Transcript Kältemaschinen

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: AbsorptionsKompressionskälteprozess
Kompressionskälteprozess
Absorptionskälteprozess
Vergleich: AbsorptionsKompressionskälteprozess
Kompressionskälteanlagen:
Absorptionskälteanlagen:
- hohe Leistungszahlen (bis ca.
ε=6) bei Kühlung und Heizung
- Leistungszahlen bis ε=1,6 im
Wärmepumpenbetrieb und
Wirkungsgrad etwa bis η=0,8 im
Kühlbetrieb
- leicht regulierbar
- elektrische Energie notwendig
- schwieriger zu regulieren
- thermische Energie notwendig 
Potential zur solaren Kühlung
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
Betriebskostenvergleich
Wärmepumpe - 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