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der physikalischen Grösse Enthalpie (Formelzeichen: H) belegt. Die Enthalpie oder die spezifische Enthalpie gibt die gespeicherte Energie eines Kilogramms eines Stoffes bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck an. Das Beispiel steht für das Kältemittel R134a.

Kompression

Die langen Strecken des Kreislaufes stellen die vier Grundbauteile der Klimaanlage oder der Wärmepumpe dar: Zwischen A und B befindet sich der Kompressor. Extern angetrieben verhilft er dem gasförmigen Kältemittel zu einer grösseren Enthalpie, indem er es komprimiert und auf eine höhere Temperatur bringt (im Beispiel von 3 bar auf ca. 16 bar und von 5 °C auf 85 °C). Dabei wird die Enthalpie von 410 auf 460 kJ angehoben. Der Kompressor leitet also rund 50 kJ Energie in ein Kilogramm Kältemittel. Da diese Energieeinspeisung aber masseabhängig ist und der Kompressor das Volumen verdichtet, ist es entscheidend, mit welcher Temperatur das Kältemittel in den Kompressor einströmt, da seine Dichte eben temperaturabhängig ist. Diese 50 kJ werden vom Kompressor in das Kältemittel gebracht. Die nutzbare (Kälte­)Energie wird im Verdampfer von der sich abkühlenden Luft abgegeben. Im Beispiel sind das 140 kJ. Ohne Wirkungsgradverlust im Kompressor wäre der Anlagewirkungsgrad 280 % oder die Leistungszahl 2.8.

Kondensation

Nach dem Kompressor ist das Kältemittel heiss, unter Druck und immer noch gasförmig. Zwischen den Punkten B und C strömt es durch den ersten Wärmetauscher, den Kondensator. Gemäss der waagrechten Linie im Diagramm bleibt der Druck konstant, die Temperatur sinkt und der Aggregatszustand wechselt von gasförmig nach flüssig. Zudem wird auch die Enthalpie fast halbiert. Das bedeutet, dass die Kühlluft, welche durch den Kondensator strömt, sich entsprechend aufgeheizt haben muss. Diese Kühlluft wird bei einer Wärmepumpe den Innenraum aufheizen.

Thermodynamik

Die blaue Nassdampfglocke im Diagramm zeigt den Bereich, in welchem das Kältemittel wirklich kondensiert: Rechts von der Glocke ist der Aggregatszustand gasförmig, links davon flüssig. Wird der Druck während des Durchlaufens der Glocke nicht verändert, ändert sich auch die Temperatur nicht. Entscheidend ist bei jedem Wärmetauscher der zweite thermodynamische Hauptsatz, welcher besagt, dass Wärmeenergie nur vom wärmeren auf den kälteren Teil strömen kann.

Bild 5. Fahrzeug mit einer umschaltbaren Klimaanlage / Wärmepumpe. Dabei ist auch die Hochvoltbatterie mit einem speziellen Strang mitverbunden. Dargestellt ist hier die Klimafunktion. Braun: Kompressor – Kondensator, orange: Kondensator – Expansionsventil, grün: Expansionsventil – Verdampfer, blau: Verdampfer – Kompressor. Bild 6. Wärmepumpenfunktion (Thermomanagement der HV-Batterie ist ausgeschaltet). 1 Aussenwärmetauscher (hier Verdampferfunktion, beim Klimabetrieb in der Kondensatorfunktion) – 2 Expansionsventil – 3 Schaltventil – 4 Sammler –5 Spiralkompressor – 6 Innenwärmetauscher (Gaskühler als Heizelement) –7 Verdampfer im Klimaanlagenbetrieb.

Expansion

Bei Punkt C weist das Kältemittel immer noch einen Druck von 16 bar auf, der Aggregatszustand ist aber flüssig, und darum ist die Temperatur auf etwas unter 50 °C gefallen. So strömt das Kältemittel in das Expansionsventil und wird von diesem in den zweiten Wärmetauscher gespritzt. Dabei – zwischen den Punkten C und D – fällt der Druck auf 3 bar und die Temperatur auf 0 °C.

Verdampfen

Zwischen den Punkten D und A fliesst das Kältemittel erneut durch das Nassdampfgebiet und nimmt dort Energie auf, damit es gasförmig wird, denn es darf nur gasförmig zurück in den Kompressor strömen. Im zweiten Wärmetauscher, dem Verdampfer, nimmt das Kältemittel die Energie aus der wärmeren durchströmenden Luft, welche sich dabei abkühlt und danach (bei Klimaanlagen) in den Innenraum strömt.

Folgerungen

Je breiter der Kreisprozess im Diagramm ist bzw. je breiter die Nass­ dampfglocke eines Kältemittels, desto weniger Kältemittelmasse muss gefördert werden, da es grundsätzlich um die Energiemengen geht, welche im Kondensator bzw. Verdampfer umgesetzt werden.

Je höher der Kreisprozess in der Nassdampfglocke liegt, desto mehr nähert sich der Prozess dem kritischen Punkt. In diesem Punkt treffen sich die Aggregatszustände gasförmig und flüssig und sind demzufolge nicht mehr klar zuzuweisen. Dieser Punkt muss unter allen Umständen vermieden werden.

Je höher die Dichte des Kältemittels (ob flüssig oder gasförmig), desto weniger Kältemittel muss gefördert werden, da sich die angegebenen Energiemengen auf ein Kilogramm Kältemittel beziehen.

Wärmepumpe

Die Wärmepumpe funktioniert wie die Klimaanlage. Der äussere Wärmetauscher stellt dabei aber den Verdampfer dar und der innere Wärmetauscher den Kondensator. Werden beide Anlagen kombiniert, müssen einige Ventile den Kältemittelstrom steuern. Wie diese Umschaltung aussehen könnte, zeigen die Bilder 5 und 6.

Kältemittel und physikalische Eigenschaften

Sowohl im Kondensator als auch im Verdampfer werden die Aggregatszustände des Kältemittels verändert.

Im Verdampfer einer Klimaanlage darf die Kältemitteltemperatur aber nicht tiefer als 0 °C sein, da sonst die Luftfeuchtigkeit gefriert und den Luftdurchlass durch den Verdampfer verschliesst.

Die Dampfdruckkurve eines Stoffes gibt Auskunft über die Temperatur, bei welcher der Aggregatszustandswechsel erfolgt. Aus dem Gebiet der

Motorkühlung ist bekannt, dass Wasser bei Überdruck später siedet. Das gilt nicht nur bei Wasser; und dieser physikalische Effekt macht, dass die Siedetemperatur in der Klimaanlage über den Druck eingestellt werden kann. Im Diagramm (Bild 7) sind die drei Kältemittel R134a, R1234yf und R744 miteinander verglichen. Es ist deutlich erkennbar, dass R1234yf als Ersatz für R134a entwickelt wurde und dass es eine fast deckungsgleiche Dampfdruckkurve aufweist.

R134a siedet unter Normalbedingungen bei –26.5 °C, R1234yf bei –29.5 °C und R744 bei –78.7 °C. Mit Überdruck können die Kältemittel eingestellt werden, damit sie um null Grad sieden. R744 braucht dazu fast 34 bar, während sich die organischen Kältemittel mit 2 bis 3 bar begnügen. Sind die Kältemittel im Verdampfer gasförmig geworden, strömen sie zum Kompressor und werden dort unter noch mehr Druck gesetzt. R744 kann dabei auf über 100 bar komprimiert werden, was die Produktionskosten natürlich negativ beeinflusst. Da die CO2­Moleküle ausserdem kleiner sind als jene der organischen Kältemittel, muss eine R744­Anlage auch noch wesentlich besser abgedichtet werden als eine Anlage für R1234yf.

Als R134a aus ökologischen Gründen 2017 verboten wurde, war ein Wettrennen zwischen R744 und R1234yf zu beobachten, welches dann R1234yf für sich entschieden hat. Der Automobilindustrie kam es gelegen, dass ohne grosse Änderungen der Bauteile einfach ein anderes Kältemittel eingefüllt werden konnte. Doch warum spricht man trotzdem plötzlich wieder von R744 oder begegnet ihm sogar bei aktuellen Fahrzeugen? Der Grund liegt erneut bei den physikalischen Eigenschaften und den Dampfdruckkurven.

Siedetemperatur

Die Kältemittel konkurrieren sich physikalisch noch einmal im gleichen Bauteil. Während bei der Klimaanlage das Rennen eindeutig für die beiden organischen Kältemittel entschieden wurde, da sie mit einem geringen Druck den Siedeverlauf in die Region von 0 °C legen konnten, brauchte CO2 dafür einen viel höheren Druck. Die durch den Verdampfer strömende Luft ist bei einer Klimaanlage warm und enthält daher auch mehr Luftfeuchtigkeit als kalte Luft.

Bei der Wärmepumpe wird der Verdampfer aber nicht im Innenraum platziert, sondern im Motorraum des Fahrzeuges. Jetzt geht es wieder um das Erwärmen des Kältemittels mit durchströmender Luft. Wenn der Innenraum beheizt werden soll, ist aber die Aussentemperatur wohl kalt und so wird es für die organischen Kältemittel schwer, dem Fahrtwind genügend Wärme zu entnehmen, damit sie gasförmig werden. Je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen dem Fahrtwind und der Siedetemperatur, desto grösser wird die Luftmasse, welche durch den Verdampfer geblasen werden muss. Und so kommt es, dass die mit R1234yf betriebene Anlage aus dem Audi Q7 nur bis zum Gefrierpunkt mit der Wärmepumpe heizt. Wird die Aussentemperatur tiefer, wird die elektrische Zuheizung zugeschaltet. Dadurch geht dann die Heizung wieder auf Kosten der Reichweite.

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Hier spielt nun R744 den grossen Trumpf aus: Mit einer Siedetemperatur von fast –60 °C kann die Aussentemperatur unter –30 °C sinken, und die Temperaturdifferenz ist immer noch ausreichend, dass mit vernünftigem Luftdurchsatz das Kältemittel verdampft. Das Kältemittel CO2 oder R744 ist also ein sehr gutes Kältemittel für Wärmepumpen, mit dem auch gekühlt werden kann, während R1234yf wirklich für den Klimaanlagenbetrieb entwickelt wurde und im Heizbetrieb seine Schwächen hat.

Energievergleich

Der Energieverbrauch der mit R744 betriebenen Anlagen ist mit jenem von Anlagen, welche mit R1234yf betrieben sind, vergleichbar. Natürlich braucht der Kompressor für die hohen Drücke sehr viel Energie, dafür weist CO eine grössere spezifische

Enthalpie auf als R1234yf und auch der Wärmeübergangskoeffizient ist besser. Dafür liegt der kritische Punkt für CO2 an einem für den Kältemittelkreislauf ungünstigen Ort.

Kreislauf R744

Das Problem von R744 ist im Klimabetrieb der Druck von fast 34 bar, damit die Verdampfertemperatur nicht unter null Grad fällt. Da der Druck für den kritischen Punkt bei 74 bar liegt, ist der Druckbereich gering und die Konstrukteure mussten sich entscheiden, ob sie sich für den unterkritischen oder den überkritischen Prozess entscheiden wollen. Da die Kältemaschine als Klimaanlage und als Wärmepumpe arbeiten muss, haben sie sich für den überkritischen Bereich entschieden und treiben so den Druck auf über 100 bar. Damit ist ein ausreichender Abstand zum kritischen Bereich erreicht. Einen Kondensator gibt es nicht mehr, da das unter Druck stehende Kältemittel nicht mehr flüssig werden kann. Also spricht man jetzt vom Gaskühler, welcher das komprimierte Kältemittelgas auf unter 30 °C abkühlt. In der Expansionsphase fällt dann der Druck, und das Medium erreicht die Nassdampfzone. Der für den Klimaeffekt wichtige Verdampfer bleibt bestehen und erwärmt das Kältemittel, bis es wiederum gasförmig ist und erneut verdichtet werden kann.

FRAGEN

1. Ist R744 oder R1234yf ökologisch unbedenklicher?

2. Wie ist die spezifische Enthalpie definiert?

3. Was bedeutet der überkritische Bereich?

1. Das Synchrongetriebe übernimmt es selbstständig, den Gleichlauf zwischen den Teilen herzustellen.

2. Schaltrad, Gangrad, Vorgelegewelle mit allen anderen Gang- und Schalträdern, Festübersetzung, Kupplungswelle, Kupplungsscheibe.

3. Neutralstellung, Vorsynchronisieren, Synchronisieren,

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