Im Grunde genommen handelt es sich bei den in Ultra-Tiefkühlschränken (ULT) verwendeten Kältemittelflüssigkeiten um spezialisierte gasförmige Verbindungen, die aufgrund ihrer Fähigkeit, sich unter bestimmten Bedingungen leicht verflüssigen zu lassen, ausgewählt werden. Sie werden durch Eigenschaften wie eine hohe kritische Temperatur und einen niedrigen kritischen Druck definiert, die es ihnen ermöglichen, Wärme effizient aufzunehmen und abzugeben. Die gängigsten modernen Kältemittel für diese Anwendungen umfassen natürliche Kohlenwasserstoffe wie R170 (Ethan) und R290 (Propan) sowie Fluorkohlenwasserstoffe wie R23 (Trifluormethan).
Die zentrale Herausforderung beim Erreichen von ultraniedrigen Temperaturen wird nicht durch ein einziges „Super“-Kältemittel gelöst. Stattdessen verwenden ULT-Gefrierschränke ein mehrstufiges „Kaskaden“-System, bei dem zwei oder mehr unterschiedliche Kältekreisläufe zusammenarbeiten, die jeweils für einen bestimmten Temperaturbereich optimiert sind.
Die grundlegenden Eigenschaften von Kältemitteln
Um zu verstehen, warum bestimmte Flüssigkeiten ausgewählt werden, müssen wir uns zunächst die idealen Eigenschaften ansehen, die für jeden Kältekreislauf erforderlich sind. Diese Eigenschaften bestimmen die Effizienz, Sicherheit und Wirksamkeit des gesamten Systems.
Hohe kritische Temperatur
Die kritische Temperatur ist die höchste Temperatur, bei der ein Gas allein durch Druckanwendung wieder in eine Flüssigkeit umgewandelt werden kann. Eine hohe kritische Temperatur stellt sicher, dass das Kältemittel im Verflüssiger leicht mit Umgebungsluft oder Wasser verflüssigt werden kann, was ein entscheidender Schritt bei der Abgabe der aufgenommenen Wärme ist.
Niedriger kritischer Druck
Dies ist der Mindestdruck, der erforderlich ist, um das Gas bei seiner kritischen Temperatur zu verflüssigen. Ein niedrigerer kritischer Druck bedeutet, dass der Kompressor des Systems nicht so hart arbeiten muss, was zu einer höheren Energieeffizienz und einer geringeren mechanischen Belastung der Komponenten führt.
Sicherheit und geringe Toxizität
Da diese Systeme in Laboren und medizinischen Einrichtungen betrieben werden, müssen die Kältemittel ein begrenztes Gefahren- und Toxizitätsprofil aufweisen. Dies minimiert das Risiko für das Personal und die Umgebung im Falle eines Lecks.
Wie Kaskadensysteme ultraniedrige Temperaturen erreichen
Ein einzelnes Kältemittel kann die enorme Temperaturdifferenz zwischen einem warmen Raum und -86°C nicht effizient überbrücken. ULT-Gefrierschränke lösen dies, indem sie zwei unabhängige, aber thermisch verbundene Kühlsysteme verwenden.
Die erste Stufe (Hochtemperaturkreislauf)
Dieser erste Kreislauf funktioniert wie ein Standardgefrierschrank. Er verwendet ein Kältemittel wie R290 (Propan), um Wärme aus dem zweiten Kreislauf aufzunehmen und ihn effektiv vorzukühlen. Seine Aufgabe ist es nicht, die Kammer selbst zu kühlen, sondern eine kühlere Umgebung für die nächste Stufe zu schaffen, in der sie arbeiten kann.
Die zweite Stufe (Tieftemperaturkreislauf)
Dieser Kreislauf erzeugt die endgültige ultraniedrige Temperatur im Gefrierschrank. Er verwendet ein Kältemittel mit einem viel niedrigeren Siedepunkt, wie R170 (Ethan) oder R23 (Trifluormethan). Dieser Kreislauf nimmt Wärme aus dem Inneren des Gefrierschranks auf und leitet sie an die erste Stufe weiter, die sie dann an die Umgebung abgibt.
Die Kompromisse verstehen
Die Auswahl der Kältemittel erfordert eine Abwägung zwischen Leistung und ökologischen sowie betrieblichen Aspekten. Moderne Fortschritte konzentrieren sich stark auf die Optimierung dieser Balance.
Umweltauswirkungen
Ältere Kältemittel (FCKW und HFKW) hatten verheerende Auswirkungen auf die Ozonschicht und ein hohes Treibhauspotenzial. Moderne ULT-Gefrierschränke sind auf natürliche Kältemittel wie R170 und R290 umgestiegen, gerade weil sie nur geringe Auswirkungen auf die Ozonschicht und ein sehr niedriges Treibhauspotenzial haben.
Energieeffizienz
Die Wahl des Kältemittels ist direkt mit dem Energieverbrauch verbunden. Laufende Verbesserungen sowohl bei der Kompressortechnologie als auch bei den thermodynamischen Eigenschaften dieser Flüssigkeiten machen ULT-Gefrierschränke erheblich energieeffizienter, wodurch sowohl die Betriebskosten als auch der CO2-Fußabdruck reduziert werden.
Systemmechanik
Die Leistung des Kältemittelfluids hängt vom physischen System ab. Die Wärme wird typischerweise über luftgekühlte Verflüssiger entfernt – Rohrschlangen aus Kupfer oder Kupfer-Aluminium – wobei der Luftstrom durch Lüfter angetrieben wird. Der entscheidende Kühleffekt tritt ein, wenn das unter hohem Druck stehende flüssige Kältemittel durch Kapillarrohre entspannt wird, was zu einem schnellen Abfall von Temperatur und Druck führt.
Die richtige Wahl für Ihr Ziel treffen
Das Verständnis dieser Prinzipien ermöglicht es Ihnen, ein Gerät basierend auf Ihren Hauptzielen auszuwählen.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf ökologischer Nachhaltigkeit liegt: Bevorzugen Sie Gefrierschränke, die natürliche Kältemittel mit niedrigem GWP wie R170 und R290 verwenden.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Senkung der Betriebskosten liegt: Suchen Sie nach Modellen, die energieeffiziente Kältemittel mit fortschrittlicher Kompressortechnologie kombinieren.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf Leistung und Zuverlässigkeit liegt: Wählen Sie Systeme mit robusten Kaskadendesigns und Komponenten, die für die spezifischen Drücke ihrer jeweiligen Kältemittel ausgelegt sind.
Letztendlich ist ein effektiver ULT-Gefrierschrank ein ausgewogenes System, bei dem die chemischen Eigenschaften der Kältemittel perfekt auf die mechanische Konstruktion der Hardware abgestimmt sind.
Zusammenfassungstabelle:
| Eigenschaft | Warum sie für ULT-Gefrierschränke wichtig ist | Gängige Kältemittel |
|---|---|---|
| Hohe kritische Temperatur | Ermöglicht eine effiziente Wärmeabgabe und Verflüssigung im Verflüssiger. | R290 (Propan), R23 |
| Niedriger kritischer Druck | Reduziert die Belastung des Kompressors, verbessert die Energieeffizienz und Lebensdauer. | R170 (Ethan), R290 |
| Niedriger Siedepunkt | Ermöglicht dem System, ultraniedrige Temperaturen (z. B. -86°C) zu erreichen. | R170 (Ethan), R23 |
| Geringe Umweltauswirkungen | Moderne Geräte verwenden natürliche Kältemittel mit niedrigem Treibhauspotenzial (GWP). | R170, R290 |
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