Kühlschrank

Ein Kühlschrank ist ein Haushaltsgerät, das aus einem wärmeisolierten Fach und einer Wärmepumpe besteht, die Wärme aus dem Inneren an die äußere Umgebung abgibt, so dass das Innere auf eine Temperatur unterhalb der Raumtemperatur abgekühlt wird. Die Kühlung ist weltweit eine wichtige Technik zur Lagerung von Lebensmitteln. Die niedrigere Temperatur senkt die Vermehrungsrate von Bakterien, so dass der Kühlschrank die Verderblichkeit von Lebensmitteln verringert. Ein Kühlschrank hält eine Temperatur aufrecht, die einige Grad (optimal sind 3 bis 5 °C) über dem Gefrierpunkt von Wasser liegt.

Die ersten Systeme zur Kühlung von Lebensmitteln bestanden aus Eis. Die künstliche Kühlung begann Mitte der 1750er Jahre und entwickelte sich in den frühen 1800er Jahren. Jahrhunderts. 1834 wurde das erste funktionierende Dampfkompressions-Kältesystem gebaut. Die erste kommerzielle Eismaschine wurde 1854 erfunden. Im Jahr 1913 wurden Kühlschränke für den Hausgebrauch gebaut. Im Jahr 1923 stellte Frigidaire das erste in sich geschlossene Gerät vor. Mit der Einführung von Freon in den 1920er Jahren wurde der Kühlschrankmarkt in den 1930er Jahren erweitert. Gefrierschränke für den Hausgebrauch mit separaten Fächern (größer als nur für Eiswürfel) wurden 1940 eingeführt. Tiefkühlkost, zuvor ein Luxusartikel, wurde alltäglich.

Haushaltskühlschränke und -gefriergeräte für die Lagerung von Lebensmitteln werden in verschiedenen Größen hergestellt. Zu den kleinsten gehören die Peltier-Kühlschränke, die für die Kühlung von Getränken konzipiert sind. Ein großer Haushaltskühlschrank ist so hoch wie eine Person, etwa 1 m breit und hat ein Fassungsvermögen von 600 l. Kühl- und Gefrierschränke können freistehend sein oder in die Küche eingebaut werden.

Gefriergeräte werden in Haushalten sowie in Industrie und Handel eingesetzt. Lebensmittel, die bei oder unter -18 °C gelagert werden, sind lange (aber nicht unbegrenzt) haltbar. Die meisten Gefriergeräte für den Haushalt halten Temperaturen von -23 bis -18 °C, obwohl einige reine Gefriergeräte auch -34 °C und weniger erreichen können.
Kombi-Geräte erreichen in der Regel nicht weniger als -23 °C, da beide Fächer über denselben Kühlmittelkreislauf versorgt werden: Eine zu starke Absenkung der Temperatur im Gefrierfach führt zu Schwierigkeiten bei der Aufrechterhaltung der Temperatur über dem Gefrierpunkt im Kühlfach.

Bekannte Hersteller sind Miele, Bosch, Siemens, AEG, Küppersbusch, Bauknecht, Liebherr, Neff, Gorenje, u.v.a.

Funktionsweise

Kompressor

In den meisten Haushaltskühlschränken, Kühl- und Gefriergeräten wird ein Dampfkompressionszyklus verwendet. Bei diesem Kreislauf tritt ein zirkulierendes Kältemittel wie R134a als Niederdruckdampf in einen Kompressor ein, der die Temperatur des Kühlschrankinneren nicht wesentlich unterschreitet.

Der Dampf wird komprimiert und verlässt den Kompressor als überhitzter Dampf unter hohem Druck. Der überhitzte Dampf strömt unter Druck durch Rohrschlangen oder Rohre, die den Verflüssiger bilden; die Rohrschlangen oder Rohre werden passiv durch die Raumluft gekühlt. Der Verflüssiger kühlt den Dampf ab, der sich verflüssigt. Wenn das Kältemittel den Verflüssiger verlässt, steht es zwar immer noch unter Druck, liegt aber nur noch knapp über der Raumtemperatur. Dieses flüssige Kältemittel wird durch eine Dosier- oder Drosseleinrichtung, auch als Expansionsventil bekannt (im Wesentlichen eine stecknadelkopfgroße Verengung in der Rohrleitung), in einen Bereich mit viel niedrigerem Druck gezwungen. Der plötzliche Druckabfall führt zu einer explosionsartigen Flash-Verdampfung eines Teils (in der Regel etwa der Hälfte) der Flüssigkeit. Die durch diese Flash-Verdampfung absorbierte latente Wärme wird größtenteils aus dem angrenzenden, noch flüssigen Kältemittel abgezogen, ein Phänomen, das als Selbstkühlung bekannt ist. Dieses kalte und teilweise verdampfte Kältemittel fließt weiter durch die Rohrschlangen oder Rohre der Verdampfereinheit. Ein Gebläse bläst Luft aus dem Raum ("Kastenluft") über diese Register oder Rohre, wobei das Kältemittel vollständig verdampft und der Kastenluft weitere latente Wärme entzogen wird. Diese abgekühlte Luft wird in das Kühl- oder Gefrierfach zurückgeführt und hält so die Luft im Kasten kalt. Beachten Sie, dass die kühle Luft im Kühl- oder Gefrierschrank immer noch wärmer ist als das Kältemittel im Verdampfer. Das Kältemittel verlässt den Verdampfer, der nun vollständig verdampft und leicht erwärmt ist, und kehrt zum Einlass des Kompressors zurück, um den Kreislauf fortzusetzen.

Moderne Haushaltskühlschränke sind äußerst zuverlässig, da Motor und Kompressor in einem geschweißten Behälter, einer "versiegelten Einheit", untergebracht sind, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Leckagen oder Verunreinigungen stark verringert wird. Im Vergleich dazu treten bei extern gekoppelten Kältekompressoren, wie z. B. in Autoklimaanlagen, unweigerlich Flüssigkeit und Schmiermittel an den Wellendichtungen vorbei aus. Dies führt dazu, dass der Kompressor regelmäßig nachgefüllt werden muss und bei Nichtbeachtung möglicherweise ausfällt.

Absorption

Ein Absorptionskühlschrank funktioniert anders als ein Kompressor-Kühlschrank. Er nutzt eine Wärmequelle, z. B. die Verbrennung von Flüssiggas, thermische Sonnenenergie oder ein elektrisches Heizelement. Diese Wärmequellen sind viel leiser als der Kompressormotor in einem typischen Kühlschrank. Ein Ventilator oder eine Pumpe können die einzigen mechanisch bewegten Teile sein; Konvektion wird als unpraktisch angesehen.

Der Absorberkühlschrank arbeitet mit einem Wasser-Ammoniak-Gemisch in einer Wasserstoffatmosphäre. Im Kocher werden Ammoniak und Wasser durch Wärmezufuhr (z. B. Gasflamme, elektrische Beheizung, Sonnenwärme) in gasförmiges Ammoniak und Wasser getrennt. Danach werden das flüssige Wasser und das gasförmige Ammoniak über verschiedene Rohrsysteme weitergeleitet. Das gasförmige Ammoniak kondensiert im Kondensator durch Abkühlung; hier gibt der Kühlschrank Wärme an die Umgebung ab. Das nunmehr flüssige Ammoniak fließt über ein dünnes Rohr in den Verdampfer im Innenraum, üblicherweise im Eisfach. Dort kommt es mit dem Wasserstoff in Verbindung und verdampft wegen des geringen Partialdrucks, der Wasserstoff dient als Druckausgleich – an dieser Stelle kühlt der Kühlschrank. Anschließend wird das gasförmige Ammoniak im Absorber mit dem abgekühlten Wasser aus dem Kocher wieder in Lösung gebracht.

Für kleine Absorberkühlschränke für Wohnmobile, Wohnwagen und für Hotelzimmer ist Electrolux praktisch alleiniger europäischer Marktführer (2008). Baugleiche Geräte werden auch unter dem Namen „Dometic“ verkauft. In der Schweiz ist die SIBIRGroup mit dem Markennamen Sibir mit Absorberkühlschränken großgeworden.

Vorteile

Geräusch- und vibrationslos
Betrieb auch mit Brenngasen (üblich ist Propan<) möglich
Keine Verschleißteile

Nachteile

Schlechter Wirkungsgrad, damit höherer Energieaufwand
Leistungsabfall ab 35 °C Außentemperatur möglich
Bewegungs- und schräglagenempfindlich
Aufgrund geringer Produktionszahlen teurer als vergleichbare Kompressionskühlschränke

Andere Verwendungszwecke einer Absorptionskältemaschine (oder "Kältemaschine") sind große Systeme, die in Bürogebäuden oder Komplexen wie Krankenhäusern und Universitäten eingesetzt werden.

Peltier-Effekt

Der Peltier-Effekt nutzt Elektrizität, um Wärme direkt zu pumpen. Kühlschränke, die dieses System verwenden, werden manchmal beim Camping oder in Situationen eingesetzt, in denen Lärm nicht akzeptabel ist. Sie können völlig geräuschlos sein (wenn kein Ventilator für die Luftzirkulation eingebaut ist), sind aber weniger energieeffizient als andere Methoden.

Während ein Kompressorkühlschrank für 1 Watt Kühlleistung ungefähr 0,5 Watt elektrische Leistung verbraucht, benötigt ein Peltierelement für den gleichen Energietransport etwa 2 Watt, wobei dieser Wert stark von der Differenz zwischen Innenraumtemperatur und Umgebungstemperatur abhängt. Die Effizienzangabe gilt für etwa 20 K Temperaturdifferenz.

Eigenschaften

Neuere Kühlschränke enthalten häufig folgende Ausstattungsmerkmale:

Automatische Abtauung: Die No-Frost-Technik ist ein technisches Verfahren, das die Reifbildung in Gefrierschränken und Gefrierfächern in Kühlschränken unterbindet, indem es die Luftfeuchtigkeit im Gefrierraum reduziert. Damit entfällt ein Abtauen des Gefrierraums.
Bei früheren Gefriergeräten bildeten sich Eiskristalle um die Gefriereinheiten. Dies war eine Folge der Feuchtigkeit, die beim Öffnen der Gefrierschranktüren in die Geräte eindrang und an den kalten Teilen kondensierte und dann gefror. Diese Reifbildung erforderte ein regelmäßiges Abtauen ("Enteisen") der Geräte, um ihre Leistungsfähigkeit zu erhalten.
Eine Stromausfallwarnung, die den Benutzer durch Blinken einer Temperaturanzeige warnt. Sie kann die Höchsttemperatur anzeigen, die während des Stromausfalls erreicht wurde, und ob gefrorene Lebensmittel aufgetaut sind oder schädliche Bakterien enthalten könnten.
Kaltes Wasser und Eis aus einem Spender in der Tür. Wasser- und Eisspender wurden in den 1970er Jahren eingeführt. In einigen Kühlschränken ist die Eisherstellung bereits eingebaut, so dass der Benutzer keine Eiswürfelschalen mehr verwenden muss. Einige Kühlschränke sind mit Wasserkühlern und Wasserfiltersystemen ausgestattet.
Verstellbare Einlegeböden und Ablagen
Ein Eiswürfelbehälter für den Innenbereich, der den Eiswürfelbereiter in die Gefrierschranktür verlagert und ca. 60 Liter nutzbaren Gefrierraum einspart. Er ist außerdem herausnehmbar und hilft, die Verstopfung des Eisbereiters zu verhindern.
Eine Kühlzone in den Ablagen der Kühlschranktür. Die Luft aus dem Gefrierteil wird in die Kühlschranktür geleitet, um Milch oder Saft zu kühlen, die im Türregal gelagert werden.
Eine Fast-Freeze-Funktion zum schnellen Kühlen von Lebensmitteln, indem der Kompressor für eine bestimmte Zeit läuft und so die Gefriertemperatur vorübergehend unter die normale Betriebstemperatur sinkt. Es wird empfohlen, diese Funktion einige Stunden vor dem Einlegen von mehr als 1 kg ungefrorener Lebensmittel in das Gefriergerät zu verwenden. Bei Gefriergeräten ohne diese Funktion hat das Absenken der Temperatureinstellung auf die kälteste Stufe die gleiche Wirkung.

Energieeffizienz

In einem Haus ohne Klimaanlage (Raumheizung und/oder -kühlung) verbrauchten Kühlschränke mehr Energie als jedes andere Haushaltsgerät. Anfang der 90er Jahre wurde unter den großen Herstellern ein Wettbewerb zur Förderung der Energieeffizienz ausgeschrieben. Aktuelle Modelle verbrauchen 50 % weniger Energie als die durchschnittlichen Modelle von 1974. Das energieeffizienteste Gerät, das momentan hergestellt wird, verbraucht etwa eine halbe Kilowattstunde pro Tag (entspricht 20 W im Dauerbetrieb), aber auch normale Geräte sind recht effizient; einige kleinere Geräte verbrauchen weniger als 0,2 kWh pro Tag (entspricht 8 W im Dauerbetrieb). Größere Geräte, insbesondere solche mit großen Gefrierschränken und Eiswürfelbereitern, können bis zu 4 kWh pro Tag verbrauchen (das entspricht 170 W im Dauerbetrieb).

Die Energieeffizienzklassen reichen hierbei von G bis A und spiegeln den jeweiligen 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. Zusätzlich zu Klassen A+ und A++ wurde 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.

Viele in den 1930er und 1940er Jahren hergestellte Kühlschränke waren weitaus effizienter als die meisten später hergestellten. Dies ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass neue Funktionen wie die automatische Abtauung hinzugefügt wurden, die den Wirkungsgrad verringerten. Außerdem wurde nach dem 2. Weltkrieg der Stil der Kühlschränke wichtiger als ihre Effizienz. Dies war besonders in den USA in den 1970er Jahren der Fall, als Side-by-Side-Modelle (außerhalb der USA als American Fridgefreezer bekannt) mit Eisspender und Wasserkühlung populär wurden. Die Verringerung des Wirkungsgrads war jedoch auch teilweise auf die Verringerung der Isolierung zurückzuführen, um Kosten zu sparen.

Sterne-Kennzeichnung für Gefrierfächer

Gefriergeräte und Kühlschränke mit einem Gefrierfach haben ein vier Sterne-Bewertungssystem zur Einstufung der Leistung.

[∗] : Mindesttemperatur = -6 °C (21 °F).

Maximale Lagerzeit für (vorgefrorene) Lebensmittel ist 1 Woche

[∗∗] : Mindesttemperatur = -12 °C (10 °F).

Die maximale Lagerzeit für (vorgefrorene) Lebensmittel beträgt 1 Monat

[∗∗∗] : Mindesttemperatur = -18 °C (0 °F).

Die maximale Lagerzeit für (vorgefrorene) Lebensmittel liegt zwischen 3 und 12 Monaten.

je nach Art (Fleisch, Gemüse, Fisch, etc.)

[∗∗∗∗] : Mindesttemperatur = -18 °C (0 °F).

Die maximale Lagerzeit für vorgefrorene oder tiefgefrorene Lebensmittel liegt zwischen 3 und 12 Monaten

Entsorgung

Ein zunehmend wichtiges Umweltproblem ist die Entsorgung alter Kühlschränke - zunächst, weil das Kühlmittel Freon die Ozonschicht schädigt, aber mit der Abnutzung der älteren Generation von Kühlschränken gibt auch die Zerstörung der FCKW-haltigen Isolierung Anlass zur Sorge. Moderne Kühlschränke verwenden in der Regel anstelle von Freon ein Kältemittel namens HFC-134a (1,1,1,2-Tetrafluorethan), das die Ozonschicht nicht abbaut. R-134a wird in Europa nur noch selten verwendet. Stattdessen werden neuere Kältemittel verwendet. Das heute hauptsächlich verwendete Kältemittel ist R-600a oder Isobutan, das bei Freisetzung geringere Auswirkungen auf die Atmosphäre hat. Es gibt Berichte über explodierende Kühlschränke, wenn das Kältemittel in Gegenwart eines Funkens Isobutan ausläuft. Wenn das Kühlmittel in den Kühlschrank entweicht, kann sich in Zeiten, in denen die Tür nicht geöffnet wird (z. B. über Nacht), die Konzentration des Kühlmittels in der Luft innerhalb des Kühlschranks zu einem explosiven Gemisch aufbauen, das entweder durch einen Funken vom Thermostat oder durch das Aufleuchten des Lichts beim Öffnen der Tür entzündet werden kann, was in dokumentierten Fällen zu schweren Sachschäden und Verletzungen oder sogar zum Tod durch die daraus resultierende Explosion geführt hat.

Die Entsorgung von ausrangierten Kühlschränken ist geregelt, und oft muss die Tür aus Sicherheitsgründen entfernt werden. Kinder, die Verstecken spielen, sind beim Verstecken in ausrangierten Kühlschränken, insbesondere in älteren Modellen mit verriegelbaren Türen, erstickt, was als Kühlschrank-Tod bezeichnet wird. Moderne Geräte verwenden eine magnetische Türdichtung, die die Tür verschließt, aber von innen aufgeschoben werden kann. Diese Dichtung wurde von Max Baermann (1903-1984) aus Bergisch Gladbach erfunden, entwickelt und hergestellt.

Im Hinblick auf die Gesamtlebenszykluskosten bieten viele Regierungen Anreize, um das Recycling alter Kühlschränke zu fördern. Ein Beispiel ist das Phoenix-Kühlschrankprogramm in Australien. Im Rahmen dieses staatlichen Anreizes werden alte Kühlschränke abgeholt und ihre Besitzer für die "Spende" des Kühlschranks bezahlt. Die Kühlschränke wurden dann überholt, mit neuen Türdichtungen, einer gründlichen Reinigung und der Entfernung von Gegenständen wie z. B. der Abdeckung, die bei vielen älteren Geräten an der Rückseite befestigt ist. Die so entstandenen Kühlschränke, die nun über 10 % effizienter sind, wurden dann an einkommensschwache Familien verteilt.