Kühlschrank

Ein Kühlschrank ist ein elektrisches oder gasbetriebenes Gerät, das in einen Schrank integriert ist. Mittels eines üblicherweise an der Rückseite befindlichen und per Thermostat geregelten Kühlaggregates wird der Innenraum gegenüber der Außentemperatur (Raumtemperatur) abgekühlt. Die typische Betriebstemperatur im Innern liegt zwischen 2 °C und 8 °C. Kühlschränke gehören zu den meistverbreiteten Haushaltsgeräten und damit prominentesten Stromverbrauchern der Welt. Das Gehäuse des Kühlschrankinnenraums ist wärmeisoliert, um den Energieaufwand zur Erhaltung der Temperaturdifferenz zwischen Innenraum und Umgebungstemperatur niedrig zu halten.

Er findet Verwendung für die Lagerung von Nahrungsmitteln, Medikamenten oder auch Chemikalien usw. Zweck eines Kühlschrankes ist die Kühlung unterhalb der Umgebungstemperatur, dabei werden im hauswirtschaftlichen Bereich Lebensmittel länger haltbar als bei Lagerung in der Umgebungstemperatur (Bakterienvermehrung wird eingeschränkt). Des Weiteren dient die Kühlung von Getränken der Erfrischung.

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Geschichte und Entwicklung des Kühlschranks

Kühlung wurde schon in der Antike erreicht, indem große Mengen Eis aus den Bergen in die Städte transportiert und zur Lagerung von Lebensmitteln in tiefen Kellern (sog. Eiskellern) eingesetzt wurde. 1748 zeigte William Cullen die erste künstliche Kühlung an der Universität Glasgow. Der moderne chemische Kühlschrank wurde bereits 1834 kommerziell vermarktet, und zwar von Alexander Twinning; seine Kühlschränke kühlten durch Luftkompression. Eine wichtige Weiterentwicklung war der Einsatz Ammoniaks durch Ferdinand Carré 1859.^[1]

Der Kühlschrank wurde 1876 von dem deutschen Ingenieur und Wissenschaftler Carl von Linde weiterentwickelt, dem Entwickler des für die Wissenschaft und Technik fundamentalen Linde-Verfahrens. Auch seine Erstentwicklung wurde damals jedoch noch mit Ammoniak betrieben. Die Substanz ist ätzend, und verursachte nicht nur Lecks, sondern auch einen üblen Geruch, so dass Kühlschränke erst in den 1920er Jahren durch die Entwicklung diverser Ersatzchemikalien für den Hausgebrauch geeignet waren. In den 1930er Jahren wurde er in den USA und Kuba zur Standardausstattung von privaten Haushalten; bereits 1937 hatte jeder zweite US-Amerikanische Haushalt einen Kühlschrank.

Der erste europäische Kühlschrank wurde 1929 von den durch Jørgen Skafte Rasmussen gegründeten Zschopauer Motorenwerken J.S. Rasmussen entwickelt. Aus der Marke DKW-Kühlung ging 1931 die Deutsche Kühl- und Kraftmaschinen GmbH in Scharfenstein hervor.

Die ersten Kühlschränke wurden mit Methylchlorid, Ammoniak oder Schwefeldioxid betrieben, was jedoch Probleme für die Lagerung der beweglichen Teile im Kompressor und bei Undichtigkeiten den Austritt giftiger Gase oder Verpuffungen mit sich brachte. Mit der Entdeckung bzw. dem Einsatz der Fluorchlorkohlenwasserstoffe, deren ozonzersetzende und klimaverändernde Wirkung damals noch nicht bekannt war, konnten diese Probleme behoben werden.

Der erste FCKW-freie Kühlschrank der Welt in neuerer Zeit wurde 1992 durch das sächsische Unternehmen „dkk Scharfenstein“ (später unter dem Namen „Foron“) entwickelt und produziert. Unterstützt wurde das Unternehmen dabei von Greenpeace und dem Hygiene Institut Dortmund unter der Leitung von Harry Rosin. Andere Hersteller von Kühlschränken hatten zu dieser Zeit kein Interesse daran, diese Technik einzuführen. Dieses Gerät kühlt mit Propan und Butan, die weder das Ozonloch vergrößern noch den Treibhauseffekt verstärken, dafür allerdings brennbar sind.

Die Erfindung der Kältemaschine durch Carl von Linde erlaubte, Eis industriell ganzjährig herzustellen, so dass auf Natureis verzichtet werden konnte.

Mit der Verbreitung des elektrischen Stroms und des Kühlschranks verlor sein Vorläufer, der stromlose Eisschrank an Attraktivität. Aus der Geschichte heraus wird fälschlicherweise bis in unsere Zeit der Begriff Eisschrank umgangssprachlich auch für den heute gebräuchlichen Kühlschrank verwendet.

Funktionsweise

Bei allen Kühlschranktypen liegt folgendes Wirkungsprinzip zugrunde: Dem Inneren des Kühlschrankes wird Wärme entzogen und nach außen abgegeben (siehe Kältemaschine und Wärmepumpe). Beides geschieht mit Wärmeübertragern

Nach Art und Weise wie dies bewerkstelligt wird, unterscheidet man zwischen drei Typen von Kühlschränken: Absorberkühlschränke, Kompressorkühlschränke, Kühlschränke mit Peltier-Element.

Kompressorkühlschrank

Beim Kompressorkühlschrank verdichtet ein Kompressor ein gasförmiges Kältemittel, das sich dabei erwärmt. Im Verflüssiger, der aus schwarzen Kühlschlangen besteht und an der Rückseite des Geräts angebracht ist, wird die Wärme an die Umgebung abgegeben und das Medium kondensiert. Danach strömt das Arbeitsmedium zur Druckabsenkung durch eine Drossel, z. B. ein Expansionsventil oder ein Kapillarrohr, dann weiter in den Verdampfer im Inneren des Kühlschranks. Hier entnimmt das verdampfende Kältemittel dem Innenraum des Kühlschranks die notwendige Verdampfungswärme und strömt als Gas weiter zum außenliegenden Kompressor. Ein Kompressorkühlschrank entspricht in der Funktion fast einer Wärmepumpe, sie unterscheiden sich lediglich in der Nutzung der Wärmeüberträger. Die neuen Kühlschränke funktionieren mit Ammoniak nach dem Linde-Verfahren.

Eine ausführliche Funktionsbeschreibung findet sich im Artikel der Kompressionskältemaschine.

Absorberkühlschrank

Der Absorberkühlschrank arbeitet mit einem Wasser-Ammoniak-Gemisch. Im Kocher werden Ammoniak und Wasser durch Wärmezufuhr (Gasflamme, elektrische Beheizung, Sonnenwärme...) getrennt. Danach werden das flüssige Wasser und das gasförmige Ammoniak über verschiedene Rohrsysteme weitergeleitet. Das Ammoniak wird im Kondensator verflüssigt. An dieser Stelle gibt der Kühlschrank Wärme ab. Ein Verdampfer macht es wieder gasförmig. An dieser Stelle kühlt der Kühlschrank. Anschließend wird das Ammoniak im Absorber mit dem Wasser zusammengeführt. Eine ausführliche Funktionsbeschreibung findet sich im Artikel der Diffusionsabsorptionskältemaschine. Absorberkühlschränke werden z. B. in Kraftfahrzeugen oder im Camping-Bedarf eingesetzt. Sie haben, zumindest bei Elektrobetrieb, einen schlechteren Wirkungsgrad als Kompressorkühlschränke. Werden sie direkt mit Gas betrieben, sind sie durch die direkte Nutzung von Primärenergie den Kompressorgeräten fast ebenbürtig. Da sie keine bewegten Teile besitzen, sind sie praktisch lautlos, diese Eigenschaft verschafft ihnen ein breites Anwendungsgebiet z. B. als Minibar in Hotels.

Thermoelektrischer Kühlschrank

Zur mobilen Anwendung werden seit Jahren verbreitet Kühlboxen nach dem Thermoelektrischen Prinzip (Peltier-Effekt) angeboten. Diese arbeiten direkt mit 12V Gleichspannung und sind daher ideal für den Einsatz im Auto geeignet. Außerdem arbeiten sie prinzipiell völlig geräuschlos, werden aber in der Regel durch Lüfter unterstützt, welche einen gewissen Geräuschpegel erzeugen. Die Vorteile werden allerdings durch einen extrem schlechten Wirkungsgrad erkauft: Während ein Kompressorkühlschrank zur Übertragung von einem Watt „Kühlleistung“ ungefähr 0,5 Watt verbraucht, benötigt ein Peltierelement für den gleichen Energietransport über 2 Watt. Ein Einsatz dieser Geräte im Haushalt ist daher energetisch nicht sinnvoll.

Aufbau

Ein typischer Tisch-Kühlschrank (Standmodell) hat ca. 150 Liter Inhalt und wiegt ca. 40 kg. Eine Kühl-/Gefrier-Kombination hat ca. 250 Liter Inhalt und wiegt etwa 65 kg.

Es existieren verschiedene Raumaufteilungen für Kühlschränke. Am bekanntesten und am gebräuchlichsten ist dabei die Variante mit einer großen Außentür und einer inneren Klappe zum Gefrierabteil im oberen Bereich. Das Gefrierabteil besitzt hier meist ein Fassungsvermögen von maximal 20 Litern, das Kühlabteil kann Größen bis zu 250 Litern (evtl. größer) annehmen.

Andere Variationen verfügen über getrennte Türen für Kühl- und Gefrierfach. Diese werden als Kühl-/Gefrierkombination bezeichnet. Die Abteile können übereinander oder auch nebeneinander liegen, letztere Version ist vor allem in den USA sehr populär und verfügt meist über einen integrierten Eiswürfelbereiter und optional über eine zusätzliche Getränkeklappe in der großen Tür des Kühlsegments. Ein solcher „Side-by-side“-Kühlschrank kann mehr als 500 Liter (Kühlteil etwa 350 l, Gefrierteil etwa 150 l) aufnehmen.

Größere Varianten verfügen beispielsweise über eine Doppeltür zum obenliegenden Kühlbereich und unten über eine sehr breite Schublade für das Gefriersegment.

Betrieb

Temperaturzonen

In einem modernen Haushalts-Kühlschrank herrschen verschiedene Temperaturzonen:

• Oben ist es am wärmsten, dort können gekochte Speisen und Marmeladen gut gelagert werden.
• Im Mittelbereich sind unter anderm Milchprodukte (Joghurt, Käse) gut aufgehoben.
• Am kältesten ist es mit etwa 2 °C unten im Fach über den Gemüsefächern. Hierhin gehören leicht verderbliche Dinge wie Fleisch und Wurst.
• Die Schubfächer ganz unten sind für Obst und Gemüse bei etwa 8 °C günstig. Unter der Abdeckung sind Temperatur und Luftfeuchtigkeit geeignet, Vitamine und Aussehen der Ware zu erhalten.
• In den Türfächern ist es relativ warm, aber kühl genug für Butter und Eier. Milch sollte nicht in der Tür aufbewahrt werden.

Umgebungstemperatur

Bei Kühlschränken mit Eisfach, besonders mit Tiefkühlfächern, ist die vom Hersteller angegebene Umgebungstemperatur des Aufstellorts, angegeben als Klimaklasse zu berücksichtigen:

• Klimaklasse SN (Subnormal): Umgebungstemperaturen von +10 °C bis +32 °C
• Klimaklasse N (Normal): Umgebungstemperaturen von +16 °C bis +32 °C
• Klimaklasse ST (Subtropen): Umgebungstemperaturen von +18 °C bis +38 °C
• Klimaklasse T (Tropen): Umgebungstemperaturen von +18 °C bis +43 °C

Während eine geringe Umgebungstemperatur des Aufstellungsortes zunächst hilft, Energie zu sparen, führt – scheinbar paradoxerweise – das Unterschreiten der Mindesttemperatur zu einem Auftauen im Eis-/Tiefkühlfach. Dies hängt damit zusammen, dass die Tiefkühlfächer nur passiv über ein Thermostat geregelt werden, das die Temperatur im Kühlraum misst. Bei einer geringen Außentemperatur, z. B. 8 °C, muss der Kompressor nur selten laufen, um z. B. eine Temperatur von 6 °C Grad im Kühlraum zu gewährleisten. Diese Aktivität des Kompressors reicht nicht, gegen den deutlich größeren Unterschied (Wärmestrom) zwischen Außentemperatur und Temperatur im Tiefkühlfach, z. B. -18 °C, zu arbeiten. Davon abgesehen können unterhalb der Mindestbetriebstemperatur Schmiermittel im Kompressor zu zähflüssig werden.

Kühlschränke der Klimaklasse SN haben daher häufig eine Heizung in Nähe des Thermostates im Kühlraum von ca. 8 Watt. Manchmal wird einfach die Glühlampe nicht ausgeschaltet, um die Betriebstemperatur von der Klimaklasse N auf SN zu erweitern.

Wer Energie sparen und ein Kühlgerät in einem ungeheizten Raum aufstellen möchte, bei dem auch dauerhafte Temperaturen unter 10 °C zu erwarten sind, entscheidet sich besser gegen Kühl-/Gefrierkombinationen und für getrennte Kühl- und Tiefkühlschränke, bzw. noch besser für eine Tiefkühltruhe. In der letzten Zeit setzen sich im privaten Haushalten auch immer mehr kleine Kühl- und Tiefkühlzellen durch. Für den gewerblichen Nutzer gibt es noch einige andere Kühlgeräte wie z. B. Wandkühlregale (zur Präsentation von hauptsächlich verpackten Lebensmitteln), Freikühltresen, Bierkühlungen usw.

Das Rocky Mountain Institute (RMI) baute 1983 einen Sun-Frost-Kühlschrank mit nur 0,19 kWh/l pro Jahr, dessen Wärmeübertrager außen am Gebäude angebracht ist und die Hälfte der benötigten Kühlenergie passiv erzeugt. Das RMI hält eine Entwicklung von Geräten mit noch geringeren Verbrauchswerten, z. B. durch Vakuumisolationsschichten, für möglich. Die sparsamsten Kühl-/Gefrierkombinationen erreichen Verbrauchswerte von 0,48kWh/l pro Jahr (bei 25° Umgebungstemperatur) wie der Blomberg CT 1300A (nicht mehr im Handel) oder 0,34 kWh/l pro Jahr (bei 21°) der Sun Frost RF16. Ein vergleichbares Gerät der Energieeffizienzklasse A benötigt 1,26 kWh/l pro Jahr (Stand 2006). Wesentlich sparsamer sind reine Kühlgeräte ohne Gefrierfach. Diese sind dann zu empfehlen, wenn ohnehin eine separate Gefriertruhe vorhanden ist. Reine Kühlgeräte der A++ Klasse kommen auf Verbrauchswerte unter 0,27kwh/l pro Jahr.

Abtauen

Moderne Kühl- u. Gefrierschränke besitzen in der Regel eine Abtauautomatik. Bei Modellen ab der mittleren Preisklasse ist die Abtauautomatik seit etwa den 1980er Jahren Standard für den Kühlteil, während eine Abtauautomatik im Gefrierteil nur bei teuren Modellen üblich ist. Kühlschränke früherer Baujahre müssen manuell abgetaut werden, indem man sie einige Stunden ausschaltet und den Eispanzer, der sich an der Innenrückwand aus gefrorenem Kondenswasser gebildet hat, durch Verflüssigung in einen Extra-Behälter ablaufen lässt oder aus dem Innenraum entfernt.

Eine Technik, dieses Problem zu vermeiden besteht darin, mit einem Umluftsystem im Inneren des Kühlschranks dafür zu sorgen, dass die Luft einem Verdampfer – außerhalb des eigentlichen Kühlraums – zugeführt wird, an dem sich dann Eis bildet. Dieser Verdampfer wiederum taut sich regelmäßig selbstständig ab, und die entstehende Flüssigkeit wird außerhalb des Gerätes in einer Auffangschale aufgefangen und kann dort unterstützt durch die Kompressorabwärme verdunsten. Dadurch ist die Luft im Kühlschrank trocken und es kann sich kaum Eis bilden.

Sternekennzeichnung für Gefrierfächer

Verwandte Kühlgeräte

Gefrierschrank/-truhe

Gefrierschränke und -truhen funktionieren nach demselben Prinzip wie ein Kühlschrank, kühlen jedoch mit einer Innentemperatur von mindestens -18°C, wodurch die langfristige Lagerung von gefrorenen Lebensmitteln ermöglicht wird. Mit 4-Sterne-Gefrierschränken können zudem Lebensmittel selbst eingefroren werden. Diese sind meistens mit separaten Schnellgefrierfächern ausgestattet (Diese befinden sich meistens oben und sind mit einer separaten Klappe ausgestattet, während die anderen Gefrierfächer meistens nur wie eine Schublade aufgebaut sind).

Kühlregal

  In Supermärkten werden spezielle offene Kühlgeräte verwendet, um Lebensmittel, die einer dauerhaften Kühlung bedürfen, für Kunden leicht zugänglich aufzubewahren. Da hier, anders als bei geschlossenen Kühlgeräten, ein ständiger Austausch mit der wärmeren Umgebungsluft möglich ist, ist der Energieverbrauch bei Kühlregalen deutlich höher.

Alternative Kühlmethoden

Der nigerianische Kühltopf

Das Prinzip der Verdunstungskälte wurde um die Jahrtausendwende von dem nigerianischen Lehrer Mohammed Bah Abba wie folgt verfeinert: Man nehme zwei ähnlich geformte Tontöpfe unterschiedlicher Größe und stelle sie ineinander. Den entstandenen Zwischenraum zwischen den beiden Töpfen fülle man mit nassem Sand auf. Den inneren Topf fülle man mit Obst oder Gemüse. Dann lege man ein großes nasses Tuch über die Früchte. Bei hohen Temperaturen entsteht am äußeren Tontopf Wasserdampf, der als Isolationsschicht wirkt und damit den Inhalt des inneren Topfes kühl hält. Immer vorausgesetzt, dass die Sandfüllung und das Abdecktuch gut durchfeuchtet sind, bleiben Obst oder Gemüse mit dieser Methode ganz ohne Strom über mehrere Wochen frisch.

Mohammed Bah Abba gewann mit diesem einfachen Gerät den „Rolex Award for Enterprise“ und wurde von der Jury mit 75.000 US$ prämiert.

Probleme

Umweltprobleme

Im Haushalt eingesetzte Kühlschränke arbeiten nach dem Kompressor-Prinzip. Die dort als Kühlmittel lange Zeit verwendeten FCKW-haltigen Kühlmittel sind ökologisch sehr bedenklich, da sie stark ozonabbauend wirken. Da die FCKWs jedoch erst bei Verschrottung des Kühlschranks frei werden, sollten die betreffenden Kühlschränke nicht allein aus diesem Grund vorzeitig ersetzt werden. In neueren Kühlgeräten werden seit Mitte der Neunziger Jahre vorwiegend andere Kühlmittel, wie beispielsweise Butan oder R134a, eingesetzt. Das Wiederauffüllen von Kühlschränken oder Klimaanlagen mit ursprünglich FCKW-haltigen Kühlmitteln ist verboten, bzw. nur noch mit passenden FCKW-freien Ersatzkühlmitteln zulässig. Ältere, schon installierte industrielle Kühlanlagen sind von dieser Regelung jedoch ausgenommen.

Im Winter ist der Betrieb von Kühlschränken in den meisten Gegenden besonders unwirtschaftlich, da das Gerät häufig in beheizten Räumen (z. B. Küche) steht und da es von dieser geheizten Umgebungstemperatur herunterkühlen muss. Dies wurde früher vermieden, indem man in der betreffenden Jahreszeit das kühl zu lagernde Gut in einem Schrank mit Verbindung zur Außenwelt unterbrachte.

Gesundheitsrisiken

Nach einer Untersuchung von Jean-Pierre Hugot vom Pariser Hôpital Robert Debré könnte es sein, dass die klimatischen Verhältnisse innerhalb eines Kühlschranks die Verbreitung bestimmter kälteliebender Mikroben wie Yersinien und Listerien begünstigen. Diese Mikroorganismen sind möglicherweise Verursacher des Morbus Crohn (Krankheit des Verdauungssystems) ^[2]. Der Verzehr verdorbener Speisen wegen Verzicht auf die Kühlung dürfte allerdings mit größeren Krankheitsrisiken behaftet sein.

Eine nachteilige Folge der Verwendung antibakterieller Silberbeschichtungen in Kühlschränken ist die Übertragung von Silberteilchen in Nahrungsmittel.

Reparaturen

Bauteile wie beispielsweise der Kompressor, der Starter des Kompressors und der Thermostat sind höheren Beanspruchungen ausgesetzt. Während der Austausch eines Thermostaten von fast jedem Elektrobetrieb durchgeführt werden kann, muss man sich bei einem beschädigten Kompressor in der Regel an den Reparaturdienst des Geräteherstellers oder aber an einen Fachbetrieb für Kältetechnik wenden. Der Austausch eines Kompressors kann so teuer werden, dass gleich ein Wechsel des gesamten Kühlgerätes sinnvoller sein kann, da nicht nur der Kompressor, sondern auch die gesamte Füllung mit Kältemittel ersetzt werden muss. Der Starter ist hohen Strömen und hohen Temperaturunterschieden ausgesetzt. Bei kunden- und umweltfreundlich konstruierten Kühl- und Gefrierschränken kann der Starter getrennt vom Kompressor ausgetauscht werden.

Einschalten

Wird ein Kompressorkühlschrank ausgeschaltet, kann der Kompressor gegen den noch im Verflüssiger vorhandenen Druck nicht sofort wieder anlaufen. Erst nach einiger Zeit (1–2 Minuten) gleicht sich der Druck durch die Drossel und den Kondensator wieder aus und der Anlauf ist wieder möglich. Die im Kühlschrank eingebaute Regelung beachtet diese Wartezeit automatisch. Wird jedoch im laufenden Betrieb der Stecker gezogen, so sollte er erst nach einigen Minuten wieder eingesteckt werden, um den Kompressorantrieb nicht unnötig zu überlasten. Wird der Kühlschrank dennoch sofort wieder eingesteckt, wird nach erfolglosen Startversuchen eine Wartezeit durch einen (selbstrückstellenden) Motorschutzschalter verursacht.

Transport

Wurde ein für stehenden Betrieb ausgelegter Kompressor-Kühlschrank längere Zeit liegend transportiert, so kann sich Schmiermittel aus dem Kompressor in den Kühlkreislauf verlagert haben. In diesem Fall sollte der Kühlschrank erst mehrere Stunden in seiner normalen Lage stehen, bevor er wieder in Betrieb genommen wird. Dadurch wird dem Schmiermittel genügend Zeit gegeben, um in den Kompressor zurück zu fließen.

Siehe auch

• Thermodynamik
• Wärmeleitung
• Wärmepumpe
• Kältemaschine
• Kühlschrankpoesie

Einzelnachweise

1. ↑ Britannica 2004
2. ↑ Jean-Pierre Hugot, Corinne Alberti, Dominique Berrebi, Edouard Bingen, Jean-Pierre Cézard. Crohn's disease: the cold chain hypothesis. Lancet 2003; 362: 2012-15