Wärmepumpe. Mag. Dipl.-Ing. Katharina Danzberger

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1 Mag. Dipl.-Ing. Katharina Danzberger 1. Zielsetzung Im Rahmen der Übung sollen die Wärmebilanz und die Leistungszahl bzw. der COP (Coefficient Of Performance) der installierten n bestimmt und diskutiert werden. Weiters sollen die theoretischen Werte mit den tatsächlich erzielten Werten verglichen werden. 2. Voraussetzungen zur Übungsdurchführung Grundvoraussetzung für die Übungsdurchführung ist die positive Absolvierung der Vorbesprechung zum Beispiel. Diese hat spätestens einen Tag vor der geplanten Durchführung zu erfolgen. Der Stoff für diese Vorbesprechung setzt sich aus dieser Übungsanleitung und den relevanten Abschnitten (Wärmetransport) folgender Literatur zusammen: Skript Verfahrenstechnik I,, JKU 3. Einleitung Die Wärmeenergie in einem abgeschlossenen System geht immer vom heißeren zum kälteren Körper über. Eine ist eine Arbeitsmaschine, die mit Hilfe höherwertiger Energie (elektrische Energie) Wärme von einem tieferen auf ein höheres Temperaturniveau hebt (Abbildung 1). Dieser Wärmetransport geschieht über ein reales Gas im Kältemittelkreislauf. Das Kältemittel (hier: R134a) nimmt beim Verdampfen Wärme auf und gibt sie beim Kondensieren wieder ab. Die Wärme wird also in Form von Phasenumwandlungs-energie des Gases transportiert. Es ist daher günstig, ein Gas mit möglichst hoher Kondensationswärme zu verwenden. Damit der Wärmetransport vom kalten zum en Reservoir stattfinden kann, muss Arbeit von außen zugeführt werden. Die von der Maschine benötigte Arbeit W mech ist gleich der Wärmedifferenz Q. _Anleitung

2 Abbildung 1: Schematische Darstellung der Abbildung 2: Eine typische Anwendung für n _Anleitung

3 Jede Kompressionswärmepumpe enthält die folgenden Komponenten: o Verdampfer o Verdichter o Kondensator o Expansionsventil Diese Komponenten sind durch Leitungen verbunden, in denen das Kältemittel R134a den Kreisprozess nach Abbildung 3 durchläuft. p P 0 Abbildung 3: Prinzipielle Schaltung einer Im Verdampfer wird das flüssige Kältemittel unter Wärmezufuhr auf niedrigem Temperaturniveau beim Druck p0 verdampft. Der überhitzte Kältemitteldampf wird vom Verdichter auf den Druck p verdichtet und damit auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. Im Kondensator gibt der überhitzte Kältemitteldampf seine Überhitzungs- und Kondensationswärme ab, wird verflüssigt und im Expansionsventil auf den Verdampfungsdruck p0 entspannt, wobei ein Teil des flüssigen Kältemittels verdampft. 3.1 Mollier-Diagramm Das verwendete Kältemittel Tetrafluorethan CF 3 CH 2 F (Handelsname: R134a) ist ein farbloses, fast geruchloses Gas, welches unter Druck leicht verflüssigt werden kann. Mit dem Mollier-Diagramm (Enthalpiediagramm), Abbildung 4, kann die Energie und der Phasenübergang des Kältemittels im gesamten nkreislauf quantitativ beschrieben werden. _Anleitung

4 Abbildung 4: Mollier Diagramm _Anleitung

5 Farblich unterscheidbar sind Isotherme (rot), Isentrope (orange) und Isochore (schwach grün) eingezeichnet. Eine fett durchgezogene, schwarze Linie trennt die Bereiche, in denen das Kältemittel unterhalb des kritischen Punktes K flüssig oder teils gasförmig/flüssig oder gasförmig vorliegt. Abbildung 5 zeigt schematisch einen vollständigen nkreislauf. Auf der vertikalen, logarithmisch geteilten Achse ist der Druck in bar aufgetragen, auf der horizontalen Achse kann die spezifische Enthalpie h (in kj/kg) abgelesen werden, die auf die Kältemittelmenge bezogen ist. Wärmemengen und Verdichtungsarbeit sind in dieser Darstellung als Strecken parallel zur Enthalpieachse abzulesen. Abbildung 5: n-kreisprozess im lg p, h-diagramm Ausgehend von Punkt 1 wird der Kältemitteldampf im Idealfall (isentrope Verdichtung d. h. ds = 0) bis zum Punkt 2 verdichtet. [1]: Die Temperatur T E des überhitzten Dampfes vor der Kompression wird direkt an der Kupferrohrzuleitung zum Kompressor gemessen. Ausgehend von [1] (p V -Isobare schneidet T E -Isotherme) kann der Kreisprozess konstruiert werden. [1->2]: Unter der Annahme, dass die Verdichtung von p V auf p C adiabatisch und reversibel abläuft, folgt man bei [1] der Linie konstanter Entropie bis zum Druck p C und erreicht somit [2]. Der Energieaufwand ist W mech = h 2 h 1. Von Punkt 2 bis zum Punkt 3 wird das Kältemittel isobar abgekühlt, verflüssigt und etwas unterkühlt. [2->2 ]: Im Kondensator bleibt der Druck konstant bei p C. Der Kältemitteldampf kühlt zunächst ab zur Kondensationstemperatur T C. [2 ->3]: Anschließend wird der Kältemitteldampf unter Abgabe seiner latenten Wärme zur Flüssigkeit. Diese Zustandsänderung erfolgt isotherm und isobar. _Anleitung

6 Zur Abfuhr der Kondensationswärme in endlicher Zeit ist ein Temperaturgefälle zur Wärmesenke hin notwendig: T < T C. Deshalb kühlt das Kältemittel nach vollständiger Verflüssigung noch weiter ab [3 ]. [3 ] und [4 ] wird allerdings hier nicht weiter berücksichtigt. Für die an die Wärmesenke abgegebene Wärme q C (spezifische Nutzwärme) gilt: q C = h 2 h 3 Die Entspannung von 3 nach 4 verläuft auf einer Isenthalpen (dh = 0). [3->4]: Durch die Druckabsenkung am Drosselventil (p C auf p V ) findet eine Temperaturabsenkung von T C auf T V statt. Die Verdampfungswärme wird vom Kältemittel selbst aufgebracht. Da weder Wärme noch Arbeit mit der Außenwelt ausgetauscht wird, herrscht konstante Enthalpie. Vom Punkt 4 bis Punkt 1 wird das Kältemittel isobar verdampft und leicht überhitzt. Die Länge der Strecke 4 1 entspricht der spezifischen Wärme q 0 = h 1 h 4, die der Wärmequelle (Umgebung) entzogen wird. [4->0]: Das Kältemittel behält die Siedetemperatur T V bis zur vollständigen Verdampfung bei [0]. Damit die Verdampfungswärme in endlicher Zeit das Kältemittel erreicht, muss die Wärmequelle etwas wärmer sein: T V < T kalt. [0->0 ]: Danach wird der Kältemitteldampf erwärmt auf T 0. Wir nehmen T 0 gleich T kalt an. Die aus der Wärmequelle aufgenommene Wärmemenge q V berechnet sich nach: q V = h 0 h 3 [0 ->1]: Die Abwärme des Verdichters q reib geht auf das Kältemittel über und bringt es auf die Temperatur T E. Für die Abwärme gilt: q reib = h 1 h Carnot-Prozess Der Carnot-Kreisprozess ist ein vollkommen reversibler Prozess, der Wärme in zwei Bädern auf Temperaturen T und T kalt umsetzt. In der Realität lässt sich solch ein reversibler Prozess jedoch nicht verwirklichen. Trotzdem wird die thermodynamische Qualität von realen Maschinen an dem sogenannten Carnot-Wirkungsgrad gemessen. Für die einzelnen Leistungszahlen der gilt nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, dass mindestens so viel Arbeit W mech aufgewendet werden muss, wie auch die Carnot-Maschine benötigt, damit Wärme genutzt werden kann: ε ε Q = W mech T 1 ( ε Carnot ) = = ε Carnot, T Tkalt _Anleitung

7 3.3 Leistungszahlen Die Leistungszahl ε, auch Effizienz genannt, ist generell definiert als Nutzen ε =. Aufwand Für die Beurteilung einer ist entscheidend, wievielmal größer der Nutzwärmestrom, d. h. der vom Kondensator an die Wärmesenke (Warmwasserheizung) abgegebene Wärmestrom gegenüber der aufgewendeten Antriebsleistung des Verdichters ist. Die Leistungszahl ε einer, englisch Coefficient Of Performance (COP), ist der Quotient aus der Wärme, die in den Heizkreis abgegeben wird, und der eingesetzten Energie: QC Q COP = = ε = W W Eine lässt sich besonders dort vorteilhaft anwenden, wo Umwelt- oder Abwärme von einem noch angemessen hohen Temperaturniveau (> 0 C) zur Verfügung steht und wo Nutzwärme bei nicht sehr hohen Temperaturen (z. B. Heizung < 50 C) benötigt wird, so dass nur eine ger inge Temperaturdifferenz zwischen Verdampfungs- und Kondensationstemperatur zu überwinden ist. Heutige Wasser / Wasser-n erreichen Leistungszahlen von ca. 5,5 bis 6,5 bei W10 / W35 (d.h. 10 C Wärmequellentemperatur, 35 C Heizungsvorlauftemperatur). Damit die Gebäudeheizung mittels einer energetisch sinnvoll wird, muss entweder die Kondensationstemperatur abgesenkt (z. B. durch Niedertemperaturheizung) oder die Verdampfungstemperatur angehoben werden (durch höhere Wärmequellentemperatur, z. B. wenn die ihre Wärme aus dem Erdreich oder vom Grundwasser bezieht. Die European Heat Pump Association hat sogar ein Gütesiegel entworfen um die n mit ihren Leistungszahlen vergleichbar zu machen und diese nach Normen zu testen. mech Abbildung 6: Qualitätssiegel für n _Anleitung

8 4. Generelle Problemstellung Um Aussagen über die Güte einer machen zu können benötigt man ihre Leistungsdaten im Betrieb. Daher werden im Rahmen dieses Beispiels die Kenndaten der bei unterschiedlichen Betriebszuständen bestimmt. * Berechnung des COP: QC COP = W Q C...Wärmemenge auf der Wärmesenkenseite [J] W...zugeführte Arbeit [J] * Berechnung des theoretischen Wirkungsgrades ε th einer : ε th = T T T kalt T....Temperatur der en Seite [ K] T kalt...temperatur der kalten Seite [ K] * Berechnung des Gütegrades η WP einer : COP η WP = ε th ε th..theoretischer Wirkungsgrad der WP COP Leistungszahl der WP _Anleitung

9 5. Verfahrenstechnische Beschreibung M B L TISR Wasserspeicher WS-Kalt WS-Warm M B L LIRSL Wasserspeicher TIRAHL LIRSL FIRSL M TIR PICRAHL M FIRSL Prozess- WP M EI TIRC Leitungen von und zu Erdwärmesonden TIR TIR Leitungen von und zu Erdwärmesonden _Anleitung

10 6. Durchführung zur Verfügung stehen: 2 n mit Messvorrichtungen (siehe VFB) Folgende Daten sind alle 5 min abzulesen: T ein und T aus auf der Warmwasser- und der Kaltwasserseite T Qein und T Qaus, T Vorlauf und T Rücklauf und T Boiler und T Heizgas an der großen WP Q el ablesen und bestimmen an der kleinen WP Flüsse auf der Warmwasser- und der Kaltwasserseite Folgende Daten sind zu bestimmen: Q W, Q K und W und daraus den COP berechnen T der T ein an WW- und KW-Seite ε th mit den Temperaturen der Wasserkreisläufe und mit den Temperaturen der WP berechnen Den Gütegrad der WP berechnen 7. Datenauswertung, Protokoll Das anzufertigende Protokoll soll folgende Gliederung enthalten: 1. Aufgabenstellung 2. Theoretische Grundlagen / Berechnungen 3. Experimentelle Durchführung 4. Darstellung der Ergebnisse 5. Diskussion der Ergebnisse / Zusammenfassung 6. Anhang (Messwerte / ermittelte Daten) _Anleitung

11 Explizit anzuführen sind weiters zumindest folgende Auswertungen (Diagramme): Wärmebilanz erstellen Wassermenge im KW und WW-Tank berechnen Temperaturverläufe: Sowohl vom Kaltwasser- wie auch vom Warmwassertank Leistungslinien: COP gegen T [ C] und ε eff gegen T [ C] Leistungsverlauf: Leistung der WP [%] gegen Zeit [min] Wärmeflüsse: Q. W [W] gegen Zeit [min] und Q. K [W] gegen Zeit [min] Das Protokoll (MS-Word) ist innerhalb einer Woche nach Durchführung gemeinsam mit dem Excel-File bei mir abzugeben. Es kann eine Woche nach Abgabe bei mir abgeholt werden und die verbesserte Version wird mir dann als MS-Word file mit dem Dateinamen GrXX_WP_WS13.doc per (katharina.danzberger@jku.at) geschickt (spätestens drei Wochen nach Durchführung des Beispiels). _Anleitung