Ich begrüße Sie zu der Vorlesung
zum Thema Wärmepumpen.
Wärmepumpen: ein ganz wichtiges Thema
für die Zukunft, denn sie ist eine der Heiztechnologien,
die in Deutschland und
in anderen Ländern sehr viel Raum greifen werden,
weil sie sehr effizient ist.
Und im ersten Teil geht es
zunächst um
das thermodynamische Funktionsprinzip
dieser Geräte.
Wenn man über Wärmepumpen spricht,
spricht man quasi automatisch über Kältemaschinen.
Kältemaschinen
kennen Sie alle,
jeder von Ihnen hat einen Kühlschrank zu Hause.
Beim Kühlschrank-Prozess entnimmt man
dem Kühlschrank-Inneren Energie (Wärme)
und transferiert sie
auf ein höheres Temperaturniveau um die Wärme
dann hinten an dem schwarzen Rippen-Register wieder abzugeben.
Jeder, der schon mal einen Kühlschrank
umgezogen hat, kennt dieses Register,
es lässt sich schwer anpacken.
Das gibt die Wärme an die Raumluft, an die Küchenluft ab.
Das heißt, es wird Wärmeenergie,
mit niedriger Temperatur,
man könnte auch sagen Kälteenergie,
auf ein höheres Temperaturniveau transferiert
und dort als Abwärme abgegeben.
Baut man so eine Kältemaschine,
grösser, zum Beispiel
um ein Gebäude zu kühlen,
dann wird in der Regel Wasser abgekühlt;
und die Abwärme wird an die Außenluft abgegeben.
Das sind die Geräte, die dann
irgendwo auf dem Dach stehen und
Abwärme an die Umgebung abgeben.
Die Wärmepumpe ist genau das Gleiche.
Man hört immer, "das ist das Gleiche, nur umgekehrt",
aber Nein, es ist überhaupt nicht umgekehrt.
Der Prozess ist ganz genau der gleiche.
Mann entnimmt Wärme auf niedrigem Temperaturniveau,
in der Regel ist das die Umgebung,
zum Beispiel die Außenluft, das Erdreich, Wasser, Abwärme,
und transferiert es auf ein höheres Temperaturniveau,
um es dort zu nutzen, nämlich ins Heizungswasser oder
in die Zuluft einer Lüftungsanlage oder Ähnliches.
Das heißt, der Prozess ist der Gleiche,
nur die Nutzenseite ist eine andere.
Beim Kälteaggregat ist der Nutzen
die kalte Seite des Prozesses
und bei der Wärmepumpe
ist es die warme Seite des Prozesses.
Das Ganze ist so ein bisschen
wie wenn Wasser den Berg hinauf fließt:
die Wärme von niedriger
auf hohe Temperatur zu bringen
braucht Antriebsarbeit und
diese Antriebsarbeit wird normalerweise
mechanisch zugeführt,
über einen mechanischen Verdichter,
meistens angetrieben über einen Elektromotor.
Es gibt auch Produkte,
die den Prozess über einen Verbrennungsmotor antreiben,
das sind zum Beispiel diese
Haushaltskühlschränke oder Wärmepumpen.
Man spricht von einem Kompressionsprozess
oder von Kompressionsgeräten,
aufgrund dieser mechanischen Verdichtung.
Es gibt aber auch, und alle Camper
unter Ihnen kennen das, es gibt auch
sogenannte Sorptionsgeräte,
nämlich mit Wärme angetriebene Geräte.
Diese Geräte können Sie mit dem Abgas einer Gasflamme
antreiben oder auch
mit der Autobatterie antreiben -
aber dann wird der Strom auch nur in Wärme umgewandelt,
um den Prozess anzutreiben.
Das sind also typischerweise Camping-Kühlschränke,
auch in Hotelzimmern
sind die verbreitet, weil sie
sehr leise sind. Bei einem Kompressor
hören Sie ja immer das Surren
des Kühlschranks, wenn der Kompressor einschaltet,
aber bei einem Sorptionsgerät
hören Sie nichts!
Es sei denn, die Flamme macht Geräusche,
aber wenn es elektrisch angetrieben wird,
dann hören Sie gar nichts.
Es gibt auch große Kältemaschinen,
Tieftemperatur-Kältemaschinen,
die mit solchen Sorptionstechniken betrieben werden.
Jetzt schauen wir ausgehend von diesem Prinzipschema,
in die Kältemaschine bzw. Wärmepumpe hinein,
wie funktioniert der Prozess und
wir sehen uns auch den Sorptionsprozess an.
Wir beginnen zunächst mit dem Kompressionsprozess.
Wir haben einen Verdampfer, bzw..
Zunächst mal
haben wir ein umlaufendes Fluid,
das nennt man Kältemittel.
Das ist der Fachbegriff, ein Kältemittel,
das sind bei Wärmepumpen typischerweise
Sicherheitskältemittel,
nämlich halogenierte Fluorkohlenwasserstoffe.
Früher waren das FCKWs,
also Ozon-schädigende Kältemittel,
die sind mittlerweile lange verboten,
wir schauen nachher
auf Kältemittel.
Man kann R134a oder R407c oder
auch Propan als Kältemittel verwenden,
auch CO2 kann man verwenden,
da schauen wir nachher
nochmal drauf.
Das Fluid zirkuliert in diesem Kältekreis
und strömt, ich fange mal hier
mit diesem Betriebspunkt (grün) an,
zunächst in den Verdampfer.
Im Verdampfer soll das Kältemittel ja Wärmeenergie
aus der Umgebung aufnehmen, zum Beispiel
ist die Umgebung 0° Celsius kalt,
die Außenluft zum Beispiel ist 0 Grad Celsius kalt.
Und die wird dadurch weiter abgekühlt,
zum Beispiel auf -4 Grad, damit das
von selbst passiert, muss es an dieser Stelle (Punkt 1)
natürlich kälter sein, zum Beispiel -8 Grad Celsius.
Der zugehörige Druck,
das sind jetzt beispielhafte Stoffwerte
für das Kältemittel Propan, ist mit angegeben.
In dem Verdampfer
nimmt das Kältemittel Wärme auf.
Dieser Umgebungsstrom, die Außenluft
oder ein Sole-Wasser-Glykol-Gemisch,
das durch das Erdreich zirkuliert,
gibt hier Wärme ab, das Kältemittel
nimmt Wärme auf und hier haben wir
Flüssigkeit-Dampf-Gemisch, also
teilt Flüssigkeit, teilt Dampf,
das verdampft vollständig und erwärmt sich
vielleicht noch ein bisschen, auf -3 Grad Celsius,
bei etwa konstantem Druck. (Punkt 2)
Jetzt haben wir hier in das Kältemittel
Energie eingekoppelt und
damit der Prozess geschlossen ist,
damit es ein Kreisprozess ist,
muss man diese Energie auch wieder loswerden
und wir wollen die ja loswerden
auf höherem Temperaturniveau, und in dem Fall
bei der Wärmepumpe Nutzen erzeugen.
Und das Heizungswasser, zum Beispiel,
von 30 auf 35 Grad erwärmen und
damit das funktioniert,
Also damit wir den Dampf von -3 Grad
auf mindestens 35 Grad erwärmen,
machen wir eine Druckerhöhung.
Das ist das Mittel der Wahl, denn wenn man
den Druck erhöht, steigt bei einem Dampf
auch die Temperatur, in diesem Beispiel
hier erhöhen wir den Druck auf 13,2 bar
und die Temperatur steigt auf 62 Grad. (Punkt 3)
Von dort geht das Kältemittel dann
in den Kondensator, gibt Wärme ab und
das Heizungswasser erwärmt sich dadurch.
Zunächst wird der Kältemittel-Dampf im Vedampfer abgekühlt
und dann kondensiert der Dampf,
wird im Kondensator flüssig.
Deshalb heißt das Ding Kondensator.
Ja, und jetzt sind wir hier (Punkt 4)
bei etwa gleichem Druck wie vor dem Kondensator
aber bei nur noch 33 Grad, das Kältemittel ist also kälter geworden
und hat sich verflüssigt.
Um wieder auf 3,65 bar Druck zu kommen,
braucht man eine Drossel und wenn wir
ein Fluid drosseln, dann kühlt es sich auch ab,
deshalb der Temperaturabfall von 33 Grad auf -8 Grad und
damit ist der Kreisprozess geschlossen
und kann von Neuem beginnen.
Und was ist jetzt anders bei Sorptionsgeräten?
Naja, bei Sorptiongeräten,
da bleiben Kondensator,
Drossel und Verdampfer gleich.
Die sind unverändert.
Was sich verändert,
ist der Verdichterteil.
Und zwar könnte man jetzt von einem
thermisch-mechanischen Verdichter sprechen.
Und das ist auch nicht mehr ein Stoff,
sondern es sind in jedem Fall zwei Stoffe,
die als Fluide verwendet werden
oder als Stoffsystem verwendet werden,
zum Beispiel Wasser(H2O) mit Lithiumbromid(LiBr),
dann wäre Wasser das Kältemittel,
der hier links zirkuliert und rechts hätten wir
Wasser-Lithiumbromid (-Gemisch).
Beim Stoffsystem Ammoniak(NH3)- Wasser(H2O), da wäre das Ammoniak
das Kältemittel, was hier links zirkuliert
und Ammoniak/Wasser-Gemisch hätten wir rechts
in den beiden Aggregaten.
Ja, und was man jetzt macht,
das ist sozusagen einen Umweg,
vorher haben wir ja den Dampf genommen
und haben den direkt verdichtet,
in einem Kompressionsaggregat.
Jetzt lösen wir den Dampf,
der hier aus dem Verdampfer kommt, in einem Fluid,
was sehr stark hygroskopisch ist,
was diesen Dampf,
der aus dem Verdampfer rauskommt,
sehr gut löst.
Und bei dieser Absorption
wird sogar Wärme frei,
die man als Nutzwärme aus dem Absorber abführen kann,
zusätzlich zu der Nutzwärme,
die oben im Kondensator anfällt.
So, jetzt haben wir
dieses Kältemittel in diesem Fluid gelöst.
Das ist ja jetzt in dem Fall hier
ein wässriges Lithiumbromid-Gemisch.
Vor der Lösung war das sehr stark angereichert
mit Litiumbromid und
dann kommt jetzt dieses Wasser dazu.
Somit ist das jetzt stärker wässrig,
d.h. der Lithiumbromid-Gehalt ist geringer geworden.
Um jetzt den Prozess weiterzutreiben
und die Wärme wieder, also die Energie,
die wir im Absorber eingekoppelt haben,
wieder loszuwerden,
bringt man die Flüssigkeit
auf einen höheren Druck.
Der Vorteil ist: eine Flüssigkeitsverdichtung
braucht viel weniger Energie als
die Verdichtung von Dampf (wie im Kompressionsprozeß).
Für die Verdichtung einer Flüssigkeit
steht ganz links die
Formel für die hydraulische Leistung,
also die Leistung, die Sie brauchen, um
eine Druckerhöhung zu bewirken,
das ist Druckdifferenz Delta p mal Volumenstrom V_pkt.
Das heißt, da ist nicht
der Massenstrom entscheidend,
sondern der Volumenstrom, und
bei gleichem Massenstrom hat ein Dampf ja
ein viel größeres Volumen als
die Flüssigkeit mit gleicher Masse
und der Faktor, der dazwischen steckt,
ist etwa der Faktor 1.000, also
fast 3 Zehnerpotenzen Unterschied,
das heißt, für die gleiche Druckerhöhung
brauchen Sie bei einem Dampf nur etwa
ein Tausendstel der hydraulischen Leistung.
Also im Sorptionsprozeß brauchen Sie nicht viel
mechanische Verdichterarbeit, aber
Sie müssen dieses Kältemittel,
was Sie vorher in dem Fluid gelöst haben,
ja auch wieder loswerden,
bei diesem höheren Druck.
Und das machen Sie einfach,
indem Sie hoch temperierte Wärme zuführen,
indem Sie das wieder auskochen.
Ja, das ist so, wie wenn Sie einen Topf
mit Salz auf den Ofen stellen,
also wässrige Salzlösungen, Lithiumbromid.
Wasser ist eine Salzlösung,
nur nicht mit Kochsalz und
wenn Sie das auskochen, dann
bleibt das Salz zurück,
das Natriumchlorid und das Wasser geht raus.
Das ist hier genau so.
Also, in dem Desorber
kochen Sie das Kältemittel
wieder aus und dann kann man den Prozess
weiter betreiben.
Und hier brauchen Sie natürlich als Gegenstück
zu der Pumpe auch wieder eine Drossel.
Und weshalb ist das hier so
ein bisschen gestrichelt gezeichnet?
Das bedeutet, man braucht das nicht immer.
So ein Campingkühlschrank,
der braucht nicht unbedingt Strom.
Den KÖNNEN Sie mit dem Batterie-Strom betreiben.
Aber Sie können das auch nur
mit der Erdgasflamme betreiben,
ganz ohne Stromanschluss,
ohne Batterieanschluss.
Und das geht, weil bei so kleinen Leistungen,
wie man im Campingbereich nur braucht,
auch eine sogenannte Blasenpumpe reicht,
das ist einfach ein Rohr,
was von außen beheizt wird.
Im Rohr drin ist dieses Zwei-Stoff-Gemisch und
wenn dann der Siedepunkt erreicht ist,
steigen die Blasen auf,
die kumulieren zu Pfropfen und
diese Pfropfen werfen Flüssigkeit oben raus.
Und damit haben Sie
eine geodätische Höhendifferenz überwunden
und auch die Zirkulation kann funktionieren
über die Höhendifferenz auch eine Druckdifferenz,
die aufgeprägt ist,
also darüber funktioniert der kreislauf auch.
Das geht aber
nur bei kleinen Leistungen, wenn die Geräte
größere Leistungen realisieren sollen,
dann müssten die Geräte sehr hoch gebaut werden.
Es gab auch mal
Haushaltskühlschränke,
die mit Sorptionstechnik betrieben worden sind.
Wenn sie noch grösser gebaut werden sollen,
noch größere Leistungen haben sollen,
dann braucht man eine Fluidpumpe, (eine Blasenpumpe reicht nicht)
die aber dann sehr wenig
mechanische Energie braucht, sehr wenig Strom,
Antriebsenergie braucht,
die Antriebsenergie kommt dann
zum weitaus überwiegenden Teil
aus dieser hoch temperierten Wärme,
zum Beispiel aus dem Abgas eines Gasbrenners
oder durch eine elektrische Heizwendel.
Und das geht auch periodisch mit festen Adsorbentien.
Hier haben wir ja eine Flüssigkeit, die das Kältemittel
in sich löst und hier kochen wir
diese Flüssigkeit wieder aus.
Das geht auch mit festen Adsorbentien.
Oben ein Absorptionsprozess,
hier unten der Adsorptionsprozess.
Das wären zum Beispiel Silicagele oder Zeolithe,
die zum Beispiel das Kältemittel Wasser
sehr gut einlagern können und dann wird
der Prozess so periodisch betrieben:
Zwei Behälter zwischen denen
immer hin und her geschaltet wird.
Das ist aber eine Nischentechnologie.
Deshalb möchte ich hier
nicht näher darauf eingehen.
Solche Prozesse tragen die Thermodynamiker
sehr gerne in Zustandsdiagramme ein.
Diejenigen unter Ihnen, die Thermodynamik
gehört haben, kennen solche Zustandsdiagramme.
Kälteprozesse werden
sehr gerne im Log-p-h-Diagramm eingetragen,
p ist die Abkürzung für Druck und
h die Abkürzung für Enthalpie,
was eine Kenngröße für den Energieinhalt
eines Stoffes, eines Fluids ist.
Und in diesem Diagramm hat man
dann die sogenannte Siedelinie
oder Grenzkurve. Links dieser Kurve,
also bei kleinen Energieinhalt,
hat man Flüssigkeit, d.h. ein flüssiges Medium,
rechts der Linie, bei hohem Energieinhalt,
hat man ein dampfförmiges Medium und
in der Mitte in dieser Glockenkurve
hat man Nassdampf-Gemisch.
Also ein Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf
und hier kann man sehr schön
diesen Wärmepumpen- oder Kälteprozess eintragen,
nämlich dieser Zustand hier,
der Zustand 1 vor dem Verdampfer,
der startet hier im sogenannten Nassdampfgebiet,
dann wird Energie zugeführt,
das Kältemittel nimmt ja Wärme
aus der Umgebung auf,
bis zur Grenzkurve (ÜPunkt 2), d.h.
bis es vollständig verdampft ist.
Dann erfolgt die Verdichtung: was in diesem Diagramm,
wenn man das ideal betrachtet
als technisch idealen Kreisprozess,
d.h. reibungsfrei, keine Druckverluste
und adiabat, d.h. keinerlei Wärmeströme von und nach außen,
dann sieht diese Zustandsänderung
der Verdichtung hier so aus.
Der Punkt 3 nach dem Verdichter,
ist der heißeste Punkt.
Dann erfolgt die Abkühlung zunächst des Dampfes
bis auf die Grenzkurve,
dann fängt es an zu kondensieren,
bis es komplett kondensiert ist, komplett flüssig ist in Punkt 4,
und dann kommt die Drossel. (drosselt auf Punkt 1)
Das wäre der ideale Kreis-Prozess
in einem solchen Log-p-h-Diagramm.
Dazu muss man noch sagen,
oder kann man noch sagen,
geht der Prozess davon aus,
dass man gar keine Temperaturdifferenz
für Wärmeübertragung braucht, also
dass diese Kältemitteltemperatur
gleich der Wärmequellentemperatur ist.
Ausluft hat 0 Grad Celsius,
dann kann auch das Fluid 0 Grad Celsius haben.
In Realität ist das nicht so,
in Realität braucht man für Wärmeübertragung
eine gewisse Temperaturdifferenz,
sonst fließt die Wärme nicht.
Also wirklich ideal gedacht.
Das Gleiche hier bei der Senkentemperatur,
wo man die Wärme abführt.
Wenn man das jetzt in Realität betrachtet,
dann sieht das folgendermaßen aus.
Dann haben wir wieder
hier beim Verdampfer begonnen
beziehungsweise die Drossel hier schon,
dann haben wir eine stärkere Drosselung.
Weil wir ja eine Temperaturdifferenz
für die Wärmeübertragung brauchen,
müssen wir also etwas stärker runterdrosseln
und Sie sehen diese Linie ist jetzt
nicht mehr senkrecht,
sondern leicht nach rechts gebogen,
es findet eine Wärmezufuhr aus der Umgebung,
d.h. aus dem Aufstellraum statt.
Man geht ja hier auf niedrige Temperaturen
und dann fließt etwas Wärme zu.
Und diese Linie ist nicht ganz waagerecht,
weil wir schon einen kleinen Druckverlust haben
in den Rohrleitungen.
Dann kommt eine Überhitzung.
Sie sehen hier, das geht nicht
nur bis zur Grenzkurve, sondern
etwas darüber hinaus, und das macht man,
wegen der Verdichterschaufeln. Wenn Sie schnell
drehende Verdichter haben und es sind noch
Flüssigkeitströpfchen im Dampf,
dann verursachen die Tropfen mechanische Erosion und
diese Verdichterschaufeln gehen mit der Zeit kaputt.
Das möchte man vermeiden.
Deshalb überhitzt man ein wenig.
Dann kommt
eine Verdichtung, die etwas stärker ist.
Diese Verdichtung ist
mit einem isentropen Wirkungsgrad kleiner 1
und veränderlichen
Polytropenexponenten.
Das muss nicht
jedem hier was sagen,
aber den Thermodynamikern
könnte das was sagen.
Wir müssen stärker verdichten,
weil wir ja wieder eine Temperaturdifferenz
für den Wärmeübergang brauchen.
Wir haben wieder Druckverluste und
wir haben zudem als letzten Punkt
die Unterkühlung des Kondensats,
zumindest ist das angestrebt,
um den Wirkungsgrad des Gerätes zu verbessern.
Nochmal hingewiesen auf diesen exponierten Punkt.
Das ist der Prozesspunkt
mit der höchsten Temperatur und deshalb
konnten viele Jahre handelsübliche Wärmepumpen
keine höheren Temperaturen als 55 Grad Celsius erreichen,
weil dieser Punkt das begrenzt hat.
Die Kältemittel, die eingesetzt worden sind,
die waren darüber thermisch
nicht mehr stabil.
Deshalb war die Nutztemperatur
dieser Wärmepumpen begrenzt.