Kältetechnik

Kältetechnik hält einen Raum kälter als seine Umgebung, indem sie darin eine Flüssigkeit verdampfen lässt, die dabei Wärme aufnimmt, und den Dampf nach draußen führt, verdichtet und wieder verflüssigt. Jacob Perkins ließ 1834 in London die erste geschlossene Kompressionskältemaschine patentieren; Ammoniakmaschinen kühlten in den 1870er-Jahren Brauereien und Schiffe, und elektrische Haushaltskühlschränke verbreiteten sich ab Ende der 1920er-Jahre.

Was es ist

Ein Kühlschrank holt Wärme aus einem geschlossenen Raum und gibt sie nach außen ab, vom Kalten zum Warmen, also entgegen der Richtung, in der Wärme von selbst fließt. Lebensmittel halten länger, weil die Bakterien und Schimmelpilze, die sie verderben, in der Kälte langsam wachsen. Dieselben Maschinen erzeugen Eis, kühlen Bier beim Brauen, bringen gefrorenes Fleisch über die Ozeane und klimatisieren Gebäude.

Fast alle arbeiten nach dem Kaltdampf-Kompressionsprinzip. Die Tafel zeigt dessen erste funktionierende Form: eine Äthermaschine, die der Ingenieur John Hague in London nach Jacob Perkins’ Patent von 1834 baute. Die Pumpe wurde von Hand betrieben.

Wie es funktioniert

Der doppelte Tontopf nutzt denselben Effekt: Wasser, das aus dem feuchten Sand verdunstet, entzieht dem inneren Topf Wärme.

Eine verdampfende Flüssigkeit entzieht allem, was sie berührt, Wärme; so kühlt auch der Schweiß die Haut. Je niedriger der Druck, desto niedriger die Siedetemperatur: Äther siedet an offener Luft bei etwa 35 °C, in einem Gefäß, in dem eine Pumpe den Druck niedrig hält, aber weit unter dem Gefrierpunkt des Wassers.

Bei Hagues Maschine enthält die doppelwandige Kupferpfanne in ihrer inneren Schale das zu gefrierende Wasser, und zwischen den beiden Wänden befindet sich der Äther. Die Pumpe saugt oben aus diesem Mantel den Ätherdampf ab, sodass der flüssige Äther weiter siedet und dem Wasser Wärme entzieht, bis es gefriert. Rund um die Pfanne gestampftes Holzkohlepulver bremst die Wärme, die aus dem Raum eindringt.

Dieselbe Pumpe drückt den Dampf dann in eine gewundene Kupferrohrschlange in einem Bottich mit fließendem Wasser. Ein Ventil, belastet mit etwa 15 Pfund pro Quadratzoll, also etwas mehr als einem bar, hält den Dampf in der Schlange unter Druck. Verdichtet und vom Wasser gekühlt, wird der Dampf wieder flüssig und gibt die Wärme ab, die er der Pfanne entzogen hat, dazu die an der Pumpe geleistete Arbeit. Die Flüssigkeit passiert das Ventil, ihr Druck sinkt, und sie fließt in den Mantel zurück, um erneut zu sieden. Dieselbe Äthermenge läuft so immer wieder um, ohne verbraucht zu werden.

Ein heutiger Kühlschrank tut dasselbe mit einem elektrischen Verdichter, einem Rohrgitter an der Rückseite, das die Küche wärmt, einem dünnen Rohr oder Ventil, an dem der Druck fällt, und einem Verdampfer im Innenraum. Absorptionskühlschränke ersetzen die Pumpe durch eine Flüssigkeit, die den Kältemitteldampf aufnimmt, und einen Brenner oder Heizstab, der ihn wieder austreibt.

Wie man sie baut

Ein echter Kältekreislauf enthält einen flüchtigen Stoff unter Druck. Äther ist leicht entzündlich, sein Dampf kann explodieren; Ammoniak ist giftig; heutige Kältemittel lagern flüssig unter mehreren bar, und manche sind brennbar. Die Maschinen werden in Fabriken gebaut und befüllt; das Öffnen, Füllen oder Entleeren eines Kreislaufs gehört nach den örtlichen Vorschriften in die Hände qualifizierter Kältetechniker. Keinen Verdichter und keinen Druckbehälter selbst bauen und niemals die Rohre eines alten Kühlschranks durchtrennen oder anbohren.

Den zugrunde liegenden Effekt zeigt gefahrlos ein Topf-in-Topf-Verdunstungskühler.

Töpfe wählen. Zwei neue, saubere unglasierte Terrakottatöpfe nehmen, der eine rundum etwa 5 cm weiter als der andere; der innere, der die Lebensmittel berührt, muss für Lebensmittel zugelassen sein, niemals ein alter Blumentopf. Die Abflusslöcher mit Ton oder einem Korken verschließen.

Zwischenraum füllen. Eine Schicht Sand in den großen Topf geben, den kleinen daraufstellen und den Zwischenraum bis zum Rand mit Sand füllen.

Befeuchten. Sauberes Wasser in den Sand gießen, bis er durchtränkt, aber nicht überflutet ist. Den inneren Topf mit einem feuchten Baumwolltuch abdecken.

Aufstellen. Den Kühler in den Schatten stellen, wo trockene Luft ihn umströmt. Wasser, das durch die Außenwand sickert, verdunstet und entzieht Sand und Innentopf Wärme. Bei heißer, trockener Luft kann das Innere einige Grad kühler bleiben als die Umgebung; bei feuchter Luft ist der Effekt gering. Ein- bis zweimal am Tag Wasser nachgießen.

Sicherheit. Ein Verdunstungskühler verlangsamt den Verderb nur: Er erreicht nicht die 5 °C oder weniger, die Fleisch, Fisch und Milchprodukte brauchen. Nur für ganzes, unangeschnittenes Obst und Gemüse verwenden, das sich auch bei Raumtemperatur hält, nie für geschnittenes Obst, Salate oder gekochte Speisen, und die Temperatur mit einem Thermometer prüfen. Sand und Tuch sauber halten und die Töpfe regelmäßig austrocknen lassen, damit sich kein Schimmel bildet. Den Kreislauf eines Kühlschranks oder einer Klimaanlage niemals öffnen, anstechen oder erhitzen.

Geschichte und Entwicklung

Bevor Maschinen in die Küche kamen, kühlte ein Eisblock den zinkverkleideten Eisschrank.

Lange vor jeder Maschine lagerte man Wintereis in Gruben und Eiskellern und kühlte Wasser in porösen Krügen. In Schottland zeigte William Cullen, dass eine Flüssigkeit, die bei vermindertem Druck rasch verdunstet, in seinem bekanntesten Versuch Äther, das umgebende Wasser bis zum Gefrieren abkühlt; die Berichte datieren die Arbeiten zwischen 1748 und 1756. Es blieb ein Laborversuch. 1805 beschrieb der Amerikaner Oliver Evans einen geschlossenen Kompressionskreislauf, baute ihn aber nie.

Jacob Perkins, ein in London lebender amerikanischer Erfinder, ließ am 14. August 1834 eine geschlossene Maschine patentieren. Hague baute sie; sie erzeugte etwas Eis, fand aber keine Käufer. Zum Geschäft wurde die Idee in den 1850er-Jahren, als James Harrison in Australien und Alexander Twining in den Vereinigten Staaten die ersten verkauften Eismaschinen bauten. 1859 ließ Ferdinand Carré in Frankreich eine Absorptionsmaschine mit in Wasser gelöstem Ammoniak patentieren. In den 1870er-Jahren entwarf Carl von Linde in München Ammoniak-Kompressionsmaschinen; eine der ersten ging 1876 an eine Brauerei in Triest. Im selben Jahr brachte das französische Schiff Frigorifique, von Charles Tellier ausgerüstet, erstmals gekühltes Fleisch auf dem Seeweg zwischen Rouen und Buenos Aires.

Der Monitor Top von 1927: Der Verdichter sitzt in der Trommel, und die Kupferschlange um sie herum gibt die dem Innenraum entzogene Wärme ab.

Kleine Elektromotoren machten den Haushaltskühlschrank möglich. Der Monitor Top von General Electric aus dem Jahr 1927, dessen Verdichter in einer Trommel auf dem Gehäuse saß, kostete bei der Einführung etwa 525 Dollar und binnen weniger Jahre nur noch rund 200. Fluorchlorkohlenwasserstoffe wie Freon, 1928 entwickelt und ab Anfang der 1930er-Jahre industriell hergestellt, ersetzten dann die giftigen oder brennbaren Kältemittel der ersten Haushaltsgeräte, etwa Schwefeldioxid, Methylchlorid und Ammoniak. Später zeigte sich, dass sie die Ozonschicht zerstören; das Montrealer Protokoll von 1987 leitete ihren Ausstieg ein, und 2016 nahm die Kigali-Änderung ihre Nachfolger auf, die teilfluorierten Kohlenwasserstoffe (HFKW), starke Treibhausgase. Nach einer Schätzung des Internationalen Instituts für Kältetechnik von 2024 verbrauchen Kühlung und Klimatisierung etwa ein Fünftel des weltweiten Stroms.