Wärmepumpen 5

• thermisch angetriebene WP
• Wärmestrom auf 3 Temperaturniveaus zu- oder abgeführt
• -->Antriebsenergie=Wärme auf hohem Temperaturniveau
• -->Heizwärme= mittleres Temperaturniveau ( )
• -->Aufgenommene Wärme= Umweltwärme, niedriges Temperaturniveau ( )
• thermischer Verdichter anstelle eines elektrischen

• gasförmiges Kältemittel wird im Absorber unter Wärmeabgabe in ein Lösungsmittel absorbiert (reiche Lösung)
• Lösung durch Pumpe auf hohen Druck gebracht
• Kältemittel wird im Austreiber (Desorber) unter Wärmezufuhr vom Lösungsmittel getrennt, dann Trennung gasförmiges Kältemittel und Flüssigkeit (arme Lösung)
• Drosselung der Lösung auf niedrigen Druck

• Die Lösemittelpumpe verbraucht deutlich weniger Strom als elektrischer Verdichter

• Kältemittel:
• Flacher Verlauf Dampfdruckkurve
• hohe Verdampfungsenthalpie
• hohe kritische Temperatur
• Verdampfungsdruck nicht im Vakuum
• Verflüssigungsdruck nicht zu hoch

• Lösungsmittel:
• möglichst geringer Dampfdruck
• tiefer Erstarrungspunkt
• gerine Lösungsenthalpie

• Stoffpaar:
• große Temperaturdifferenz der Siedepunkte
• große Entgasungsbreite
• Arbeitsdrücke <20-25 bar
• chemische Stabilität
• unbrennbar, ungiftig
• nicht korrosiv für Werkstoffe

• 1. Lösung mit 10°C und einer Zusammensetzung von 50% NH3 und 50% H2O ist bei 5 bar im Bereich der unterkühlten Flüssigkeit
• 2. Bei 35°C erreicht die Lösung die Siedelinie. Innerhalb der Siedelinse liegen Dampf und Flüssigkeit parallel vor. Der erste entstandene Dampf hat eine Zusammensetzung von ca. 99%NH3
• 3. Bei einer Erwärmung auf 70°C liegt Lösung (3') mit 30% NH3 und Dampf mit 95%NH3 vor. Durch das Gesetz der abgewandten Hebelarme kann der Dampf und Flüssigkeitsanteil bestimmt werden
• 4. Bei ca. 122°C verdampft der letzte Flüssigkeitstropfen (4') mit ca. 7% NH3

• 1->2 Austreibung Kältemittel bei p_c=konst. im Austreiber Zufuhr Heizwärme
• 2->7 Strömung arme Lösung über Expansionsventil zu Absorber
• 7->8 Absorption Kältemittel bei p₀=konst; Abfuhr Absorptionswärme
• 8->1 Strömung reiche Lösung über Lösungspumpe zum Austreiber

• 3->4 Kondensation Kältemittel unter Abgabe Kondensationswärme
• 4->5 Strömung flüssiges Kältemittel über Drosselventil zum Verdampfer
• 5->6 Verdampfung Kältemittel; Aufnahme Wärme

• Wärmeverhältnis
•   Effizienzgröße (Nutzen zu Aufwand), nur Wärmeströme berücksichtigt

• Coefficient of Performance (COP)
•   Effizienzgröße (Nutzen zu Aufwand); Wärmeströme und elektrische Leistung berücksichtigt

• Coefficient of Performance elektrisch
•   nur elektrische Leistung als Aufwand; sinnvoll, wenn Antriebswärme kostenlos

• Dimensionsloser Lösungsumlauf
•   Maß für Umwälzrate des Lösungskreislaufes; wenn f steigt, steigt Strombedarf

ideale Absorptionsprozess hat max. mögliches Wärmeverhältnis

• Kopplung 2 gegenläufiger Carnot-Prozesse
• ideales Arbeitsstoffpaar
• 3 Temperaturniveaus -> T_abs=T_k

• theoretisch max. Wärmeverhältnis =2 (real: )
• je geringer die Lösungsenthalpie des Arbeitsstoffpaares desto höher das erreichbare Wärmeverhältnis
• AWP mit H2O/LiBr erreichen höherer Wärmeverhältnisse als mit NH3/H2O

Hinweis: Es gibt "double/triple-effect"-AWPs die ein Wärmeverhältnis >2 erreichen, diese sind allerdings mehrstufig und nutzen die jeweilige Nutzwärme der letzten Stufe als Antriebswärme für die nächste Stufe...

Zur Berechnung werden die Enthalpien der einzelen Zustandspunkte benötigt, diese erhalten wir über Zustandsgleichungen für das jeweilige Arbeitspaar

• 1) Bilanzen an jedem Bauteil
• ->Ammoniakmassenbilanz
• ->Gesamtmassenbilanz
• ->Energiebilanz

• 2) Bestimmung Kältemittelmassenanteile
• -> nach Zustandsgleichung

• 3) Sinnvolle Annahmen treffen
• ->Massenstrom der Lösungsmittelpumpe vorgeben
• ->vollständige Kondensation im Kondensator
• ->stationärer Zustand
• ->Vernachlässigung von Wärmeverlusten

4) Modellierung der Wärmeübertragung mit Zellenmethode

• Austreiber (Desorber)
• Absorber

• Austreibung von Kältemitteldampf aus Lösung
• --> 2 Schritte:
•      -->Wärmezufuhr und Austreibung A
•      -->Phasentrennung (B)

• Problemstellung NH3/H2O:
• Wassergehalt im Dampf senkt Effizienz
• je höher die Austreiber Temperatur, desto höher Wassergehalt
• --> Rektifikation/Dephlegmation zur Entfernung des Wasseranteils nötig

• Rektifikation: Reiche Lösung wird in den Dampf geträufelt, an der Phasengrenze geht Wasserdampf in die Lösung über, Ammoniak aus der Lösung geht in den Dampf (als Behälter oder Kolonnenaustreiber)

• Dephlegmation:
• Entfernung des Wassers aus Dampf durch Teilkondensation und Abscheidung

• Absorption von Kältemitteldampf
• --> arme Lösung wird zur reichen Lösung
• --> durch Absorption wird Wärme frei

• 2 Schritte
• --> Mischung und Stofftransport A
• -->Wärmetransport
• ....meist gleichzeitig

• Einflussgrößen:
• Phasengrenze zwischen Gas und Flüssigkeit
• Turbulenz
• Wärmetransport

• Ausschließlich durch Wärme angetrieben
• keine mechanisch bewegten Bauteile (Verschleißfrei, geräuschfrei)
• kommerzielle Nutzung als Kühlschränke

• enthält neben Ammoniak und Wasser noch Hilfsgas (H2 oder He)
• Verwendung eines Verdunsters statt Verdampfers
• im Verdunster trifft Hilfsgas auf flüssiges Kältemittel
• Hilfsgas senkt Ammoniakpartialdruck unter Siededruck -->Phasenwechsel möglich obwohl Gesamtdruck höher als Siededruck

2 Prinzipien:

• 1) Hilfsgaskreislauf durch Dichteunterschied
• --> Hilfsgas mit Kältemittel ist schwerer als armes Gas
• -->reiches Gas sinkt in Absorber ab, armes Gas steigt zum Verdunster auf

• 2) Lösungs- und Kältemittelkreislauf durch Thermosiphonpumpe
• -->durch Zufuhr der Antriebswärme kommt es zur partiellen Verdampfung (KM wird ausgetrieben)
• -->Dampfblasen fördern darüber liegende Flüssigkeit in einen Abscheider

• hebt Wärme anteilig auf ein höheres Temperaturniveau

• Aufbau ist vereinfacht:
• -> Hoch- und Tiefdruck der AWP vertauscht (Absorber und Verdampfer im Hochdruck; Austreiber und Kondensator im Tiefdruck)
• ->Pumpe wird zur Drossel und Drossel zur Pumpe

• Wärmerückgewinnung in Industrie
• Forschung:
• --> Temperaturerhöhung Solarthermie
• -->Dezentrale Temperaturerhöhung Fernwärme

• Hybrid WP (Kompression und Absorption)
• NH3/H2O als Arbeitsmittel

• Funktionsweise:
• --> Verdampfer: Teilverdampfung der NH3/H2O Lösung
• -->Phasentrennung: Dampf wird im Kompressor verdichtet, Lösung durch Pumpe gefördert
• -->Kondensator: Absorption des Kältemittels in die Lösung

• niedrige (Hoch-)Drücke
• höhere Effizienz bei großen Temperaturspreizungen zwischen Ein- und Austritt der externen Kreisläufe