Kühlschrank – Aufbau und Funktionsweise
Schlagwörter: Kühlschrank, Eisschrank, Energieumwandlung, Aufbau Funktion Thermodynamik
Auch wenn der Kühlschrank für uns heute selbstverständlich ist, so ist er doch ein unglaublicher Luxus. Ohne einen Kühlschrank könnten wir viele Lebensmitte, gerade im Sommer, nicht lange frisch halten. (zur Geschichte) Die Lebensmittel würden in kurzer Zeit verderben. ►01
Energieumwandlung im Kühlschrank
Im Kühlschrank wird den Lebensmitteln und der Luft im Innenraum Wärmeenergie entzogen. Die Wärmeenergie wird außerhalb des Kühlschranks wieder an die Umgebung abgegeben. ►02
Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltung) wäre es denkbar, dass die Abkühlung des Kühlschranks zu einer Erwärmung der Außenluft führt. ►03 Das ist aber nicht möglich. Wie der 2. Hauptsatz der Thermodynamik zeigt, erfolgt der Energietransport stets vom Zustand der höheren Temperatur zum Zustand der niedrigeren Temperatur. Damit wird klar, wir benötigen eine technische Lösung, um den Innenraum des Kühlschranks abkühlen zu können.
Früher nutzte man große Eisblöcke, um Lebensmittel zu kühlen (s. Geschichte)
Wie funktioniert ein Kühlschrank?
Aufbau
Das Herzstück des Kühlschranks ist ein Kühlmittelkreislauf, der aus vier Teilen besteht:
- einem Verdampfer im Innenraum des Kühlschranks
- einem Kondensor, der sich außerhalb des Kühlschranks befindet.
- Die beiden Teile des Kreislaufs sind mit einem
- Kompressor
- und einer Drossel verbunden.
►04 zeigt die technisch reduzierte Darstellung.
In den Rohren, die wir auf der Rückseite und im Innenraum des Kühlschranks sehen, befindet sich ein Kühlmittel. Dieses Kühlmittel hat bei Normaldruck (1 bar bzw. 1013 hPa) eine Siedetemperatur von ca. -10°C bis -20°C.
Funktion des Kühlmittelkreislaufs
Das Kühlmittel fließt durch das Rohr im Innenraum des Kühlschranks (Verdampfer). Im flüssigen Aggregatzustand hat das Kühlmittel bei einem Druck von 1 bar eine Temperatur von ca. -12°C. Die Luft und die Lebensmittel im Kühlschrank haben eine höhere Temperatur. Sie geben die Temperatur an die Kühlflüssigkeit ab. Wenn die Temperatur der Kühlflüssigkeit steigt, dann verdampft diese und der Druck steigt.
Da die Außentemperatur aber höher ist als die im Kühlschrank, muss ein Trick angewendet werden, um die Kühlflüssigkeit wieder abzukühlen. Hier können wir unsere Kenntnisse über den Wechsel der Aggregatzustände nutzen. Beim Phasenübergang wird, je nach Richtung, Verdampfungswärme benötigt bzw. Kondensationswärme frei.
Das Kühlmittel wird vom Kompressor angezogen und in den Kondensor gepresst. Der Kompressor erhöht den Druck im Kondensor auf ca. 8 bar. Durch den höheren Druck steigt die Siedetemperatur des Kühlmittels, so dass es bei Zimmertemperatur kondensieren kann. Das Kühlmittel geht in den flüssigen Aggregatzustand über. Die dabei frei werdende Kondensationsenergie ►06 kann über die große Oberfläche des Kondensors in Form von Wärme an den Raum abgegeben werden. ►05
Der Raum nimmt einen Teil der Wärmeenergie aus dem Kondensor auf, die im flüssigen Kühlmittel des Kondensors gespeichert ist.
Am Ende des Kondensors befindet sich eine Drossel, die den Druck des Kühlmittels wieder auf 1 bar entspannt. Damit fällt die Siedetemperatur wieder auf ca. -12°C ab. Die Verdampfungswärme ►06 entzieht der Flüssigkeit Energie, sie kühlt sich ab. ►05 Die kalte Flüssigkeit fließt wieder durch den Verdampfer, der dem Innenraum des Kühlschranks die Wärme entzieht.
Energiebedarf – Kühlschrank in der Praxis
In vielen Küchen findet man heute eine Kühl-Gefrierkombination. Die Gefrierschränke arbeiten im Prinzip wie ein Kühlschrank. Um die tieferen Temperaturen im Gefrierschrank zu realisieren, kann mit einem anderen Druck, oder mit anderen Kühlmitteln gearbeitet werden.
Für Kühlschränke wird eine Temperatur von 7°C und für Gefrierschränke eine Temperatur von -18°C empfohlen. Je niedriger die Temperatur, desto mehr elektrische Energie wird benötigt.
Hinweis: Achtet darauf, den Gefrierschrank regelmäßig abzutauen. Die Eisschicht am Gefrierschrank stellt eine Isolation dar. Je dicker die Eisschicht, desto mehr elektrische Energie wird benötigt, um die tiefen Temperaturen im Gefrierschrank zu halten.
Geschichte
Früher nutzte man große Eisblöcke, um Lebensmittel zu kühlen. Das Eis dafür wurde auf den Seen der Umgebung „geerntet“. Die Bilder ►07-08 zeigen verschiedene historische Eisernten.
Die Bilder wurden freundlicherweise von der Berliner Eisfabrik zur Verfügung gestellt.
Das Eis wurde dann an Brauereien, Metzgereien und Meiereien geliefert. Für private Haushalte war das Eis ein Luxus, den sich nur wenige Familien leiste konnten.
In Nürnberg gibt es ein sehr umfangreiches Gewölbesystem. Hier wurde das Bier gelagert. Die Bierkeller hatten große Schächte, in die im Winter das Eis eingefüllt wurde. Die dicken Wände aus Felsen und Erde sorgten für eine so gute Isolierung, so dass das Eis teilweise erst im Mai vollständig geschmolzen war.
1874 erhielt der deutsche Ingenieur und Erfinder Carl von Linde das Patent für die erste Kältemaschine.
Nachdem die ersten Kühlanlagen in Brauereien genutzt wurden, wurden die ersten Kühlschränke für Haushalte ab 1920 hergestellt. Auf Grund des hohen Preises, konnten sich die meisten Haushalte die Geräte nicht kaufen. Während in den USA ab 1938 jeder zweite Haushalt über einen Kühlschrank verfügte, fanden Kühlschränke in Deutschland erst ab 1950 mit dem Wirtschaftswunder eine stärkere Verbreitung.
Die Graphik ►09 zeigt den Einzug der Kühlschränke in die Haushalte in Deutschland Ost seit dem Jahr 1955. //Quelle https://de.statista.com Die Zahlen zwischen Deutschland Ost und Deutschland West wichen dabei nicht wesentlich voneinander ab.
Heute verfügen 99,9 % der Haushalte in Deutschland über einen Kühlschrank bzw. eine Kühl-Gefrierkombination. Die Anzahl der Kühlschränke je 100 Haushalte wird mit 127 angegeben. //Quelle Statistisches Bundesamt
Bei dieser Differenzierung zwischen „Haushalte mit Kühlschrank“ und „Kühlschränke pro 100 Haushalte“ wird auch deutlich, warum die Anzahl in der Grafik oben über 100% steigen kann.
Die Angaben über 100% sind auf mehrere Kühlschränke pro Haushalt bzw. Kühlschrank und Gefrierschrank zurückzuführen.
