Die thermodynamischen Prozesse im Kältekreislauf sind komplex. Die Berechnung mittels Formeln und Tabellen erfordert aufgrund der drei unterschiedlichen Zustände des Kältemittels von flüssig, siedend und gasförmig einen erheblichen Aufwand. Aus Gründen der Vereinfachung wurde daher das log-pH-Diagramm eingeführt.
Konzept des Kühlkreislaufs
Im Allgemeinen zeigt ein logarithmisches pH-Diagramm den Aggregatzustand eines Stoffes in Abhängigkeit von Druck und Hitze. Für die Kühlung wird das Diagramm auf die relevanten Bereiche reduziert Flüssigkeit und gasförmig sowie deren gemischte Form.
Die vertikale Achse zeigt den logarithmischen Druck und die horizontale Achse zeigt die spezifische c-Enthalpie mit linearer Skalierung. Dementsprechend sind die Isobaren horizontal und die Isoenthalpen vertikal. Die logarithmische Skalierung ermöglicht die Darstellung von Vorgängen mit großen Druckunterschieden.
Am kritischen Punkt treffen sich die Sättigungsdampfkurve und die Siedepunktkurve K..
• Druck p
• spezifische Enthalpie h
• Temperatur T.
• bestimmtes Volumen v
• spezifische Entropie s
• Gasgehalt x
Log-pH-Diagramm
Die Besonderheit des Kältekreislaufs besteht darin, dass er gegen den Uhrzeigersinn verläuft, also entgegengesetzt zum Joule- oder Dampfkreislauf. Eine Zustandsänderung tritt auf, wenn das Kältemittel eine der vier Hauptkomponenten der Kälteanlage durchströmt. Der eigentliche Kältekreislauf besteht aus folgenden Zustandsänderungen:
- Grün = Kompressor
- Rot = Kondensator
- Gelb = Expansionsventil
- Blau = Verdampfer
- 1 - 2 polytrope Kompression auf den Kondensationsdruck (zum Vergleich 1 – 2‘ isentrope Kompression)
- 2 - 2 '' isobare Kühlung, Entwärmung des überhitzten Dampfes
- 2 '' - 3 ' isobare Kondensation
- 3 '- 3 isobare Abkühlung, Unterkühlung der Flüssigkeit
- 3 - 4 isenthalpische Expansion zum Verdampfungsdruck
- 4 - 1 ' isobare Verdunstung
- 1 '- 1 isobare Erwärmung, Überhitzung des Dampfes
Spezifische Energiemengen
Die bestimmte Energiemengen die aufgenommen und abgegeben werden können, um die Zustandspunkte zu erreichen, sind im Log-pH-Diagramm als Linien markiert. Die spezifische Enthalpie h kann für jeden einzelnen Zustandspunkt direkt aus dem Log-pH-Diagramm abgelesen werden.
Wenn der Massenstrom des Kältemittels bekannt ist, kann der zugehörige Wärmeleistung lässt sich anhand der spezifischen Enthalpie am jeweiligen Zustandspunkt berechnen.
- die Linie h1 – h4 = q0 entspricht der Kühlung und ergibt durch Multiplikation mit dem Massenstrom die Kälteleistung.
- die Linie h2 – h1 = pv entspricht der technischen Arbeit des Kompressors, die tatsächlich auf das Kältemittel übertragen wird.
- die Linie h2 – h3 = qc entspricht der abgegebenen Wärme und ergibt durch Multiplikation mit dem Massenstrom die Kondensatorkapazität. Es handelt sich um die Abwärme einer Kälteanlage.
Begrenzung von Isobaren
- p1 Verdampfungsdruck
- p2 Verflüssigungsdruck
Komprimierungsprozess
- Identifizieren des Schnittpunkts der Isobaren p1 mit der Temperatur am Kompressoreingang T1 gibt dem Staat Punkt 1.
- Identifizieren des Schnittpunkts der Isobaren p2 mit der Temperatur am Kondensatoreintritt T2 gibt dem Staat Punkt 2.
- Der Zusammenhang zwischen den beiden Zustandspunkten 1 und 2 beschreibt den Kompressionsvorgang
Isenthalpische Expansion
Identifizieren des Schnittpunkts der Isobaren p2 mit der Temperatur T3 am Kondensatorausgang ergibt den Zustandspunkt 3.
Die Expansion ist ein isenthalpischer Prozess. Daher kann der zuvor markierte Schnittpunkt mit den Isobaren p verbunden werden1 durch eine vertikale Linie. Daraus ergibt sich der letzte Zustandspunkt 4 mit der Verdampfungstemperatur T4
Geben Sie die spezifischen Enthalpiewerte an
Bei der Berechnung von Betriebszuständen einer Kälteanlage ist es notwendig, die spezifischen Enthalpien der einzelnen Zustandsänderungen zu ermitteln. Das Verfahren ist wie folgt:
Die spezifische Enthalpie kann über eine vertikale Verbindung der Zustandspunkte und der x-Achse abgelesen werden.
- h1 spez. Enthalpie nach Verdampfer
- h2 spez. Enthalpie nach Kompressor
- h3 spez. Enthalpie nach Kondensator
- h4 spez. Enthalpie nach Expansionsventil
Die spezifische Kühlleistung q0 und die spezifische Kondensationskapazität qc direkt aus dem Log-pH-Diagramm ablesen.
spezifische Kühlleistung q0 = h1 - h4
spezifische Kondensationskapazität qc = h2 - h3