Für eine energiebewusste Zukunft

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1 Umweltenergie Lehrwerkstätten und Berufsschule Zeughausstrasse 56 für Mechanik und Elektronik Tel CH-8400 Winterthur Fax Wärmepumpe (Demonstrationsmodell) PA1502 Für eine energiebewusste Zukunft Die Verknappung der fossilen Energieträger, der Wandel im Umweltdenken sowie der Anstieg der Energiepreise haben in den letzten 20 Jahren der Wärmepumpe in den Bereichen Warmwasserversorgung und Raumheizung zum Durchbruch verholfen. Es ist naheliegend auch in Schulen die prinzipielle Arbeitsweise dieser Maschine zu erklären und zu demonstrieren. Mit dem Demonstrationsmodell kann die Arbeitsweise einer Wärmepumpe nicht nur erklärt sondern spürbar gezeigt werden. Die Wärmetauscher (Verdampfer bezw. Verflüssiger) sind offen zugängliche Kupferspulen, die von Hand umfasst werden können oder unter die ein Behälter mit Wasser gestellt werden kann. Zwei grosse Manometer ( 160 mm) zeigen Druckverhältnisse und Temperatur des Arbeitsmittels in der Druck- bzw. Saugleitung. Als Verdichter dient ein elektr. betriebener Kleinkompressor. Die Rückwand ist mit den Bezeichnungen der Funktionselemente beschriftet. Ausführliche Unterlagen mit Arbeitstransaparenten, Physikalischen Grundversuchen zu den Zustandsformen (fest, flüssig, gasförmig) und Schülerarbeitsblättern. ZT0075.doc 12/04 GRÖ

2 Technische Daten Aufbau Beschichtete Kunststoffplatten auf Stahlgestell montiert. Rückwand mit den Bezeichnungen der wichtigsten Elemente bedruckt. Spezialmanometer Ø = 120 mm Mit Doppelskala: Druck und Temperatur von R134a Stromversorgung Anschluss Kompressor Arbeitsmittel Netzanschluss 230 V/50 Hz Netzkabel mit Stecker Kabellänge 1.50 m Nennleistung 120 Watt. (Die Leistungsaufnahme) ist abhängig vom Betriebszustand R 134 a (FCKW frei) Verdampfertemperatur - 10 C Druckanzeige-Manometer Überdruck-Schutzschalter Abmessungen Gewicht Zubehör: Verdampfer (Saugleitung) bis 9 bar, Verflüssiger (Druckleitung) bis 15 bar Trennt den Kompressor vom Netz bei 15 bar. Durch Druck auf den roten Knopf des Druckbegrenzers wird der Kompressor wieder eingeschaltet. L x H x T = 750 x 545 x 350 mm ca. 19 kg 4 Dosen mit Deckel aus Kunsstoff, Inhalt 1l, Ø = 125 mm 2 Alublechwinkel rot und Blau eloxiert Mitgelieferte Unterlagen 1. Bedienungsanleitung inkl. Materialliste zu 10 Versuchen nach Punkt 2 2. Die Wärmepumpe (Funktionsweise, Anwendungen, inkl. Arbeitsblätter für Schüler) 3. 8 Hellraumprojektorfolien (mehrfarbig) ZT0075.DOC 2 / 7 12/04 GRÖ

3 Inhaltsverzeichnis 1. Beschreibung, Technische Daten (Blätter 1 und 2) 2. Was ist eine Wärmepumpe 3. Wie arbeitet eine Wärmepumpe 4. Bedienungsanleitung 5. Materialliste zu Schülerarbeitsblättern 2. Was ist eine Wärmepumpe Die Funktionsweise ist vergleichbar mit dem Prinzip eines Kühlschranks. Einem Medium (Lebensmittel) wird Wärme entzogen und an ein anderes Medium (Raumluft) abgegeben. Eine Wärmepumpe entzieht Umweltmedien wie Luft, Wasser oder Erdreich die Wärme und gibt diese an ein Heizsystem oder Warmwassersystem ab. Eine Wärmepumpe besteht im Wesentlichen aus folgenden Elementen: Verdampfer (Wärmeaufnahme) (1) ( ) = Elemente auch gemäss Seite 4 Verdichter (2) Verflüssiger (Wärmeabgabe) (3) Ausdehnungventil (5) Arbeitsmittel (Wärmeträgermedium) und Rohrleitungen 3. Wie arbeitet die Wärmepumpe? Eine Wärmepumpe entzieht der Luft, dem Wasser oder dem Erdreich Wärme und leitet diese an das Heizsystem weiter. Diese Umweltenergie wird zunächst zum Wärmeaustauscher (Verdampfer) der Wärmepumpe geführt. Hier befindet sich das flüssige Kältemittel (Arbeitsmedium), das nun die Wärme der Energiequelle aufnimmt und dabei verdampft. Der Verdichter saugt das gasförmige Arbeitsmedium an und presst es zusammen. Der Druck erhöht sich, die Temperatur steigt an. Anschließend sorgt ein zweiter Wärmeaustauscher (Verflüssiger) 2 dafür, dass die Wärme in das 1 3 Umlaufsystem der Heizung gelangt. Der abschließende Druckabbau erfolgt durch das Expansionsventil. Der Kreislauf beginnt von vorn. Ganz ohne Energiezufuhr funktioniert die Wärmepumpe nicht. Der 5 Verdichter (Kompressor) wird mit Strom angetrieben und hält den beschriebenen Kreislauf in Gang. ZT0075.DOC 3 / 7 12/04 GRÖ

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5 Noch etwas detaillierter: Im Verdampfer (1) herrscht ein Unterdruck. Da der Verdampfungspunkt des flüssigen Arbeitsmittels einiges unter der Temperatur des umgebenden Mediums liegt, wird es zum Sieden und Verdampfen gezwungen. Die hierfür notwendige Verdampfungswärme entzieht das Arbeitsmittel der Umgebung (Luft oder Wasser). Der Verdichter (2) (Kompressor) saugt das kalte, verdampfte Arbeitsmittel über die Saugleitung vom Verdampfer her an und presst es unter hohem Druck zusammen; dadurch steigt die Temperatur des Arbeitsmittels bis zu 50 C. Der Wärmeinhalt des Wärmeträgerdampfes (Arbeitsmittel) beträgt jetzt: 2 Teile Umweltenergie + 1 Teil elektrische Energie (für den Kompressor) = 3 Teile Heizwärme Der Verflüssiger (3) gibt nun Wärme an die umgebende Luft oder Flüssikkeit ab. Durch die Abgabe der Wärme kondensiert der heisse Arbeitsmitteldampf in der Verflüssigerspirale. Der kondensierende Dampf setzt Wärme frei, die das Heizungswasser usw. erwärmt. Das Ausdehnungventil (5) entspannt das verflüssigte Arbeitsmittel auf niedriegen Druck und niedrige Temperatur und leitet es zur erneuten Verdampfung über die Einspritzleitung zum Verdampfer zurück. Der Wirkungsgrad (abgegebene Leistung / zugeführten Leistung) einer Maschine ist stets unter 1.. Führt man diese Berechnung bei einer Wärmepumpe durch, so ist man erstaunt, denn die abgegebene Leistung ist stets grösser als 1. Man nennt dies deshalb nicht Wirkungsgrad sondern Leistungszahl. Die Antriebsenergie ist also kleiner als die transportierte Energie, die Differenz wird der Wärmequelle (Luft oder Wasser) entzogen. Bei der Funktionsbeschreibung der Wärmepumpe wird bewusst auf eine weitergehende physikalische Abhandlung mit Bestimmung der Leistungszahl verzichtet. Es sei darauf hingewiesen, dass ein Demonstrationsmodell nicht die Leistungszahl optimal dimensionierter Gebrauchswärmepumpen erreicht. Bei Versuchen zum Nachweis der Leistungszahl ist darauf zu achten, dass die Wärmeverluste durch gute Isolation der verwendeten Gefässe klein gehalten werden. ZT0075.DOC 5 / 7 12/04 GRÖ

6 4. Bedienungsanleitung Die Wärmepumpe wird mit dem Netzkabel an 230 V~ angeschlossen. Durch die Betätigung des Netzschalters wird die Wärmepumpe in Funktion gesetzt. An beiden Manometern ist sofort eine Druckänderung zu erkennen. Nach ca. 1 Minute lässt sich der Temperaturunterschied an den beiden Kupferspiralen (Verflüssiger und Verdampfer) sehr gut mit der Hand fühlen. In dieser Betriebsart (ohne Wassergefäss) darf die Wärmepumpe nur wenige Minuten betrieben werden. Der Verdampfer vereist, und dies führt langsam auch zu einer Vereisung der Saugleitung zum Kompressor. Das kann zu einer Schädigung des Kompressors führen. Die Vereisung ist deutlich zu erkennen und kann somit unter Kontrolle gehalten werden. Im Normalbetrieb werden 2 wassergefüllte Gefässe, zur Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe verwendet. Die Kupferspiralen des Verflüssigers bezw. des Verdampfers müssen dabei ganz mit Wasser bedeckt sein. In den Gefässen wird die Wassertemperatur mit einem Thermometer gemessen. Um eine gleichmässige Verteilung der Wärme zu erreichen, muss das Wasser in beiden Gefässen immer wieder etwas gerührt werden. Die bessere, gleichmässige Wärmeverteilung Verteilung lässt sich als Druckveränderung auf den Manometern sofort erkennt. Die Wärmepumpe ist mit einem Sicherheitsschalter versehen, der bei einem Druck von ca. 15 bar anspricht und den Kompressor ausschaltet. Erst wenn der Druck auf ca. 10 bar gefallen ist, kann der Kompressor durch drücken der Rückstelltaste am Überdruckschalter wieder eingeschaltet werden. Für genauere Messungen und zur Bestimmung der Leistungszahl ist es wichtig, die aufgenommene elektrische Energie selbst zu ermitteln. Ein genauer Wert kann nicht angegeben werden, da die tatsächliche Leistungsaufnahme der Kompressoren gewissen Schwankungen unterliegt. Ebenso ist die thermische Isolation der Gefässe zu berücksichtigen, ein Teil der Wärme wird hier bereits an die Umgebung abgegeben. Einsatz der 4 Kunststoffbehälter und Winkelbleche (im Lieferumfang) Je zwei Behälter mit Wasser füllen und ohne Deckel unter die beiden Kupferspiralen (Verdampfer bzw. Verflüssiger) bereitstellen. Je ein leerer Kunststoffbehälter mit Deckel unter die vollen Wasserbehälter schieben. Die Kupferspiralen sollten nun komplett in Wasser getaucht sein.. Seit 2005 werden zur Halterung der Wasserbehälter zudem zwei eloxierte (rot / blau) Winkelbleche mitgeliefert. Sie werden an der Rückwand eingehängt. Nach Einschalten der Wärmepumpe wird die Wärme vom einen Wasserbehälter in den anderen gepumpt. Das Wasser wird rasch kühler bzw. wärmer. Die Wärme / Kälte wird in der Praxis in einem Kreislauf mit Wärmetauschern abgeführt. Beachten Sie hierzu den Wärmetauscher PA 6045 der msw-winterthur. ZT0075.DOC 6 / 7 12/04 GRÖ

7 5. Materialliste zu den Versuchen von Beilagen-Teil 2 Die Wärmepumpe : 10 Versuche zum Thema Wärmepumpe Art. Bezeichung Versuch Nr PA 1345 N20-Patronen, 10 Stk. 1 PA 1346 Patronenöffner zu Exp. Wagen 1 PA 3022 Wasserstrahlpumpe Gew. G1/2 *1 PA 3050 Kolbenvakuumpumpe *1 PA 3413 Gummistopfen 34/38 mm mit 2 Löcher D= 7 mm 1 PA 3426 Winkelrohr D=8x80x60 mm 1 PA 3437 Becherglas mit Ausguss, 600 ml 1 PA 3450 Erlenmeyerkolben, 500ml 1 PA 3482 Thermometer 10 bis +110 C PA 6022 Bunsenbrenner 470 inkl. Kartusche PA 6028 Dreibein 240 mm PA 6029 Drahtgewebe mit Keramikeinlage PA 6220 Pneumatisches Feuerzeug 1 PA 6221 Pyroxylwattekügelchen, 96 Stk. 1 PA 6226 Demonstrations-Dampfkochtopf 1 Plastikspritze 1 Kaltes Wasser (ca. 20 C) Heisses Wasser ( ca. 80 C) 1 Streichhölzer Schlauch für Aussen- 8 mm 1 Velopumpe 1 Velo-Schlauch oder -Rad 1 Flüssiggas-Feuerzeug 1 Watte 1 1 Äther *1 1 Rasierwasser *1 Bemerkung: * wahlweise ZT0075.DOC 7 / 7 12/04 GRÖ