Wärmepumpen 3

Idealer Vergleichsprozess: Carnot Prozess; Begrenzung durch Temperaturniveaus

Theoretischer Vergleichsprozess: Umkehrung des Clausius-Rankine-Prozesses; Begrenzung durch Arbeitsmittel 

Realer Vergleichsprozess: Umkehrung des Clausius-Rankine-Prozesses ohne vereinfachte Annahmen; Irreversibilität der Komponenten

-->zunehmender Detaillierungsgrad

Zweck: Wärmeaufnahme auf niedrigem Temperaturniveau -->Energiezufuhr --> Wärmeabgabe auf hohem Temperaturniveau

2. HS: Ohne exergetischen Aufwand können wir keine Wärme von niedrigem auf höheres Temperaturniveau übertragen

• idealer linksläufiger Kreisprozess

• 1->2: isentrope Verdichtung
• 2->3: isotherme Wärmeabgabe bei T
• 3->4: isentrope Entspannung
• 4->1:isotherme Wärmeaufnahme bei T₀

• Flächen:
• 1ba4: aufgenommene Wärme Q₀ bzw.

23ab: abgegebene Wärme   bzw.

1234: netto zugeführte Arbeit W_t bzw.

• 1->2: isentrope Verdichtung
• 2->3: isotherme Verdichtung unter Wärmeabgabe
• 3->4: isotherme + isobare Wärmeabgabe durch Verflüssigung
• 4->5: isentrope Entspannung
• 5->1: isotherme+isobare Wärmeaufnahme durch Verdampfung

• Isotherme im Nassdampfgebiet durch Phasenwechsel realisierbar
• isotherme Verdichtung 2->3 nicht realisierbar
• Arbeitsgewinn bei isentroper Entspannung 4->5 gering

• Sattdampfgebiet wie Gaußsche Glockenkurve

Durch polytrope Verdichtung erreicht man bei gleichem Druck eine höhere Temperatur von 1->2

• 1->2: isentrope Verdichtung
• 2->3: isobare Wärmeabgabe im Gebiet des überhitzten Dampfes
• 3->4: isobare+isotherme Wärmeabgabe durch Kondensation
• 4->5 isenthalpe Drosselung
• 5->1: isobare+isotherme Wärmeaufnahme durch Verdampfung

• T_c-Kondensationstemperatur
• T₀-Verdampfungstemperatur
• Glocke ist im ph Diagramm nach rechts geneigt

• Auslegung KM:
• Möglichst großes Nassdampfgebiet
• möglichst unterhalb des kritischen Punktes arbeiten

• Durch den Einbau eines inneren Wärmeübertragers

• 3'->3: unterkühlung Kondensat
• 1'->1: Überhitzung des Sattdampfes

• 1->2: polytrope Verdichtung
• 2->3:Wärmeabgabe mit Druckaball im Gebiet des überhitzten Dampfes
• 3->4: Wärmeabgabe bei Kondensation und Unterkühlung des Fluids bei Druckabfall
• 4->5: Unterkühlung durch inneren Wärmeübertrager
• 5->6: Drosselung mit Wärmeaufnahme
• 6->7: Verdampfung und Überhitzung mit Druckabfall
• 7->1: Überhitzung Dampf durch inneren Wärmeübertrager

• COP=Coefficient of Performance
• -->COP_Carnot; COP_theo, COP_real
• SCOP=Seasonal Coefficient of Performance
• JAZ=Jahresarbeitszahl (SPF=Seasonal Performance Factor)
• q_v=volumetrische Heizleistung

• COP_Carnot gibt Begrenzung für alle Kreisprozesse vor -->Besser gehts nicht

Von Verdampfungstemperatur T₀

Verflüssigungstemperatur T

COP steigt, wenn ΔT=T-T₀ sinkt

• mit h4=h5
• Enthalpien sind abhängig vom Arbeitsmittel
• -->COP_theo ist abhängig von Arbeitsmittel, T, T₀

• Beispiele:

• Überhitzung hat kaum Einfluss auf COP
• Unterkühlung hat starken Einfluss auf COP

• η_m-mechanischer Wirkungsgrad; reibungs- und Strömungsverluste im Verdichter
• η_i-indizierter Wirkungsgrad; Verlust durch schädlichen Raum, Wandlungsverluste
• η_el-Verluste im Elektromotor

• COP ist nur augenblickliche Bilanzierung
• COP wird nur für bestimmten Betriebspunkt aufgestellt
• nicht immer gleiche Quellenenergie (Lufttemperatur unterschiedlich)
• nicht immer gleiche Bedingungen auf Senkenseite (Temperatur Vorlauf Heizung unterschiedlich.

• Saisonale Bewertungsgröße
• Lastprofil abhängig von 3 klimatischen Zonen
• C=kälter ->Referenz Helsinki
• A=mittel -> Referenz Straßbourg
• W=Wärmer -> Referenz Athen

• JAZ= (Abgegebene Wärme (Heizung+ Warmwasser)kWh/a)/(Aufgenommene elektr. Energie (Verdichter, Solepumpe, Heizstab)kWh/a)
• COP_Norm-nach DIN EN 14511 (B0/W35 bzw. W10/W35)
• -Korrekturfaktor für unterschiedl. Betriebsbedingungen
• -Korrekturfaktor für abweichende Temperatur am Verflüssiger
• F_p-Korrekturfaktor für Berücksichtigung Wärmequellenpumpe

q_v=(Abgegebene Nutzleistung im Kondensator)/(Volumeneinheit vom Verdichter angesaugeter Kaltdamp)

• q_v steigt bei
• großem Δh_v bei T und kleines v bei T₀
• kleines Verdichterfördervolumen
• kleine Leitungsquerschnitte

• Warum steigt es?
• für T₁=T₀: wenn T₁ und T₀ steigen, steigt auch der Druck p₁ und damit wird v₁ kleiner

-->zwar sinkt h₂ mit T₀ steigend, wodurch (h2-h4) kleiner wird aber die Abnahme von v₁überwiegt --> q_v steigt

• volumetrische Heizleistung:
• -> sinkt bei Überhitzung R717
• ->steigt bei Überhitzung R290
• -->abhängig von Stoffwerten des Kältemittels

• spezifisches Volumen Kompressoreinheit:
• ->steigt mit zunehmender Überhitzung
• -->weniger Kältemittel wird angesaugt

• Enthalpiedifferenz im Kondensator
• ->steigt aufgrund Erhöhung h2

• Kompressoraustrittstemperatur T2
• ->steigt mit zunehmender Überhitzung

• Einstufige Verdichtung:
• ->Kolbenverdichter
• ->Turboverdichter

• bei >10
• -->mehrstufige Verdichtung
• -->mehrstufiger WP-Prozess

• Beruht auf Peltier Effekt
• -->besagt: Bei Stromfluss durch unterschiedlich dotierte Materialien tritt eine Temperaturdifferenz auf
• Peltier Element=thermoelektrischer Generator
• Die Umkehrung ist der Seebeck Effekt
• -->besagt: am Kontakt unterschiedlich dotierter Materialien treten abhängig von Temperatur Mikrospannungen auf
• -->Thermoelement

• möglichst hohe thermoelektrische KRaft (abhängig von Dotierung)
• möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit (gerine Wärmeproduktion durch ohmsche Widerstände)
• möglichst kleine Wärmeleitfähigkeit (geringer Wärmestrom von warmer zur kalten Seite)

• keine beweglichen Teile
• kein Kältemittel
• hohe Zuverlässigkeit
• geräuschlos
• kompakt
• sehr genaue Temperierung möglich
• einfacher Wechsel zwischen Heizen + Kühlen

• aktuell nur kleine Leistungen
• Medizin: mobile Kühltaschen, Blutkonserven, Blutanalysen
• Labor: Infrarotdetektoren, CCD Chipkühlung
• IT: CPU Kühler, Kühlung Halbleiterbaugruppen
• Luftfahrt: Kühlung elektronischer Ausrüstung

• Zukunft...?
• Anfoderung Geräuschlosigkeit
• Anforderung Leckagefrei
• Anwendung mit moderatem Temperaturhub

Durch Einwirken einer KRaft, eines elektrischen Feldes oder eines magnetischen Feldes kommt es zur inneren Umstrukturierung eines Feststoffes, die zur Erwärmung oder Abkühlung führt