Es gibt zwei Typen von Kühlschränken: Kompressor- und Absorber-Kühlschränke. Hier wird der Absorber-Kühlschrank außer Acht gelassen.

Kühlschrank und Wärmepumpe sind in ihrer Funktion sehr ähnlich. Kern beider Geräte ist ein Röhrensystem, das mit einem Kühlmittel gefüllt ist. In beiden Fällen wird mit Hilfe der Zufuhr elektrischer Energie E_el Wärme aus einem Reservoir in ein anderes gepumpt. Das zeigen die Energiefluss-Diagramme in Abb. 1 und Abb. 2.

Abb. 1: Verdampfungswärme Qv entsteht aus einem Teil EKG der inneren Energie des Kühlguts und wird durch elektrische Energie zusammen mit dieser in Abwärme Q übergeführt. Mit der inneren Energie des Kühlguts sinkt seine Temperatur. Q = EKG + Eel

Abb. 2: Verdampfungswärme Qv entsteht aus einem Teil EU der inneren Energie der Umwelt und wird durch elektrische Energie Eel zusammen mit dieser in die gewünschte Wärme Q übergeführt: Q = EU + Eel

Unterschiedlich ist, welche Energie genutzt wird.

Beim Kühlschrank ist es innere Energie E_KG, die, mittels Verdampfungswärme Q_V des Kühlmittels, aus dem Kühlgut bezogen wird. Sie zusammen mit der zugeführten elektrischen Energie wird als Abwärme Q freigesetzt und über Kühlschlangen nach außen abgegeben.

Bei der Wärmepumpe wird die Wärme Q genutzt, die in das Haus transportiert wird. Q setzt sich zusammen aus innerer Energie E_U, die mittels Verdampfungswärme Q_V des Kühlmittels aus der Umwelt bezogen wird, und der zugeführten elektrischen Energie E_el.

Man kann sagen, dass eine Wärmepumpe im Prinzip ein umgekehrt betriebener Kühlschrank ist: Energie wird der Umwelt entzogen und dem Haus als Wärme zusammen mit der elektrischen Energie zugeführt. Beim Kühlschrank wird dem Kühlgut innere Energie entzogen und, zusammen mit der elektrischen Energie, als "Abfallwärme" (Abwärme) an die Außenwelt abgegeben.

Die "Effektivität" des Vorgangs wird durch den Wirkungsgrad η beschrieben. Dieser ist allgemein definiert als das Verhältnis von genutzter Energie zu aufgewandter Energie, also

beim Kühlschrank nach Abb. 1:        η = innere Energie aus dem Kühlgut/E_el = E_KG/E_el 

bei der Wärmepumpe nach Abb. 2:   η  = Q/E_el

In beiden Fällen wird sehr geschickt die Tatsache genutzt, dass die Siedetemperatur einer Flüssigkeit von ihrem Druck abhängt. Indem sich die unter erhöhtem Druck stehende Kühlflüssigkeit entspannt, gerät ihre Siedetemperatur unter die Temperatur des Kühlguts. Sie verdampft dann und wird zum Gas. Dazu braucht sie Verdampfungswärme, die sie dem Kühlgut im Inneren des Kühlschranks oder, bei der Wärmepumpe, der Umwelt entzieht.

Schau dir den Kühlkreislauf genauer an:

Abb. 3: Kühlkreislauf beim Kompressor-Kühlschrank (die Drossel wird auch Drosselventil oder Expansionsventil genannt)

Fange z.B. an der Stelle (1) an. Dort steht die Kühlflüssigkeit unter relativ hohem Druck (typisch 8 bar; ihre Siedetemperatur ist dabei vergleichbar mit der Zimmertemperatur). Sie strömt durch eine Drossel (2), wo sie sich entspannt. Ihr Druck fällt dabei auf ca. 1 bar ab (bei einer Siedetemperatur von typisch - 12⁰C). Da aber das Kühlgut eine höhere Temperatur hat, verdampft die Flüssigkeit im Verdampfer (3), der häufig das Tiefkühlfach umgibt. Die dazu benötigte Verdampfungswärme Q_V wird dem Tiefkühlfach bzw. dem Kühlgut entzogen, d.h. es verliert innere Energie und seine Temperatur sinkt. Nun wird ein neuer Zyklus gestartet. Im Kompressor (4) wird das Gas aus dem Verdampfer abgesaugt und auf typisch 8 bar komprimiert. Dadurch wird das Gas verflüssigt und erwärmt sich. Die erwärmte Flüssigkeit strömt durch den Kondensor (5). Du erkennst ihn an den Kühlschlangen an der Rückseite des Kühlschranks. Dort wird die Abwärme an die Umwelt abgegeben. Es geht weiter mit (1), usw.

Bei der Wärmepumpe entspricht der Verdampfer des Kühlschranks der Umwelt, die gekühlt wird.

( Februar 2024 )