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Thermodynamische Maschinen

Kompressions-Wärmepumpe

Weiteste Verbreitung findet die Wärmepumpe innerhalb von Kühl- und Gefriergeräten. Wärmepumpen werden jedoch auch zur Gebäudeheizung und bei den verschiedensten industriellen Verfahren eingesetzt. Innerhalb eines Kühlschrankes wird dem Inneren Wärme entzogen und nach Außen abgegeben. Bei der Heizungs-Wärmepumpe wird die Wärme von einem äußeren Medium ins Innere des Gebäudes gepumpt.

Innerhalb so genannter Kompressions-Wärmepumpen übernimmt die Wärmeaufnahme und deren Transport ein Arbeitsmittel, das sich in einem geschlossenen Kreislauf bewegt und nacheinander verschiedene Zustandsänderungen erfährt. Das Arbeitsmittel wird zunächst unter Druck und Wärmeabgabe bei hoher Temperatur verflüssigt. Anschließend wird das Arbeitsmittel an einer Düse entspannt. Dadurch wird das Arbeitsmittel gasförmig unter Wärmeaufnahme bei niedriger Temperatur. Der Kreislauf kann nun von vorne beginnen. Der Prozess muss von Außen durch Zufuhr von mechanischer Arbeit über einen Kompressor in Gang gehalten werden. Die Wärmepumpe wandelt so Wärme niedriger Temperatur (z.B. 5 °C) in Wärme hoher Temperatur (z.B. 30 °C) um.

Abb.1

Schema einer Kompressions-Wärmepumpe.

Die Kompressions-Wärmepumpe durchläuft einen umgekehrten Rankine-Kreisprozess. Als Arbeitsmedium eignen sich besonders die umweltschädigenden FCKW, wie Dichlordifluormethan.

  • Verdichtung des gesättigten Dampfes. (Hochdruck, Erwärmung)
  • Der überhitzte Dampf wird im Kondensator niedergeschlagen, wobei die Überhitzungswärme absinkt. (Hochdruck, Abkühlung)
  • Kondensation unter Abgabe der Verdampfungswärme. (Verflüssigung, Niederdruck, Kühlung). Adiabatische Entspannung
  • Wärmeaufnahme und Verdampfung (Niederdruck, Abkühlung)

Die technischen Details und Probleme sind vielschichtig (Verdichterauswahl, Rohrleitungsdimensionierung, Wärmeübertragerauslegung). Aus thermodynamischer Sicht ist es wichtig ein Arbeitmedium zu finden, das günstige spezifische Kältemitteleigenschaften aufweist. Geeignete Arbeitsmittel sind:

  • Chlorfluorkohlenwasserstoffe (FCKW), wie R 134 a, R 407 C
  • Propan
  • Freon
  • Ammoniak
  • Kohlendioxid
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