen Druckabfall erfährt. Schließlich gelangt das Kältemittel in den Verdampfer. Das Kältemittel entzieht dem Verdampfer Wärme, die das Kältemittel zum Verdampfen bringt. Der Verdampfer entzieht Wärme aus dem zu kühlenden Bereich. Das verdampfte Kältemittel geht zurück zum Kompressor, um den Kreislauf erneut zu starten.
Weitere Details:
Kompressor: Von den Hubkolben-, Rotations- und Zentrifugalkompressoren ist der Hubkolbenkompressor der beliebteste unter den Haushalts- oder kleineren Leistungskälteanlagen. Der Hubkolbenkompressor ist einem Automotor ähnlich. Ein Kolben wird von einem Motor angetrieben, um das Kältemittel in einem Zylinder „anzusaugen“ und zu verdichten. Während sich der Kolben nach unten in den Zylinder bewegt (wodurch sich das Volumen des Zylinders vergrößert), „saugt“ er das Kältemittel aus dem Verdampfer an. Das Einlassventil schließt, wenn der Kältemitteldruck im Zylinder den Druck im Verdampfer erreicht. Wenn der Kolben den Punkt des maximalen Abwärtshubs erreicht, komprimiert er das Kältemittel beim Aufwärtshub. Das Kältemittel wird durch das Auslassventil in den Verflüssiger gedrückt. Sowohl das Einlass- als auch das Auslassventil sind so konstruiert, dass der Kältemittelstrom nur in eine Richtung durch das System fließt.
Diagramm des Verdichters (in diesem Fall riemengetrieben)
Detail der Funktion des Kompressorventils
 Komponenten der Kompressionskühlung in einem Wohnheimkühlschrank |
Kondensator: Der Kondensator führt die Wärme ab, die bei der Verflüssigung des verdampften Kältemittels entsteht. Die Wärme wird abgegeben, wenn die Temperatur auf die Kondensationstemperatur sinkt. Dann wird weitere Wärme (nämlich die latente Kondensationswärme) freigesetzt, wenn sich das Kältemittel verflüssigt. Es gibt luftgekühlte und wassergekühlte Verflüssiger, die nach ihrem Verflüssigungsmedium benannt sind. Am gebräuchlichsten ist der luftgekühlte Verflüssiger. Die Verflüssiger bestehen aus Rohren mit außenliegenden Lamellen. Das Kältemittel wird durch den Verflüssiger gepresst. Um so viel Wärme wie möglich abzuführen, sind die Rohre so angeordnet, dass die Oberfläche maximiert wird. Oft werden Ventilatoren eingesetzt, um den Luftstrom zu erhöhen, indem Luft über die Oberflächen gepresst wird, wodurch die Fähigkeit des Verflüssigers, Wärme abzugeben, erhöht wird. |
Verdampfer: Dies ist der Teil des Kältesystems, der die eigentliche Kühlung durchführt. Da seine Funktion darin besteht, Wärme in das Kältesystem zu absorbieren (von dort, wo man sie nicht haben möchte), wird der Verdampfer in dem zu kühlenden Bereich platziert. Das Kältemittel wird in den Verdampfer eingelassen, von einem Durchflussregler gemessen und schließlich an den Kompressor abgegeben. Der Verdampfer besteht aus Rippenrohren, die die Wärme aus der Luft aufnehmen, die von einem Ventilator durch ein Register geblasen wird. Rippen und Rohre sind aus Metallen mit hoher Wärmeleitfähigkeit gefertigt, um die Wärmeübertragung zu maximieren. Das Kältemittel verdampft durch die aufgenommene Wärme im Verdampfer.
Durchflussregelgerät (Expansionsventil): Dieses regelt den Durchfluss des flüssigen Kältemittels in den Verdampfer. Regelgeräte sind in der Regel thermostatisch, d.h. sie reagieren auf die Temperatur des Kältemittels.
DOMINANT PHYSICS:
Alle Variablen sind in Einheiten pro Masseneinheit angegeben.
| Variable | Beschreibung | Metrische Einheiten | Englische Einheiten |
| h1, h2, h3, h4, hi | Enthalpien bei Stufen i | kJ/kg | Btu/lbm |
| qin | Wärme ins System | kJ/kg | Btu/lbm |
| qout | Wärme aus aus dem System | kJ/kg | Btu/lbm |
| Arbeit | Arbeit in das System | kJ/kg | Btu/lbm |
| b | Leistungskoeffizient | — | — |
Thermodynamik
Von Stufe 1 zu Stufe 2, bleibt die Enthalpie des Kältemittels annähernd konstant, also
h1 ~ h2.
Von Stufe 2 zu Stufe 3 wird dem System Wärme zugeführt, also
qin = h3 h2 =h3 h1.
Von Stufe 3 zu Stufe 4 wird dem Verdichter Arbeit zugeführt, also
arbeit = h4 h3.
Von Stufe 4 zu Stufe 1 wird über den Verflüssiger Wärme abgegeben, also
qout = h4 h1.
Die Leistungszahl beschreibt den Wirkungsgrad, mit dem der Verdampfer Wärme im Verhältnis zur zugeführten Arbeit aufnimmt, also
b = Kälteleistung / zugeführte Arbeit = qin/ Arbeit = (h3 h1) / (h4 h3).
Grenzphysik:
Die Wärmeübertragung hängt von den Eigenschaften des Kältemittels ab. Verschiedene Kältemittel haben natürlich unterschiedliche Enthalpiewerte für einen bestimmten Zustand. Bei einem bestimmten Kältemittel hängen die Enthalpiewerte von den Temperaturen und Drücken in den warmen und kalten Bereichen ab. Die Umgebungstemperatur beeinflusst, wie gut die Kälteanlage den eingeschlossenen Bereich kühlen kann.
Wenn die Außentemperatur sehr heiß ist (d.h. weit über der Raumtemperatur), kann die Anlage die Temperatur des eingeschlossenen Bereichs nicht so erfolgreich senken wie bei Raumtemperatur.
Grafiken/Tabellen:
Keine eingereicht
Wo findet man Kompressionskälteanlagen:
Kühlschränke und Klimageräte.