Prinzip
Eine Klimaanlage arbeitet nach dem Prinzip einer Kompressionskältemaschine, wie ein normaler Kühlschrank.
Die Klimaanlage in einem Fahrzeug basiert auf dem Naturgesetz, dass Flüssigkeiten bei einer Temperaturerhöhung oder Druckminderung verdampfen und dabei Wärme aufnehmen. Kühlt man anschließend diesen heißen Dampf wieder ab, gibt er die aufgenommene Wärme ab und wird wieder flüssig. In einem geschlossenen System kann dieser Prozess beliebig oft wiederholt werden (Kreisprozess).
Gesetzmäßigkeiten
Aggregatzustände am Beispiel Wasser.
Vom Eis (Wasser im Aggregatzustand fest), wird die Wärme der Umgebung aufgenommen, dadurch kühlt diese ab. (1)
Das Eis schmilzt dadurch und nimmt einen anderen Aggregatzustand an, es wird zu flüssigem Wasser. (2)
Wird dem Wasser weiter Wärme zugeführt, siedet es und verdampft. Der gasförmige Aggregatzustand ist erreicht. (3)
Der gasförmige Stoff kann durch Abkühlung wieder in Flüssigkeit, bei weiterer Abkühlung wieder in einen festen Stoff gewandelt werden.
Dieses Prinzip ist auf fast alle Stoffe übertragbar:
- Ein Stoff nimmt bei der Umwandlung vom flüssigen zum gasförmigen Zustand Wärme auf.
- Ein Stoff gibt bei der Umwandlung vom gasförmigen zum flüssigen Zustand Wärme ab.
Die Effekte des Wärmeaustausches, bei denen ein Stoff bei bestimmten Drücken und Temperaturen seinen Zustand ändert, werden in der Klimatechnik genutzt und technisch umgesetzt
Wärmeübertragung
Wärmeleitung (1)
Wärmeleitung tritt innerhalb eines Körpers mit einem Temperaturgefälle oder beim Kontakt zweier Körper unterschiedlicher Temperatur auf.
Strahlung (2)
Körper, die eine höhere Temperatur als ihre Umgebung haben, senden Strahlen aus. Wenn diese Strahlen auf kältere Körper treffen, werden diese erwärmt.
Konvektion (3)
Hierbei handelt es sich um den Wärmetransport in Gasen und Flüssigkeiten. Erwärmt sich z. B. Luft, so verringert sich ihre Dichte und sie steigt nach oben. Diese Form des Wärmetransports ist immer mit einem Gas- oder Flüssigkeitsstrom verbunden.
Wärmemenge
Die Wärmemenge wird in Joule gemessen. Die ältere Maßeinheit der Wärmemenge eines Stoffes ist die Kalorie.
Dabei wird die Wärmemenge einer Kalorie benötigt, um 1 Gramm reines Wasser bei einem Umgebungsdruck von 1013 hPa von 14,5 °C auf 15,5 °C zu erwärmen.
Die wichtigsten Einheiten für Wärmemengen:
1 J = 1 Nm = 1 Ws = 1 kgm2/s2 = 0,239 cal
Druck und Siedepunkt
Wird der Druck über einer Flüssigkeit verändert, ändert sich deren Siedepunkt. Alle Flüssigkeiten verhalten sich analog.
Siedepunkt von Wasser bei unterschiedlichen Drücken: (Tab. 1)
Der Verdampfungsprozess ist das bei Fahrzeug-Klimaanlagen verwendete Verfahren, jedoch ist Wasser aufgrund der physikalischen Eigenschaften ungeeignet.
Stattdessen werden spezielle Kältemittel verwendet. Diese Kältemittel sieden bei sehr niedrigen Temperaturen (bei Atmosphärendruck bei ca. -30°C).
Siedepunkte im Kfz-Bereich eingesetzter Kältemittel bei 1013 hPa (Tab. 2)
Anhand der Dampfdruckkurve für die beiden Kältemittel R134a und R12 (R12 wird nicht mehr verwendet) und der Dampfdruckkurve für Wasser erkennen wir: (Bild)
A -> B
Bei gleichbleibendem Druck wird durch Temperatursenkung der Dampf zu Flüssigkeit (im Kreislauf der Klimaanlage geschieht dies im Kondensator = Verflüssiger).
C -> D
Durch Druckminderung geht das Kältemittel vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand über (im Kreislauf der Klimaanlage geschieht dies im Verdampfer)
Der ideale Kreisprozess im Mollier-Diagramm für R 134a
Die Erklärung des Diagramms erfolgt am Diagramm für den realen Kreisprozess.
Der ideale Kreisprozess im Mollier-Diagramm spielt sich nur im Zwei-Phasen-Gebiet ab. Er nutzt die hohe Verdampfungs- bzw. Kondensationswärme optimal aus. Links wird der Prozess von der Temperaturkurve der gesättigten Flüssigkeit und rechts von der Temperaturkurve des gesättigten Dampfes begrenzt.
In der Praxis kann dieser ideale Kreisprozess nicht erreicht werden.
Der reale Kreisprozess in der Klimaanlage für R 134a
Erläuterungen zum realen Kreisprozess
A -> B Kompressor komprimiert gasförmiges Kältemittel. Durch die Druckerhöhung ergibt sich auch eine Temperaturerhöhung.
B -> C Kondensationsprozess im Kondensator bei konstanten hohen Druck; Wärmeabfuhr bei konstanter Temperatur.
C -> D Expansion durch Drossel bzw. Expansionsventil; führt zur teilweisen Verdampfung des Kältemittels durch Druckminderung.
D -> A Wärmeaufnahme unter gleichem Druck und gleicher Temperatur führen zur vollkommenen Verdampfung des Kältemittels.
Punkt A liegt außerhalb des Zweiphasengebietes. Dem Kältemittel wird nach der Verdampfung noch Wärme zugeführt, so dass es überhitzt. Dadurch wird sichergestellt, dass der Kompressor keine flüssigen Teile ansaugt. Im Zweiphasengebiet liegt das Käl-temittel sowohl flüssig als auch gasförmig vor.
Punkt C liegt außerhalb des Zweiphasengebietes. Damit an der Drossel bzw. Expansionsventil nur reine Flüssigkeit ansteht, wird das Kältemittel unterkühlt. Dies sichert eine optimale Verdampferbefüllung und verhindert eine Unterversorgung des Verdampfers, welche eine geringere Verdampferleistung zur Folge hätte.
Relative Luftfeuchtigkeit
Luft ist ein Gemisch aus trockener Luft und Wasserdampf. Die relative Luftfeuchtigkeit ist das Verhältnis der vorhandenen Wassermenge zu der maximal aufzunehmenden Wassermenge bei gleicher Temperatur und gleichem Druck.
Die Klimaanlage ist deshalb in der Lage feuchte Luft zu trocknen, das heißt anlaufende Scheiben werden im Innenraum durch den Einsatz der Klimaanlage verhindert. Dieser Zusammenhang kann in einem sog. h/x - Diagramm dargestellt werden (siehe nächste Seite).
Beispiele:
Bei einer Lufttemperatur von 20 °C kann maximal 15 g Wasser pro 1 kg Luft aufgenommen werden. Bei 25 °C Lufttemperatur sind es 20 g Wasser pro kg Luft, die aufgenommen werden können. Die relative Luftfeuchtigkeit beträgt dabei 100 %.
Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 30 % und einer Lufttemperatur von 25 °C beträgt der Wasseranteil 6 g pro 1 kg Luft.
