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Wie entsteht eigentlich unser Eis im Eisstadion ?

Den Einen interessiert es null, aber der ein oder andere möchte schon mal gerne wissen, wie eigentlich unser Eis zu Eis wird.

Eine Kunsteisbahn ist im Grunde nichts anderes wie ein überdimensionierter Kühlschrank.
D.h. das physikalische Prinzip, wie Kälte erzeugt wird ist das gleiche wie in einem Kühlschrank.
In dieser Grössenordnung wie unsere im Eisstadion Ludwigshafen, reden wir von einer  Kaltdampf-Kälte­anlage, die immer in 4 Arbeitsschritte unterteilt ist:

 

Schritt 1: Kälteerzeugung durch Verdampfung von Kältemittel bei Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur.
Schritt 2: Kompression des verdampften Kältemittels mit Hilfe von Verdichtern
Schritt 3: Kondensation des Kältemittels bei Temperaturen oberhalb der Umgebungs­temperatur
Schritt 4: Expansion des Kältemittels vom Kondensator im Verdampfer

 

Schritt 1: Kälteerzeugung durch Verdampfung

Der Verdampfungsprozess als solcher ist jedem bekannt, der Zuhause gelegentlich Wasser kocht. Durch Wärmezufuhr über die Herdplatte wird das Wasser erhitzt und verdampft sobald es eine Temperatur von 100° C erreicht hat. Benutzt man einen Schnellkochtopf, setzt man das Wasser unter Druck und es kocht erst bei ca. 180° C. Wenn man nun umgekehrt den Dampfdruck über dem Wasser durch eine Vakuumpumpe reduziert, beginnt das kochen schon bei Temperaturen deutlich unter 100° C.

In Kältemaschinen wird statt Wasser ein Kältemittel für die Verdampfung eingesetzt.
Da sich das Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf befindet, kann man im Verdampfer durch das gezielte Zuführen von flüssigem Kältemittel (Schritt 4) und das gezielte Abführen von Kältemitteldampf (Schritt 2) einen ganz bestimmten Druck aufrecht erhalten.
Dieser Druck wird so gewählt, dass das Kältemittel bei Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur verdampft.

Im Fall des ERCL wird als Kältemittel Ammoniak verwendet, welches bei einem Druck
von ca. 3,5 bar verdampft, was wiederum einer Verdampfungstemperatur von -5° C entspricht.
Damit das Kältemittel jedoch verdampfen kann, muss es der Umgebung Wärme entziehen.
Bei einer Kunsteisbahn sind deshalb kilometerlange Rohrschlangen in die Eispiste betoniert, in denen das Kältemittel verdampft und dabei der Eispiste Wärme entzieht.
Hierdurch wird "Kälte" erzeugt und das bei der Eisbereitung aufgebrachte Wasser friert ein.
 

Schritt 2: Kompression des verdampften Kältemittel

Um den Verdampfungsdruck konstant zuhalten, muss mit Hilfe eines Kältemittelverdichters
permanent verdampftes Kältemittel aus dem Verdampfer abgesaugt werden.
Beim ERCL werden für den Verdichtungsprozess sogenannte Kolbenverdichter verwendet.
Diese ähneln vom Aufbau her einem Automotor. Allerdings geben die Verdichter keine Leistung ab, sondern sie müssen über starke Elektromotoren angetrieben werden.
Ventilplatten im Verdichter sorgen dafür, dass bei der Volumenvergrösserung im Zylinder Kältemittel aus dem Verdampfer abgesaugt und bei der Volumenverkleinerung dieses Kältemittel verdichtet und in Richtung Kondensator ausgeschoben wird.
Das wichtigste Mass für den Verdichter ist die erforderliche Antriebsleistung, da diese schliesslich über die Stromrechnung bezahlt werden muss.
Diese Antriebsleistung wird vorwiegend durch den Kondensationsdruck bestimmt.
Bei hohen Umgebungstemperaturen muss der Kondensationsdruck angehoben werden,
wodurch eine höhere Antriebsleistung erforderlich ist und selbstverständlich höhere Betriebskosten anfallen.
 

Schritt 3: Kondensation des Kältemittel

Den physikalischen Vorgang der Kondensation, können wir in jedem Winter in unsern Autos erleben.
Wir steigen ein und geben vor allem über unsern Atem Feuchtigkeit an die Luft im inneren des Autos ab. Die Scheiben sind jedoch kälter als die Luft im inneren, so dass die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit an den Scheiben kondensiert. Hierbei gibt das kondensierte Wasser seine Kondensationswärme an die Scheiben ab.
Dieser Prozess wird im Kondensator einer Kälteanlage ebenfalls nachgebildet. Durch die Kompression wird das Kältemittel auf einen solchen Druck gebracht, dass es bei Temperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur Wärme an die Umgebung abführt und dabei kondensieren kann.
Die im Kondensator abzuführende Wärmemenge entspricht der aufgenommenen Wärmemenge bei der Verdampfung vermehrt um die Antriebsleistung des Verdichters. Das heisst letztendlich, dass jede Kältemaschine eigentlich eine Wärmeerzeugungsmaschine ist, da netto immer mehr Wärme abgegeben als Kälte erzeugt wird.
Üblicherweise wird die Abwärme von Kältemaschinen meist an die Umgebung abgegeben.
Im Fall des ERCL macht man sich jedoch die Abwärme zu Nutzen.

Über einen Plattenwärmetauscher mit einer Leistung von 100kW wird die Abwärme der Verdichter für die Erwärmung der beiden je 1500 ltr. fassenden WW-Behälter für Heizung, Warmwasser und Eisbereitung verwendet.

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