So funktionieren (transkritische) thermeco2 Wärmepumpen
Wärmepumpen mit transkritischer Prozessführung bestehen wie Maschinen mit subkritischer Prozessführung aus vier wesentlichen Baugruppen:
- Verdampfer (Wärmetauscher)
- Verdichter oder Kompressor
- Gaskühler (Wärmetauscher)
- Expansionsventil (Drosselorgan)
Diese Baugruppen sind über Rohrleitungen verbunden. Das System ist hermetisch abgeschlossen. In dem System befindet sich der Arbeitsstoff CO2 (R744).
Dieser Arbeitsstoff wird in einem sogenannten transkritischen Kreisprozess unter Aufwendung von Volumenänderungsarbeit fortlaufend folgenden Zustandsänderungen unterworfen:
- Verdampfen
- Verdichten
- Kühlung des transkritischen Fluids als anisotherme und isobare Zustandsänderung
- Entspannen
Der Vorteil dieses transkritischen 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 den 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 überhitzten Arbeitsstoffdampfes nicht höher als die Wärmequellentemperatur liegen kann.
Der überhitzte Arbeitsstoffdampf wird von dem Verdichter angesaugt und verdichtet. Dabei wird dem Arbeitsstoff Volumenänderungsarbeit zugeführt. Der spezifische Enthalpiegehalt des Arbeitsstoffdampfes steigt weiter an und die Temperatur des Arbeitsstoffdampfes erhöht sich auf ein nutzbares Temperaturniveau. Ab diesem Punkt unterscheiden sich Wärmepumpen mit CO2 als Arbeitsstoff im Kreisprozess grundlegend von Wärmepumpen in subkritischer Betriebsweise.
Die Temperatur des Arbeitsstoffdampfes liegt nach der Verdichtung im Unterschied zur subkritischen Betriebsweise deutlich über dem kritischen Punkt. Aus diesem Grund spricht man auch von transkritischer Prozessführung. Eine Verflüssigung des Arbeitsstoffes durch Kondensation ist im transkritischen Bereich nicht möglich.
Der Energietransport zur Wärmesenke bei transkritischer Prozessführung erfolgt im Unterschied zur subkritischen Prozessführung nicht bei konstanter Temperatur, sondern durch eine „gleitende“ Abkühlung des Arbeitsstoffes bei annähernd konstantem Druck.
Ein Phasenübergang des Arbeitsstoffes von der dampfförmigen in die flüssige Phase findet nicht statt. Zur technischen Realisierung wird anstelle des Verflüssigers ein so genannter Gaskühler eingesetzt.
Der Energieinhalt des Arbeitsstoffes reduziert sich auch bei der gleitenden Abkühlung um die zuvor im Verdampfer und Verdichter aufgenommenen Enthalpieanteile.
Der Arbeitsstoff liegt am Gaskühleraustritt nicht in der flüssigen Phase, sondern immer noch als transkritisches Fluid vor. Das Temperaturniveau des Arbeitsstoffes ist noch hoch und kann wie bei der subkritischen Prozessführung nicht unter der Rücklauftemperatur der Wärmesenke liegen.
Aufgrund der „gleitenden“ Abkühlung ergeben sich besondere Anforderungen an die Wärmesenke. Diese muss im Unterschied zu subkritischen Prozessen die Aufnahme von größeren Temperaturdifferenzen ermöglichen, die den gleitenden transkritischen Prozessverlauf des Arbeitsstoffes äquivalent auf der Wasserseite wiedergeben.
Die anschließende Entspannung des transkritischen Arbeitsstoffes auf das niedrige Druckniveau des Verdampfers erfolgt zweistufig:
In der 1. Entspannungsstufe erfolgt der Übergang des Arbeitsstoffes vom transkritischen Zustand in die Flüssigphase.
In der 2. Entspannungsstufe wird der flüssige Arbeitsstoff analog zur subkritischen Prozessführung über ein Expansionsventil entspannt. Über die 2. Entspannungsstufe 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 transkritische 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:
