So funktionieren (subkritische) Wärmepumpen
Als Wärmepumpen werden Maschinen bezeichnet, die aus vier wesentlichen Baugruppen bestehen.
- Verdampfer (Wärmetauscher)
- Verdichter oder Kompressor
- Verflüssiger (Wärmetauscher)
- Expansionsventil (Drosselorgan)
Diese Baugruppen sind über Rohrleitungen verbunden. Das System ist hermetisch abgeschlossen. In dem System befindet sich ein Arbeitsstoff.
Dieser Arbeitsstoff wird in einem sogenannten Kreisprozess unter Aufwendung von Volumenänderungsarbeit fortlaufend folgenden Zustandsänderungen unterworfen:
- Verdampfen
- Verdichten
- Verflüssigen als isotherme und isobare Zustandsänderung
- Entspannen
Der Vorteil dieses Kreisprozesses besteht darin, dass einer Wärmequelle mit einem niedrigen Temperaturniveau, beispielsweise Abwärme oder Grundwasser, durch Verdampfen des unter niedrigem Druck stehenden flüssigen Arbeitsstoffstromes Wärmeenergie entzogen wird. Diese Wärmeenergie wird im Schritt 2 des Kreisprozesses auf ein höheres Temperaturniveau angehoben und damit im Schritt 3 für die technische Praxis nutzbar gemacht.
Der Energieentzug aus der Wärmequelle wird dabei im Wesentlichen über den durch die Arbeitsstoffverdampfung entstehenden Enthalpiestrom bestimmt.
Dieser Enthalpiestrom aus der Wärmequelle in dem Arbeitsstoff führt während der Verdampfung über den Phasenübergang des Arbeitsstoffes von der flüssigen in die dampfförmige Phase zu einem erheblichen Anstieg der spezifischen Enthalpie, also des spezifischen Energieinhaltes des Arbeitsstoffes.
Am Verdampferaustritt liegt der Arbeitsstoff als überhitzter und damit flüssigkeitstropfenfreier Dampf mit hoher spezifischer Enthalpie vor. Dabei ist zu beachten, dass das Temperaturniveau des überhitzen Arbeitsstoffdampfes nicht höher als die Wärmequellentemperatur liegen kann.
Der überhitzte Arbeitsstoffdampf wird von dem Verdichter angesaugt und verdichtet. Dabei wird dem Arbeitsstoffdampf Volumenänderungsarbeit zugeführt. Die spezifische Enthalpie steigt weiter an und die Temperatur des Arbeitsstoffdampfes erhöht sich auf ein nutzbares Temperaturniveau.
Nunmehr kann eine geeignete Wärmesenke, beispielsweise Heizungs- oder Warmwasser, genutzt werden, um den unter hohem Druck stehenden dampfförmigen Arbeitsstoffstrom zu verflüssigen. Druck und Temperatur des Arbeitsstoffes bleiben dabei annähernd konstant.
Der Energietransport zur Wärmesenke wird dabei wieder im Wesentlichen über den bei der Arbeitsstoffkondensation entstehenden Enthalpiestrom bestimmt. Dieser Enthalpiestrom führt während der Kondensation durch den Phasenübergang des Arbeitsstoffes von der dampfförmigen in die flüssige Phase zu einer deutlichen Abnahme der spezifischen Enthalpie, also des spezifischen Energieinhaltes des Arbeitsstoffes. Der Energieinhalt des Arbeitsstoffes reduziert sich dabei um die zuvor im Verdampfer und Verdichter aufgenommenen Enthalpieanteile. Am Verflüssigeraustritt liegt Arbeitsstoff in flüssiger Form vor.
Das Temperaturniveau des Arbeitsstoffes ist noch hoch und kann dabei nicht unter der Rücklauftemperatur der Wärmesenke liegen.
Die anschließende Entspannung des flüssigen Arbeitsstoffes auf das niedrige Druckniveau des Verdampfers erfolgt über ein Expansionventil. Bei der Entspannung verdampft bereits ein Teil des Arbeitsstoffes, der überwiegende Teil verbleibt aber in der Flüssigphase. Die für die Teilverdampfung notwendige Energie wird der Flüssigphase des Arbeitsstoffes entzogen und geht mit einer deutlichen Absenkung der Temperatur des Arbeitsstoffes einher.
Druck und Temperatur erreichen somit wieder ihren Anfangszustand im Verdampfer. Der subkritische Arbeitsmittelkreislauf ist geschlossen. Der Prozess stellt sich im Temperatur-Entropie-Diagramm wie folgt dar:
Der Prozess stellt sich im Druck-Enthalpie-Diagramm wie folgt dar:
