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Wärmepumpen Link Handbücher Prinzip Systeme Hersteller Literatur Infos
Hallo, aus meinem Fundus Wärmepumpen-Links,viel Erfolg! K. Warter
Prinzip und Funktion von Wärmepumpen Thermodynamik der Linksprozesse Aufbau einer Wärmepumpe Einsatzgebiete
Thermodynamik der Linksprozesse Die Menschen benötigen zum Leben und Arbeiten mechanische oder elektrische Energie, Wärme und Kälte. Auf der Basis von thermodynamischen Kreisprozessen erfolgt vorrangig in thermischen Energieumwandlungsanlagen die kontinuierliche Bereitstellung von Wärme, Kälte und Strom. Die Kreisprozesse werden entsprechend der Prozeßführung in rechtsläufige Prozesse oder auch kurz Rechtsprozesse und in linksläufige Prozesse oder Linksprozesse unterteilt.
Die Rechtsprozesse dienen als Vergleichsprozesse für Kraftwerke, Verbrennungskraftmaschinen u. ä.. Hier wird durch Zuführung und Abführung von Wärme die Enthalpie eines Arbeitsmittels erhöht und verringert, dazwischen wird technische Arbeit gewonnen.
Bei einem Linksprozeß wird Wärme unter Aufwand von Arbeit entgegen dem natürlichen Temperaturgefälle auf ein höheres Temperaturniveau gehoben. Läuft der Prozeß in einem Temperaturbereich ab der über der Umgebungstemperatur liegt, spricht man von einem Wärmepumpenprozeß. Findet der Prozeß in einem Bereich unterhalb der Umgebungstemperatur statt, handelt es sich um einen Kältemaschinenprozeß. Bildhaft kann man sich die Kreisprozesse nach [RECKNAGEL], wie folgt vorstellen: Es gibt zwei Wärmebehälter mit unterschiedlichen Temperaturniveaus (T1>T2):
Rechtsprozeß Aus dem Wärmebehälter der Temperatur T1 fließt die Wärmemenge Q1 heraus. Ein Teil der Wärme Q2 fließt in den Wärmebehälter der Temperatur T2 (=Abwärme). Der Rest von Q1 entspricht dem Anteil, der an technischer Arbeit abgegeben werden kann.
Bild: Rechtsprozeß
Linksprozeß Hier wird aus dem Wärmebehälter mit der niedrigen Temperatur T2 die Wärmemenge Q2 entnommen. Außerdem wird technische Arbeit zugeführt. Beide zusammen fließen in Wärmebehälter mit der hohen Temperatur.
Bild: Linksprozeß
Der Vorteil der Wärmepumpe gegenüber konventionellen Verfahren zur Bereitstellung von Heizwärme liegt darin, daß durch sie sonst nicht nutzbare Energie (z. B. Abwärme oder Umweltwärme), deren Temperaturniveau für den jeweiligen Anwendungsfall zu niedrig ist, durch eine "Temperaturanhebung" noch verwendet werden kann.
Durch den Einsatz der Wärmepumpe kommt es, z. B. bei Nutzung von Abwärme als Wärmequelle, zur Vermeidung von "Wärmemüll", Einsparung an Primärenergie und Vermeidung von CO2-Emissionen.
Der Kreisprozeß einer Wärmepumpe entspricht thermodynamisch dem eines Kühlschrankes. Allerdings wird bei der Wärmepumpe die "warme" und beim Kühlschrank die "kalte " Seite genutzt.
Aufbau einer Wärmepumpe Eine Wärmepumpe besteht aus folgen Bauteilen:
Bild: Prinzip der Wärmepumpe.
Verdampfer 1 Der Verdampfer ist ein Wärmeübertrager, in dem Wärme aus einer Wärmequelle aufgenommen und an ein Arbeitsmittel (Kältemittel) durch Verdampfung (Phasenwechsel von Flüssigkeit zu Dampf) abgegeben wird.
Es gibt in Abhängigkeit vom Wärmeträgermedium und der Art der Wärmequelle verschiedene Verdampferbauarten: Plattenwärmeübertrager, Rohrbündelwärmeübertrager, Koaxialwärmeübertrager, Lamellenrohrwärmeübertrager.
Verdichter 2 Hier muß je nach Bauart der Wärmepumpe in mechanische oder thermische Verdichter unterschieden werden. Alle anderen Bauteile sind in Wärmepumpen identisch. In einer Kompressionswärmepumpe wird der durch die Verdampfung entstandene Kältemitteldampf durch die Zufuhr von hochwertiger Energie (Antriebsenergie für den mechanischen Verdichter in den meisten Fällen Strom) im Verdichter auf einen höheres Druck- und Temperaturniveau gebracht. Als Verdichter können je nach Anwendungsfall verschiedene Bauarten zum Einsatz kommen:
Hubkolbenverdichter Rollkolbenverdichter Scroll-Verdichter Schraubenverdichter Turboverdichter
Bild: Prinzip einer Kompressionswärmepumpe
In einer Absorptionswärmepumpe erfolgt die Druck- und Temperaturerhöhung des Kältemitteldampfes mittels eines "Thermischen Verdichters".
Bild: Prinzip einer Absorptionswärmepumpe
Der thermische Verdichter besteht aus folgenden Bauteilen:
Absorber I Im Absorber wird der Kältemitteldampf in einem Lösungsmittel absorbiert. Bei diesem Prozeß wird Wärme frei, die für Heizzwecke genutzt wird.
Lösungsmittelpumpe II Mit der Lösungsmittelpumpe wird die im Absorber mit Kältemittel angereicherte Lösung (oder auch "reiche Lösung") auf einen höheren Druck im Austreiber gepumpt. Die Antriebsleistung für die Lösungsmittelpumpe ist im Vergleich zur notwendigen Antriebsleistung des Verdichters der Kompressionswärmepumpe sehr gering.
Austreiber II Im Austreiber werden Kältemittel und Lösungsmittel durch Wärmezufuhr von außen wieder getrennt. Die im Austreiber erforderliche Wärme stellt also die eigentliche Antriebsenergie der Absorptionswärmepumpe dar, die in Form von hochtemperierter Abwärme (z.B. Fernwärmerücklauf) oder durch einen Brennstoff (meist Gas) zugeführt werden muß. Das ausgetriebene Kältemittel strömt mit hohem Druck und hoher Temperatur in den Kondensator.
Drosselventil VI Das Lösungsmittel (oder auch die arme Lösung) strömt, nach der Druckreduzierung auf das Niveau im Absorber, im Drosselventil in den Absorber zurück.
Kondensator oder Verflüssiger 3 Der Kondensator ist ein Wärmeübertrager, in dem durch einen Phasenwechsel des Kältemittels (Dampf zur Flüssigkeit) bei konstanter Temperatur Wärme an die Wärmesenke abgegeben wird. Die Kondensatoren stehen in den selben Bauarten wie die Verdampfer zur Verfügung.
Expansionsventil 4 Im Expansions- oder Drosselventil wird das Kältemittel vom Kondensationsdruck auf den Verdampfungsdruck entspannt. Der Kreislauf ist damit wieder geschlossen.
Einsatzgebiete Gebäudebereich
Raumheizung Warmwasserbereitung Kombinierte Raumheizung und Warmwasserbereitung Klimatisierung Industrie
Trocknung und Entfeuchtung Klimatisierung Brüdenverdichtung bei Eindampfungsanlagen Dephlegmatorkühlung bei der Gasgemischzerlegung Wärmerückgewinnung Abwassernutzung
Aus:http://metp02.mw.tu-dresden.de/rootcollection/Course/Engin/HPum/L1
http://whg.work.de/physik/u2benerg/waermepump.htm
http://www.waermepumpen-starunity.ch/deutsch/wp_besch.htm
http://www.waermepumpe-iwp.de/
http://gbt.ch/_forum/000001f6.htm
Wärmepumpe
Dr. Burkhard Sanner
Generell kann eine Wärmepumpe als ein Aggregat bezeichnet werden, das Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau aufnimmt und unter Hinzunahme von Antriebsenergie (mechanische Energie oder höhere Temperaturen) Wärme auf einem höheren, nutzbaren Temperaturniveau abgibt. Damit eignet sich eine Wärmepumpe grundsätzlich für die Nutzung oberflächennaher Geothermie zu Heizzwecken; Wärme wird aus der Erde bei Temperaturen von etwa -5 °C bis +10°C gewonnen und mit ca. 35-55 °C an die Heizung abgegeben. Je niedriger dabei der Temperaturhub ist (z.B. 0 °C auf 35 °C), desto weniger Antriebsenergie wird benötigt, und desto besser ist die Energieeffizienz.
Eine Analogie zur Wärmepumpe findet sich in jedem Haushalt: Ein Kühlschrank fördert Wärme von niedrigem Niveau (Innenraum) auf ein höheres Niveau, auf dem sie an die Umgebungsluft abgegeben werden kann (Verflüssiger, meist auf der Kühlschrankrückseite; dieser wird im Betrieb warm). Ziel ist hierbei natürlich nicht die Heizung der Luft an der Kühlschrankrückseite, sondern die Kühlung des Innenraumes. Auch Wärmepumpen können so gebaut werden, daß sie für beide Zwecke eingesetzt werden können, nämlich die Heizung im Winter und die Raumkühlung im Sommer. Derartige Wärmepumpen werden in großen Stückzahlen in Japan und Nordamerika gebaut. Nachfolgend einige nähere Erläuterungen zur Wärmepumpe.
" 'Dampf kann mechanische Arbeit erzeugen!' Von diesem allgemein als richtig anerkannten Erfahrungssatze machte bis nun die Industrie unzählige nützliche Anwendungen, und sie verdankt demselben die größten Fortschritte der Neuzeit. Aber auch an der Richtigkeit des obigen umgekehrt ausgeprochenen Erfahrungssatzes: 'Mechanische Arbeit kann Dampf erzeugen', dürfte wohl kaum ein Physiker zweifeln, da ihn vielfache Analogien darauf führen müssen. Allein meines Wissens hat es bisher noch Niemand versucht, diesen Satz in seiner umgekehrten Form im Großen und zum Vortheile der Industrie anzuwenden und auszuführen." So schreibt RITTINGER im Jahr 1855 in der Vorrede zu seiner Abhandlung über ein neues Abdampfverfahren * . Er sah einen Einsatz in der österreichischen Salinenindustrie vor, wo der Brennstoffeinsatz zur Eindampfung der Sole reduziert werden sollte. Seine "Dampfpumpe", mit der die Temperatur des Brüdendampfes durch mechanische Kompression erhöht und dieser damit wieder zum Erhitzen der Sole genutzt werden sollte, kann als erster Vorläufer der Wärmepumpe angesehen werden. Das Jahr 1857, in dem in der Saline Ebensee südlich des Traunsees in Österreich erstmals eine solche Anlage in Betrieb ging, wird daher zum Geburtsjahr der Wärmepumpe.
Zwar handelt es sich bei Rittingers System um einen offenen Kreislauf, da ja ständig neuer Dampf aus der Sole entsteht und der komprimierte, heiße Dampf nach Abgabe von Wärme an die Sole in die Atmosphäre entlassen wird, doch ist eine praktische Nutzung mechanischer Energie zur Wärmeerzeugung gegeben. Nach dem Anheizen, das bis zur Dampfentwicklung konventionell durch Verbrennung erfolgen muß, kann der Abdampfprozeß durch mechanische Energie aufrecht erhalten werden. Rittinger hat zum Antrieb an Wasserkraft gedacht, und dabei 1855 eine jährliche Einsparung von 32.000 Kubik-Klaftern (ca. 293.000 m3) Holz bei Anwendung in allen österreichischen Salinen errechnet. Nach ersten Erfolgen geriet das System in Vergessenheit, heute jedoch arbeitet die Saline Ebensee wieder mit Brüdendampfkompression (durch elektrisch angetriebene Turbokompressoren).
Das Schema einer Kompressions-Wärmepumpe zeigt Abb. 1. In der Praxis sieht der Arbeitsmittelkreislauf folgendermaßen aus: Durch Wärmezufuhr auf niedrigem Temperaturniveau wird ein Medium mit tiefem Siedepunkt ("Kältemittel", heute meist ozonunschädliche FKWs wie R407c oder natürliche Stoffe wie R290/Propan) verdampft, die gasförmige Phase dann in einem Kompressor verdichtet (in der Praxis bis >20 bar) und dadurch erhitzt. Unter hohem Druck stehend, gibt das Arbeitsmittel seine Wärme zur Nutzung ab (Heizungswasser, Luftstrom) und kondensiert dabei. Durch ein Drosselorgan (Kapillarrohr, Expansionsventil) tritt das Arbeitmittel wieder in den Teilkreislauf mit geringem Druck ein und wird wiederum dem Verdampfer zugeführt.
Abb. 1: Schema einer Kompressions-Wärmepumpe
Für den Antrieb von Wärmepumpenkompressoren werden überwiegend Elektromotore eingesetzt. Bei größeren Einheiten (>100 kW Heizleistung) stehen auch Wärmepumpen zur Verfügung, deren Kompressor durch einen Gas- oder Dieselmotor angetrieben wird; im kleinen Leistungsbereich gibt es entsprechende Aggregate als Luft-Luft-Wärmepumpen in Japan und den USA, in Europa hat die Entwicklung noch nicht zu Serienprodukten geführt.
Bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Kompressionswärmepumpen lassen sich auch die Abwärme der Motorkühlung und ggf. der Abgase als Heizenergie nutzen. Anlagen, wo ein Aggregat zur Kraft-Wärme-Kopplung den Strom für eine elektrisch angetriebene Wärmepumpe liefert (Beispiele existieren u.a. in der Schweiz), könnte man als verbrennungsmotorisch angetriebene Wärmepumpe mit elektrischer Kraftübertragung bezeichnen.
Durch Absorption eines Gases in einem Lösungsmittel (z.B. Wasser), Umpumpen und anschließendes Austreiben des Gases durch Erwärmung von außen (mit etwa 85 - 200 °C) kann eine primärenergie-betriebene Wärmepumpe realisiert werden. Um die Analogie zur Kompressionswärmepumpe herzustellen, kann man das System aus Absorber, Austreiber, Umwälzpumpe und Expansionsventil in einer derartigen Wärmepumpe als "Thermischen Verdichter" bezeichnen. Solche Absorptions-Wärmepumpen eignen sich wegen des bei kleineren Einheiten durchweg eingesetzten H2O/NH3- oder H2O/LiBr-Gemisches eher für Wärmequellentemperaturen über 0 °C, z.B. als Grundwasserwärmepumpen.
Nachfolgende Tabelle führt die wichtigsten Kennziffern zur Beurteilung einer Wärmepumpe bzw. einer Wärmepumpenanlage auf:
Name Berechnung / Bedeutung Aussage Leistungszahl e Das momentane Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung zu aufgenommener elektrischer Antriebsleistung, bezogen auf einen bestimmten Anlagenumfang gemäß VDI 2067, für einen bestimmten Arbeitspunkt (Temperaturverhältnis) Effizienz einer Elektro-Wärmepumpe Jahresarbeitszahl b a Das Verhältnis aus jährlich gelieferter Wärme zu jährlich aufgenommener elektrischer Antriebsenergie, bezogen auf einen bestimmten Anlagenumfang gemäß VDI 2067 Effizienz einer Wärmepumpenanlage mit Elektro-Wärmepumpe Heizzahl z Das momentane Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung zu aufgenommener Brennstoffleistung, bezogen auf einen bestimmten Anlagenumfang gemäß VDI 2067, für einen bestimmten Arbeitspunkt (Temperaturverhältnis) Effizienz einer primärenergetisch betriebenen Wärmepumpe (1) Jahresheizzahl z a Das Verhältnis aus jährlich gelieferter Wärme zu jährlich aufgenommener Brennstoffenergie, bezogen auf einen bestimmten Anlagenumfang gemäß VDI 2067 Effizienz einer Wärmepumpenanlage mit primärenergetisch betriebenen Wärmepumpe (1)
(1) Verbrennungsmotorisch angetriebene Kompressionswärmepumpe oder mit Primärenergie betriebene Absorptionswärmepumpe
Die idealen Bedingungen, und damit auch den Vergleichswert für die höchste erreichbare Leistungszahl beschreibt der Carnot-Kreisprozeß (Abb. 2). Dabei durchläuft das Arbeitsmittel folgende Prozesse:
Strecke 1-2 Isotherme Verdampfung Wärmeaufnahme Strecke 2-3 Isentrope Kompression Antriebsaufwand Strecke 3-4 Isotherme Kondensation Wärmeabgabe Strecke 4-1 Isentrope Expansion
Abb. 2: T,s-Diagramme des Carnot'schen Kreisprozesses (links) und eines wirklichen Wärmepumpenprozesses (idealisiert, rechts)
Beim realen Wärmepumpenprozeß läuft vor allem die Expansion nicht isentrop, und die Verdichtung muß bis zu einer Temperatur gehen, die deutlich über derjenigen der isothermen Kondensation liegt (Abb. 1). Je größer der isotherme Anteil der Strecke 3-4 wird, desto näher kommt man dem Carnot-Prozeß. Die Leistungszahl einer Wärmepumpe, verglichen mit dem idealen Carnot-Prozeß, beschreibt den Carnot'schen Gütegrad. Dabei kann z.B. die für eine theoretische Wärmepumpe nach dem Carnot-Prozeß erforderliche Antriebsleistung mit der Antriebsleistung einer realen Wärmepumpe gleicher Wärmeabgabeleistung verglichen werden und der Carnot'sche Gütegrad h wc errechnet sich zu:
mit: Pc Antriebsenergie der Carnot-Wärmepumpe
P Antriebsenergie der realen Wärmepumpe
In einer realen Wärmepumpe gibt es noch weitere Unterschiede gegenüber dem idealen Carnot-Prozeß. So wird grundsätzlich mit einer gewissen Überhitzung gearbeitet, d.h., die in den Verdampfer eingespritzte Menge flüssigen Kältemittels wird so gesteuert, daß ihr insgesamt mehr Wärme zugeführt wird als für die reine Zustandsänderung erforderlich wäre, und damit die Temperatur des Dampfes angehoben (der Prozeß ist nicht mehr rein isotherm). Dadurch wird eine vollständige Verdampfung sichergestellt, um den Kompressor vor dem Ansaugen von Flüssigkeit zu schützen. Auch versucht man, im Kondensator eine gewisse Unterkühlung durch das kalte Rücklaufwasser herzustellen, womit sich die Leistungszahl etwas verbessern läßt. Schließlich gibt es noch Verluste im Verdichter, wo z.B. der beim Hubkolbenverdichter für den Schutz der Ventile erforderliche Totraum den Verdichterwirkungsgrad beeinträchtigt.
Die Wärmepumpen-Entwicklungen der letzten Jahre, mit neuen Kältemitteln, Plattenwärmetauschern und fortschrittlichen Kompressorbauarten, hat eine erhebliche Steigerung der Leistungszahlen bei gleichen Betriebsbedingungen erbracht. Dazu kommt die Optimierung der Anlagentechnik und der Erdreichankopplung, sowie die Qualitätssicherung z.B. durch die Richtlinie VDI 4640. So können heute erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen nicht nur Primärenergie einsparen, sondern selbst beim deutschen Strommix mit hohem Kohleanteil in der Erzeugung können Elektrowärmepumpen zur Reduzierung der CO2-Emissionen beitragen.
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Wärme-Kraft-Kopplung Schweiz BFE gleiche Links wie bei den Wärmepumpen --> siehe oben WKK Schweizerischer Fachverband für Wärme-Kraft-Kopplung Technik, Markt, Mitgliedfirmen, Publikationen http://www.waermekraftkopplung.ch/ FOGA Energieforschungsfonds der Schweizerischen Gasindustrie http://www.erdgas.ch/files/index.php3?language=d FEV Forschungsfonds der Erdöl-Vereinigung http://www.erdoel.ch/ube_ind.htm EU Wärme-Kraft-Kopplung in Europa http://www.cogen.org/home.html Abwärme BFE BFE-Projekte im Bereich der (industriellen) Abwärmenutzung http://www.abwaerme.ch/ NL Umfassende Übersicht zur Software für die Prozessintegration http://www.interduct.tudelft.nl/PItools/tools.html IEA Prozessintegration Implementing Agreement on Process Integration http://www.maskin.ntnu.no/tev/iea/pi/ Katalog zur Prozessintegration (wer macht was?) www.maskin.ntnu.no/tev/iea/pi/catalogue.html IEA/CADDET IEA Centre for the Analysis and Dissemination of Demonstrated Energy Technologies. Beispiele für energieeffiziente Anlagen http://www.caddet-ee.org/ Erdwärme BFE Forschung des Bundesamts für Energie im Bereich Erdwärme http://www.geothermal-energy.ch/ Ökologie NL ökologische Gesamtbelastung, Ecoindicator http://www.pre.nl/eco-ind.html UNO UNO-Studien zu den Kältemittelemissionen http://www.unfccc.org/program/wam/wamlistcat.html Literaturrecherche IEA/ETDE Energy Technology Data Exchange Umfassende Energie-Literaturdatenbank auch in den Bereich Wärmepumpen, Wärme-Kraft-Kopplung und Abwärmenutzung Nach online-Anmeldung für Einwohner von Mitgliedländern gratis! http://bia.osti.gov/ETDEWEB/ Patentrecherche EU Recherche nach europäischen Patenten http://www.espacenet.ch/ch/start/intro_de.htm http://www.european-patent-office.org/ USA US-Patente im Energiebereich http://apollo.osti.gov/waisgate/gchome2.html Energieforschung EU EU-Forschungsprojekte 5.Rahmenprogramm http://www.cordis.lu/fp5/home.html Informationen für Beteiligungen aus der Schweiz http://www.admin.ch/bbw/infonetz/d/entry.html EU-Energie Bereich Energie Energy, environment and sustainable development http://www.cordis.lu/fp5/src/t-4.htm EU-Suchen Suche nach Forschungsprojekten englisch http://apollo.cordis.lu/cordis/EN_RESUl_search.html deutsch http://apollo.cordis.lu/cordis/DE_NEWSl_search.html
Download:http://www.waermepumpe.ch/fe/
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12 Dec 2004
22:13:02 |
K. Warter |
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