Wärmepumpe · Frage 2 von 3
Wie funktioniert ein Kühlschrank?
Ein Kühlschrank erzeugt keine Kälte, er pumpt Wärme hinaus. Innen siedet ein Kältemittel an einer kalten Platte bei etwa −13 °C und nimmt dabei Wärme aus den Lebensmitteln auf. Ein Verdichter presst den Dampf zusammen, bis er heiß ist, und das schwarze Gitter hinten gibt diese Wärme an die Küche ab: etwa 130 W für 80 W aus dem Inneren.
In dieser Tour findest du heraus, warum ein offener Kühlschrank die Küche wärmt, fährst einmal mit dem Kältemittel im Kreis, siehst denselben Kreislauf in einer Wärmepumpe und heizt die Küche auf.
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Ein Kühlschrank erzeugt keine Kälte, er pumpt Wärme
Kälte ist kein Stoff, den eine Maschine herstellen könnte. Kalt heißt nur: weniger Wärme. Ein Kühlschrank hält die Lebensmittel kalt, indem er Wärme aus seinem Inneren holt und woanders loswird, nämlich hinten, in deiner Küche.
Das Problem: Wärme fließt von selbst immer nur von warm nach kalt. Aus den 5 °C im Inneren wandert sie nie von allein in die 22 °C warme Küche. Etwas muss sie hochpumpen, und das kostet Arbeit. Genau das macht der Verdichter (oft Kompressor genannt), und deshalb braucht ein Kühlschrank überhaupt Strom.
Die Bilanz ist einfach: Die Wärme, die hinten herauskommt, ist die Wärme aus dem Inneren plus der Strom, den der Verdichter braucht. Im Modell sind das in einer 22 °C warmen Küche etwa 80 W von innen plus etwa 50 W Strom, also etwa 130 W in die Küche. Echte Haushaltsverdichter ziehen im Betrieb 50 bis 120 W, und ein Kühlschrank bewegt pro Watt Strom etwa 1 bis 2 Watt Wärme (seine Leistungszahl beim Kühlen).
Die Tour, nacherzählt
Schritt für Schritt
Schritt 2 von 12 · Vorhersagen
Ein offener Kühlschrank heizt die Küche
Viele denken, an einem heißen Tag könnte man die Küche kühlen, indem man den Kühlschrank offen lässt: Kalte Luft strömt heraus, also müsste es kühler werden. Andere meinen, es ändert sich nichts, weil sich die herausströmende Kälte und die hineinströmende warme Luft aufheben. Beide vergessen die Rückseite.
Bei offener Tür holt die kalte Platte innen ihre Wärme aus der Küchenluft, und das Gitter hinten gibt genau diese Wärme gleich wieder an die Küche ab, dazu den ganzen Strom des Verdichters. Im Modell gehen vorne etwa 80 W aus der Küche heraus und hinten etwa 130 W wieder hinein. Die Küche wird also langsam wärmer, und zwar um den Strom.
Schritt 3 von 12 · Erklären
Die kalte Platte innen: Sieden weit unter null
Der kalte Teil des Kühlschranks ist eine Platte oder ein Rohrgeflecht an der Rückwand innen, der Verdampfer. Durch ihn läuft ein Kältemittel und siedet dort. Im Modell siedet es bei etwa −13 °C, viel kälter als die 5 °C warmen Lebensmittel, also fließt Wärme aus ihnen und aus der Luft hinein. In echten Kühlschränken verdampft das Kältemittel bei etwa −20 bis −10 °C.
Sieden heißt nicht heiß. Es heißt nur, dass eine Flüssigkeit zu Gas wird, und bei welcher Temperatur das passiert, hängt vom Druck ab. Wasser kocht bei normalem Luftdruck bei 100 °C, auf dem Mount Everest schon bei etwa 70 °C und im Schnellkochtopf erst bei etwa 120 °C. Das Kältemittel im Modell, Propan, siedet bei normalem Luftdruck schon bei −42 °C; in der Platte wird sein Druck so gehalten, dass es bei etwa −13 °C siedet. Verdampfen schluckt viel Wärme: Darum kühlt Schweiß die Haut, und darum wird eine Spraydose beim Sprühen kalt.
Schritt 5 von 12 · Erklären
Der Verdichter macht den Dampf heiß
Der Dampf aus der Platte strömt zum Verdichter, dem kleinen schwarzen Gerät unten an der Rückseite. Er ist das einzige Teil im Kühlschrank, das nennenswert Strom braucht, im Modell etwa 50 W.
Der Verdichter presst den Dampf auf einen viel höheren Druck, und ein zusammengepresstes Gas wird heiß, wie die Luft in einer Fahrradpumpe, die beim kräftigen Pumpen warm wird. Im Modell geht der Dampf mit etwa −8 °C hinein und kommt mit etwa 95 °C heraus. Jetzt ist er viel heißer als die Küche und kann Wärme abgeben.
Schritt 6 von 12 · Erklären
Das schwarze Gitter hinten ist der Verflüssiger
Der heiße Dampf läuft in das schwarze Gitter aus Rohren und Drähten an der Rückseite, den Verflüssiger (auch Kondensator). Beim hohen Druck wird das Kältemittel im Modell bei etwa 45 °C wieder flüssig; in echten Kühlschränken sind es 40 bis 50 °C. Das ist viel wärmer als die Küche, also fließt Wärme vom Gitter in die Luft, und beim Flüssigwerden gibt das Kältemittel die ganze Wärme zurück, die es innen beim Sieden aufgenommen hat.
Die Luft, die am Gitter aufsteigt, wird ein paar Grad wärmer, und die Flüssigkeit verlässt es mit etwa 42 °C. Darum ist ein Kühlschrank hinten warm, und darum braucht er Abstand zur Wand und ein Gitter ohne Staub: Die Wärme muss weg können.
Halbzeit
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Lesen ist das eine. In der Tour veränderst du es selbst und siehst, was passiert, Schritt für Schritt.
3D-Tour startenSchritt 7 von 12 · Erklären
Ein dünnes Röhrchen macht es wieder kalt
Die warme Flüssigkeit muss wieder kalt werden. Sie zwängt sich durch ein sehr dünnes, aufgewickeltes Röhrchen, das Kapillarrohr. Es ist die Drossel des Kühlschranks und übernimmt die Aufgabe, die in einer Wärmepumpe das Expansionsventil hat. Dahinter fällt der Druck. Im Modell verdampft etwa ein Drittel der Flüssigkeit sofort und holt sich die Wärme dafür aus dem Rest, der weit unter null abkühlt. Die kalte Mischung strömt zurück in die Platte, und der Kreislauf beginnt von vorn.
Eine Runde hat also vier Schritte, die du aus dem Physikunterricht kennst: verdampfen in der Platte, verdichten im Verdichter, verflüssigen im Gitter, entspannen im Kapillarrohr. Das Kältemittel wird dabei nie verbraucht; es läuft in einem dichten Kreislauf immer weiter im Kreis.
Schritt 10 von 12 · Ausprobieren
In einer heißen Küche muss der Kühlschrank mehr arbeiten
Je wärmer die Küche, desto heißer muss das Gitter werden, um seine Wärme loszuwerden, und desto mehr muss der Verdichter arbeiten. Im Modell steigt seine Leistung von einer 22 °C zu einer 30 °C warmen Küche von etwa 50 auf etwa 54 W, während die Wärme, die er innen herausholt, von etwa 79 auf etwa 70 W fällt. Außerdem dringt mehr Wärme durch die Wände ein. Darum läuft der Kühlschrank etwa drei Viertel der Zeit statt knapp die Hälfte, und sein Energieverbrauch verdoppelt sich fast, von etwa 0,53 auf etwa 0,96 kWh am Tag.
In einem kühlen 15 °C warmen Raum braucht derselbe Kühlschrank nur etwa eine Viertel Kilowattstunde am Tag. Unter etwa 6 °C Raumtemperatur springt er im Modell gar nicht mehr an: Innen wird es nie warm genug, um den Thermostat auszulösen.
Schritt 11 von 12 · Ausprobieren
Der Thermostat schaltet den Verdichter ein und aus
Ein Kühlschrank läuft nicht dauernd. Ein Thermostat stoppt den Verdichter, wenn es innen kalt genug ist, und startet ihn wieder, wenn es sich erwärmt hat. Im Modell schaltet er bei 3 °C ab und bei 6 °C ein. In einer 22 °C warmen Küche läuft der Verdichter dann etwa 24 Minuten und ruht etwa 29 Minuten, also fast die Hälfte der Zeit, und der Kühlschrank braucht etwa 0,5 kWh am Tag, rund 16 kWh im Monat. Echte sparsame Kühlschränke laufen oft etwa ein Drittel der Zeit und brauchen ebenfalls etwa 0,5 kWh am Tag.
Solange der Verdichter ruht, bewegt sich nichts: kein Strom, keine Wärme hinein, keine Wärme hinaus, und die beiden Drücke im Kreislauf gleichen sich langsam aus.
Ein Kühlschrank ist eine umgedrehte Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe fürs Haus ist dieselbe Maschine. Sie hat dieselben vier Bauteile im selben Kreislauf: einen Verdampfer (bei der Wärmepumpe die Lamellen hinter den Ventilatoren), einen Verdichter, einen Verflüssiger (einen Plattenwärmeübertrager, der das Heizungswasser wärmt) und ein Expansionsventil, wo der Kühlschrank sein Kapillarrohr hat. Der Kühlschrank holt Wärme aus seinem Inneren und gibt sie an die Küche ab; die Wärmepumpe holt Wärme aus der Gartenluft und gibt sie ans Haus ab. Eine Wärmepumpe ist ein Kühlschrank, dessen Inneres der Garten ist.
Nur die nützliche Seite ist eine andere. Beim Kühlschrank ist es die kalte Seite, die Wärme, die innen herausgeholt wird; bei der Wärmepumpe die warme Seite, die abgegebene Wärme. Im selben Kreislauf ist die warme Seite immer um den Strom größer, darum ist die Leistungszahl der Wärmepumpe die des Kühlschranks plus eins. Eine Klimaanlage ist noch einmal dieselbe Maschine: Sie kühlt einen Raum und wärmt die Außenluft. Wie eine Wärmepumpe ein Haus heizt, zeigt die Tour „Wie funktioniert eine Wärmepumpe?“ Schritt für Schritt.
Kühlschränke ohne Kompressor: Absorber und Peltier
Gaskühlschränke im Wohnwagen und Wohnmobil und viele Minibars im Hotel arbeiten ohne Verdichter. Im Absorberkühlschrank ist Ammoniak das Kältemittel, Wasser nimmt es auf, und Wasserstoff hilft beim Verdampfen. Statt eines Verdichters treibt Wärme den Kreislauf an: eine Gasflamme, eine 12-V-Heizung oder eine Heizung am Stromnetz. Solche Kühlschränke sind lautlos, brauchen aber deutlich mehr Energie als ein Kompressorkühlschrank (hea.de; Wikipedia).
Kleine elektrische Kühlboxen nutzen oft ein thermoelektrisches Element (Peltier-Element): Strom durch einen Halbleiter pumpt Wärme von einer Seite auf die andere. Es hat keine beweglichen Teile und kein Kältemittel, bewegt aber wenig Wärme für seinen Strom und kühlt nur begrenzt unter die Raumtemperatur (Wikipedia).
Was das Modell vereinfacht
Das Modell nutzt auch für den Kühlschrank Propan (R290) als Kältemittel; echte Haushaltskühlschränke nutzen Isobutan (R600a). Die Drücke sind anders, das Bild nicht. Die Tür ist offen gezeichnet, damit du hineinsehen kannst, wird aber nicht berechnet: Das Innere erwärmt und kühlt sich, als wäre sie zu. Der Kühlschrank hat ein Fach, keinen Ventilator und kein Abtauen, der Thermostat ist fest auf 3 und 6 °C eingestellt, und das Kältemittel bewegt sich etwa zehnmal langsamer als in einem echten Kühlschrank, damit du eine Runde verfolgen kannst.
FAQ
Häufige Fragen
- Kühlt ein offener Kühlschrank die Küche?
- Nein, er wärmt sie. Die Wärme, die er vorne aus der Küche holt, kommt hinten gleich wieder heraus, dazu der Strom des Verdichters. Im Modell sind das etwa 80 W heraus und 130 W wieder hinein.
- Welches Kältemittel ist im Kühlschrank?
- Die meisten Kühlschränke in Europa nutzen Isobutan (R600a), einen Kohlenwasserstoff wie das Propan im Modell. Ältere Geräte enthielten oft FCKW wie R12, die die Ozonschicht schädigen und deshalb verboten wurden (Wikipedia).
- Warum ist die Rückwand des Kühlschranks warm?
- Das schwarze Gitter hinten ist der Verflüssiger. Dort gibt der Kühlschrank die Wärme aus seinem Inneren ab, plus den Strom des Verdichters. Echte Verflüssiger werden etwa 40 bis 50 °C warm, darum braucht die Rückseite Luft.
- Wann springt der Kompressor an?
- Wenn es innen zu warm wird: Der Thermostat startet den Verdichter und stoppt ihn wieder, sobald es kalt genug ist. Im Modell springt er bei 6 °C an und schaltet bei 3 °C ab; in einer 22 °C warmen Küche läuft er so etwa 24 Minuten und ruht etwa 29.
- Funktioniert ein Kühlschrank bei Minusgraden?
- Nicht zuverlässig. Im Modell springt der Verdichter unter etwa 6 °C Raumtemperatur nie an, und das Innere nimmt einfach die Temperatur des Raums an. Welche Raumtemperaturen erlaubt sind, steht auf dem Typenschild des Geräts.
- Wie funktioniert ein Kühlschrank mit Gas (Absorber)?
- Ein Gaskühlschrank ist ein Absorberkühlschrank: Wärme aus einer Flamme oder einer Heizung treibt einen Kreislauf aus Ammoniak, Wasser und Wasserstoff an, statt eines Verdichters. Er ist lautlos und läuft ohne Netzstrom, braucht aber deutlich mehr Energie als ein Kompressorkühlschrank.
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