Grundlagen
Definition und Prinzip der Absorptionskältemaschine
Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, die mit technischer Arbeit Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau aufnimmt, und auf ein höheres, nutzbares Temperaturniveau anhebt [1]. Je niedriger dabei der Temperaturhub ist, desto weniger Antriebsenergie wird benötigt und umso höher ist der Gesamtwirkungsgrad. Wärmepumpen können sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen eingesetzt werden [1, 2, 3].
Es gibt eine Vielzahl an Verfahren, mit denen sich das Prinzip der Wärmepumpe verwirklichen lässt (Abbildung 7) [8, 14]. Generell können Wärmepumpen in drei wesentliche Gruppen unterteilt werden [1, 5, 7]:
Kompressionswärmepumpe
Die Kompressionswärmepumpe kann sowohl durch einen Elektromotor, als auch mit Hilfe eines Verbrennungsmotors angetrieben werden. Dem Kältemittel wird hierbei auf einem niedrigen Temperaturniveau Wärme zugeführt und dieses somit verdampft. Daraufhin wird das Gas durch den Kompressor verdichtet, dadurch weiter erhitzt und kondensiert. Durch eine Drossel wird das Kältemittel wieder dem Verdampfer zugeführt.
Sorptionswärmepumpe
Bei den Sorptionsprozessen wird diemechanische Energie durch thermische ersetzt, sodass der Verdichter ein thermischer Verdichter ist. Hierbei wird das Kältemittel durch Wärmeenergie direkt aus der Gas- oder Ölverbrennung zugeführt.
Peltier-Wärmepumpe
Peltier-Elemente sind elektrothermische Wandler, die auf dem Kontakt von zwei Halbleitern mit unterschiedlichem Energieniveau basieren. Wird Strom an ein solches Element angelegt, so wird auf der einen Seite Wärme aufgenommen, welche auf die andere Seite transportiert und wieder abgegeben wird. Je geringer die Temperaturdifferenz beider Seiten ist, desto höher ist der Wirkungsgrad dieser Elemente bzw. je geringer der anliegende Strom, desto geringer der Wärmetransport.
Abbildung 7: Einteilung der Wärmepumpen nach [8, 9]
Die heutzutage meist verwendeten Verfahren basieren auf mechanischer (Kompressionswärmepumpe), thermischer (Sorptionswärmepumpe) oder elektrothermischer (Peltierwärmepumpe) Energiezufuhr. Je nach zugeführter Wärme und Energiegehalt der Umgebung, können Wärmepumpen zum Kühlen (Kältemaschinen), Heizen und einer Kombination aus beidem eingesetzt werden.
Die Funktionen der Kreisprozesse lassen sich in einem idealen Carnotprozess darstellen. Die mechanische Wärmepumpe stellt hierbei einen einfachen linksläufigen thermodynamischen Kreisprozess dar. Dem hingegen verläuft der Prozess bei der thermischen Wärmepumpe als Kombination aus links- und rechtsläufigen Prozessen ab. [2, 3, 8, 13]
Am Beispiel einer Kompressionswärmepumpe soll im Folgenden das Funktionsprinzip von Wärmepumpen kurz erläutert werden. Einstufige Kompressionswärmepumpen sind in sich geschlossene Systeme, die nach dem Prinzip der Dampfkompression arbeiten. Der grundlegende Dampfkompessionszyklus besteht aus einem mechanischen Verdichter, einem Verdampfer, einem Kondensator und einem Drosselventil [4, 9]. Dabei wandelt sie mit Hilfe geringer Mengen an Antriebsenergie die im Grundwasser, Erdreich oder in der Luft gespeicherte Heizwärme um.
Die benötigte Antriebsleistung für den Kompressor wird durch Verbrennungs- und Elektromotoren zugeführt. Das flüssige Kältemittel wird im Verdampfer bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck verdampft. Die für die Verdampfung notwendige Energie wird der Umgebung entnommen. Der daraufhin entstandene Kältemitteldampf wird mittels mechanischer Arbeit im Verdichter auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau gebracht. Die Temperatur des verdichteten Kältemitteldampfes setzt sich nun aus der Umgebungswärme und aus der mechanischen Energie des Verdichters zusammen. Im Kondensator wird der Kältemitteldampf zurück in die flüssige Phase kondensiert und gibt dabei Energie in Form von Wärme ab. Nach der Verflüssigung wird das Kältemittel durch ein Drosselventil auf Verdampferdruck entspannt und wieder zurück in den Verdampfer geleitet, wo es erneut Wärme aufnehmen kann.[4, 9, 13, 15, 16, 17]
Wärmetönung
Die Reaktionsenthalpie ist die Wärmetönung L einer Reaktion bei konstantem Druck. Bei den Sorptionsvorgängen tritt fast immer eine beträchtliche Wärmetönung auf, die auch als Lösungs- oder Mischungswärme bezeichnet wird. Bei einer idealen Lösung wäre diese Wärmetönung gleich null, kann jedoch bei realen Lösungen zum Teil beträchtliche Werte annehmen. Nach Lorenz und Niebergall [5] kann man sich die Auflösung von einem gasförmigen Kältemittel in einer großen Menge Lösung, der Konzentration beim Druck p und der Temperatur t, in folgende Teilvorgänge zerlegt denken:
- Abkühlung des gasförmigen Kältemittels auf Sättigungstemperatur
- Verflüssigung des Kältemittels durch Entzug der Verdampfungswärme
- Erwärmung des verflüssigten Kältemittels auf Lösungstemperatur
- Freisetzung der Lösungswärme durch Vermischung des flüssigen Kältemittels mit dem Lösungsmittel
Die Summe der Einzelwärmemengen:
Die spezifische Wärmekapazität des Kältemitteldampfes und die des flüssigen Kältemittels sind voneinander nicht sehr verschieden, manchmal sogar identisch, sodass sich die Berechnung der Wärmetönung vereinfacht zu Gleichung 2-2 [5].
Die Lösungswärme l kann grundsätzlich positiv sowie negativ sein, jedoch ist sie bei den bisher genutzten Absorptionsgemischen durchweg positiv, sodass bei der Absorption Wärme frei wird.
Rektifikation & Dephlegmation
Rektifikation ist ein thermisches Trennverfahren ähnlich der Destillation, das es ermöglicht ein Vielstoffgemischt in seine einzelnen Bestandteile zu trennen. Während die einfache Destillation (Einstromdestillation) lediglich Verdampfen und Kondensieren umfasst, stehen bei der Rektifikation (Zweiphasenstrom-Destillation) der aufsteigende Dampfstrom und das teilweise rücklaufende Kondensat durch eingefügte Kolonnen in ständiger Wärme- und Stoffübertragung. Dabei unterscheidet man zwischen Gegenstrom- und Gleichstromrektifikation [45].Die Gegenstrom-Rektifikation führt Dampf und Rücklaufflüssigkeit im Gegenstrom zueinander durch eine Kolonne. Das rücklaufende Kondensat nimmt schwerer siedende Anteile aus dem Dampfstrom auf und gibt dafür leichter siedende Anteile an den Dampf ab (Abbildung A 1, hier nicht abgebildet). Die Notwendigkeit zur Rektifikation (Für eine ausführlichere Einarbeitung in die Grundlagen eignet sich [47], mögliche Ausführungen sind in [5] und [11] erklärt.) entfällt, wenn man Zweistoffgemische mit weit auseinanderliegenden Siedepunkten der Arbeitsstoffe oder feste Arbeitsstoffe verwendet.
Unter Dephlegmation versteht man eine Teilkondensation des aufsteigenden Dampfes, der das Trennen von Gemischen mit Siedepunktdifferenzen der Komponenten verbessert. Der über der Rektifikationskolonne angeordnete Dephlegmator ist ein Kühler, dessen Kühlwassertemperatur nur wenige Grad unter der Siedetemperatur der schwerer siedenden Komponente des Dampfgemisches liegt und somit vorwiegend die schwerer siedende Komponente des Dampfes abscheidet. Dephlegmatoren dienen bei Gegenstrom-Rektifikationen aber auch zur Sicherstellung des Kondensatrücklaufs. [5, 10, 45, 46]