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Fachdidaktikseminar WS 06/07 Kältemaschinen
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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: Absorptions- Kompressionskälteprozess
Absorptionskälteprozess
Kompressionskälteprozess
Vergleich: Absorptions- Kompressionskälteprozess
Absorptionskälteanlagen:
- Leistungszahlen bis ε=1,6 im Wärmepumpenbetrieb und Wirkungsgrad etwa bis η=0,8 im Kühlbetrieb
- schwieriger zu regulieren
- thermische Energie notwendig Potential zur solaren Kühlung
Kompressionskälteanlagen:
- hohe Leistungszahlen (bis ca. ε=6) bei Kühlung und Heizung
- leicht regulierbar
- elektrische Energie notwendig
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
BetriebskostenvergleichWärmepumpe - 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