Funktion

Wie funktioniert eigentlich eine Kunsteisbahn?

Den einen interessiert es überhaupt nicht, doch der/die ein oder andere hat sich schon einmal gefragt: "Wie funktioniert eigentlich eine Kunsteisbahn?"

Eine Kunsteisbahn ist im Grunde nichts anderes als ein überdimensionierter Kühlschrank, d.h. das physikalische Prinzip wie Kälte erzeugt wird ist das gleiche. Bei den meisten Kälteanlagen handelt es sich um sogenannte Kaltdampf-Kälteanlagen bei denen es immer die vier folgenden Arbeitsschritte gibt:

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

Diese Schritte sind im Bild 1 "Kälteprozess" nochmals grafisch dargestellt.

Bild 1: "Kälteprozess"

Um die einzelnen Arbeitschritte besser nachvollziehen zu können, sollen diese ein wenig genauer beschrieben werden.

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 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 der Eisbahn Lindau 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.
Im Eichwaldstadion 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 einen Elektromotor 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 abführen 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 der Kunsteisbahn Lindau macht man sich jedoch die Abwärme zu Nutze. Mit der Abwärme der Kältemaschine werden im Winter die Schwimmbecken des Eichwaldbades vor dem einfrieren geschützt. Doch auch im Sommer nutzt man die Kälteanlage als Wärmeerzeugungsmaschine. In Sommerbetrieb gibt es zwar kein Eis auf der Eisfläche, aber die Abwärme der Kältemaschine ist dennoch bestens zum Beheizen der Schwimmbecken geeignet. Im Vergleich zur Erwärmung der Schwimmbecken durch Gasthermen ist diese Art der Beheizung ca. 1,5 mal kostengünstiger.

Schritt 4: Expansion des Kältemittel

Wie oben erwähnt handelt es sich bei einer Kälteanlage um ein in sich geschlossenes System. Das bedeutet das Kältemittel durchläuft einen Kreisprozess, der sich immer wiederholt. Aus diesem Grund muss an die Kondensationsprozess ein weiterer Schritt durchlaufen werden, der den Kreisprozess schliesst. Dieses ist die Expansion.
Bei der Expansion wird das unter hohem Druck stehende flüssige Kältemittel durch ein Expansionsorgan (z.B. ein Ventil wie in Bild 1) auf den niedrigen Druck im Verdampfer entspannt. Der Energieumsatz bei der Expansion kann im Vergleich zu den anderen Arbeitsschritten vernachlässigt werden.