Kann man Wärme pumpen? Die Wärmepumpe Inhalt 1. Was ist eine Wärmepumpe? Wie funktioniert sie? 2. Experimente 2.1 Welchen Wirkungsgrad hat die Wärmepumpe? (Experiment 1) 2.2 Wie groß ist die spezifische Wärmekapazität von Wasser? (Experiment 2) 2.3 Temperatur, Druck und Aggregatzustand im Kreislauf einer Wärmepumpe (Experiment 3) 3. Kältemaschinen 3.1 Kühlschrank und Klimaanlage 3.2 Die Stirlingmaschine 4. Quellen
Kann man Wärme pumpen? Die Wärmepumpe 1. Was ist eine Wärmepumpe? Wie funktioniert sie? In fast jedem deutschen Haushalt befindet sich ein Gerät, das auf der Grundlage der Wärmepumpe arbeitet: der Kühlschrank. Weniger bekannt ist bei uns die Wärmepumpe als Heizungsanlage von Gebäuden. Sie entzieht dem Erdreich oder der Umgebungsluft die erforderliche Wärmeenergie und speichert sie in einem isolierten Wasserspeicher (Duplex- Speicher, siehe Abb. 2). Das Warmwasser kann zur Beheizung des Hauses, zur Speisung der Dusche oder Waschmaschine usw. verwendet werden. Der Zweck einer Wärmepumpe besteht also darin, einer Umgebung mit der Temperatur T 1 die Wärmemenge Q zu entziehen und sie an eine andere Umgebung mit einer höheren Temperatur T 2 abzugeben. Dazu ist die Arbeit W erforderlich, die von einem Kompressor aufgebracht wird. Der große Vorteil einer Wärmepumpe gegenüber einer konventionellen Heizanlage ist der höhere Wirkungsgrad sie erzeugt mehr Wärmeenergie, als ihr in Form von elektrischer Energie zugeführt wird. Hohe Anschaffungskosten haben jedoch einen wirtschaftlichen Durchbruch der Wärmepumpe verhindert. Weitere Nachteile sind, dass die Pumpe ab einer bestimmten Luft- bzw. Erdtemperatur nicht mehr hinreichend effizient arbeitet (Frage: Warum ist das so?) und dass zumindest in früheren Zeiten die verwendeten Arbeitsmedien (z.b. Frigen oder Freon) umweltphysikalisch bedenklich waren. a) Erdreichwärmetauscher b) Speicher c) Luftwärmetauscher Abbildung 1: Mögliche Ausführung von Außenelementen Abbildung 2: Aufbau eines Duplex-Speichers
Eine Wärmepumpe besteht im Wesentlichen aus vier Bauelementen: Verdampfer, Kompressor, Kondensierer und Drosselventil. Alle Teile sind über ein abgeschlossenes Rohrleitungssystem miteinander verbunden. Drosselventil Kompressor Behälter mit Verdampfer Behälter mit Kondensierer Abbildung 3: Der Versuchsaufbau Im Rohrleitungssystem zirkuliert ein Arbeitsmedium (meistens Frigen, Freon oder Ammoniak), welches am Drosselventil eine Druckminderung erfährt und sich ausdehnt. Deshalb wird das Drosselventil auch Expansionsventil genannt. Bei dieser Expansion kühlt sich das Arbeitsmittel ab und gelangt nun in den Verdampfer. Dort nimmt es eine Wärmemenge Q aus der Umgebung (bei uns: ein Wasserbad) auf, wobei es größtenteils verdampft. Das Gas gelangt in den Kompressor und wird dort stark komprimiert, was zu einer Temperaturerhöhung führt. Im Verflüssiger (Kondensierer) gibt das Arbeitsmittel die zuvor aufgenommene Wärmemenge an die Umgebung (bei uns: das zweite Wasserbad) ab. Hierbei sinkt die Temperatur und das Gas kondensiert wieder. Das flüssige Arbeitsmittel gelangt zum Expansionsventil, wo der Kreislauf wieder von neuem beginnt. Abbildung 4: Aufbau einer Wärmepumpe 1 1 Aufgabe: Vergleichen Sie Abbildung 4 mit Abbildung 3! Was fällt auf?
2. Experimente 2.1 Welchen Wirkungsgrad hat die Wärmepumpe? (Experiment 1) Beschreibung des Aufbaus und der Durchführung: Die Eimer werden mit je 3 Litern Wasser gefüllt. Die Wärmepumpe wird an einen Messwandler angeschlossen (siehe Abbildung 5). Volt- und Amperemeter werden an den Messwandler angeschlossen. Die Temperatur wird vor Inbetriebnahme der Wärmepumpe sowie nach 10 Minuten gemessen. Die Spannung und Stromstärke werden mit Hilfe eines Messwandlers gemessen. Hierbei ist zu beachten, dass stellvertretend für die Stromstärke eine zu ihr proportionale Spannung gemessen wird das Messgerät ist also als Voltmeter zu betreiben! Den Proportionalitätsfaktor entnehmen Sie bitte der Beschriftung des Messwandlers. Frage: Warum benötigen wir überhaupt einen Messwandler? Abbildung 5: Der Messwandler mit Voltund Amperemeter t in min ϑ w in C in K ϑ k in C TK in K I in A T W 0 } } 10 Auswertung: Aus den gemessenen Temperaturdifferenzen lassen sich die umgesetzten Wärmeenergien gemäß der Beziehung Q = c m T berechnen. Hierbei sind c die spezifische Wärmekapazität und m die Masse des jeweiligen Stoffes (bei uns: Wasser 2 ). Der Wirkungsgrad η einer Maschine ist definiert als genutzte Energie dividiert durch zugeführte Energie. Wenn eine Wärmepumpe zum Heizen verwendet wird, ist die genutzte Energie die Wärmeenergie 3 QW, die zugeführten Energien 4 sind die aus der Umgebung entzogene Wärmeenergie sowie die elektrische Energie W el = U. I. t. QK Also ergibt sich: Q ch O mh O T W 2 2 W η = = (1) Q + W c m T + U I t K el H O 2 H O 2 K Die Masse des Wassers ergibt sich aus der dem gewählten Volumen. Frage: Welche Beziehung besteht für Wasser zwischen Masse und Volumen? 2 Die spezifische Wärmekapazität von Wasser sollte Ihnen bekannt sein. (Wenn nicht, schlagen Sie den Wert nach und merken Sie ihn sich für die Zukunft!) 3 Statt Wärmeenergie wird auch oft der Begriff Wärmemenge verwendet. 4 Manche Physiker zählen die der Umgebung entzogene Wärme nicht als zugeführte Energie, da man diese quasi umsonst bekommt. Bei einer solchen Sichtweise ist der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe immer größer als Eins. Aufgabe: Berechnen Sie für diesen Fall den Wirkungsgrad! Was bedeutet er anschaulich? Frage: Warum ist es auch mit einer extrem starken Wärmepumpe nicht möglich, die Erdatmosphäre merklich abzukühlen?
2.2 Wie groß ist die spezifische Wärmekapazität von Wasser? (Experiment 2) Messung: Wir übernehmen die Messwerte aus Experiment 2.1. Auswertung: Stellt man die Gleichung (1) nach c 2 um, ergibt sich: H O c H2O = m H2O U I t η ( T η T W K ) (2) Mit dieser Beziehung kann die spezifische Wärmekapazität von Wasser berechnet werden. Aufgaben: (1) Leiten Sie aus Gleichung (1) die Gleichung (2) her! (2) Eigentlich können wir nicht wirklich behaupten, wir hätten die spezifische Wärmekapazität von Wasser experimentell bestimmt. Warum nicht? (3) Was müsste man ändern, um wirklich spezifische Wärmekapazitäten bestimmen zu können?
2.3 Druck, Temperatur und Aggregatzustand im Kreislauf einer Wärmepumpe (Experiment 3) Durchführung: Die Wärmepumpe wird angeschlossen. Die Eimer werden mit je 4 Litern Wasser gefüllt. In Abständen von 5 Minuten werden die Werte für den Druck, die Wassertemperatur, sowie die Temperaturen für Ein- und Auslässe am Verdampfer und Kondensierer gemessen und notiert. Messung: t in min p 1 in bar ϑ 1 in 0 C ϑ ke in 0 C ϑ ka in 0 C p 2 in bar ϑ 2 in 0 C ϑ ve in 0 C ϑ va in 0 C t : Zeit 5 p 1, p 2 : Druck vor bzw. hinter dem Drosselventil ϑ 1, ϑ 2 : Temperatur der Wasserbäder (in C) ϑ ke : Temperatur am Kondensierereinlass ϑ ka : Kondensiererauslass ϑ ve : Verdampfereinlass ϑ va : Verdampferauslass Auswertung: Die Messwerte werden, z.b. mit Hilfe von Excel, als Zeit-Temperatur-Diagramm bzw. Temperatur-Druck-Diagramm dargestellt. Aufgabe: Entsprechen die Graphen Ihren Erwartungen? Erklären Sie das Verhalten! 5 Physikalische Größen erhalten oft den Anfangsbuchstaben des entsprechenden englischen Wortes, hier z.b.: t time ; p pressure ; ϑ (in Worten Theta ) ist das griechische t (für temperature in Grad Celsius; das kleine t ist schon für die Größe Zeit belegt; das große T steht für temperature in Kelvin). Das englische Wort hat seinerseits oft lateinische oder griechische Wurzeln.
3. Kältemaschinen 3.1 Kühlschrank und Klimaanlage Wie in Kapitel 1 erwähnt wurde, enthält jeder Kühlschrank eine Wärmepumpe. Da man allerdings nicht an der Erwärmung der Kühlschrankrückwand, sondern an der Abkühlung des Kühlschrankinnenraums interessiert ist, bezeichnet man dieses Bauteil nicht als Wärmepumpe, sondern als Kältemaschine. Physikalische handelt es sich jedoch um das gleiche Gerät, es wird nur rückwärts betrieben bzw. verkehrt herum eingebaut. Auch eine Klimaanlage ist eine Kältemaschine. Denken Sie über folgende Dinge nach: Im Sommer ist es oft sehr heiß. Warum ist es trotzdem keine gute Idee, die Kühlschranktür offen zu lassen, um die Wohnung zu kühlen? Ist es nur zu teuer oder klappt es schlichtweg nicht? Mit einem Trick (der allerdings kleinere Umbaumaßnahmen am Haus erfordert), könnte man den Kühlschrank doch als Klimaanlage verwenden. Wie? Was müsste man ändern, um ihn im Winter als Wärmepumpe nutzen zu können? 3.2 Die Stirlingmaschine Es gibt noch andere Bauformen von Wärmepumpen/Kältemaschinen als die bisher behandelte. Aufgabe: Recherchieren Sie im Internet zum Thema Wärmepumpen/Kältemaschinen! Tipp: Geben Sie bei www.google.de (oder einer anderen Suchmaschine) Stirlingmotor + Kältemaschine ein! Welche Vorteile hat eine Stirling-Kältemaschine gegenüber den üblichen Kältemaschinen? Für Physik-Profis: Wie funktioniert eine Stirling-Kältemaschine? Falls das Experiment Der Stirlingmotor nicht von einer anderen Arbeitsgruppe belegt ist, können Sie wie folgt experimentieren: Wenn man eine Stirlingmaschine von außen antreibt (z.b. mit einem Elektromotor oder einer Handkurbel), so arbeitet er als Kältemaschine. Probieren Sie es aus!
3. Quellen 6 Eine sehr gute Zusammenfassung der Vor- und Nachteile von Stirlingmotoren sowie einen Ausblick in die Zukunft finden Sie hier: http://theorie.physik.uni-wuerzburg.de/~kinzel/statphys/stirling.pdf Eine einfache Beschreibung des Aufbaus und der prinzipiellen Funktionsweise einer Wärmepumpe findet man bei: www.wohnseiten.de/energietechnik-wp.html Ein Rundgang zum Thema Energiesparen, hier die Seite Wärmepumpe, ist bei: www.energie1.physik.uni-heidelberg.de/vrlsg/data/detail/8-2-1.htm Informationen auf höherem Niveau sowie Verweise auf weitere (z.t. englischsprachige) Quellen findet man unter: www.tu-dresden.de/mw/iem/kkt/mitarbeiter/peterneu.html Hier gibt es Informationen zur umweltfreundlichen Energienutzung, insbesondere zur Solarenergie: www.fellbach-solar.de/warmepumpe/warmepumpe.html Ein Hersteller von Wärmepumpen und Klimageräte ist: www.waermepumpe.klimageraet.de/waermepumpe Hier Initiative zur Verbreitung von Wärmepumpen und Förderung regenerativer Energien: www.waermepumpe.de Stand der Quellen: 20. Juli 2004 6 Internetquellen veralten oft sehr schnell. Schon nach kurzer Zeit können bestimmte Links nicht mehr erreichbar oder Inhalte geändert sein. Darum ist es sinnvoll, mit Hilfe von Suchmaschinen (z.b. www.google.de) immer aktuell zu recherchieren. Interessante Texte sollte man sich herunterladen.