Wie ein Kühlschrank funktioniert

Ein Kühlschrank nutzt den Kältekreislauf (Dampfkompressionsprinzip), um dem Inneren des Geräts Wärme zu entziehen und sie an die Umgebung abzugeben. Durch die effiziente Ableitung der Wärmeenergie wird der Innenraum gekühlt. Dieser Prozess beruht auf den Gesetzen der Thermodynamik und den Eigenschaften von Kältemitteln, um Wärme effektiv im System zu übertragen.

Um den Schritt von den theoretischen Diagrammen zum Kühlschrank in deinem Zuhause zu erleichtern, findest du hier drei Diagramme gängiger Kühlschranklayouts. Klicke auf das jeweilige Diagramm für eine vergrößerte Ansicht.

Der Klassiker: Kühlschrank mit obenliegendem Gefrierfach

Die Weiterentwicklung: Side-by-Side-Kühlschrank. Einige Modelle verfügen über zwei Verdampfer.

Der French-Door-Kühlschrank, sehr verbreitet bei hochwertigen Geräten, häufig mit zwei Verdampfern. Du findest auch andere Layouts mit zwei Verdampfern, insbesondere bei Side-by-Side-Geräten.

Der Kältekreislauf besteht aus vier Hauptkomponenten: dem Kompressor, dem Verflüssiger, dem Expansionsventil oder Kapillarrohr und dem Verdampfer. Diese beeinflussen den Druck und den Aggregatzustand (flüssig oder gasförmig) des Kältemittels, um Wärme aus dem Innenraum aufzunehmen und außerhalb des Gehäuses abzugeben. Du siehst diese Komponenten in den obigen Diagrammen dreier verschiedener Kühlschränke. Sie alle funktionieren nach den unten erklärten Prinzipien.

• Der Kreislauf beginnt beim Kompressor, der im Wesentlichen eine von einem Elektromotor angetriebene Pumpe ist.
• Die Hauptaufgabe des Kompressors besteht darin, das Kältemittelgas zu verdichten, wodurch dessen Temperatur und Druck ansteigen.

• Das heiße, unter hohem Druck stehende Kältemittelgas verlässt den Kompressor und gelangt in den Verflüssiger, ein System aus Schlangen oder Rohren an der Rückseite oder Unterseite des Kühlschranks.
• Das Gas gibt Wärme an die Umgebung (Luft) ab, während der Verflüssigerlüfter Luft über die Verflüssigerrohre bläst.
• Während sich das Kältemittelgas im Verflüssiger abkühlt, kondensiert es, gibt dabei weitere Wärme ab und wird zu einer warmen Flüssigkeit, die weiterhin unter hohem Druck steht.

• Das warme, flüssige Kältemittel unter hohem Druck fließt durch ein dünnes Rohr, das sogenannte Kapillarrohr, das den Durchfluss des flüssigen Kältemittels einschränkt.
• Durch dieses Kapillarrohr verliert das flüssige Kältemittel beim Durchfließen an Druck.
• Am Ende des Kapillarrohrs, wo es in den Verdampfer übergeht, führt der nun niedrigere Druck im Verdampfer dazu, dass sich das flüssige Kältemittel ausdehnt und ein kleiner Teil wieder dampfförmig wird.
• Um dampfförmig zu werden, entzieht dieser Teil der Flüssigkeit dem warmen Kältemittel Wärme, wodurch die restliche Flüssigkeit abkühlt und zu einer Mischung aus kaltem, niederdruck-flüssigem Kältemittel und etwas Gas wird.
• Unser Diagramm zeigt ein Expansionsventil; das Kapillarrohr erfüllt die gleiche grundlegende Funktion.

• Das kalte Gemisch aus flüssigem Kältemittel und Gas mit niedrigem Druck fließt durch den Verdampfer, ein Set aus Schlangen oder Rohren innerhalb des Kühl- oder Gefrierfachs.
• Das flüssige Kältemittel im Gemisch verdampft und nimmt dabei Wärme aus der Luft im Inneren des Kühlschranks auf, wodurch diese Luft abkühlt.
• Der Verdampferlüfter wälzt die Luft im Kühlschrank um, damit sie am kalten Verdampfer vorbeiströmen und den Innenraum kühlen kann.
• Dieser Prozess der Luftkühlung wird fortgesetzt, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist. Wenn der Kompressor abgeschaltet wird, stoppt der Kältemittelfluss und die Kühlung wird unterbrochen.

• Das Kältemittel, das nun erwärmt und vollständig in ein kühles Gas mit niedrigem Druck umgewandelt wurde, kehrt zum Kompressor zurück, wo der Kreislauf von vorn beginnt.

• Die Temperatur des Kühlschranks wird durch ein Regelungssystem mit Temperatursensoren und einem Thermostaten aufrechterhalten.
• Wenn die Temperatur in den Fächern über einen eingestellten Wert steigt, signalisiert der Thermostat dem Kompressor, den Kältekreislauf zu starten.
• Sobald die Zieltemperatur erreicht ist, signalisiert der Thermostat dem Kompressor, abzuschalten. Stoppt der Kompressor, endet auch der Kühlvorgang.

Du kannst dir das Kältemittel wie einen Schwamm für Wärme vorstellen. Ein fest zusammengedrückter (komprimierter) Schwamm wird in ein mit Wasser gefülltes Becken (das Innere des Kühlschranks) getaucht. Das Loslassen des Schwamms (Druckentlastung/Expansion) ermöglicht es ihm, Wasser (Wärme) aus dem Becken aufzunehmen. Der vollgesogene Schwamm wird aus dem Becken genommen und ausgepresst (Kompression), wodurch das Wasser nach außen in die Küche läuft. Wiederholst du diesen Vorgang oft, entziehst du dem ursprünglichen Becken einen Großteil des Wassers.

Ein weiterer Vergleich ist der Kühlmechanismus des menschlichen Körpers – Schweiß. Dein Körper nutzt einen Phasenwechsel (verdampfendes Wasser), um dich abzukühlen. Dein Körper liefert die Wärme dafür, was dich abkühlt. Bei trockener Luft findet Verdunstung schnell statt und der Kühleffekt ist hoch. Bei feuchter Luft verdunstet der Schweiß nicht so gut, und du fühlst dich heiß und verschwitzt.

Gute Kältemittel haben einen niedrigen Siedepunkt, um selbst bei kühlen Bedingungen, wie sie im Inneren eines Kühlschranks oder Gefrierschranks herrschen, Wärme durch Sieden aufnehmen zu können. Sie haben zudem einen hohen kritischen Punkt, der die Höchsttemperatur bestimmt, bei der sie als Flüssigkeit und Gas existieren können, sowie eine hohe latente Wärme, was bedeutet, dass sie bei Phasenwechseln (z. B. von flüssig zu gasförmig) mehr Wärme aufnehmen (oder abgeben) können. Schließlich verlassen sie sich auf eine niedrige Viskosität, damit sie mit minimalem Strömungsverlust durch das System fließen können (außer im Kapillarrohr). So lässt sich der Druck manipulieren, um die Wärmeübertragung zu erleichtern. Eine hohe Dichte erhöht die Wirksamkeit zusätzlich, da mehr Energie gespeichert werden kann. Kältemittel werden aufgrund ihrer chemischen Struktur ausgewählt, die diese Eigenschaften sowie weitere Aspekte wie geringe Toxizität und Kosteneffizienz vereint.

Ein Kühlschrank arbeitet nach den Prinzipien der Thermodynamik, indem er ein Kältemittel durch einen Kreislauf aus Rohren pumpt, das im Inneren des Kühlschranks Wärme aufnimmt und diese nach außen abgibt.