Im Artikel Fernkälte wurden im Zusammenhang mit den für eine Fernkälteversorgung wesentlichen Kältezentralen auch Kälteanlagen bzw. -maschinen angesprochen, die als Kühlaggregate Kälte erzeugen können. Die grundlegende Funktionsweise einer solchen Kältemaschine soll in diesem Beitrag vorgestellt werden.

Kältemaschinen kommen heutzutage in großer Anzahl und mit wesentlicher Bedeutung im privaten und öffentlichen Gebrauch vor, so zum Beispiel in Form von Kühlschränken, Gefriertruhen oder Klimaanlagen. Neben der Anwendung in Kühlhäusern werden in Industrieanlagen nach diesem Prozess jedoch auch verflüssigte oder feste Gase (beispielsweise Stickstoff nach dem sogenannten Linde-Verfahren oder Kohlenstoffdioxid als Trockeneis) produziert. Allen Ausführungen gemeinsam ist der Abtransport thermischer Energie von der jeweils zu kühlenden Stelle, um diese auf eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur abzukühlen. Die durch den Wärmeentzug am zu kühlenden Ort enstehende Abwärme wird gemäß des Energieerhaltungssatzes an anderer Stelle wieder an die (wärmere) Umgebung abgegeben.

Grundlegend für das Prinzip konventioneller Kälteaggregate ist ein thermodynamischer Kreisprozess, der gemäß des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik über eine mechanische Antriebsenergie, im vorliegenden Fall idealerweise in Form von Pumpen, aufrecht erhalten werden muss, welche zum Beispiel über einen herkömmlichen Elektromotor abschließend als zusätzliche Wärme im Gesamtprozess freigesetzt wird. In der Regel werden im Rahmen dieses Kreislaufs sogenannte Kältemittel verwendet. Durch den ständigen Phasenübergang ihres Aggregatzustandes von flüssig zu gasförmig und umgekehrt mit jeweils unterschiedlichen Druck- und Temperaturzuständen geben Kältemittel wechselweise Wärme an die Umgebung ab und nehmen diese von dort wieder auf.

Der Schaltkreis besteht im Wesentlichen aus einem Kondensator sowie aus einem Verdampfer, die beide als Wärmeübertrager (vgl. Artikel Wärmetauscher in der Kraftwerkstechnik) fungieren. Im Rahmen des Kondensationsprozesses im Verflüssiger gibt das Arbeitsmedium bei relativ hoher Temperatur und vergleichsweise hohem Druck thermische Energie ab (Kondensationswärme), während es im Verdampfungsprozess diese im anschließend nun gasförmigen Zustand bei niedrigerer Temperatur und geringerem Druck wieder aufnimmt (Verdampfungswärme), so dass in der unmittelbaren Umgebung, beispielsweise im Kühlraum des Kühlschranks, Nutzkälte erzeugt wird. Das Druckgefälle zwischen beiden Systemzuständen wird über eine entsprechende Kompressionsmaschine (Verdichter) erzeugt, der über den vorgenannten Motor unter Einsatz der Antriebsenergie und Abgabe der daraus resultierenden Abwärme betrieben wird. Auf der dem Kompressor im Schaltbild gegenüberliegenden Seite wird der Druckabfall des Kältemittels über ein entsprechendes Drosselventil hergestellt.

In derartigen Kompressionskältemaschinen werden jedoch auch Medien verwendet, die vom Aggregatzustand her ausschließlich in gasförmigem Zustand vorliegen, so zum Beispiel Luft. Der Wirkungsgrad in Form der Effizienz von Kältemaschinen wird in der thermischen Verfahrenstechnik mit Hilfe der Leistungszahl oder Leistungsziffer EER (engl.: Energy Efficiency Ratio) angegeben und gibt das Verhältnis zwischen Kühlleistung und der eingesetzten technischen Antriebsleistung an, die mechanischer oder elektrischer Art sein an. Aufgrund ihrer Wirkweise kann eine Kältemaschine auch als eine „umgekehrt“ funktionierende Wärmepumpe verstanden werden, bei der somit nicht die Wärme-, sondern die Kälteerzeugung bzw. -nutzung im Mittelpunkt ihrer physikalischen Anwendung steht. Bleibt man bei dieser Begrifflichkeit, so kommen Kältemaschinen am häufigsten in der Ausführung einer hier skizzierten Kompressionswärmepumpe vor, die auch als Kaltdampfanlage bezeichnet wird.