Kühlprozesse sind eigentlich keine all zu komplexe Angelegenheit. Effektive und moderne Kühlprozesse dagegen schon. Was aber verstehen wir unter Kühlprozessen, welche Kühlprozesse gibt es und welche Vor- und Nachteile haben diese?
Wer den Einsatz von Kühltechnik plant, sollte sich deshalb zumindest grob mit den verschiedenen Kühltechniken auskennen. Nicht jeder Kühlprozess ist für jedes Vorhaben geeignet. Wir stellen die relevantesten Kühlprozesse vor und geben einen kleinen Überblick, welche Prozesse für was geeignet sind.
Was ist Kälte überhaupt?
In der Technik wird Kälte, insbesondere der Kühl- und Kältetechnik, als ein Zustand mit einer Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur definiert.
Die Umgebungstemperatur gilt dabei als Bezugs- oder Grenztemperatur in der Kühltechnik. Das ist deshalb so wichtig, weil die natürliche Umgebung in der Regel für die Ableitung von Wärme (sogenannte Wärmesenke) genutzt wird. Dies bedeutet, dass Wärme z.B. von einem Gegenstand oder einem abgeschlossenen Raum, an die Umgebung (Boden, Gewässer oder Luft) abgegeben wird und so die Temperatur des Objekts oder Bereichs gesenkt wird.
Ein Waschlappen und die Thermodynamik
Kühlen wir uns z.B. mit einem nassen Waschlappen im Sommer, so reden wir nicht direkt von Kühlung aus technischer Sicht. Es handelt sich hierbei eigentlich nur um einen Temperaturausgleich zwischen den kühleren Lappen, unserer warmen Haut und der Umgebung. Von Kühlung im technischen Sinne reden wir erst, wenn wir die Temperatur über diesen Wärmeausgleich hinaus senken wollen.
Allerdings fließt Wärme, wie im 2. Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben nicht ohne Energiezufuhr in die Entgegengesetzte Richtung des Temperaturgefälles. Mit anderen Worten, wenn wir Wäre aus einem Objekt oder Raum abziehen wollen, ist Energie von Nöten. Damit diese Temperatursenkung unter der, der Umgebung erhalten bleibt, muss auch die Energiezufuhr konstant bleiben. Aus diesem Grund bezeichnet man auch technische Kühlung als „Kälte erzeugen“.
Die Kälte gibt es gar nicht… oder doch?
Unterschieden werden Kühlarten zum einen nach der Kühlmethode, zum anderen aber auch nach dem Kühlzweck. Für letzteres reden wir grundsätzlich von Kältetechnik. Bei Temperaturen unterhalb von -150°C sprechen wir dann auch von Kryotechnik.
Fun Fact: in der Physik und der Thermodynamik gibt es Kälte als solche gar nicht, sondern nur Wärme. Wenn wir also von Kälte sprechen, reden wir eigentlich vom Wärmeentzug.
Das Kälte aber den Einzug in die technische Fachsprache gehalten hat, gibt es leichte Verwirrungen bei der Anwendung. Denn zum einen wird damit die Kühltemperatur oder die Differenz zur Umgebungstemperatur bezeichnet. Zum anderen den aufgetretenen Wärmestrom oder die übertragene Wärmemenge beschrieben.
Das Medium entscheidet
Eine gängige Klassifizierung von Kühlsystemen findet zum Beispiel nach dem Trägermedium für die abzuführende Wärme statt. Dabei kommen ganz unterschiedliche Medien zu Einsatz. Zudem werden Kühlprozesse auch nach Ihrer technischen Umsetzung unterschieden.
Hierbei können wir beispielsweise folgende Kühlprozesse unterscheiden:
Kühlprozesse – Flüssigkeitskühlung
Bei der Flüssigkühlung erfolgt das Abführen der Wärme über eine Trägerflüssigkeit. Das ist im einfachsten Fall Wasser. Darüber hinaus werden oft auch Öle und andere chemische Kühlmittel verwendet. Die inzwischen stark gestiegenen Umweltauflagen unterstützten die Entwicklung zu effizienteren und umweltschonenden Kühlmitteln.
Die Flüssigkühlung kann dabei, je nach Medium, wesentlich mehr Wärme abführen und ist damit auch für den Betrieb größerer Anlagen geeignet. Allerdings bedarf sie einen oft erheblich höheren Aufwand. Auch wenn Wasser eines der am häufigsten verwendeten Kühlmittel in der Flüssigkühlung ist, da es in Reinform nicht giftig und auch nicht brennbar, ist es nicht immer das geeignete Kühlmedium. Wasser bietet Bakterien in Kühlsystemen oft ideale Bedingungen. Durch die Wärme ist es der ideale Nährboden für verschiedenen Keime und kann daher nicht immer uneingeschränkt eingesetzt werden. Hierfür gibt es entweder verschiedene Lösungs-Zusätze oder man nutzt wie schon erwähnt weitere Kühlflüssigkeiten. Jedoch korrodieren viele dieser Ersatzmittel oft Metalle und anderen Bausubstanzen, weshalb jeder Kühlprozess genau nach Bedarf analysiert werden muss.
The black Cold
Die Öl-Kühlung findet häufig bei Hydrauliksystemen oder auch bei hochenergetischen Systemen Anwendung. Üblicherweise verwendet man verschiedene Varianten von Mineralölen, je nachdem wo sie eingesetzt werden sollen, unter anderem wegen seiner hervorragenden Eigenschaften bei der elektrischen Isolation.
Da Öl in seiner Reinform allerdings stark brennbar ist, werden verschiedene Zusätze beigemischt, wie zum Beispiel polychlorierte Biphenyle.
Clophen wurde früher als Ersatz für Öl genutzt. Es ist aber wegen seiner hohen Toxizität inzwischen verboten. Zudem müssen für verschiedene Szenarien zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen eingebaut werden. Spezielle Auffangbehälter im Havariefall, Verschlussmechanismen oder Pumpsysteme sind nur einige Beispiele.
Wenn es richtig heiß wird
Der Vollständigkeit halber soll hier noch die Natriumkühlung erwähnt werden. Natrium ist besonders effizient bei der Wärmeleitfähigkeit und wird beispielsweise bei der Reaktorkühlung eingesetzt, weil es die Neutronen nicht bremst. Neben seiner starken Brennbarkeit und starken Reaktion mit Wasser ist es aber mit Vorsicht einzusetzen. Zudem wird bei normalen Raumtemperaturen fest, was bedingt, dass bei Nichtbetrieb Wärme zugeführt werden muss, damit es sich verflüssigt.
Kühlprozesse – Die Luftkühlung
Das Prinzip ist eigentlich ganz einfach. Vorbeiströmende Luft kühlt ein Objekt ab. Natürlich gibt es auch weit komplexere Luftkühlanlagen, die z.B. als Klimaanlagen zum Einsatz kommen können.
Hier wird bei verschiedenen Varianten die Luft auch mit einem Kühlmittel abgekühlt. Früher verwendete man gerne Fluorchlorkohlenwasserstoffe so genannte FCKW-Gase wie Freon 11 und Freon 12 (R-11 und R12). Auch heute sind die eingesetzten Kühlmittel alles andere als Umweltfreundlich. Selbst das als „kaum klimaschädlich“ bezeichnete R290 ist immer noch dreimal so schädlich wie CO2. Trotz der immer weiter voranschreitenden Restriktionen sind Geräte mit R290 noch nicht weit verbreitet. Inzwischen gibt es aber weitere Ansätze, um mittels Luftkühlung energieeffizienter und zeitgleich umweltverträglicher zu kühlen.
Kühlen aber ohne Kältemittel
Einen kleinen Exkurs möchten wir mit der Vorstellung von Kühlung durch Peltier-Elemente (engl. thermoelectric cooler oder auch TEC) machen. Man findet derartige Kühlsysteme z.B. in modernen Kühlboxen oder auch bei der speziellen Anwendung in der Rechen- und Messtechnik.
Ein Peltier-Element ist ein elektrothermischer Wandler und kann je nach Stromdurchfluss sowohl als Heizköper, als auch als Kühlelement genutzt werden.
Es handelt sich bei der Funktionsweise grundsätzlich um zwei Halbleiter, mit einem unterschiedlichen Energieniveau der Leitungsbänder. Damit ein Elektron bei anliegendem Strom von den beiden hintereinander liegenden Kontaktstellen zum energetisch höherliegenden Band übergehen kann, muss an der ersten Kontaktstelle Wärmeenergie aufgenommen werden. Dadurch kommt es zur Abkühlung.
Der relativ kleine Wirkungsgrad macht diese Form der Kühlung für Anwendungen mit starkem Kühlbedarf (noch) keinen Sinn. Dafür kommt es immer öfter bei kompakten Systemen zum Einsatz, wo sich bewegliche Teile, wie z.B. ein Kühlmittel als Nachteile erweisen. Neben diesen, der reduzierten Größe und dem daraus resultierend kleinen Gewicht, ist besonders die Flexibilität Temperaturen sowohl nach unten, wie auch nach oben zu regulieren von erheblichem Vorteil.
Kühlprozesse – komplexer als man denkt
Kühlprozesse sind mitunter wesentlich komplexer als man zunächst meinen darf. Aus diesem Grund sollte man zumindest grundlegend die verschiedenen Optionen kennen. Für den Bau von Kühlzellen benötigt man spezialisierte Kälteaggregate, die möglichst konstant, ausfallsicher und leicht zu warten sind. Und auch in diesem Bereich gibt es verschiedene Systeme, mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen. Setzen Sie sich mit uns in Verbindung und wir analysieren Ihren Bedarf und erarbeiten die effizientesten und umweltschonendsten Kühllösungen.
Noch nicht genug Wissen getankt? In unserem nächsten Beitrag sprechen wir über die Anwendungsfelder verschiedener Kühlprozesse.
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