Fachdidaktikseminar WS 06/07

Kältemaschinen

Manuel Fliri

Was sind Kältemaschinen?

Kältemaschinen arbeiten nach thermodynamischen Kreisprozessen, bei denen ein Kältemittel Wärme unterhalb der Umgebungstemperatur aufnimmt und bei höherer Temperatur wieder abgibt (Kältemaschine = Wärmepumpe).

Wo kommen Kältemaschinen zum Einsatz?

Kühlschränke Klimaanlagen Eishallen Wärmepumpenheizungen usw.

Wie funktionieren Kältemaschinen?

a) Der Kompressionskälteprozess

b) Der Absorptionskälteprozess

Der Kompressionskälteprozess

Das Kältemittel verdampft bei niedrigem Druck und niedriger Temp. im Verdampfer und nimmt dabei Wärme auf. Durch einen Verdichter wird es auf einen höheren Druck komprimiert (dabei steigt auch die Temp.) und gibt im Kondensator Wärme ab. Das flüssige Kältemittel wird über eine Drossel entspannt und verdampft wieder bei niedrigem Druck und niedriger Temp.

Verdampfer Kondensator

Kältemittel

Wichtige Eigenschaften eines Kältemittels:

geeignetes Dampfdruckverhalten hohe Verdampfungswärme ungiftig nicht umweltgefährlich nicht brennbar usw.

Typische Kältemittel:

FCKW (heute verboten), FKW, HFKW, KW, Ammoniak, CO2,

Wasser (als Kühlmittel),…

Darstellung im p, V -Diagramm

Darstellung im log p, h -Diagramm

Übungsbeispiel (log p,h–Dgr.)

Ammoniak-Kälteanlage:

Verdampfertemp. -20°C ND 1,9 bar

Kondensatortemp. + 30°C HD 11,7 bar

Wie viel Energie wird im Verdampfer aufgenommen, wie viel im

Kondensator abgegeben?

Wie viel Energie wird bei der Kompression

hinein gesteckt?

Welche theoretische Leistungszahl ε hat dieser

Prozess?

Übungsbeispiel (log p,h–Dgr.)

Lösung:

Verdampfertemp. -20°C Niederdruck 1,9 bar

Vollständige Verdampfung h = 1735 kJ/kg

Verdichtung auf 11,7 bar Δh = (2025 kJ/kg - 1735 kJ/kg) = 290 kJ/kg

Vollständige Kondensation im Kondensator bei 30°C

Δh = (640 kJ/kg - 2025 kJ/kg) = -1385 kJ/kg

Entspannung durch Drossel (h = konst.) h = 640 kJ/kg

Vollständige Verdampfung Δh = (1735 kJ/kg - 640 kJ/kg) = 1095 kJ/kg

ε = 1095 kJ/kg / 290 kJ/kg = 3,8

Der Absorptionskälteprozess

Grundlegende Unterschiede zu Kompr. Anlagen:

2 Kreisläufe (Kältemittel- u. Lösungsmittelkreislauf) Arbeitsstoffpaar (Kältemittel/Lösungsmittel, z.B. Ammoniak/Wasser

od. Wasser/LiBr) thermische Verdichtung (im Gegensatz zur mechanischen

Verdichtung bei Kompr. Anlagen) Energieinput thermisch und nicht elektrisch

Der Absorptionskälteprozess

Das Kältemittel verdampft bei niedrigem Druck und niedriger Temp. im Verdampfer und nimmt dabei Wärme auf. Im Absorber wird das Kältemittel mit der sog. „armen Lösung“ vermischt und darin absorbiert. Dabei entsteht die Absorptionswärme, die abgeführt werden muss. Die entstandene „reiche Lösung“ wird über eine Pumpe auf einen höheren Druck gebracht und im Austreiber (Desorber) wird durch Wärmezufuhr das Kältemittel wieder ausgetrieben.

Das dampfförmige Kältemittel kondensiert im Kondensator und gibt dabei Wärme ab. Über eine Drossel wird es entspannt und verdampft wieder im Verdampfer. Die im Austreiber entstandene „arme Lösung“ wird über einen Wärmetauscher abgekühlt und strömt über eine Drossel wieder in den Absorber.

Vergleich: Absorptions- Kompressionskälteprozess

Absorptionskälteprozess

Kompressionskälteprozess

Vergleich: Absorptions- Kompressionskälteprozess

Absorptionskälteanlagen:

- Leistungszahlen bis ε=1,6 im Wärmepumpenbetrieb und Wirkungsgrad etwa bis η=0,8 im Kühlbetrieb

- schwieriger zu regulieren

- thermische Energie notwendig Potential zur solaren Kühlung

Kompressionskälteanlagen:

- hohe Leistungszahlen (bis ca. ε=6) bei Kühlung und Heizung

- leicht regulierbar

- elektrische Energie notwendig

Wärmepumpensysteme für den Privathaushalt

Wärmepumpen entnehmen der Umwelt (= großes Wärmereservoir) kostenlose Wärme und geben diese an das Heizsystem des Hauses ab. Dadurch wird mehr Wärme ans Haus abgegeben als man zum Betrieb energetisch aufwenden muss.

Man Unterscheidet 3 Wärmepumpensysteme:

- Grundwasser WP

- Erdreich WP (Flächenkollektoren, Tiefenbohrung)

- Außenluft WP

Wärmepumpensysteme

Die höchsten Energieausbeuten lassen sich erzielen wenn der Termperaturhub möglichst niedrig ist. D.h. Wärmepumpen am besten mit Niedertemp.-heizsysteme (z.B. Fussbodenheizung) kombinieren.

Grundwasser WP:

- relativ konst. Temp. 5-10°C

hohe Energieausbeute

- aufwendige Genehmigungen erforderlich

Wärmepumpensysteme

Erdreich WP:

- relativ konst. Temp. ca. 0-5°C

hohe Energieausbeute

- große Gartenfläche erforderlich

- Pflanzen wachsen langsamer, da Garten gekühlt wird

- Variante mit Tiefenbohrung sehr teuer

Wärmepumpensysteme

Außenluft WP:

- stark schwankende Temp.

geringere Energieausbeute

- einfachstes WP System, relativ kostengünstig

Wärmepumpensysteme

Weitere Vorteile von WP Heizungen:

- kein Kamin erforderlich

- kein Brennstofflagerraum erforderlich

- kein direkter CO2 Ausstoß umweltfreundlich

- Möglichkeit auch im Sommer Haus zu kühlen

- mittlerweile ein sehr sparsames Heizsystem aufgrund hoher Energiekosten (Gas, Öl, …)

- effektiv nur ca. 1/3 bis 1/4 der Strompreiserhöhung spürbar

- moderne WP sind problemlos als alleiniges Heizsystem einsetzbar

BetriebskostenvergleichWärmepumpe - Ölkessel

Modernes Einfamilienhaus: Heizbedarf 12000 kWh/Jahr

Wärmepumpe:

Jahresarbeitszahl = 3,5

Strompreis 15 cent/kWh effektive Kosten 514 €/Jahr

Ölkessel:

Jahresnutzungsgrad = 0,8 Heizwert Öl = 10 kWh/Liter

Ölpreis 65 cent/Liter effektive Kosten 975 €/Jahr