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Wirkung Kühlschrank

 

Wirkung Kühlschrank

 

Funktionsweise 

 
Kühlkreislauf im Kompressorkühlschrank – A: Küche, B: Innen, I: Wärmedämmung, 1: Kondensator (Verflüssiger, warme Seite, hoher Druck), 2: Drossel (Kältemittel flüssig), 3: Verdampfer (kalte Seite, geringer Druck), 4: Kompressor (Kältemittel gasförmig)

Bei allen Kühlschranktypen wird mittels Wärmeübertragern dem Innenraum des Kühlschranks Wärme entzogen und an die Umgebung abgegeben (siehe Kältemaschine und Wärmepumpe). Nach der Art, mit der dies erreicht wird, unterscheidet man drei Typen: Kompressorkühlschränke, Absorberkühlschränke und Kühlschränke mit Peltier-Element.

 

Kompressorkühlschrank 

 HauptartikelKompressionskältemaschine

Auf diesem Prinzip basieren die in Haushalt und Industrie üblicherweise verwendeten Kühlanlagen: Beim Kompressorkühlschrank wird ein gasförmiges Kältemittel durch einen Kompressor adiabatisch (ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung) verdichtet, wodurch sich das Kältemittel erwärmt. Im Verflüssiger, der aus schwarzen Kühlschlangen besteht und an der Rückseite des Geräts angebracht ist, wird die Wärme an die Umgebung abgegeben, wodurch das Medium kondensiert. Danach strömt es zur Druckabsenkung durch eine Drossel – z. B. ein Expansionsventil oder ein Kapillarrohr – und dann weiter in den Verdampfer im Inneren des Kühlschranks. Hier entnimmt das verdampfende Kältemittel aus den Kühlfächern die notwendige Verdampfungswärme (Siedekühlung) und strömt als Gas weiter zum außenliegenden Kompressor. 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.

 

Absorberkühlschrank 

 HauptartikelAbsorptionskältemaschine
Minikühlschrank

Der Absorberkühlschrank arbeitet mit einem Wasser-Ammoniak-Gemisch. Im Kocher werden Ammoniak und Wasser durch Wärmezufuhr (Gasflamme, elektrische Beheizung, Sonnenwärme, ...) getrennt. Danach werden das flüssige Wasser und das gasförmige Ammoniak über verschiedene Rohrsysteme weitergeleitet. Das Ammoniak wird im Kondensator verflüssigt; hier gibt der Kühlschrank Wärme an die Umgebung ab. Ein Verdampfer im Innenraum macht es wieder gasförmig – an dieser Stelle kühlt der Kühlschrank. Anschließend wird das Ammoniak im Absorber mit dem Wasser zusammengeführt. Eine ausführliche Funktionsbeschreibung findet sich im Artikel der Diffusionsabsorptionskältemaschine. Absorberkühlschränke werden z. B. in Kraftfahrzeugen oder im Campingbedarf eingesetzt. Sie haben, zumindest bei Elektrobetrieb, einen schlechteren Wirkungsgrad als Kompressorkühlschränke. Werden sie direkt mit Gas oder Motorabwärme betrieben, sind sie durch die direkte Nutzung von Primärenergie etwa gleich effektiv wie Kompressorgeräte. Da sie außer der Arbeitsflüssigkeit keine bewegten Teile besitzen, sind sie praktisch lautlos; diese Eigenschaft verschafft ihnen ein breites Anwendungsgebiet z. B. als Minibar in Hotelzimmern. Für den Einsatz in besonders entlegenen Gebieten gibt es auch Absorberkühlschränke mit Petroleumbetrieb.

 

Thermoelektrischer Kühlschrank 

Zur mobilen Anwendung werden seit Jahren verbreitet Kühlboxen nach dem thermoelektrischen Prinzip (Peltier-Effekt) angeboten. Sie arbeiten direkt mit 12 V Gleichspannung und sind daher ideal für den Einsatz im Auto. Außerdem arbeiten sie prinzipiell völlig geräuschlos, werden aber in der Regel durch Lüfter unterstützt, die einen gewissen Geräuschpegel erzeugen. Die Vorteile werden jedoch durch einen extrem schlechten Wirkungsgrad erkauft: Während ein Kompressorkühlschrank zur Übertragung von 1 Watt „Kühlleistung“ ungefähr 0,5 Watt verbraucht, benötigt ein Peltierelement für den gleichen Energietransport über 2 Watt. Ein Einsatz dieser Geräte im Haushalt ist daher energietechnisch nicht sinnvoll.

Aufbau

Verschiedene freistehende Kühl- Gefrierkombinationsschränke

Ein typischer Tisch-Kühlschrank (Standmodell) hat ca. 150 Liter Inhalt und wiegt ca. 40 kg. Eine Kühl-/Gefrier-Kombination hat ca. 250 Liter Inhalt und wiegt etwa 65 kg.

Es existieren verschiedene Raumaufteilungen für Kühlschränke. Am bekanntesten und am gebräuchlichsten ist dabei die Variante mit einer großen Außentür und einer inneren Klappe zum Gefrierabteil im oberen Bereich. Das Gefrierabteil besitzt meist ein Fassungsvermögen von maximal 20 Litern, das Kühlabteil kann Größen bis zu 250 Litern (evtl. größer) annehmen.

Andere Varianten verfügen über getrennte Türen für Kühl- und Gefrierfach. Sie werden als Kühl-/Gefrierkombination bezeichnet. Die Abteile können übereinander oder auch nebeneinander liegen; letztere Version ist vor allem in den USA sehr populär und verfügt meist über einen integrierten Eiswürfelbereiter und optional über eine zusätzliche Getränkeklappe in der großen Tür des Kühlsegments. Ein solcher „Side-by-side“-Kühlschrank – auch amerikanischer Kühlschrank genannt – kann mehr als 500 Liter (Kühlteil etwa 350 Liter, Gefrierteil etwa 150 Liter) aufnehmen.

Größere Varianten verfügen beispielsweise über eine Doppeltür zum obenliegenden Kühlbereich und unten über eine sehr breite Schublade für das Gefriersegment. Diese Varianten werden französischer Kühlschrank genannt.

 

Betrieb

Geöffneter Einbaukühlschrank
Fach für Obst und Gemüse mit speziellen LEDs zum Vitaminschutz
 

Temperaturzonen

In einem modernen Haushalts-Kühlschrank herrschen verschiedene Temperaturzonen:

  • Oben ist es am wärmsten, dort können gekochte Speisen und Marmeladen gut gelagert werden.
  • Im Mittelbereich sind unter anderem Milchprodukte (Joghurt, Käse) gut aufgehoben.
  • Am kältesten ist es mit etwa 2 °C unten im Fach über den Gemüsefächern. Hierhin gehören leicht verderbliche Dinge wie Fleisch und Wurst.
  • Die Schubfächer ganz unten sind mit etwa 8 °C günstig für Obst und Gemüse. Unter der Abdeckung sind Temperatur und Luftfeuchtigkeit geeignet, Vitamine und Aussehen der Ware zu erhalten.
  • In den Türfächern ist es relativ warm, aber kühl genug für Butter und Eier.
  • Neuere, hochpreisige Kühlschränke haben zudem teilweise eine 0 °C Kühlzone, die Lebensmittel besonders lange frisch halten soll.
  • Eine weitere Neuerung ist die Ausstattung eines Extrafaches für Obst und Gemüse mit LEDs, die bei geschlossener Tür weiter leuchten. Dies sind beispielsweise zwei blinkende LEDs, die den Blau- und Grünanteil des Sonnenlichts simulieren. Auf diese Weise sollen die natürlichen Schutzmechanismen von Obst und Gemüse aktiviert werden, um dem Vitaminabbau, der bei Lagerung im Dunkeln eintritt, entgegenzuwirken.
 

Umgebungstemperatur

Bei Kühlschränken mit Eisfach, besonders mit Tiefkühlfächern, ist die vom Hersteller angegebene Umgebungstemperatur des Aufstellorts, angegeben als Klimaklasse, zu berücksichtigen:

Klimaklasse SN (Subnormal)
Umgebungstemperaturen von +10 °C bis +32 °C
Klimaklasse N (Normal)
Umgebungstemperaturen von +16 °C bis +32 °C
Klimaklasse ST (Subtropen)
Umgebungstemperaturen von +18 °C bis +38 °C
mit dieser Klasse darf ein Gerät um 10 % mehr Energie verbrauchen als die normale Klasse um das gleiche Energielabel zu erhalten (z. B. A++)
Klimaklasse T (Tropen)
Umgebungstemperaturen von +18 °C bis +43 °C
mit dieser Klasse darf ein Gerät um 20 % mehr Energie verbrauchen als die normale Klasse um das gleiche Energielabel zu erhalten (z. B. A++)

Während eine geringe Umgebungstemperatur des Aufstellungsortes zunächst hilft, Energie zu sparen, führt – scheinbar paradoxerweise – das Unterschreiten der Mindesttemperatur zu einem Auftauen im Eis-/Tiefkühlfach. Das hängt damit zusammen, dass der Kühlraum und die Tiefkühlfächer meist einen gemeinsamen Kompressor haben, der über einen Thermostaten im Kühlraum geregelt wird. Bei einer geringen Außentemperatur, z. B. 8 °C, muss der Kompressor nur selten laufen, um z. B. eine Temperatur von 6 °C im Kühlraum zu gewährleisten. Diese Aktivität des Kompressors reicht nicht aus, um gegen den deutlich größeren Unterschied (Wärmestrom) zwischen Außentemperatur und Temperatur im Tiefkühlfach, z. B. −18 °C, zu arbeiten. Davon abgesehen können unterhalb der Mindestbetriebstemperatur Schmiermittel im Kompressor zu zähflüssig werden.

Kühlschränke der Klimaklasse SN haben daher häufig eine Heizung in Nähe des Thermostates im Kühlraum von ca. 8 Watt. Manchmal wird einfach die Glühlampe (üblich: 15 Watt) nicht ausgeschaltet, um die Betriebstemperatur von der Klimaklasse N auf SN zu erweitern.

Wer Energie sparen und ein Kühlgerät in einem ungeheizten Raum aufstellen möchte, bei dem auch dauerhafte Temperaturen unter 10 °C zu erwarten sind, entscheidet sich besser gegen eine Kühl-/Gefrierkombination und für einen getrennten Kühl- und Tiefkühlschrank bzw. noch besser für eine Tiefkühltruhe. In letzter Zeit setzen sich in privaten Haushalten auch immer mehr kleine Kühl- und Tiefkühlzellen durch. Für gewerbliche Nutzer gibt es noch einige andere Kühlgeräte wie z. B. Wandkühlregale (zur Präsentation von hauptsächlich verpackten Lebensmitteln), Freikühltresen, Bierkühlungen usw.

 

Energiebedarf 

Der Energiebedarf wird in Mitteleuropa für Umgebungstemperaturen zwischen +16 °C bis +32 °C definiert und als Klimaklasse N klassifiziert. Das Energieverbrauchsetikett (umgangssprachlich Energielabel) aus dem Jahre 1998 dient zur Unterstützung der Kaufentscheidung. Die Spanne reicht von G bis A und spiegelt den Stand der Technik zu der Zeit wider. Für besonders stromsparende Kühl- und Gefriergeräte wurden 2003 die Erweiterungen A+ und A++ eingeführt, die jeweils noch besser als die Energieeffizienzklasse A sind und für einen sehr niedrigen Energieverbrauch stehen.

Das europäische Parlament verabschiedete mit der Richtlinie 2010/30/EU im Mai 2010 eine ab 2011 geltende Neuregelung der Energieeffizienzklassen für Haushaltsgeräte. Zusätzlich zu Klassen A+ und A++ wird auch noch die Klasse A+++ eingeführt und auf dem Energielabel dargestellt. Die neue A+ darf 5 % mehr Energie verbrauchen als die alte A+ Klasse und die neue A++ darf 10 % mehr brauchen.

Alte Richtlinie für Haushaltsgeräte: 92/75/EWG für Kühlschränke: Richtlinie 94/2/EG  Änderung: RICHTLINIE 2003/66/EG

Neue Richtlinie für Haushaltsgeräte: 2010/30/EU für Kühlschränke: Verordnung (EU) Nr. 1060/2010 

In der neuen Richtlinie ist festgelegt, dass ab Juli 2011 keine schlechteren Haushaltsgeräte mit Kompressoren als Klasse A mehr auf den Markt gebracht werden dürfen (z. B. Absorbergeräte dürfen nach wie vor deutlich schlechter sein).

1983 baute das Rocky Mountain Institute (RMI) einen Sun-Frost-Kühlschrank mit nur 0,19 kWh/l pro Jahr, dessen Wärmeübertrager außen am Gebäude angebracht ist und die Hälfte der benötigten Kühlenergie passiv erzeugt wurde. Das RMI hält eine Entwicklung von Geräten mit noch geringeren Verbrauchswerten, z. B. durch Vakuumisolationsschichten, für möglich. Die sparsamsten Kühl-/Gefrierkombinationen erreichen Verbrauchswerte von 0,48 kWh/l pro Jahr (bei 25 °C Umgebungstemperatur) wie der Blomberg CT 1300A (nicht mehr im Handel) oder 0,34 kWh/l pro Jahr (bei 21 °C) der Sun Frost RF16. Ein vergleichbares Gerät der Energieeffizienzklasse A benötigt 1,26 kWh/l pro Jahr (Stand 2006). Wesentlich sparsamer sind reine Kühlgeräte ohne Gefrierfach. Diese sind dann zu empfehlen, wenn ohnehin eine separate Gefriertruhe vorhanden ist.

 

Abtauen, Wartung

Moderne Kühl- und Gefrierschränke besitzen in der Regel eine Abtauautomatik in Verbindung mit der No-Frost-Technik. Bei Modellen ab der mittleren Preisklasse ist die Abtauautomatik für den Kühlteil seit etwa den 1980er Jahren Standard, während sie im Gefrierteil nur bei teuren Modellen üblich ist. Kühlschränke früherer Baujahre müssen manuell abgetaut werden, indem man sie einige Stunden ausschaltet und den Eispanzer, der sich an der Innenrückwand aus gefrorenemKondenswasser gebildet hat, durch Verflüssigung in einen Extrabehälter ablaufen lässt oder manuell entfernt.

Eine Technik, dieses Problem zu vermeiden, besteht darin, mit einem Umluftsystem im Inneren des Kühlschranks dafür zu sorgen, dass die Luft einem Verdampfer – außerhalb des eigentlichen Kühlraums – zugeführt wird, an dem sich dann Eis bildet. Dieser Verdampfer wiederum taut sich regelmäßig selbstständig ab, und die entstehende Flüssigkeit wird außerhalb des Gerätes in einer Auffangschale aufgefangen und kann dort unterstützt durch die Kompressorabwärme verdunsten. Dadurch ist die Luft im Kühlschrank trocken, und es kann sich kaum Eis bilden.