An heißen Sommertagen scheint sie wie ein technisches Wunder: Ein Knopfdruck, ein leises Surren, und schon strömt kühle Luft ins Zimmer oder in den Innenraum des Autos. Doch hinter dem scheinbar simplen Effekt einer Klimaanlage verbirgt sich ein hochkomplexer physikalischer Prozess – ein Prinzip, das paradoxerweise Wärme verschiebt, statt „Kälte“ zu erzeugen. Die Geräte kühlen nicht nur, sie entfeuchten auch die Luft. Das steigert den Komfort, denn feuchte Luft fühlt sich wärmer "schwüler" an. In manchen Regionen gilt dieser Effekt als fast wichtiger als die Temperaturabsenkung selbst.
Das Herzstück: Der Kältekreislauf
Jede Klimaanlage arbeite mit einem geschlossenen Kreislauf in dem ein Kältemittel Zirkuliert. Damit das Kältemittel zirkulieren und wärme verschieben kann braucht es neben dem Kältemittel immer vier Hauptkomponenten.
- Verdampfer: Im Inneren des zu kühlenden Raumes wird das Kältemittel durch einen Wärmetauscher geleitet. Dort verdampft das Kältemittel und kann so die Wärme der Raumluft aufnehmen.
- Kompressor: Das nun Gasförmige Kältemittel wird im Außengerät stark verdichtet. Dabei steigt sowohl der Druck als auch die Temperatur.
- Verflüssiger (Kondensator): Das heiße Kältemittel gelangt zum Außengerät, dort es seine Wärme an die Umgebungsluft ab. Dabei verflüssigt es sich wieder.
- Expansionsventil (E-Ventil): Bevor der Zyklus von Neuem beginnt, wird der Druck abgesenkt, dies geschieht im Expansionsventil durch Einspritzung. Das Kältemittel ändert seinen Zustand von Flüssig und hohe Druck, zu Gasförmig mit niedrigem Druck.
So „pumpt“ die Anlage permanent Wärme von drinnen nach draußen. Das gleiche Prinzip verwendet auch den Körper zur Kühlung, es schwitz. Der Schweiß hat die gleich Temperatur wie der Körper, der Schweiß (das Wasser) kann dein Körper also nicht kühlen. Erst durch die Verdunstung (das Verdampfen des Wasser) kann die Wärme des Körpers aufgenommen werden. Das gleiche passiert durch das E Ventil, das flüssige Kältemittel, wird von flüssig zu gasförmig und kann so Wärme aufnehmen. So gibt es in unsere Moderne Welt die sich im Klimawandel befinde und immer wärmer wird viele Anwendungen die über den Komfort hinausgehen.
Damit der Prozess des Wärmetransport funktioniert müssen Verdampfer und Verflüssiger räumlich getrennt sein. Beide Geräte mit zwei Rohren, einem dicken (der Saugleitung) und einer dünnen (der Einspritzleitung) verbunden. Neben den Rohren liegt normalerweise ein Kabel mit 4 oder 5 Adern zur Kommunikation zwischen den Geräten.
Das Außengerät
- Verdichter, saugt das Kältemittel an und bringt es auf eine hohe Temperatur und einen hohen Druck.
- Verflüssiger und Verflüssigerlüfter, hier gibt das Kältemittel sein Wärme an die Umgebung ab und wird flüssig.
- Expansionsventil, hier ändert das Kältemittel seinen Zustand von flüssig in gasförmig.
- 4-Wege Ventil, hier wird zwischen kühlen und heizen umgeschaltet.
- Platine zur intelligenten Steuerung.
- Anschlüsse zum Innengerät.
Das Innengerät
- Verdampfer, hier wird die Wärme aus dem Raum aufgenommen.
- Lüfter, saugt warme Raumluft an und diese ab.
- Platine zur Steuerung und Kommunikation mit dem Außengeräte.
- Anschlüsse zum Außengerät.
Der Kältekreislauf im Klimagerät
Das Kältemittel durchläuft im Kältekreislauf einen geschlossenen Prozess, bei dem es wiederholt seinen Aggregatzustand ändert, um Wärme zu transportieren. Im 1️⃣ Verdampfer liegt es bei niedrigem Druck vor und nimmt durch Wärmeübertragung Energie aus dem zu kühlenden 2️⃣ Bereich auf. Diese Energiezufuhr entspricht der Verdampfungsenthalpie, wodurch das Kältemittel vollständig verdampft und als Niederdruckdampf 3️⃣ austritt. Im 3️⃣ Kompressor (Verdichter) wird dieser Dampf verdichtet. Dabei steigen Druck und Temperatur deutlich an, da die Temperatur proportional mit der Kompression steigt. Das nun heiße 5️⃣ Hochdruckgas strömt in den6️⃣ Kondensator (Verflüssiger), wo es Wärme an die 7️⃣Umgebung abgibt. Dabei sinkt seine Temperatur, und es kondensiert unter konstant hohem Druck zurück zur Flüssigkeit; die freiwerdende Kondensationsenthalpie wird an die Umgebung abgeführt. Anschließend fließt das9️⃣ flüssige Kältemittel durch das 9️⃣ Expansionsventil, wo eine Drosselung stattfindet: Der Druck fällt schlagartig ab, und durch die Joule-Thomson-Wirkung sinkt auch die Temperatur. Es entsteht ein kaltes Flüssig-Gas-Gemisch mit niedrigem Druck, 🔟das zurück in den Verdampfer gelangt. Dort beginnt der Prozess erneut, wobei durch den ständigen Wechsel von Verdampfen und Kondensieren ein kontinuierlicher Wärmetransport stadtfindet.
🔵➡️ Saugleitung (Niederdruck)
🔴➡️ Druckleitung, Heißgaßleitung (Hochdruck)
🟢➡️ Einspritzleitung
🟠➡️ Flüssigkeitsleitung
Rohre und Kabel
Zwischen dem Innengerät und dem Außengerät sind in aller Regel 2 Rohre und ein Kabel verlegt.
🔵 Saugleitung, ist dicker und hat einen Durchmesser von 10 oder 12mm.
🟢 Einspritzleitung (nicht Flüssigkeitsleitung) ist dünner und hat einen Durchmesser von 6mm.
Mehr als nur Komfort und fit für die Zukunft!
In vielen Bereich ist eine Klimaanlage mehr als nur Komfort, in Seniorenheimen, schützen sie die wesentlich Temperaturempfindlichen älteren Menschen vor Hitzschlag. In Krankenhäusern sogen sie dafür dass sich Ärzte und Pfleger voll und ganz auf ihre Arbeit Konzentrieren können. In Serverräumen kühlen Klimagerät die Server und schützen vor Überhitzung der Empfindlichen Geräte.
Doch Kühlung hat ihren Preis: Klimaanlagen verbrauchen erhebliche Mengen an Strom. Vor allem in Ländern wie den USA, Indien oder zunehmend auch Südeuropa gehören sie zu den größten Stromfressern im Sommer. Und: Viele Kältemittel belasten unsere Umwelt und das Klima in erheblichem maße. Zwar wird in der EU und auch in anderen Ländern schrittweise auf klimafreundlichere Stoffe umgestellt, auch die Geräte verbrauchen weniger Strom, doch global ist der Fortschritt ungleich verteilt.
