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Fachübungen 11 – Auswählen und Montieren von Wärmeaustauschern, Drosselorganen und Bauteilen - Mechatroniker für Kältetechnik

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Einleitung

Du arbeitest im dritten Ausbildungsjahr der Ausbildung Mechatronikerin beziehungsweise Mechatroniker für Kältetechnik. Im Lernfeld 11 planst du anhand eines Kundenauftrags die Auswahl von Wärmeaustauschern, Drosselorganen und weiteren Bauteilen. Du vergleichst Betriebsbedingungen und Herstellerangaben, zeichnest Fließbilder, berechnest Leistungen, begründest eine Auswahl und dokumentierst die vorgesehenen Funktionsprüfungen. Der KMK-Rahmenlehrplan vom 15. März 2007 ordnet diesem Lernfeld im dritten Ausbildungsjahr einen Zeitrichtwert von 80 Stunden zu.

Lernziele: Du kannst Verdampfer, Verflüssiger und Wärmeübertrager unterscheiden; Gegen-, Gleich- und Kreuzstrom erklären; thermostatische und elektronische Expansionsventile auswählen; energetische Kennwerte berechnen; Hilfsbauteile in einem Fließbild zuordnen; Montage und Prüfungen sicher planen sowie eine nachvollziehbare Kundendokumentation erstellen.

Berufs- und Prüfungsbezug: Das BIBB führt den anerkannten Ausbildungsberuf als Monoberuf mit 42 Monaten Ausbildungsdauer und nennt die Ausbildungsordnung vom 20. Juli 2007. Diese sieht eine Abschluss- beziehungsweise Gesellenprüfung in zwei zeitlich getrennten Teilen vor. Dieser Kurs enthält selbst entwickelte Übungsaufgaben, keine Originalprüfungsaufgaben und keine pauschalen Aussagen über aktuelle individuelle Prüfungstermine.

Sicherheit und Geltungsbereich: Alle Zahlen und Gerätebezeichnungen im Modellfall sind synthetische Lernwerte; es wird keine reale Anlage ausgelegt, freigegeben oder in Betrieb genommen. Arbeiten an druckbeaufschlagten Kältemittelkreisen, elektrischen Anlagenteilen, bewegten Ventilatoren, heißen Oberflächen, Gefahrstoffen und Kältemitteln erfolgen ausschließlich durch entsprechend qualifizierte Personen unter fachlicher Anleitung, mit Gefährdungsbeurteilung, aktuellen Herstellerunterlagen und den jeweils geltenden Vorschriften. Eine theoretische Lösung ersetzt weder die Sachkunde noch die Freigabe einer Anlage.

Anforderungen erfassen und den Kreisprozess verstehen

Vom Kundenauftrag zur technischen Auswahl

Ein Kundenauftrag nennt die gewünschte Kälteleistung, Solltemperaturen, Umgebung, Wärmequelle oder Wärmesenke, Aufstellort, Geräuschgrenzen, Betriebszeiten, zulässige Kältemittel sowie Energie- und Wartungsanforderungen. Die Auswahl beginnt mit einer Anforderungsliste: Welche Daten sind nachweisbar? Welche Randbedingungen fehlen? Unter welchen Bedingungen gelten die Leistungswerte in Datenblättern? Ein Bauteil mit passender Nennleistung kann bei anderen Verdampfungs- oder Verflüssigungstemperaturen ungeeignet sein.

Planungsgröße	Bedeutung	Typische Auswirkung auf die Auswahl
Kälteleistung Q0	Im Verdampfer aufgenommener Wärmestrom	notwendige Verdampferleistung
Verflüssigerleistung QH	An die Wärmesenke abgegebener Wärmestrom	erforderliche Verflüssigerkapazität
Verdampfungstemperatur t0	Sättigungstemperatur auf Niederdruckseite	Ventil- und Verdampferauslegung
Verflüssigungstemperatur tc	Sättigungstemperatur auf Hochdruckseite	Druckverhältnis und Ventilbetrieb
Luft- beziehungsweise Flüssigkeitsvolumenstrom	Durchsatz des sekundären Mediums	Wärmeübergang und Druckverlust
Kältemittel und Einsatzgrenzen	Zulässige Medien, Drücke, Temperaturen und Sicherheitsanforderungen	Eignung und Regelkonzept

Abbildung: Verdichter, Verflüssiger, Drosselorgan und Verdampfer im grundlegenden Kaltdampfkreisprozess (Jahobr, CC0; Datei und Lizenz im Medienverzeichnis).

Energiebilanz und Leistungszahl

Im Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärme Q0 auf, der Verdichter benötigt elektrische beziehungsweise zugeführte Antriebsleistung P, und der Verflüssiger muss näherungsweise QH = Q0 + P abgeben. Für eine theoretische Betrachtung gilt die Kälteleistungszahl COP = Q0 / P, wenn die Leistungs- und Systemgrenzen einheitlich definiert sind. Beispiel: Q0 = 12 kW und angenommener COP = 3 führen zu P = 12 kW / 3 = 4 kW und QH = 12 kW + 4 kW = 16 kW. Die Wärmeabgabe ist also nicht mit der Kälteleistung gleichzusetzen. Reale Auslegung berücksichtigt zusätzliche Wärmequellen, Betriebszustände und Herstellerdaten.

Bei einem Drosselvorgang wird die spezifische Enthalpie idealisiert näherungsweise konstant angenommen; der Druck sinkt, ein Teil der Flüssigkeit kann sofort verdampfen. Im Druck-Enthalpie-Diagramm liegen die vier Grundprozesse Verdichten, Verflüssigen, Drosseln und Verdampfen. Du darfst ein Diagramm für ein bestimmtes Kältemittel nicht auf andere Stoffe übertragen.

Abbildung: Beispielhaftes p-h-Diagramm für einen Kälteprozess; Beschriftung der Originalgrafik teilweise japanisch (Shoji Yamauchi, CC BY-SA 4.0).

Überhitzung, Unterkühlung und Messdaten

Überhitzung ist die Differenz zwischen der Temperatur des Kältemitteldampfes an der betrachteten Messstelle und der zugehörigen Sättigungstemperatur beim dortigen Druck. Unterkühlung ist die Differenz zwischen der Sättigungstemperatur auf der Flüssigkeitsseite und der tatsächlich gemessenen Flüssigkeitstemperatur. Beide Größen werden in Kelvin als Temperaturdifferenz angegeben. Beispiel mit synthetischen Daten: Sauggastemperatur −1 °C, zugehörige Taupunkttemperatur −7 °C, also Überhitzung = 6 K. Flüssigkeitstemperatur 33 °C bei einer Blasenpunkttemperatur von 39 °C, also Unterkühlung = 6 K. Bei Kältemittelgemischen mit Temperaturgleit wird für Überhitzung der Taupunkt und für Unterkühlung der Blasenpunkt passend zu Druck und Stoffdaten verwendet.

Überhitzung allein beweist weder eine korrekte Füllmenge noch die Fehlerursache. Ein Prüfbericht benötigt Messstelle, Messunsicherheit, Betriebszustand, Kältemittel, Druck-Temperatur-Zuordnung und den Hersteller-Sollbereich. Ungeprüfte Faustwerte sind keine Einstellvorgaben.

Fachvideo (Englisch): MEP Academy erläutert Überhitzung und Unterkühlung; zum Lernen, nicht als herstellerunabhängige Einstellanweisung.

Wärmeaustauscher auswählen und berechnen

Bauarten und Strömungsführung

Ein Wärmeübertrager überträgt thermische Energie zwischen Stoffströmen, ohne dass diese sich bei einem indirekten Übertrager planmäßig vermischen. Gleichstrom bedeutet gleiche Hauptströmungsrichtung, Gegenstrom entgegengesetzte Richtungen, Kreuzstrom sich kreuzende Ströme. Bei geeigneten Temperaturverläufen erlaubt Gegenstrom einen günstigen mittleren Temperaturunterschied. Die tatsächliche Leistungsfähigkeit hängt zusätzlich von Oberfläche, Wärmeübergangskoeffizienten, Verschmutzung, Druckverlust und Phasenwechsel ab.

Prinzip	Strömungswege	Planungshinweis
Gleichstrom	beide Medien strömen parallel in dieselbe Richtung	Austrittstemperaturen nähern sich einander an
Gegenstrom	Medien strömen in entgegengesetzte Richtungen	häufig günstige Temperaturannäherung
Kreuzstrom	Stromrichtungen kreuzen sich	bei Lamellenwärmeübertragern mit Luft üblich

Abbildung: Strömungsarten bei Wärmeübertragern (Jlfd, Vektorfassung, CC0).

Abbildung: Plattenwärmeübertrager mit getrennten Medienwegen (R. Castelnuovo/Ub und Krzysztof Zajączkowski, CC BY-SA 3.0).

Fachvideo (Englisch): Alfa Laval demonstriert den Gegenstrom in einem gedichteten Plattenwärmeübertrager. Das Produktvideo ist keine freie Grafiklizenz.

Verdampfer, Verflüssiger und besondere Wärmeübertrager

Luftkühler führen Luft über lamellierte Verdampferflächen; relevant sind Ventilatorbetrieb, Luftverteilung, Vereisung, Kondensatabführung und Hygiene. Flüssigkeitskühler übertragen Wärme von Wasser oder geeigneten Wärmeträgergemischen auf das Kältemittel; hier sind Frostschutz, Verschmutzung und zulässige Druckverluste wichtig. Verflüssiger können luftgekühlt, wassergekühlt oder hybrid ausgeführt sein; sie geben die Kondensationswärme an die Umgebung oder ein Rückkühlsystem ab. Unterkühler senken die Flüssigkeitstemperatur unter die jeweilige Sättigungstemperatur; Sauggasüberhitzer erhöhen die Überhitzung auf der Sauggasseite. Der Nutzen eines internen Flüssigkeits-Sauggas-Wärmeübertragers muss für das konkrete Kältemittel und die Gesamtanlage bewertet werden.

Für luftgekühlte Verflüssiger sind ausreichender freier Luftweg, Vermeidung von Kurzschlussströmungen, Zugänglichkeit und Schallschutz notwendig. Wassergekühlte Systeme benötigen eine geeignete Wasserqualität und Rückkühlung. Bei hybriden Systemen kommen Wasserverbrauch, Wasserhygiene und Regelstrategie hinzu. Ein Eintrag im Katalog unter idealisierten Nennbedingungen ist keine Garantie für die Leistung im Aufstellfall.

Fotografie: Beispiel eines außenliegenden Wärmeabgabegeräts; tatsächliche Wärmeübertrager- und Luftführung projektbezogen beurteilen (Adoscam, CC BY-SA 4.0).

Fachrechnen: Wärmestrom, Fläche und Volumenstrom

Für einen einphasigen sekundären Wärmeträger ohne Phasenwechsel gilt näherungsweise Q = m · cp · ΔT. Dabei ist Q in kW, m der Massenstrom in kg/s, cp in kJ/(kg·K) und ΔT die Temperaturänderung in K. Bei einem hypothetischen Wasserstrom mit Q = 12 kW, cp = 4,18 kJ/(kg·K) und ΔT = 3 K erhältst du m = 12 / (4,18 · 3) = 0,957 kg/s. Unter der vereinfachten Annahme einer Dichte von 1 000 kg/m³ entspricht das rund 3,45 m³/h. Druckverlust, Pumpenauslegung und Frostschutz sind damit noch nicht nachgewiesen.

Für Wärmeaustauscher ohne Phasenwechsel auf beiden Seiten kann bei geeigneter Betriebsweise die Näherung Q = U · A · ΔTlm verwendet werden. Der logarithmische mittlere Temperaturunterschied lautet ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2). Bei ΔT1 = 15 K und ΔT2 = 5 K ergibt sich ΔTlm ≈ 9,10 K. Für Q = 10 000 W und U = 500 W/(m²·K) folgt A = 10 000 / (500 · 9,10) ≈ 2,20 m². U ist hier ein angenommener Lernwert, keine allgemeingültige Kenngröße. Beim verdampfenden Kältemittel und Gemischen mit Temperaturgleit müssen geeignete Spezialverfahren und Herstellerdaten herangezogen werden.

Typische Rechenfehler: Einheiten von kJ und J vermischen, Temperaturdifferenzen als absolute Celsiuswerte einsetzen, Wärmeabgabe mit Nutzkälteleistung verwechseln, die Luftdichte ignorieren oder mit nicht passenden Katalogbedingungen rechnen.

Drosselorgane und Regelung fachgerecht auswählen

Thermostatisches und elektronisches Expansionsventil

Das thermostatische Expansionsventil (TEV) dosiert Kältemittel zum Verdampfer in Abhängigkeit von der am Fühler erfassten Temperatur und der Druckwirkung des Verdampfers. Es besteht unter anderem aus Ventilsitz, Düse, Membran, Feder und Fühlersystem. Ein äußerer Druckausgleich kann bei bestimmten Verdampfer-Druckverlusten erforderlich sein; die konkrete Auswahl folgt den Herstellerangaben. Die Fühleranordnung und thermische Ankopplung beeinflussen die Regelqualität.

Das elektronische Expansionsventil (EEV) stellt seinen Öffnungsgrad durch einen Antrieb beziehungsweise getaktete Ansteuerung ein. Ein geeigneter Regler verarbeitet Temperatur- und Drucksignale und benötigt passende Sensoren, Spannungsversorgung, Parametrierung und Fehlersicherheitskonzept. Es ist nicht automatisch in jeder Anlage sparsamer: Regelstrategie, Einsatzbereich und Systemeinbindung entscheiden. Ein Kapillarrohr ist ein nicht nachgeführtes Drosselorgan und passt nur bei entsprechend engem Auslegungsbereich.

Abbildung: Grundaufbau eines TEV mit Fühler und Regelmechanismus (MasterTriangle12, CC BY-SA 4.0; englische Beschriftung).

Abbildung: Einbindung des Fühlers und äußeren Druckausgleichs im schematischen Kältekreislauf (MasterTriangle12, CC BY-SA 4.0; englische Beschriftung).

Fachvideo (Englisch): The Engineering Mindset zeigt Aufbau und Funktion eines TEV. Vor einer praktischen Arbeit immer das konkrete Datenblatt des verwendeten Ventils heranziehen.

Auswahl anhand von Herstellerunterlagen

Eine fachgerechte Ventilauswahl benötigt mindestens Kältemittel, Auslegungs-Kälteleistung, Verdampfungstemperatur, Verflüssigungs- beziehungsweise Flüssigkeitstemperatur, Druckdifferenz am Ventil, Unterkühlung, gewünschte Überhitzungsregelung und Betriebsbereich. Prüfe auch Düse, zulässige Betriebsdrücke, Rohranschlüsse, Kältemittelverträglichkeit und gegebenenfalls MOP-Funktion. Beim EEV kommen Reglerkompatibilität, Stromversorgung, Sensoren und sichere Ausfallstellung hinzu. Die Kälteleistung eines Ventils hängt von den genannten Bedingungen ab; eine bloße Nennweite ist kein Auswahlkriterium.

Fiktive Vergleichsmatrix für Lernzwecke:

Merkmal	TEV-A	EEV-B
Art	mechanisch, fühlergeführt	elektronisch, motorisch angesteuert
Betriebsbereich	mit Temperatur- und Druckgrenzen des Herstellers abgleichen	ebenfalls Einsatzgrenzen sowie Regler und Sensoren abgleichen
Zusätzliche Infrastruktur	passender Fühler und gegebenenfalls Druckausgleich	Regler, Sensorik, Spannungsversorgung, Parametersatz
Wartungsrisiko	Fühlerlage, Düse, Verschmutzung	Sensorabweichung, Antrieb, Leitungen, Softwarekonfiguration

Fehlerbilder methodisch eingrenzen

Ein TEV, das unruhig regelt, kann unter anderem falsch dimensioniert sein, einen ungünstig montierten Fühler haben, mit unpassender Druckausgleichsführung arbeiten oder auf stark wechselnde Last treffen. Hohe Überhitzung kann zu kleiner Kältemittelzufuhr passen, aber auch durch Luftmangel, Vereisung, Druckverlust oder eine falsche Messzuordnung mitbedingt sein. Niedrige Überhitzung kann Flüssigkeitsrücklauf begünstigen. Ein verschmutzter Filtertrockner lässt sich nicht allein aus einem einzelnen Temperaturwert diagnostizieren.

Diagnoseschema: Symptom beschreiben → Messstellen und Messbedingungen dokumentieren → Sollwerte aus Katalog ableiten → mehrere plausible Ursachen formulieren → gefahrlose Datenprüfung beziehungsweise Prüfung durch Fachpersonal planen → Befund und Restunsicherheit protokollieren. Das absichtliche Überbrücken einer Sicherheitseinrichtung ist keine zulässige Diagnosemethode.

Weitere Bauteile, Montage- und Prüfplanung

Bauteile und Einbaupositionen im Fließbild

Zum Kältemittelkreislauf gehören je nach Anlage Filtertrockner, Schauglas, Absperrorgane, Flüssigkeitssammler, Ölabscheider, Flüssigkeitsabscheider, Magnetventile, Druckregelventile sowie Pulsations- und Schwingungsdämpfer. Ihre Einbauorte und Strömungsrichtungen sind funktional begründet. Ein Schauglas kann bei bestimmten Systemen den Flüssigkeitszustand beziehungsweise Feuchteindikator anzeigen, ersetzt aber keine vollständige Kältemittel- und Dichtheitsdiagnose. Ein Flüssigkeitsabscheider soll den Verdichter vor flüssigem Kältemittel schützen; ein Ölabscheider unterstützt unter geeigneten Bedingungen das Ölmanagement.

Vereinfachtes Funktionsfließbild für eine Übung, keine Montagezeichnung:

Abschnitt	Fließrichtung und Funktion
Hochdruckseite	Verdichter → Verflüssiger → gegebenenfalls Sammler
Flüssigkeitsleitung	Absperrorgan → Filtertrockner → Schauglas → Magnetventil → Drosselorgan
Niederdruckseite	Drosselorgan → Verdampfer → gegebenenfalls Sauggasabscheider → Verdichter

Ein realer Plan enthält normgerechte Symbole, Messstellen, Sicherheitsorgane, Bauteilkennzeichnung, Leitungsdimensionen, Druckstufen, Füllangaben und herstellerspezifische Strömungsführung. Die Tabelle ist keine vollständige Sicherheitsauslegung.

Luftführung, Abtauung und Schwingungsschutz

Ventilatorkennlinie und Anlagenkennlinie bestimmen gemeinsam den Betriebspunkt. Erhöhte Widerstände an Lamellen, Gittern oder Luftkanälen können den Luftvolumenstrom verringern und den Wärmeübergang verschlechtern. Schall- und Schwingungsschutz berücksichtigen Entkopplung, Befestigung, Körperschallübertragung, Drehzahl, Nachbarschaft und Wartungszugänglichkeit.

Bei Verdampfern unter frostbildenden Bedingungen muss ein geeignetes Abtaukonzept geplant werden, etwa elektrische Abtauung, Heißgasabtauung oder Abtauung durch Stillstandszeiten, sofern die Prozessbedingungen das zulassen. Zu beurteilen sind Energiebedarf, Temperaturanstieg des Kühlgutes, Kondensatabfluss, Wiederanlauf und Sicherheitsfunktionen. Es gibt keine pauschal beste Methode. Eine Heizleistung aus einer Übungsrechnung ist kein Auftrag für Elektroinstallationen.

Qualifizierte Montage und Funktionsnachweis planen

Leite aus der Dokumentation einen theoretischen Montageablauf ab: Arbeitsauftrag und Herstellerfreigaben prüfen; Kältemittel-, Druck- und Elektrogefahren beurteilen; notwendige Qualifikationen sowie Schutz- und Entsorgungsmaßnahmen festlegen; mechanische Zugänglichkeit, Lastabtragung, Strömungsrichtung und Schwingungsentkopplung planen; Mess- und Dokumentationspunkte markieren; die fachlich autorisierten Prüfungen, Einstellungen und Abnahmeprotokolle festlegen. Die tatsächliche Trennung von Energien, Eingriffe in Druckkreise, Fügeverfahren, Dichtheitsprüfungen, Evakuierung und elektrische Prüfungen bleiben entsprechend qualifiziertem Personal vorbehalten.

Ein qualifizierter Funktionsnachweis erfasst den identifizierbaren Betriebszustand, Soll-Ist-Vergleich, Sicherheits- und Betriebsparameter und die kundengerechte Einweisung. Für reale Anlagen gelten die jeweils aktuellen gesetzlichen Anforderungen, Kältemittelsicherheitsregeln und Herstelleranweisungen. Eine fehlende oder unplausible Messung muss als offen gekennzeichnet werden; keine fingierte Freigabe.

Berufstypischer Modellfall mit Musterlösung

Auftrag und synthetischer Gerätekatalog

Auftrag: Für einen fiktiven Kühlraum soll eine luftgekühlte Anlage planerisch ergänzt werden. Gefordert sind 12,0 kW Nutzkälteleistung am festgelegten Auslegungspunkt, eine Luftabkühlung über den Verdampfer um 5 K, ein angenommener COP von 3,0 und ein möglichst wartungsfreundlicher, vibrationsarmer Aufbau. Kältemittel, Druckstufe und zulässige Stoffgruppe werden in diesem Unterrichtsfall nur als Kältemittel X bezeichnet; es wird kein echter Stoff und keine konkrete Sicherheitseinstufung vorgegeben. Die simulierten Leistungswerte der folgenden Bauteile gelten ausschließlich am identischen Modell-Auslegungspunkt.

Fiktives Bauteil	Modell	Nutz- beziehungsweise Abgabeleistung am Modellpunkt	Hinweis
Luftverdampfer	V-11	11,0 kW	unterdimensioniert
Luftverdampfer	V-14	14,0 kW	Leistungsreserve; Einbaumaße prüfen
Verflüssiger	K-15	15,0 kW	kleiner als erforderliche Wärmeabgabe
Verflüssiger	K-19	19,0 kW	Leistungsreserve; Schall und Luftweg prüfen
Drosselorgan	D-10	10,0 kW	zu kleine Bemessungsleistung
Drosselorgan	D-13	13,0 kW	am fiktiven Betriebspunkt geeignet, sofern übrige Bedingungen stimmen

Die Herstellerdaten dieses Beispiels sind erfunden und dienen nur zur Rechen- und Entscheidungskompetenz. Die tatsächliche Auswahl verlangt reale Kataloge mit Medienverträglichkeit, zulässigem Druck, Regelbarkeit, Anschluss und Einbausituation.

Musterarbeitsprodukt A: Rechenblatt

Schritt 1: Q0 = 12,0 kW. Angenommene Antriebsleistung P = Q0 / COP = 12,0 / 3,0 = 4,0 kW.

Schritt 2: Wärmeabgabe QH = Q0 + P = 12,0 + 4,0 = 16,0 kW. Daher reicht K-15 mit 15,0 kW nicht aus; K-19 ist am angenommenen Modellpunkt die prüfenswerte Wahl.

Schritt 3: Für Luft mit angenommener Wärmekapazität cp = 1,005 kJ/(kg·K), ΔT = 5 K und Luftdichte 1,2 kg/m³ gilt m = 12,0 / (1,005 · 5) ≈ 2,39 kg/s. Volumenstrom V = 2,39 / 1,2 ≈ 1,99 m³/s ≈ 7 160 m³/h. Diese überschlägige sensible Bilanz vernachlässigt Feuchte- und Enteisungseinflüsse.

Schritt 4: V-11 ist am Modellpunkt zu klein; V-14 bietet 2,0 kW rechnerische Reserve. Für den Ventilator wären die angenommene Anlagenkennlinie und eine passende Leistungsangabe bei rund 7 160 m³/h nachzureichen.

Schritt 5: D-13 besitzt nominell 13,0 kW am gleichen fiktiven Punkt und wird für den Vergleich vorgemerkt; die endgültige Entscheidung wäre erst nach Prüfung der Druckdifferenz, Medienverträglichkeit, zulässigen Betriebsgrenzen und Regelstabilität möglich.

Ergebnis: Als theoretische Vorzugsvariante werden V-14, K-19 und D-13 dokumentiert. Es handelt sich ausdrücklich nicht um eine sichere oder betriebsbereite Anlagenkonfiguration.

Musterarbeitsprodukt B: Entscheidungs- und Prüfprotokoll

Prüffeld	Musterbegründung	Status
Leistungsbilanz	12,0 kW Kältebedarf, 4,0 kW Antrieb, 16,0 kW Abwärme	gerechnet
Verdampfer	V-14 übertrifft 12,0 kW am identischen Modellpunkt	vorläufig geeignet
Verflüssiger	K-19 übertrifft 16,0 kW am identischen Modellpunkt	vorläufig geeignet
Drosselorgan	D-13 übertrifft 12,0 kW am Modellpunkt	weitere Daten notwendig
Luftführung	rund 7 160 m³/h überschlägig; Kennlinie, Schall und Aufstellung offen	nicht nachgewiesen
Sicherheit und Normen	reale Stoffdaten, Druckgrenzen, Zuständigkeiten und Prüfprotokolle fehlen	keine Freigabe
Energetik	Abtau-, Ventilator- und Teillastverluste wären zusätzlich zu vergleichen	offen

Muster-Kundenerklärung: „Die vorgeschlagenen Bauteile decken die rechnerische Grundlast im Unterrichtsmodell ab. Vor einem realen Einbau müssen Herstellerdaten, Kältemittel, Betriebsgrenzen, Aufstellbedingungen, Schutzmaßnahmen und vorgeschriebene Prüfungen fachlich geprüft und dokumentiert werden. Der Entwurf ist keine Inbetriebnahmefreigabe.“

Fachliches Bewertungsraster zum Modellfall

Kriterium	Punkte	Vollständige Leistung
Auftragsanalyse und fehlende Daten	15	Auslegungspunkt, Sicherheitslücken und Randbedingungen klar benannt
Energiebilanz	20	COP, Antriebsleistung und QH mit Einheiten und Rechenweg korrekt
Luftmassen- und Volumenstrom	15	Formel, Annahmen, Rundung und Einheit korrekt
Komponentenvergleich	20	ungeeignete Kandidaten begründet ausgeschlossen und Grenzen erklärt
Montage-, Prüf- und Sicherheitsplanung	20	systematischer Plan ohne eigenmächtige Gefahrarbeiten oder fiktive Freigabe
Fachsprache und Kundendokumentation	10	verständliche Erläuterung, transparente Restunsicherheit, reproduzierbares Protokoll
Summe	100	fachlich begründete theoretische Auswahl

Auswertung: 90–100 Punkte = sehr sicher und nachvollziehbar; 75–89 = weitgehend sicher; 60–74 = wesentliche Ansätze vorhanden; unter 60 = gezielter Förderbedarf. Die Punkte sind ein Übungsraster, keine offizielle Prüfungsbewertung. Sicherheitskritische Auslassungen müssen zusätzlich qualitativ besprochen werden.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Prüfe dein Wissen

Was gehört zur Auswahl eines Verdampfers am Auslegungspunkt? (Leistungsangabe bei passenden Betriebsbedingungen und Luftdurchsatz) (!Nur die äußere Gehäusefarbe) (!Ausschließlich die Rohranschlussgröße) (!Nur die Listenpreisnummer)

Rückmeldung: Die Nennleistung ist nur zusammen mit Temperatur-, Durchsatz- und Druckverlustbedingungen aussagekräftig; Optik und Anschlussmaß genügen nicht.

Welche Gleichung beschreibt näherungsweise die Wärmeabgabe im Verflüssiger? (QH ist Q0 zuzüglich Antriebsleistung P) (!QH ist stets kleiner als Q0) (!QH ist immer gleich null) (!QH ist unabhängig vom Verdichter)

Rückmeldung: Der Verflüssiger muss aufgenommene Kältewärme und zugeführte Verdichterleistung abgeben; die Systemgrenze ist zu beachten.

Was kennzeichnet das Gegenstromprinzip? (Die Hauptströmungsrichtungen beider Medien sind entgegengesetzt) (!Beide Medien strömen zwingend in dieselbe Richtung) (!Die Medien werden immer miteinander vermischt) (!Ein Medium bleibt bei jeder Bauart vollständig stehen)

Rückmeldung: Gegenstrom nutzt entgegengesetzte Richtungen; das allein legt noch keine vollständige Leistung fest.

Welche Größe steuert ein korrekt eingebundenes thermostatisches Expansionsventil wesentlich? (Die Überhitzung am Verdampferausgang) (!Die Farbe des Verdampfergehäuses) (!Den Netzstrom aller Gebäudeleuchten) (!Die Temperatur der Raumbeleuchtung)

Rückmeldung: Das TEV verknüpft Fühlertemperatur und Druckwirkung; die Überhitzung wird unter passenden Bedingungen geregelt.

Welche Angabe ist bei einem elektronischen Expansionsventil zusätzlich besonders wichtig? (Die Kompatibilität von Regler und Sensoren) (!Die Anzahl der Kundenparkplätze) (!Die Wandfarbe des Maschinenraums) (!Das Herstellungsland des Montagekoffers)

Rückmeldung: Elektronische Ventile arbeiten nur im abgestimmten System aus Antrieb, Regler, Sensorik und Versorgung.

Wie groß ist die Überhitzung bei minus einem Grad Sauggastemperatur und minus sieben Grad zugehöriger Taupunkttemperatur? (Sechs Kelvin) (!Minus acht Kelvin) (!Vierzehn Kelvin) (!Null Kelvin)

Rückmeldung: Die Temperaturdifferenz beträgt minus eins minus minus sieben gleich sechs Kelvin; bei Gemischen ist die Taupunkttemperatur maßgeblich.

Welche Maßnahme ist bei erkennbarer Vereisung fachlich zuerst erforderlich? (Betriebsbedingungen und mögliche Ursachen systematisch dokumentieren) (!Sicherheitseinrichtungen überbrücken) (!Ohne Prüfung beliebig Kältemittel nachfüllen) (!Alle Messwerte als fehlerfrei erklären)

Rückmeldung: Vereisung hat mehrere mögliche Ursachen; eine kontrollierte Diagnose beginnt mit sicheren Daten und nicht mit willkürlichen Eingriffen.

Warum kann ein Filtertrockner im Kältemittelkreis benötigt werden? (Er unterstützt die Begrenzung von Feuchtigkeit und Verunreinigungen) (!Er ersetzt jeden Verflüssiger) (!Er erzeugt die gesamte Kälteleistung) (!Er ist ein Ersatz für elektrische Schutzmaßnahmen)

Rückmeldung: Ein Filtertrockner erfüllt eine Schutzfunktion im passenden System, ersetzt aber weder Hauptkomponenten noch Prüfung und Wartung.

Welche Aussage zu einer Ventilatorkennlinie ist richtig? (Der Betriebspunkt entsteht im Zusammenwirken mit dem Strömungswiderstand der Anlage) (!Der Volumenstrom bleibt bei jedem Widerstand identisch) (!Die Schallabstrahlung hängt nie vom Betriebspunkt ab) (!Ein verschmutztes Gitter verbessert stets den Durchsatz)

Rückmeldung: Kennlinie und Anlagenwiderstand bestimmen den Betriebspunkt; Verschmutzung kann Durchsatz und Leistung verschlechtern.

Welches Ergebnis hat der Modellfall bei zwölf Kilowatt Nutzkälte und einem COP von drei? (Vier Kilowatt Antriebsleistung und sechzehn Kilowatt Wärmeabgabe) (!Zwölf Kilowatt Antriebsleistung und vier Kilowatt Wärmeabgabe) (!Drei Kilowatt Antriebsleistung und neun Kilowatt Wärmeabgabe) (!Sechzehn Kilowatt Antriebsleistung und null Kilowatt Wärmeabgabe)

Rückmeldung: Aus P gleich Q0 geteilt durch COP folgt vier Kilowatt; die Summe Q0 plus P ergibt sechzehn Kilowatt.

Memory: Bauteile und Aufgaben

Finde jeweils den Fachbegriff und seine eindeutige Funktion.

Verdampfer	Nimmt Wärme auf der kalten Seite des Kreislaufs auf
Verflüssiger	Gibt die Kondensationswärme an eine Wärmesenke ab
Filtertrockner	Hilft Feuchtigkeit und Schmutz im Kreis zu begrenzen
Schauglas	Ermöglicht je nach Bauart eine optische Zustandsbeobachtung
Flüssigkeitssammler	Hält flüssiges Kältemittel im vorgesehenen Druckbereich bereit
Sauggasabscheider	Mindert bei geeigneter Auslegung das Risiko von Flüssigkeitseintrag zum Verdichter

Drag-and-drop: Auswahlkriterium zuordnen

Ordne jedem Prüfpunkt seine fachliche Bedeutung zu.

Gesuchter Fachbegriff	Passende Bedeutung
Druckdifferenz am Ventil	beeinflusst die verfügbare Drosselleistung
Luftvolumenstrom	bestimmt gemeinsam mit der Temperaturänderung den sensiblen Wärmestrom
Überhitzung	beschreibt den Abstand zwischen Dampftemperatur und zugehöriger Sättigungstemperatur
Gegenstrom	führt zwei Medien in entgegengesetzten Hauptströmungsrichtungen
Abtaukonzept	berücksichtigt Vereisung, Energiebedarf und Kondensatabfuhr

Kreuzworträtsel: Fachbegriffe

Verdampfer	Welches Hauptbauteil nimmt die Nutzwärme aus dem zu kühlenden Medium auf?
Verflüssiger	Welches Hauptbauteil gibt die Kondensationswärme an die Umgebung ab?
Drossel	Wie heißt die Engstelle zur Druckreduzierung mit einem Wort?
Überhitzung	Wie heißt der Temperaturabstand eines Dampfes von seiner Sättigungstemperatur?
Sammler	Wie heißt der Behälter für einen vorgesehenen Flüssigkeitsvorrat?
Abtauung	Wie heißt die geplante Entfernung von Eis am Luftkühler?

LearningApps: Zusätzliche Lernübungen

Suche hier nach einschlägigen Zuordnungs- und Begriffsübungen; Suchtreffer stammen von unterschiedlichen Autorinnen und Autoren und sind vor der Nutzung fachlich zu prüfen.

Lückentext: Prüfe wichtige Zusammenhänge

Im Verdampfer nimmt das Kältemittel

aus dem zu kühlenden Medium auf.

Der Verflüssiger führt den Wärmestrom an eine

ab.

Bei entgegengesetzten Hauptströmungsrichtungen liegt

vor.

Ein TEV regelt bei korrekter Einbindung vor allem die

.

Ein elektronisches Expansionsventil benötigt einen geeigneten

.

Ein Filtertrockner begrenzt unter anderem den Eintrag von

.

Die Differenz zwischen Flüssigkeitssättigungstemperatur und Flüssigkeitstemperatur heißt

.

Ein zusätzlicher Strömungswiderstand kann den Luftvolumenstrom eines

vermindern.

Das energetisch und betrieblich passende Entfernen von Eis nennt man

.

Die Dokumentation einer praktischen Prüfung verlangt nachvollziehbare

.

Offene Aufgaben

Bearbeite die Aufgaben mit einem erfundenen Kundenauftrag, veröffentlichten Fachunterlagen oder einer durch die Lehrkraft bereitgestellten Simulation. Gib jeweils Annahmen, Rechnung oder Entscheidungsweg und Qualitätskriterien an. Gefahrarbeiten sind nicht Bestandteil einer eigenständigen Schülerdurchführung.

Leicht

Kältekreislauf: Beschrifte vier Hauptbauteile in einer eigenen Schemazeichnung und erkläre die jeweilige Wärme- oder Druckfunktion in zwei Sätzen; prüfe die Richtung des Kreislaufs.
Wärmeübertrager: Erstelle eine Vergleichskarte mit je einem Beispiel für Gleich-, Gegen- und Kreuzstrom; kontrolliere die Pfeilrichtungen.
Expansionsventil: Vergleiche TEV und EEV in einer Tabelle mit mindestens vier Kriterien; kennzeichne benötigte Sensorik und mögliche Fehlerquellen.
Fachrechnen: Berechne aus Q0 = 9 kW und COP = 3 die Antriebsleistung und den Verflüssigerwärmestrom; Musterwerte P = 3 kW und QH = 12 kW.

Standard

Luftkühler: Berechne mit Q = 10 kW, cp = 1,00 kJ/(kg·K), ΔT = 4 K und Dichte 1,25 kg/m³ den überschlägigen Luftvolumenstrom; Lösung 2,50 kg/s beziehungsweise 7 200 m³/h, Einheiten und Grenzen begründen.
Kältemittelkreislauf: Entwirf zu einem fiktiven Kühlraum ein Funktionsfließbild mit Filtertrockner, Schauglas, Drosselorgan und einer dokumentierten Strömungsrichtung; ordne jede Funktion zu.
Fehlerdiagnose: Werte einen erfundenen Datensatz mit schwankender Überhitzung, reduzierter Luftmenge und verschmutztem Register aus; entwickle drei Hypothesen und sichere Prüfschritte statt vorschneller Kältemittelnachfüllung.
Wirtschaftlichkeit: Vergleiche zwei fiktive Verflüssiger anhand gleicher Auslegungsbedingungen sowie Energie-, Schall- und Wartungskriterien; formuliere eine begründete Auswahl mit offenen Fragen.

Schwer

Auslegung von Wärmeübertragern: Berechne aus zwei vorgegebenen Temperaturdifferenzen und einem angenommenen U-Wert die logarithmische Temperaturdifferenz und eine vorläufige Fläche; dokumentiere den Gültigkeitsbereich der Näherung.
Anlagenplanung: Überarbeite den Modellfall mit einer hypothetischen Laststeigerung auf 15 kW und unverändertem COP; bestimme neuen Abwärmestrom und überprüfe sämtliche fiktiven Kapazitäten auf Eignung.
Abtauung: Entwickle eine theoretische Vergleichsstudie für elektrische, Heißgas- und Stillstandsabtauung hinsichtlich Energie, Zeit, Raumtemperatur und Risiken; begründe, welche Daten fehlen.
Kundengespräch: Produziere ein dreiminütiges Erklärvideo oder ein schriftliches Übergabegespräch zu deiner theoretischen Auswahl; unterscheide gesicherte Berechnung, Annahme, offene Fachprüfung und nicht erteilte Freigabe.

Lernkontrolle

Komponentenauswahl: Ein Datenblatt nennt 14 kW unter anderen Temperaturen als der Auftrag. Erkläre, warum der einfache Zahlenvergleich nicht genügt, und benenne drei nachzufordernde Herstellerinformationen.
Fachrechnen: Eine fiktive Anlage benötigt Q0 = 18 kW und hat COP = 2,5. Bestimme P = 7,2 kW sowie QH = 25,2 kW und diskutiere die verwendete Systemgrenze.
Thermostatisches Expansionsventil: Ordne einer scheinbar zu hohen Überhitzung mindestens drei alternative Ursachen zu und skizziere ein sicheres Verfahren zur Überprüfung der Hypothesen.
Wärmeübertrager: Beschreibe, wie Verschmutzung, Frostbildung und Luftkurzschluss die Leistung eines Lamellenwärmeübertragers beeinflussen können; verbinde jede Ursache mit einem beobachtbaren Indiz.
Fließbild: Begründe die funktionale Rolle von Filtertrockner, Flüssigkeitssammler, Schauglas und Sauggasabscheider; erläutere, weshalb nicht jedes Bauteil in jeder Anlage gebraucht wird.
Energieeffizienz: Vergleiche zwei theoretische Abtau- und Ventilatorstrategien, benenne benötigte Messwerte und wähle eine nachvollziehbare Bewertungsmethode.

Lösungshinweise: Bewerte nicht nur das Ergebnis, sondern die Einheiten, den Bezug zum Auslegungspunkt, die plausible Alternativdiagnose, die Sicherheitsabgrenzung und den dokumentierten Umgang mit Unsicherheit. Die numerischen Musterergebnisse stehen in den betreffenden Aufgaben; für Diagnose- und Transferaufgaben sind mehrere begründete Lösungen möglich.

Lernnachweis

Du reichst als Lernportfolio einen Anforderungskatalog, ein beschriftetes Funktionsfließbild, ein Rechenblatt mit vollständigen Einheiten, eine Entscheidungsmatrix für Wärmeübertrager und Drosselorgan, einen theoretischen Montage- und Prüfplan, eine Risiko- und Restfragenliste sowie eine kundengerechte Erläuterung ein. Nutze das Bewertungsraster im Modellfall für die Selbsteinschätzung und das Feedback deiner Lernpartnerin beziehungsweise deines Lernpartners.

Mindestkriterien: Alle Rechengrößen sind definiert; Leistungswerte beziehen sich auf den angegebenen Modellpunkt; Funktion und Grenzen der Regelkomponenten werden zutreffend erklärt; Fehlerdiagnosen begründen Alternativen; Medien, Normen und Sicherheitsfreigaben werden nicht erfunden. Transfer gelingt, wenn du bei veränderten Randbedingungen selbstständig erkennst, welche bisherige Auswahl neu geprüft werden muss.

Musterarbeitsprodukte: Das Rechenblatt, die Auswahlmatrix, das Prüfprotokoll und die Kundenerklärung im Modellfall bilden die Referenz. Eine echte Maschine wird dabei nicht montiert oder freigegeben.

OER und Wikipedia

Curriculare und fachliche Quellen:

KMK-Rahmenlehrplan Mechatroniker für Kältetechnik, 15. März 2007, Lernfeld 11, Seite 19. Amtliches Curriculum; nur inhaltlich sinngemäß wiedergegeben.
BIBB-Berufsprofil Mechatroniker für Kältetechnik. Ausbildungsdauer, Struktur und Berufsbild.
Ausbildungsordnung vom 20. Juli 2007. Rechtsgrundlage; für die reale Ausbildung aktuelle amtliche Fassungen und zuständige Kammer prüfen.
Danfoss: How thermostatic expansion valves work (Englisch). Technische Herstellererläuterung, keine OER-Lizenz behauptet.
Alfa Laval: How plate heat exchangers work (Englisch). Herstellerdarstellung.

Offene Enzyklopädieartikel: Thermostatisches Expansionsventil, Expansionsventil, Wärmeübertrager. Wikimedia-Texte haben jeweils eigene Lizenz- und Versionsangaben; Wikipedia ersetzt keine rechtsverbindliche Sicherheitsunterweisung.

Verzeichnis der verwendeten Mediendateien und Rechte:

Eingebundene Datei	Geprüfte Commons-Dateiseite	Urheberangabe	Lizenznachweis
File:Kompressorkuehlschrank.svg	Commons-Dateiseite	Jahobr	CC0 1.0
File:RefrigerationCycle P-h Chart1.svg	Commons-Dateiseite	Shoji Yamauchi	CC BY-SA 4.0
File:Heat exchanger.svg	Commons-Dateiseite	Jlfd, Vektorfassung	CC0 1.0
File:Plate frame 1.svg	Commons-Dateiseite	R. Castelnuovo/Ub und Krzysztof Zajączkowski	CC BY-SA 3.0
File:Wall mounted air conditioning condenser.jpg	Commons-Dateiseite	Adoscam	CC BY-SA 4.0
File:Thermostatic expansion valve.svg	Commons-Dateiseite	MasterTriangle12	CC BY-SA 4.0
File:Thermostatic valve in system.svg	Commons-Dateiseite	MasterTriangle12	CC BY-SA 4.0

Videonachweise (Einbettung über YouTube, keine freie Nachnutzungslizenz unterstellt):

Eingebettetes Video	Videoquelle	Anbieter	Nutzungsrahmen
https://www.youtube.com/watch?v=dCwPDnUjM9Y	Subcooling and Superheat Explained	MEP Academy	YouTube-Nutzungsbedingungen, Einbettung
https://www.youtube.com/watch?v=uEInVVcc6Sc	Alfa Laval Plate Heat Exchanger	Alfa Laval	YouTube-Nutzungsbedingungen, Einbettung
https://www.youtube.com/watch?v=HqH1MSWakgo	Thermal Expansion Valve TXV	The Engineering Mindset	YouTube-Nutzungsbedingungen, Einbettung

Die Quellen wurden für die didaktische Darstellung ausgewertet; die kursinternen Modellrechnungen, Tabellen und Aufgaben sind neu formulierte Übungsmaterialien. Die Rechte an fremden Bildern und Videos bleiben bei den jeweiligen Rechteinhabern.

Verknüpfte Lernbereiche

Berufsportal: Ausbildung – Mechatroniker für Kältetechnik

Anschluss an benachbarte Lernfelder: Lernfeld 10 (Inbetriebnahme von Kälte- und Klimaanlagen) liefert den Bezug zu Messung und Prüfung; Lernfeld 12 (Auswählen und Montieren von Verdichtern) ergänzt die Verdichterauswahl; Lernfeld 13 (elektrische Betriebsmittel am Dreiphasenwechselstromnetz) den elektrotechnischen Teil. Diese Bezeichnungen beziehen sich auf den KMK-Rahmenlehrplan und sind keine Behauptung, dass gleichnamige Einzelkurse bereits veröffentlicht wurden.