Aus dem bisher in Wärmelehre 1 – 3 Gesagten ergibt sich, dass der Zusammenhang
zwischen Druck und Temperatur sowie der Übergang zwischen Aggregatzuständen
für die Konzeption einer Klimaanlage sehr wichtig ist. Dabei können wir uns nunmehr
auf den Wechsel zwischen 'flüssig' und 'gasförmig' (Verdampfung) und zurück
(Kondensation) konzentrieren. Es dürfte klar sein, dass die bei der Verdampfung
geleistete Energie im Prinzip beim Kondensieren zurückgewonnen werden kann.
Oben im Bild ist noch einmal das letzte Diagramm von Wärmelehre 3 aufgegriffen.
Zusätzlich zeigt es gestrichelt den Bereich, für den wir uns ab jetzt ein wenig mehr
interessieren werden. Er ergibt sich oberhalb eines absoluten Drucks von 1 bar, denn
Unterdruck wollen wir in der Klimaanlage nicht erzeugen. Außerdem geht es nur noch
um diesen einen, oben skizzierten Wechsel des Aggregatzustands.

Das ist nun die Dampfdruckkurve von R134a, die bei einer wesentlich tieferen
Temperatur beginnt und etwa dort aufhört, wo die von Wasser anfängt. Das mag noch
einmal verdeutlichen, warum Wasser zwar für die Kühlung und Heizung, aber völlig
ungeeignet als Kältemittel ist. Wir werden das Wasser jetzt auch verlassen und den
Dampfdruck nur noch am Kältemittel betrachten.
Hier ist der gasförmige Bereich rechts in hellerer Farbe dargestellt als der flüssige
links. Im Bild unten sehen Sie im Prinzip das gleiche. Dieses Manometer für den
Niederdruck zeigt von 0 bis 10 bar zusätzlich die Sättigungstemperaturwerte an. Beim
Manometer für den Hochdruck ist es ähnlich, nur eben für Drücke bis z.B. 30 bar.

Was Sie oben als Dampfdruckkurve im p-t-Diagramm gesehen haben, kommt jetzt
unten als p-h-Diagramm. Wieder sind die Bereiche unterschieden in Flüssigkeit links,
Nassdampf im weißen Feld in der Mitte und überhitztem Dampf rechts. Wenn man
jetzt hier Wärme bei konstantem Druck zuführen würde, ergäbe das eine waagerechte
Linie, die beim rein flüssigen Kältemittel ansetzen würde, das dann nach dem
Übergang in das mittlere Feld teilweise verdampft und beim Erreichen des rechten
Feldes ganz verdampft ist.

Der kritische Punkt ist ganz oben an der Spitze der U-förmigen Kurve. Bei höherem
Druck als dem dort anzunehmenden geht also das Kältemittel gleich vom flüssigen in
den gasförmigen Zustand und umgekehrt. Aber der Bereich interessiert uns für die
technische Lösung einer Klimaanlage nicht. Wir fragen uns, mit welchen
Druckänderungen wir Kältemittel von 10°C oder sogar weniger zu einer Temperatur
von z.B. 85°C bringen können.

Und hier die Lösung: Die Nr. 1 kennzeichnet den Zustand gasförmigen Kältemittels,
das vom Kompressor erfasst und beim Verdichten eine Temperatur von 85°C erreicht.
Dazu wird in diesem Fall ein durchaus praxisnaher (Hoch-) Druck von 16 bar erreicht,
eventuell auch etwas niedriger. Danach geht es durch den Kondensator vorn vor dem
Kühler und die Temperatur des überhitzten Dampfes fällt zunächst um 25°C und
erreicht dann die Kondensationsgrenze.
Danach sinkt die Temperatur nicht weiter, weil jetzt die ganze, an die Umgebungsluft
abzugebende Wärme durch die Verflüssigung des Dampfes entsteht. Erst wenn das
vollständig geschehen ist und der linke Teil der Kurve erreicht ist, sinkt die Temperatur
noch einmal um 10°C. Die Kurve zwischen 3 und 4 ist durch die Drossel erklärbar.
Der Druck sinkt fast schlagartig. Das Kältemittel befindet sich nun im Niederdruckteil.
Die hier angenommenen 3 bar sind ebenfalls der Praxis entnommen, können aber
fahrzeugspezifisch z.B. auch geringer sein. Mit diesem Druck und auf 10°C erkaltet
geht es durch den Verdampfer. Vorher sind schon Teile des Kältemittels verdampft,
jetzt ist der komplette Rest dran. Nicht die Kühle des Kältemittels hat die enorme
Wirkung im Innenraum-Wärmetauscher, sondern der erneute Wechsel des
Aggregatzustandes. An der Ecke 1 ist sichergestellt, dass der Kompressor auch bei
tieferen Temperaturen dampfförmiges Kältemittel ansaugt.
Man nennt den rechten Teil der Kurve auch die Taulinie. Es ist wichtig, dass der Punkt
1 immer ein wenig von dieser Linie entfernt im gasförmigen Bereich liegt. Immerhin
ist die vom Verdampfer zu erbringende Kühlleistung unterschiedlich. Ist sie zu gering,
könnten flüssige Anteile herauskommen. Nicht nur Schwierigkeiten beim
Komprimieren könnten Probleme bereiten, sondern auch Abwaschen von Ölresten
auf der/den Zylinderbahn(en) und damit mangelnde Schmierung.
Optimale Sicherheit für den Kompressor ist durch eine meist gesteuerte Überhitzung
gewährleistet. Dies geht z.B. durch Führung und Verlängerung der Leitung zwischen
Verdampfer und Kompressor durch Bereiche mit Innenraum- oder gar
Motortemperatur. Zusätzlich kann ein entsprechend regelbares Expansionsventil ein
paar Grad zusätzlich herausholen. Auch laufen Nieder- und Hochdruckleitung
nebeneinander her, was z.B. einen definierten Temperaturausgleich ermöglicht.
So wie eine gewollte Überhitzung gibt es auch eine absichtliche Abkühlung. Die sorgt
auf der Gegenseite zum Kompressor dafür, dass nach dem Kondensator auch wirklich
alles Kältemittel flüssig geworden ist. Wir haben schon beim Wasser gesehen, dass
dessen Dampf das weit über tausendfache an Raum einnimmt. Um also schnell und
effektiv durch das Expansionsventil zu kommen, muss alles Kältemittel flüssig sein.
Und wie stellt man das an? Erinnern Sie sich an die waagerechte Linie bei 16 bar im
Diagramm. Hier werden von 2 nach 3 zunächst der Dampf- und dann der
Nassdampfbereich durchlaufen. Jetzt ist es eigentlich nur noch wichtig, wie weit die
waagerechte Linie in den Flüssigkeitsbereich hineinragt. Je mehr, desto sicherer kann
man vor Dampfbildung sein.

Hier sehen Sie ein Beispiel für Unterkühlung. Stellen Sie sich vor, das Kältemittel wird
durch diverse Trennbleche im Innern dieses Kondensators zu dem rot und blau
gekennzeichneten Verlauf gezwungen. Dabei ist der Kondensator so ausgelegt, dass
die gesamte Verflüssigung im Bereich der roten Line stattfindet und entlang der
blauen Linie nur noch weiter heruntergekühlt wird.