Der einfache Kältemittelkreislauf besteht aus den vier Bauelementen Kompressor (K), Verflüssiger (C), Drosseleinrichtung (E) und Verdampfer (V). Bei der einstufigen Kälteanlage wird zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite unterschieden. Die Hochdruckseite (kurz: HD) reicht von der Druckseite des Verdichters bis zum Drosselorgan. Die Niederdruckseite (kurz: ND) umfasst den Kältekreislauf hinter der Drosselung bis zum Verdichtereintritt.

Der Verflüssiger wird entweder durch Luft oder Wasser gekühlt. Der luftgekühlte Verflüssiger ist eine Rohranordnung, dessen Oberfläche durch aufgeschrumpfte Kupfer- oder Aluminiumlamellen vergrößert wird. Ein Lüfter fördert die Kühlluft durch das Lamellenpakt. Bei Kleinkühlgeräten wie Kühlschränken beschränkt man sich auf die natürliche Konvektion, so dass der Lüfter entfallen kann. Die Verflüssigungstemperatur und damit auch die Leistungszahl der Kälteanlage ist von der Kühllufttemperatur abhängig. Technisch aufwändiger und wartungsintensiver sind Verdunstungsverflüssiger, da hier aufgrund der Teilverdunstung des Wassers sehr niedrige Verflüssigungstemperaturen möglich sind. Durch die zusätzliche Verdunstung des Wasser kann eine sehr niedrige Verflüssigungstemperatur erreicht werden, die im Grenzfall der Feuchtkugeltemperatur entspricht. Bei trockener Luft kann die Verflüssigungstemperatur unterhalb der Umgebungstemperatur liegen. Es muss allerdings das verdunstete Kühlwasser ersetzt und aufbereitet werden. Bei wassergekühlten Verflüssigern wird die Verflüssigungswärme zunächst auf den Wärmeträger Wasser oder Wasser-Sole-Gemisch übertragen. Das Kühlwasser wird über eine Kreiselpumpe zu dem Kühlturm befördert. Wenn ein offener Kühlwasserkreislauf genutzt wird, kann durch Verrieselung des Wassers auch hier die Verdunstungskühlung genutzt werden. Im Kühlturm wird das Wasser durch Düsenstöcke nach unten versprüht. Im Gegenstrom wird Luft durch den Kühlturm gedrückt. Es erfolgt eine Wärmeaustausch und ein Teil des Kühlwassers verdampft. Am Luftaustritt sind Tropfenabscheider angeordnet, um Wasserstropfen wieder in die Kühlturmtasse abzuleiten.

In der Kältetechnik werden überflutete Verdampfer oder Wärmeübertrager mit Kältemitteleinspritzung (Trockenexpansion) eingesetzt.

Verdampfer mit Trockenexpansion sind am Eintritt mit einem Drosselorgan ausgerüstet, das so ausgelegt ist, dass das Kältemittel am Austritt vollständig verdampft und überhitzt ist. Das Kältemittel wird in Tröpfchenform in den Verdampfer eingespritzt.

Als Drosseleinrichtung werden in Kleinkühlgeräten (Kühlschränke) Kapillarrohre eingesetzt, die ungeregelt sind und somit einen konstanten Druckverlustbeiwert haben. Kapillarrohre können daher nur in Geräten eingesetzt werden, deren Kühlleistungen nahezu konstant ist. Die Kältemittelfüllmenge muss auf die Betriebsbedingungen abgestimmt sein, damit kein flüssiges unverdampftes Kältemittel vom Verdichter angesaugt wird.

In sonstigen Kühlgeräten mit Trockenexpansion werden ausschließlich thermostatische Expansionsventile - oft mit äußerem Druckausgleich - eingesetzt. Mechanisch arbeitende Expansionsventile arbeiten ohne Hilfsernergie. Am Austritt des Verdampfers ist ein Kapillarfühler an die Rohrleitung angelegt. Der Hub des Einspritzventils und damit der Einspritzmassenstrom werden über den Druck der eingeschlossenen Kapillarflüssigkeit geregelt. Als Regelgröße wird die Überhitzung des austretenden Kältemittels genutzt. Neuerdings kommen vermehrt elektronische Expansionsventile zum Einsatz, die eine feinere Abstimmung des Regelverhaltens ermöglichen und die Leistungszahl der Kälteanlage verbessern.

Anlagen mit überfluteter Fahrweise besitzen auf der Niederdruckseite einen Kältemittelbehälter, den sogenannten Abscheider, in dem flüssiges Kältemittel mit einer Gasüberlagerung unter Sattdampfbedingungen vorgehalten wird. Der Füllstand des Abscheiders wird entweder über einen mechanischen Schwimmerregler (Hoch- oder Niederdruckschwimmer) geregelt oder es ist eine Füllstandsregelung mit einer Füllstandsonde und einem Regelventil in der Flüssigkeitsvorlaufleitung installiert. Der Druck im Abscheider wird auf einen bestimmten Wert gehalten, der durch die erforderliche Temperaturen an den Kühlstellen bestimmt ist. Die Kältemittelverdichter saugen das Gas aus dem oberen Bereich des Abscheiders ab, und somit bleibt das Sattdampfgleichgewicht bei der geforderten Temperatur im Abscheider erhalten.

Als Kältemittel kommt hier meistens Ammoniak zum Einsatz. Die Anwendung des Kältemittels CO₂ ist bislang auf Sonderfälle beschränkt.

Thermosiphonanlage

Eine Variante der überfluteten Anlage ist die Thermosiphonkälteanlage. Sie kann eingesetzt werden, wenn ein Kälteträgerkreis wie ein Kaltwasser- oder Solekreis verwendet wird. Unterhalb des Abscheiders wird ein Plattenwärmeübertrager installiert. Der untere Eintritt des Plattenwärmeübertragers ist mit dem Abscheider verbunden und es wird flüssiges Kältemittel aufgegeben. Das Kältemittel verdampft durch den Wärmeübergang von der Sole und der Kältemitteldampf gelangt in den oberen Raum des Abscheiders. Diese Kälteanlagen haben aufgrund des verwendeten Plattenwärmeübertragers und eines geringen Vorlagevolumens im Abscheider geringe Füllmengen (ca. 100 kg Füllmasse bei einer Kälteleistung von 500 kW).

Pumpenbetrieb

In Kälteanlagen mit vielen angeschlossenen Verdampfern und bei längeren Strömungswegen mit lastabhängigen Druckverlusten können auf Grund dieser Störgrößen keine befriedende Regelung an den einzelnen Verdampfern erreicht werden. Es werden dann Pumpenanlagen eingesetzt und die Verdampfer werden dann überflutet betrieben.

Die Pumpen saugen Kältemittel aus dem unteren Teil des Abscheiders (Flüssigphase) an und erhöhen den Druck des Kältemittels um typisch 2 bar. Der Druck liegt oberhalb des Sattdampfdruckes, was ein Ausdampfen des Kältemittels in den Rohrleitungen zu den Kühlstellen verhindert. Das an den Kühlstellen verdampfte Kältemittel wird wieder zum Abscheider zurückgeleitet.

Typisch Einsatzgebiete Ammoniakanlagen mit Pumpenbetrieb sind:

• Kühlhäuser,
• Brauereien,
• Schlachthäuser,
• Chemische Industrie,
• Eislaufhallen.

Die Kältemittelfüllmengen der Ammoniakkälteanlagen mit Pumpenbetrieb können sehr groß sein; sie liegen zwischen einer und 200 Tonnen. Anlagen mit einer Füllmenge über 3 t unterliegen dem Bundesimmissionsschutzgesetz (BImSchG), und bedürfen aufgrund der Gefahrstoffeigenschaften besonderer Prüfungen durch Zugelassene Überwachungsstellen.

Ein nennenswerter Vorteil ist der günstige Preis von Ammoniak gegenüber anderen Kältemitteln. Weiterhin stellt das im Abscheider entspannte Kältemittel gespeicherte Kälteenergie dar, so dass Spitzen abgefahren werden können und ein Ausfall der Verdichter eine gewisse Zeit überbrückt werden kann. Ferner besteht je nach Anlagenkonzeption die Möglichkeit, die Verdichter in vom Stromtarif her günstigen Zeitspannen zu betreiben.

Auch bei Anlagen mit Niederdruckabscheider müssen Einrichtungen vorhanden sein, die den Verdichter vor Flüssigkeitsschlägen schützen (Überfüllabsicherung, Abscheidebehälter auf der Saugseite).

Pumpenanlagen werden zweistufig ausgeführt, wenn an den Kühlstellen unterschiedliche Temperaturen erforderlich sind (zum Beispiel Kühlhaus, Verladezone/Frischhaltebereich: +4°C; Tiefkühlung: -30°C).

Je nach Konzeption der Anlage sind weitere Einrichtungen notwendig, die sich aus dem Aufbau und der Betriebsweise ergeben. Da luftgekühlte Verflüssiger ein geringes Volumen aufweisen, wird in diesen Anlagen praktisch immer ein Hochdrucksammler installiert. Bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen ändern sich die Füllmengen im Verflüssiger und Verdampfer; diese Änderungen sowie schleichende Kältemittelleckagen werden durch die Speicherwirkung des Sammlers kompensiert. FCKW-/ FKW-gefüllte Kältemittelkreisläufe sind empfindlich gegenüber einem Restwassergehalt. Insbesondere in den Einspritzventilen kann Wasser gefrieren und die Funktion der Kälteanlage gefährden. Daher werden oft Trockner eingesetzt, die mit wasserabsorbierenden Zeolithen gefüllt sind.

Insbesondere Kolbenverdichter dürfen kein flüssiges Kältemittel ansaugen, da beim Komprimieren flüssiges Kältemittel den Kolben oder Zylinderkopf (-dichtungen) zerstören kann. Falls die Zuführung von Kältemitteltropfen zum Verdichter nicht ausgeschlossen werden kann, werden Flüssigkeitsabscheider auf der Saugseite eingebaut.

Zur Optimierung von Kälteanlagen müssen die spezifischen Eigenschaften der Kältemittel berücksichtigt werden. Im Wesentlichen sind dies:

• Isentropenexponent,
• spezifische Verdampfungsenthalpie,
• Dichte und
• Druck des Kältemittels.

Im Vergleich zu dem Kältemittel Ammoniak (h_v=1369 kJ/kg bei 0°C) ist die Verdampfungsenthalpie der sonstigen geläufigen Kältemittel deutlich geringer. Besonders die neuen fluorierten Kältemittel R404a (h_v= 171 kJ/kg bei 0°C) und R410a (h_v=221 kJ/kg bei 0°C) weisen deutlich niedrigere Verdampfungsenthalpien auf. Dies hat zur Folge, dass an dem Expansionsventil ein hoher Anteil des Kältemittels verdampft. Dieser Effekt wird umso stärker, je tiefer die Verdampfungstemperatur eingestellt ist. Als Maßnahme im Kältemittelkreislauf wird ein Economiser eingebaut. Das verflüssigte Kältemittel wird auf der Hochdruckseite einem Wärmeübertrager zugeführt. Ein Teilstrom des Kältemittels wird entspannt und wird auf die andere Seite des Wärmeübertragers geleitet und kühlt so den Hauptstrom des Kältemittels ab. Es wird so eine starke Unterkühlung des Kältemittels erreicht. Das entspannte Kältemittel wird an einem Zwischendruckanschluss des Verdichters angesaugt. Konstruktiv eigenen sich hierfür Schrauben- oder Scrollverdichter; Kolbenverdichter sind für diese Schaltung nicht geeignet. Als Wärmeübertrager kann ein Plattenwärmeübertrager verwendet werden.

Die Kältemittel Propan (R290), R404a und R410 haben einen Isentropenexponent der nahe bei 1 liegt. Dies hat den Vorteil, dass die Verdichtung näherungsweise isotherm erfolgt. Zur Prozessoptimierung bietet sich bei diesen Kältemitteln der Einbau eines inneren Wärmeübertragers an, der als Unterkühler für das flüssige Kältemittel und Überhitzer für das Sauggas wirkt. Das Sauggas wird um ca. 20°C erwärmt. Bei dieser Kälteanlagenschaltung kann auch ein Enthitzer auf der Hochdruckseite eingebaut werden, um die Verdichtungswärme thermisch zu nutzen. Ohne inneren Wärmeübertrager ist die Verdichtungstemperatur für eine Abwärmenutzung zu niedrig. Diese Schaltung ist unabhängig von der Verdichterbauart, allerdings muss der Wärmeübertrager für die unterschiedlichen Wärmeübergangskoeffizienten auf der Flüssigkeits- und Sauggasseite ausgelegt sein.

Eine weitere Optimierungsstufe ist die Kombination von innerem Wärmeübertrager und Economiser. Das flüssige Kältemittel wird dabei zuerst durch das Sauggas gekühlt. Für die weitere Unterkühlung wird der Economiser verwendet.

Mit den beschriebenen Maßnahmen sollen Einsparungen von 30 bis 45 % (Variante mit Wärmeübertrager und Economiser) möglich sein.

Kohlenstoffdioxid als Kältemittel (R744) hat nahezu den gleichen Isentropenexponent wie Ammoniak und R22, so dass die Verwendung eines inneren Wärmeübertragers nicht geboten ist, da die Verdichtungsendtemperaturen dann zu hoch werden.

Trotz der umweltgefährdenden Eigenschaften der fluorisierten Kohlenwasserstoffe FKW (Treibhauseffekt) werden diese Kältemittel mittel- bis langfristig unter den jetzigen gesetzlichen Rahmenbedingungen einsetzbar sein. Unter dem Aspekt der Energiekosten bezogen auf die Lebensdauer der Kälteanlage sollten die Mehraufwendungen für energieeffizientere Kälteanlagenschaltungen abgewogen werden. Die optimale Verschaltung ist stark von den thermodynamischen Eigenschaften des verwendeten Kältemittels abhängig.