Die Sonne steht hoch, auch nachts ist es heiß und man lechzt nach kühlen Getränken.
Bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts war nachhaltige Kühlung in der Sommerhitze ein
schwieriges Unterfangen. Früher war man auf das Eis des Winters angewiesen. Das
wurde in extra dafür eingerichteten tiefgelegenen Eiskellern, abgedeckt mit Stroh
aufbewahrt. Tiefere Temperaturen konnte man nur durch das Mischen von Eis und
Salz erhalten ("Kältemischungen"; darüber berichten wir in einem anderen Tipp des
Monats). Bis in die Fünfziger Jahre bekamen wir zu Hause für
unsere Kühltruhen dicke Eisstangen von einer Brauerei geliefert. Beim Bierbrauen
muss man nämlich den Gärbottich kühlen, damit die Hefe so richtig ihr Aroma
entwickeln kann. Und deshalb verfügten Brauereien schon frühzeitig über
Kältemaschinen, bei deren Betrieb nebenher auch Eis anfiel, das dann an Kneipen und auch
Privatkunden teuer verkauft wurde. Das wurde in eine mehr schlecht als recht isolierte
Eiskiste gepackt, zusammen mit Butter, Sahne und anderen empfindlichen
Lebensmitteln. Und eines Tages stand endlich auch ein Kühlschrank in unserem Haus.
Das war allerdings zu dieser Zeit noch ein recht großes Möbelstück!
Heute ist ein Kühlschrank Allgemeingut und dazu viel handlicher geworden. Der Hang
zum Zweit- und Drittkühlschrank ist unübersehbar. Aber - viele wissen gar nicht, wie so
eine Maschine funktioniert. Zum Beispiel: Transportiert sie nun Kälte nach innen oder
Wärme nach außen? (Letzteres ist richtig.)

Bild 1 (Foto: Blume)
Ein Kühlschrank beruht auf einem einfachen Prinzip: Wenn Flüssigkeiten verdampfen,
nehmen sie Wärme auf. Wenn sie kondensieren, geben sie diese Wärme wieder ab.
Versuch: Kühlung durch Verdunsten
Auf die Haut gibt man etwas Wasser, Alkohol (F), Reinigungsbenzin (F) sowie eine
andere leicht verdampfende Flüssigkeit wie Dichlormethan (Xn) oder (Diethyl-)Ether
(F+). Durch Pusten können wir die Abkühlung beschleunigen.
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Wir stellen fest: Während die Flüssigkeit verdunstet, wird die Hautstelle deutlich
kühler. So ähnlich funktionieren auch die Kühlmittel im Kühlschrank. Je schneller die
Flüssigkeit verdunstet, desto kühler wird die Haut. So ähnlich funktionieren auch die
Kühlmittel im Kühlschrank.
Wie ein Kühlschrank funktioniert
Man füllt das niedrigsiedende, flüssige Kühlmittel in ein geschlossenes Rohrsystem
(Wärmeaustauscher-Röhren) mit einer Umwälzpumpe. Die Rohre liegen innen und
außerhalb des Kühlschranks und ermöglichen einen Kreislauf, in dem das Kühlmittel (Wärmeaustauscher)
herum gepumpt werden kann. Die Rohre sind aus besonders gut wärmeleitfähigem Material gemacht,
also aus Metallen wie Kupfer oder Aluminium. Für die niedrigsiedende Flüssigkeit ist
das Kühlschrank-Innere bei 4 °C noch ein warmer Raum. Sie verdampft. Wenn man
genau hinhört, kann man die entstehenden Gasblasen gluckern hören. Ist die
Flüssigkeit verdampft, wenn sie also nicht mehr kühlt und der Raum durch
Undichtigkeiten wieder wärmer wird, wird mit Hilfe eines Thermostaten (ein durch die
Temperatur gesteuerter Ein- und Ausschalter) die Umwälzpumpe angestellt. (Auch die
kann man ab und zu laufen hören. Wenn die Pumpe ein- und ausschaltet, wackelt der
Kühlschrank manchmal.) Die Pumpe zieht den Kühlmitteldampf durch die Rohre aus
dem Kühlschrank-Inneren heraus und komprimiert ihn zugleich. Dabei wird die
Verdampfungswärme wieder freigesetzt. Um sie rascher abzugeben, leitet man die
noch recht warme Flüssigkeit durch Kühlrippen, die man hinter dem Kühlschrank
sehen kann. (Deshalb sind die Kühlrippen immer so warm!) Die abgekühlte Flüssigkeit
wird dann wieder über die Rohre in das Schrank-Innere hineingeleitet. Mit Hilfe eines
Drosselventils wird der durch die Pumpe erzeugte Druck wieder reduziert. Damit kann
die Kühlflüssigkeit unter Wärmeaufnahme wieder leicht verdampfen. Da der Druck geringer
ist als der Luftdruck, verdampft sie auch schon bei höheren Temperaturen als bei den
"klassischen" Siedepunkten, die man in Tabellen aufgelistet findet.
Wir sehen: Wärme wird aus dem Kühlschrank heraus,
nicht jedoch die Kälte hinein transportiert. Anders gesagt: Kälte ist nicht vergleichbar
mit Wärme. Kälte ist die Abwesenheit von Wärme.
Bei Kühlgroßanlagen der Industrie wird so viel Wärme produziert, dass man damit sogar Räume heizen kann!

Bild 2: Kühlrippen eines Kühlschranks
(Foto: Blume)
Der Kühleffekt ist umso besser, je niedriger der Siedepunkt der
Flüssigkeit ist
Desto tiefer kann man auch kühlen. Kühltruhen im Haushalt schaffen heute locker
unter -30 °C.
Erinnern wir uns an den Versuch: Wasser (Sdp. 100 °C) zum Beispiel zeigt keinen
starken Auskühlungseffekt; man muss schon pusten, um Kühlung zu spüren. (Darauf
beruhen unser Schwitzen und die Kühlung im leichten Wind.) Wasser wäre
kein besonders geeignetes Kühlmittel für Kühlschränke. Alkohol (Sdp. 78,5 °C) wirkt
schon besser, ebenso Reinigungsbenzin (Sdp. 69 °C). Am effektivsten erweisen sich
bei unserem Versuch Dichlormethan (Sdp. 40 °C) und Ether, der bei 34,5 °C siedet.
Besonders niedrigsiedende halogenierte Kohlenwasserstoffe nimmt der Chirurg bei
kleinen Eingriffen sogar zum Vereisen der Haut. Man kann sie in der Apotheke auch
als Kältesprays für Sportverletzungen kaufen.
Für den Kühlschrankbetrieb liegen die Siedepunkte unserer Substanzen allerdings
noch zu hoch. Deshalb hat man sich lange Zeit zunächst des verflüssigten Ammoniaks
bedient; dessen Siedepunkt liegt bei -33,4 °C. Jedoch erwies sich das stark ätzende
Ammoniak als zu gefährlich, so dass es beim Manipulieren am Kühlschrank zu
schweren Unfällen kam. Man suchte deshalb nach ungefährlichen Alternativen.
Es gibt nun glücklicherweise noch viele andere niedrigsiedende Stoffe, die man
verflüssigen und als Kühlmittel nutzen kann. Da sind zum Beispiel die
Frigene. (Der Name allein klingt schon nach Kälte. Er kommt aus dem
Englischen: frigid, kalt.) Ihre Siedepunkte liegen je nach Zusammensetzung sehr tief:
Frigen 11 (CCl3F; Sdp. 24,9 °C) und Frigen 12 (CCl2F2; Sdp. -30 °C).
Frigene waren anfänglich geschätzt, wenn man einmal von den anfänglichen Dichtungsproblemen
absieht, da es sich um hervorragende Lösemittel handelt. Frigene sind chemisch völlig
inert, also reaktionsträge wie Edelgase.
Nach der Erkenntnis aber, dass Frigene wie auch die anderen FCKW die
Ozonschicht nachhaltig zerstören können,
ersetzte man sie zunächst durch die Kohlenwasserstoffe Butan (Sdp. -0,5 °C) und
Propan (Sdp. -42,2 °C). Die haben jedoch den Nachteil, dass sie brennbar sind
und bei Beschädigungen (etwa beim gewalttätigen Enteisen des Kühlschrank-Inneren)
freigesetzt werden. Das hat häufiger zum explosiven Ausräumen der Küche geführt.
Man greift deshalb heute wieder mehr auf das bewährte, wenn auch immer noch ätzende
Ammoniak zurück. Durch verbesserte Enteisungstechnik versucht man jedoch, die Gefährdung beim
Manipulieren einzuschränken. Das betrifft auch die Reduzierung der Flüssigkeitsmenge.
Nach dem Prinzip des Kühlschranks arbeiten auch andere
Geräte
Da sind zunächst die Wärmepumpen zu nennen. Sie entziehen Boden, Grundwasser oder
Hausabwässern die Wärme. So werden die Wärmeaustauscherröhren statt ins
Kühlschrank-Innere horizontal im Garten oder vertikal in den Boden (bis 150 m tief!)
verlegt. Dabei kühlen manche schwere Böden sogar so aus, dass der Boden feucht
wird und sich Moose ausbreiten.
Aber auch Solaranlagen zur Warmwasserbereitung (-> Bild) arbeiten nach dem
Prinzip des Wärmeaustauschs in Wärmepumpen. Sie machen aus durch
Sonnenstrahlung erwärmtem Wasser Heißwasser für Dusche und Haushalt.
Weiter nutzen Heizkraftwerke die Wärmeaustauscher-Technologie. Meistens ist es
Wasser, das in hochgespannten, d. h. unter hohen Druck stehenden Dampf
verwandelt wird, der - über 500 °C heiß - Turbinen antreibt. In Atomkraftwerken
nimmt man zum Primäraustausch flüssiges Natriummetall, das seine Wärme in einem
Sekundärkreislauf an Wasser "weiterreicht". Auch Hochtemperatur-Brennstoffzellen
arbeiten nach diesem Prinzip: Der Wärmeanteil ihrer bei der "feuerfreien Verbrennung" freigesetzten
Gesamtenergie wird über Wärmeaustauscher-Systeme in nutzbare Energie (zum Beispiel zum Heizen von
Wohnungen) umgewandelt. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Brennstoffzellen deutlich gesteigert.

Bild 3: Solaranlagen zur Warmwasserbereitung in der Türkei
(Foto: Blume)
Zum Schluss eine oft gestellte Frage
Wenn man einen Raum nachhaltig kühlen will, nutzt es dann, den Kühlschrank
aufzumachen und einige Stunden lang laufen zu lassen?
Diese Frage bewegt Leute ernstlich. Die Antwort lautet natürlich "nein". Denn die
Wärme bleibt ja im Zimmer. Hinzu kommt, dass es im Raum durch den Betrieb des
Kühlschranks sogar noch wärmer wird! Der Grund ist, dass zur Kühlung die Pumpen
Volumenarbeit leisten müssen und dass dazu elektrische Energie zugeführt werden
muss. Nun wird nicht etwa alle elektrische Energie in Volumenarbeit umgewandelt,
sondern es gibt Verluste durch den elektrischen Widerstand, mechanische
Reibungsverluste und so weiter, die sich allesamt als zusätzliche Erwärmung der
Kühlschrankrückseite bemerkbar machen. Deshalb wird es im Raum statt kälter deutlich wärmer!
Technisch formuliert: Der Wirkungsgrad der
Kühlschränke ist nicht besonders hoch. Aus diesem Grund sollte man die Kühlschranktüren
auch nicht allzu lange offenstehen lassen. Das geht echt ins Geld.
Rüdiger Blume
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