Physikalische Grundlagen im Kältekreislauf Teil 2
Der Kältekreislauf ist hermetisch geschlossen und die Vorgänge reversibel. Nachfolgend wird die Verdampfung, die Verdichtung, die Verflüssigung und auch die Entspannung erklärt und grafisch im log-p-h-Diagramm aufgezeigt. Das Kältemittel kann verschiedene Aggregatszustände einnehmen, nämlich flüssig, ein Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf und gasförmig.
Links von der Grenzkurve ist das Kältemittel flüssig (einphasig). Zwischen beiden Grenzkurven liegt ein Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf (zweiphasig) vor, dies ist der sogenannte Nassdampf und wird durch Wärmezufuhr erreicht. Hier vollzieht sich die Aggregatszustandsänderung. Durch eine weitere Enthalpie-Erhöhung wird die rechte Grenzkurve erlangt. Auf der Grenzkurve hat sich der letzte Flüssigkeitstropfen in Dampf verwandelt und es liegt einphasiger, trockener, gesättigter Dampf vor. Rechts davon kann durch weitere Wärmezufuhr das Gebiet des überhitzten Dampfes erreicht werden. Nähere Informationen sind Bild 1 zu entnehmen.
Verdampfungsprozess und Überhitzung – das Kältemittel nimmt Energie auf
Das im Expansionsventil entspannte Kältemittel tritt in den Verdampfer ein (Zustand 5), bei gleichbleibendem Verdampfungsdruck p0 und gleichbleibender Verdampfungstemperatur t0 wird der Nassdampf durch Wärmezufuhr (durch die Wärmequelle wie Grundwasser oder Luft) zu trockenem, gesättigtem Dampf (Zustand 6). Durch weitere Wärmezufuhr steigt die Temperatur bei annähernd konstantem Druck auf die Sauggasüberhitzungstemperatur t0h und es entsteht überhitzter Dampf. Dies ist der Verdampfer Austritt (Zustand 1). Diese sogenannte Überhitzung (1–6) ist nötig, um den Verdichter vor Flüssigkeitsschlägen zu schützen. Sie beträgt bei Wärmepumpenanwendungen mit elektronischen Expansionsventil ca. 1-3 K. Zustand 1 ergibt sich als Schnittpunkt der waagerechten Isobaren p0 und der Isothermen t0h. Im Verdampfer erfährt das Kältemittel eine Enthalpie-Erhöhung von h1–h5 (Bild 2). Bei der Wärmepumpe beschreibt die Strecke h1–h5 die kostenlose, aus der Umwelt entzogene Energie (aus Luft, Grundwasser, Erdwärme, Abwärme usw.), die das Kältemittel verdampfen lässt.
Das Kältemittel wird verdichtet – hohe Drücke bis 40 bar und mehr
Dem überhitzten Kältemitteldampf (obwohl bereits vollständig verdampft) wird weitere Energie zugeführt, sodass sich die Temperatur des Dampfs erhöht. Zustand 1 wird vom Verdichter angesaugt, weiter überhitzt und durch den Kompressor zu Zustand 2 verdichtet. Der Verdampfungsdruck p0 wird dadurch auf den Verflüssigungsdruck pc erhöht, die Temperatur im Verdichtersaugstutzen t0h auf die Heißgastemperatur im Verdichterdruckstutzen th erhöht. Vom bekannten Zustand 1 zeichnet man die Isentrope mit konstanter Entropie (adiabat, ohne Wärmezu- und -abfuhr) in das Diagramm ein und erreicht somit Zustand 2th. Mittels Beachtung von Verlusten kommt man bei konstantem Druck, jedoch höherer Temperatur und Enthalpie zu Zustand 2. Dieser ist dementsprechend rechts von Zustand 2th im log-p-h-Diagramm zu finden (Bild 3). Die Strecke 2 tatsächlich –1 auf der x-Achse stellt die Energie dar, die wir in den Verdichter stecken müssen, um das Kältemittel auf eine höhere Temperatur und einen höheren Druck zu fördern. Man kann vereinfacht sagen, dies ist unser Aufwand, unsere Kosten. Obwohl wir diese Energie letztendlich auf der warmen Seite am Verflüssiger nutzen, ist diese Strecke so gering wie möglich zu halten.
Heißgasenthitzung, Verflüssigung und Unterkühlung – das Kältemittel gibt Energie ab
Aus dem Druckstutzen des Verdichters kommend tritt das Kältemittel mit dem Zustand 2 in den Verflüssiger ein. Dort wird es unter Vernachlässigung der strömungsmechanischen Druckverluste bei gleichbleibendem Druck p (isobar) von der Heißgastemperatur th bis zur Unterkühlungstemperatur tu vor dem Expansionsventil abgekühlt. Der im Verdampfer und im Kompressor aufgenommene Wärmestrom wird im Verflüssiger an die Sekundärseite des Wärmeübertragers abgegeben. Bei der Wärmepumpe ist dies die Nutzseite, je mehr Wärmeleistung hier entzogen werden kann, umso besser.
Die annähernd isobare Verflüssigung des dampfförmigen Kältemittels wird im log-p-h-Diagramm als horizontale Gerade zwischen Zustand 2 und Zustand 3 dargestellt. Bei Kältemittel mit einem Temperaturgleit sind diese leicht schräg, abhängig vom Gleit. Der Unterschied zwischen Siede- und Taupunkt wird Temperaturgleit genannt. Im Gebiet des überhitzten Dampfes wird zuerst die Überhitzungswärme abgeführt. Diese kann im Diagramm von Zustand 2 bis zur rechten Grenzkurve abgetragen werden. Bei diesem Vorgang kühlt sich der Kältemitteldampf ohne zu verflüssigen bis zur Verflüssigungstemperatur t ab. Wie wir dem log-p-h- Diagramm entnehmen können, sind die Kältemitteltemperaturen im überhitzten Dampfbereich 20 bis 30 K höher als bei der isothermen Verflüssigung im Nassdampfgebiet.
Der Vorteil eines Heißgaswärmeübertragers zur Auskopplung der Enthalpie des überhitzten Dampfes liegt im höheren Temperaturniveau gegenüber des reinen Verflüssigungsprozesses. Liegt beispielsweise die Verflüssigung bei 36 °C und die Heißgastemperatur bei 55 °C, so können ca. 10 bis 15 % der zur verfügbaren Wärmemenge bei 45 °C ausgekoppelt werden, die verbleibenden 85 bis 90 % Wärmemenge werden über den Verflüssiger bei 35 °C übertragen. Bild 4 stellt diesen Vorgang schematisch dar.
Im zweiphasigen Bereich von der rechten bis zur linken Grenzkurve (Zustand 3) wird das Kältemittel bei konstantem Druck und gleichbleibender Temperatur (Ausnahme: nichtazeotrope Kältemittel) verflüssigt. Nach der vollständigen Verflüssigung wird das Kältemittel zusätzlich unterkühlt. Dies kann im Verflüssiger, einem externen Unterkühlungswärmeübertrager oder einem Economizer erfolgen, dient der Erhöhung der Leistung und Betriebssicherheit und hat einen positiven Einfluss auf die Regelfunktion des Expansionsventils. Von Zustand 3 bis Zustand 4 wird das flüssige Kältemittel annähernd isobar (also bei gleichbleibendem Druck) bis zur Unterkühlungstemperatur tu unterkühlt.
Die Temperaturdifferenz in K kann durch das waagerechte Abtragen der Strecke zwischen t und tu ermittelt werden (Bild 5). Bei der Wärmepumpe nutzen wir also die Strecke zwischen Zustand 2 und Zustand 4. Diese korrespondierende Wärmemenge können wir an unser Heizwasser oder Heißwasser abgeben, sie stellt somit einen Nutzen dar.
Expansionsventil – jetzt wird entspannt
Im Expansionsventil wird das flüssige Kältemittel vom Kondensationsdruck pc bis zum Verdampfungsdruck p0 bei gleichbleibender Enthalpie entspannt (isenthalpe Entspannung). Aus dem Verflüssiger tritt das unterkühlte Kältemittel mit Zustand 4 und der Temperatur tu in das Expansionsventil ein und wird mit Zustand 5 und der Verdampfungstemperatur t0 in den Verdampfer eingespritzt (Bild 6). Während des Entspannungsprozesses kann ein Teil des Kältemittels bereits verdampfen; diese sogenannten Drosselgase können durch eine größere Unterkühlung (Strecke 3–4 in Bild 5) reduziert werden.
Fazit aus Teil 2
Die im log-p-h-Diagramm dargestellte Strecke 1–5 stellt die aus der Wärmequelle entzogene, „kostenfreie“ Energie dar. Das flüssige Kältemittel nimmt im Verdampfer die Wärmemenge aus der Umwelt auf. Durch diese Wärmezufuhr wird das gesamte Kältemittel verdampft und überhitzt. Zusätzlich wird im Verdichter das Kältemittel weiter überhitzt, indem es gleichzeitig den Motor kühlt. Die Überhitzung wird in der Strecke 1–6 dargestellt. Das Expansionsventil regelt die Überhitzung aus. Eine geringere Überhitzung hat eine geringere Heißgastemperatur nach der Verdichtung zur Folge und eine höhere Effizienz.
Die Strecke 2–1 stellt die Energie dar, die in den Verdichter investiert werden muss. Diese Strecke kostet uns Geld und ist so gering wie möglich zu halten. Der Wärmeinhalt des Kältemittels erhöht sich zusätzlich um die Verdichtungswärme, auch diese wird später im Verflüssiger genutzt. Je geringer der Druckunterschied zwischen Kondensation und Verdampfung (unter Einhaltung der Mindestdruckdifferenz und des Verdichterarbeitsbereiches) ist, also je weniger Druckunterschied der Verdichter überwinden muss, desto effizienter ist das System. Zusätzlich ist auf eine hohe Effizienz des Verdichters im gesamten Betriebsbereich zu achten – je geringer die Strecke 2tatsächlich–2, desto besser.
Die Strecke 2–4 stellt den Nutzen im Verflüssiger/Kondensator dar. Durch Verflüssigung des Kältemittels wird die im Verdampfer und Verdichter aufgenommene Wärmemenge an die Wärmenutzungsanlage abgegeben. Die Wärmemenge im Kältemittel verringert sich, die Wärmemenge auf der Nutzseite erhöht sich. Von Strecke 3–4 gibt das flüssige Kältemittel im Verflüssiger eine weitere Wärmemenge an die Nutzseite ab, jedoch vermindert sich hier bereits die Temperatur des Kältemittels. Dieser Vorgang wird Unterkühlung genannt. Im Expansionsventil (Strecke 4–5) werden der Druck und die Temperatur des Kältemittels reduziert, das flüssige Kältemittel strömt in den Verdampfer ein und verdampft, der Vorgang beginnt erneut.
