Kühlschrank, Gefrierfach
und Gefrierschrank

Inhaltsverzeichnis

  1. Einleitung
  2. Kurze Geschichte der Kühlung
  3. Funktionsweisen der Kühlung


  4. Aufstellen (Umgebungstemperatur : Klimaklasse)

  5. Energiebedarf
  6. Energie Sparen

  1. Temperaturzonen im Kühlschrank
  2. Gefrierfach

  3. Reparaturen
  4. Reinigung und Pflege

Einleitung

Ein Kühlschrank kann elektrisch oder auch gasbetrieben sein und dient der Lagerung von Nahrungsmitteln, Medikamenten, Chemikalien usw.

Der Kühlschrank hält die Temperatur im Inneren, geregelt über einen üblicherweise an der Rückseite befindlichen Thermostat, automatisch kühl. Das Gehäuse ist wärmegedämmt damit der Energieaufwand zur Erhaltung, der Differenz zur Umgebungstemperatur, möglichst niedrig gehalten wird.

Aufgrund der niedrigeren Temperatur laufen biologische Prozesse und chemische Reaktionen, welche z.B. Lebensmittel ungenießbar und Medikamente unbrauchbar werden lassen, langsamer ab.

Die typische Betriebstemperatur im Innern eines Haushaltskühlschränks liegt zwischen 2 °C - 8 °C.


Ein Gefrierschrank bzw. eine -truhe, funktioniert nach demselben Prinzip wie ein Kühlschrank, kühlt die Innentemperatur jedoch auf -18 °C und kälter. Dadurch wird das langfristige Lagern von gefrorenen Lebensmitteln ermöglicht, bei 4-Sterne-Gefrierschränken können Lebensmittel auch eingefroren werden (diese haben meist ein separates Schnellgefrierfach während die anderen Gefrierfächer wie eine Schublade funktionieren). Jedoch braucht ein Gefrierschrank klarerweise auch deutlich mehr Strom als ein gleich großer Kühlschrank (siehe auch: Strom Sparen beim Kühlen).

Eine Temperatur von -18 °C im Gefrierschrank ist ausreichend, um die Lebensmittel langfristig zu Lagern.


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Kurze Geschichte der Kühlung


Antike

Große Mengen Eis wurden aus den Bergen in die Städte transportiert und in tiefen Kellern (sog. Eiskellern) zur Lagerung von Lebensmitteln eingesetzt.

1756

William Cullen entdeckte an der Universität Glasgow, bei Experimenten mit Diethyläther (das er durch Unterdruck zum Verdampfen brachte), das der Umgebung des Reaktionsgefäßes Wärme entzogen wurde und geringe Mengen Eis entstanden. Es war die erste künstliche Kühlung.

1834

Die ersten, durch Luftkompression kühlenden Kühlschranke, wurde von Alexander Twinning kommerziell vermarktet.

1859

Eine wichtige Entwicklung für die Kühltechnik war der Einsatz von Ammoniak durch Ferdinand Carré.
Vom Ende des 19. Jahrhunderts (bis etwa 1950) wurden hölzerne Eisschränke verwendet, deren inneres Gefäß aus gelötetem Zinkblech mit zerkleinertem Eis, aus Fabriken oder Teichen, befüllt wurde. In der Mitte befand sich eine vom Eis umgebenen Kammer mit einer Tür, in welcher das Kühlgut auf (Marmor-)Fächern gelagert wurde. Das abtropfende Wasser sammelte sich unterhalb der Kammer.

1895

Der deutsche Ingenieur und Unternehmer Carl von Linde entwickelte das so genannte Linde-Verfahren – eine Methode welche die Verflüssigung von Gasgemischen wie Luft und einzelnen atmosphärischen Gasen (bspw. Sauerstoff, Stickstoff und Argon) in großen Mengen ermöglichte. Die Methode dient der Kälteerzeugung im Temperaturbereich von 77 bis 100 Kelvin (K) = -196.15 °C bis -173.15 °C (Anmerkungen: °C = K - 273.15; K = °C + 273.15 | Der Nullpunkt der Kelvinskala liegt am absoluten Nullpunkt bei -273,15 °C).

Das für die Wissenschaft und Technik fundamentale Verfahren, erlaubte es die Zuverlässigkeit des Kompressors und der gesamten Kältemaschine so weit zu verbessern, dass diese industrietauglich wurden. So wurde es möglich Wassereis ganzjährig industriell herzustellen und dadurch auf Natureis verzichten zu können.

Da diese Erstentwicklung damals noch mit Ammoniak betrieben wurde, eine ätzende Substanz die nicht nur Lecks verursachte sondern auch einen üblen Geruch bewirkte, wurden Kühlschränke erst durch die Entwicklung von Ersatzchemikalien in den 1920er Jahren für den Hausgebrauch praktikabel.

1929

Die vom dänischen Ingenieur und Industriellen Jørgen Skafte Rasmussen gegründeten Zschopauer Motorenwerken J.S. Rasmussen, entwickelten 1929 den ersten europäischen Kühlschrank. Aus der Marke DKW-Kühlung wurde 1931 die Deutsche Kühl- und Kraftmaschinen GmbH in Scharfenstein.
ab

1930

In den USA und Kuba wurde der Kühlschrank zur Standardausstattung privater Haushalte; bereits 1937 besaß jeder zweite amerikanische Haushalt einen davon.

Moderne

Die frühen Kühlschränke wurden mit Ammoniak, Methylchlorid oder Schwefeldioxid betrieben – das verursachte jedoch Probleme für die Lagerung beweglicher Teile im Kompressor, bei Undichte außerdem den Austritt giftiger Gase oder Verpuffungen. Durch die Entdeckung und den Einsatz von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW), deren ozonzersetzende und daher klimaverändernde Wirkung zu dieser Zeit noch nicht bekannt war, wurden diese Probleme behoben.

Der erste FCKW-freie Kühlschrank wurde, angeregt durch Greenpeace und dem Hygiene-Institut Dortmund, 1992 durch das sächsische Unternehmen „dkk Scharfenstein“ (später unter dem Namen „Foron“) produziert. Der erste Kühlschrank ohne FCKW wurde durch die Lare GmbH als Laborgerät für das Hygieneinstitut Dortmund umgebaut. Die Kühlschrankhersteller waren zu dieser Zeit nicht an der Einführung der Technik interessiert.

Seit dem Jahr 2000 werden mehr und mehr Haushalts- und Gewerbekühlgeräte mit brennbaren Kältemitteln auf den Markt gebracht. Dieses System kühlt mit einem Propan-Butan-Gemisch (die so genannte „Dortmunder Mischung“), welche weder das Ozonloch vergrößert noch den Treibhauseffekt verstärken aber brennbar sind.


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Funktionsweisen der Kühlung

Alle Kühlschranktypen entziehen dem Innenraum des Kühlschranks mittels Wärmeübertragern (auch Wärmetauscher oder Wärmeaustauscher) Wärme und geben diese an die Umgebung ab.

Dabei werden drei verschiedene Typen unterschieden:

  1. Absorberkühlschränke
  2. Kompressorkühlschränke
  3. Thermoelektrische Kühlschranke

Absorberkühlschrank

Der Absorberkühlschrank funktioniert mit einem Wasser-Ammoniak-Gemisch, das im Kocher durch Wärmezufuhr (Gasflamme, elektrische Beheizung, Sonnenwärme, ...) getrennt wird. Das flüssige Wasser und das gasförmige Ammoniak werden dann über Rohrsysteme weitergeleitet. Das Ammoniak wird im Kondensator verflüssigt - hier wird die Wärme an die Umgebung abgegeben, ein Verdampfer im Innenraum macht es wieder gasförmig – hier kühlt der Kühlschrank. Danach wird das Ammoniak mit dem Wasser im Absorber wieder zusammengeführt.

Absorberkühlschränke haben (zumindest bei Elektrobetrieb) einen geringeren Wirkungsgrad als Kompressorkühlschränke. Beim betreiben mit Gas oder Motorabwärme, sind sie durch die direkte Nutzung von Primärenergie etwa gleich effektiv wie Kompressorgeräte. Weil sie außer der Arbeitsflüssigkeit keine beweglichen Teile besitzen sind sie praktisch lautlos, was ihnen ein breites Anwendungsgebiet eröffnet - bspw. als Minibar in Hotelzimmern aber auch in Kraftfahrzeugen oder im Campingbedarf.


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Kompressorkühlschrank

Beim einem Kompressorkühlschrank wird ein gasförmiges Kältemittel adiabatisch (ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung) durch einen Kompressor verdichtet, wodurch sich das Kältemittel erwärmt. Im so genannten Verflüssiger (die schwarze Kühlschlange an der Rückseite des Gerätes) wird die Wärme an die Umgebung abgegeben und das Medium kondensiert. Anschließend strömt es zur Druckabsenkung durch eine Drossel und weiter in den Verdampfer im Inneren des Kühlschranks, wo das verdampfende Kältemittel aus den Kühlfächern die notwendige Verdampfungswärme entnimmt und als Gas wieder zum außenliegenden Kompressor strömt.

Die Regelung der Temperatur erfolgt mit einem Thermostat, welcher den Kompressor je nach eingestellter Temperatur ein- bzw. ausschaltet. Auf dem Prinzip des Kompressorkühlschranks basieren die in Haushalt und Industrie üblicherweise verwendeten Kühlanlagen.


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Kältekreislauf im Detail

Die Funktionsweise eines Kühlschranks beruht auf dem physikalischen Effekt, das Flüssigkeiten beim Verdampfen ihrer Umgebung Wärme entziehen. Das in einem Kühlschrank enthaltene Kälte- oder Kühlmittel hat einen besonders niedrigen Siedepunkt, etwa -30 °C, es verdampft daher bereits bei Temperaturen über diesen -30 °C und entzieht der Umgebung (dem Kühlschrankinneren) dadurch Wärme. Die aufgenommene Wärme wird über das gasförmige Kältemittel an die äußere Umgebung abgegeben und danach im inneren über das verflüssigte Kältemittel wieder aufgenommen usw.

Ein Kompressorkühlschrank entspricht in der Funktion fast einer Wärmepumpe, er unterscheidet sich lediglich in der Nutzung der Wärmeübertrager. Die Temperaturregelung erfolgt mit einem Thermostaten, der den Kompressor je nach gewünschter Temperatur ein- bzw. ausschaltet.

Kühlkreislauf

  1. Das gasförmige Kältemittel wird durch einen Kompressor, dem sogenannten Verdichter (4), adiabatisch (d.h. ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung) verdichtet (auf einen Druck von etwa acht bar). Der hohe Druck bewirkt eine Änderung des Siedepunkts des gasförmigen Kältemittels, es erwärmt sich, und statt bei -30 °C liegt dieser jetzt etwa bei Zimmertemperatur.
  2. Im sogenannten Verflüssiger (Kondensator) (1), der schwarzen Kühlschlange (um die Fläche zu vergrößern) an der Rückseite, verflüssigt sich das Gas aufgrund des gesenkten Siedepunkts am Weg nach oben und gibt dabei die im Kühlschrankinneren aufgenommene Wärme an die Umgebung - und das Medium kondensiert dabei. (Siehe auch: Tipps zum aufstellen des Kühlschrankes - Punkt 4)
  3. Zur Druckabsenkung strömt das flüssige Kältemittel danach durch eine Drossel (2) (wie bspw. ein Expansionsventil oder ein Kapillarrohr), was den Druck erneut auf etwa 1 bar verringert - der Siedepunkt des Kältemittels sinkt dadurch wieder auf etwa - 30 °C und es gelangt weiter in den Verdampfer im Inneren des Kühlschranks (3). Der Verdampfer ist dieselbe Konstruktion wie der außen verlaufende Kondensator und verläuft parallel zu diesem, hinter der Verkleidung im Innenraum des Kühlschranks.
  4. Hier entzieht das verdampfende Kältemittel aus den Kühlfächern die notwendige Verdampfungswärme (Siedekühlung) aus der umgebenden Luft im inneren, wodurch es im Kühlschrank kälter wird, und strömt als Gas weiter zum außenliegenden Kompressor (4) - der Kältekreislauf ist somit geschlossen.


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Einschalten

Beim Ausschalten eines Kompressorkühlschranks kann der Kompressor aufgrund des im Verflüssigers noch bestehenden Drucks nicht gleich wieder anlaufen. Der Druck gleicht sich durch die Drossel und den Kondensator erst nach ca. 1-2 Minuten wieder aus und erst dann läuft der Kompressor wieder an (eine im Kühlschrank eingebaute Regelung steuert diese Wartezeit automatisch).

Um den Kompressor nicht unnötig zu überlasten, sollte nach dem ausstecken des Kühlschranks im laufenden Betrieb der Stecker erst nach einigen Minuten wieder eingesteckt werden. Ansonsten wird, nach erfolglosen Startversuchen, eine automatische Wartezeit durch den (selbstrückstellenden) Motorschutzschalter verursacht.


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Transport

Bei einem aufrecht stehenden Kompressor-Kühlschrank der längere Zeit liegend transportiert wird, kann sich Schmiermittel aus dem Kompressor in den Kühlkreislauf verlagern. Daher sollte der Kühlschrank nach dem aufstellen erst nach ca. 12 Stunden in Betrieb genommen werden. So hat das Schmiermittel genügend Zeit um in den Kompressor zurückzufließen.


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Thermoelektrischer Kühlschrank

Die zur mobilen Anwendung verbreiteten Kühlboxen, die direkt mit 12 V Gleichspannung arbeiten und daher ideal für den Einsatz im Auto sind, funktionieren nach dem thermoelektrischen Prinzip (Peltier-Effekt). Zwar arbeiten sie prinzipiell völlig geräuschlos, sie werden aber meist durch Lüfter unterstützt die Geräusche erzeugen.

Der extrem schlechte Wirkungsgrad (ein Kompressorkühlschrank benötigt zur Übertragung von 1 Watt „Kühlleistung“ ungefähr 0,5 Watt, ein Peltierelement für denselben Energietransport über 2 Watt), macht einen Einsatz dieser Geräte im Haushalt energietechnisch nicht sinnvoll.


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