Wärmepumpen :

Eine Wärmepumpe ist ein Aggregat, das Niedertemperaturwärme unter Zuhilfenahme von Antriebsenergie auf ein höheres Temperaturniveau „transformiert“.

Die Umkehrung des Verfahrens ist die Klimaanlage oder der Kühlschrank.

Sie eignen sich grundsätzlich um aus Umgebungswärme auf niederem Niveau Heizungwärme zu erzeugen. Die Wirkunggrad ist um so höher, je geringer der Temperaturunterschied von Eingangs- zu Ausgangswärme ist. Die Leistungszahl gibt das Verhältnis von eingesetzter Energie zu abgegebener Energie an. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass ein maximaler Temperaturunterschied zwischen Eingang und Ausgang von 55K nicht überschritten werden sollte, um die Leistungszahl von 3 nicht zu unterschreiten. D.h. aus einem Teil eingesetzter Antriebsenergie werden 3 Teile Nutzenergie.

 

 

 

Arbeitsprinzipien :

Kompressionswärmepumpen

Der Funktionsablauf: Durch Zufuhr von Niedertemperaturwärme (Umgebungsluft, Grundwasser, Oberflächenwasser) wird ein Medium mit niederem Siedepunkt (Kältemittel, ozonunschädliche FKWs wie R407c oder natürliche Stoffe wie R290/Propan) in einem Verdampfer verdampft und dann in einem Kompressor verdichtet (bis 20 bar). Das Gas erhitzt sich dabei und gibt seine Wärme an das Heizungswasser oder an die Warmluftheizung ab wobei es kondensiert. Durch ein Drosselorgan (Kapillarrohr, Expansionsventil) tritt das Arbeitsmedium wieder in den Kreislauf mit geringem Druck ein und wird wieder dem Verdampfer zugeführt. Für den Antrieb des Kompressors werden Elektro-, Gas- oder Dieselmotore eingesetzt. Bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Kompressionswärmepumpen lassen sich auch die Abwärme der Motorkühlung und ggf. der Abgase als Heizenergie nutzen.

Sorptionswärmepumpen

Sorptionswärmepumpen nutzen reversible physkalisch-chemische Prozesse, bei denen zwei Stoffe durch Wärmezufuhr getrennt werden und bei der Rekombination (Absorption, Adsorption, Resorption usw.) Wärme wieder abgeben. Die wichtigste Variante ist die Absorptionswärmepumpe mit dem Lösungsmittel Wasser und dem  Arbeitsmittel Ammoniak. Eine Sorptionswärmepumpe kann auch mit einem Feststoff realisiert werden (z.B. Zeolith mit Wasser als Arbeitmittel).

 

 

 

Bei einer Absorptionswärmepumpe wird die Antriebsenergie für den Verdichter nicht mechanisch (mechan. Kompressorantrieb), sondern thermisch (im Austreiber) zugeführt. Diese Energie kann daher durch die Verbrennung von Gas oder Öl oder durch die Nutzung von Abwärme bereitgestellt werden. Die einfachste Form der Absorptionswärmepumpe besteht aus Verdampfer, Absorber, Lösungsmittelpumpe, Austreiber, Kondensator und Expansionsventil. In Sorbtionsmaschinen benötigen immer ein Arbeitsstoffpaar. Gebräuchliche Arbeitsstoffpaare sind Wasser/Ammoniak  oder Lithiumbromid/Wasser; auch das Paar Schwefelsäure/ Wasser wäre denkbar. Dabei stellt der erstgenannte Stoff das Lösungsmittel und der zweitgenannte das Arbeitsmittel dar.

Funktionsprinzip einer diskontinuierlich arbeitenden Adsorptionsmaschine.

Zum Transport des Kältemittels ist lediglich eine entsprechende Erwärmung des Sorptionsmittels (Zeolithe, Silicagel) erforderlich. Wird das Sorptionsmittel auf eine materialspezifische Temperatur erhitzt, so findet eine Desorption statt, wobei das Kältemittel aus den Poren ausgetrieben wird und unter Druck im Kondensator verflüssigt wird.

Die Kondensationswärme wird an den Heizkreis abgegeben. Ist das Arbeitsmittel vollständig ausgetrieben, wird die Temperatur im Sorptionsmittel gesenkt, so bildet es nun den Adsorber und adsorbiert das dampfförmige Kältemittel.

Durch die Kondensation des Kältemittels und die Senkung der Temperatur entsteht ein Unterdruck, der ein Verdampfen des Arbeitsmediums beschleunigt.

Der Raum, der in der ersten Phase als Kondensator arbeit, dient in der zweiten Phase als Verdampfer. Nun kann Niedertemperaturwärme zur Verdampfung zugeführt werden. Der entstehende Dampf wird vom Sorptionmittel begierig unter starker Erwärmung adsorbiert, wobei nun diese Wärme an den Heizungskreislauf abgegeben wird. Folglich muß eine synchrone Umschaltung der zum Wärmetransport dienenden Medien zwischen Adsorber und Desorber erfolgen. 

Der Prozess wird allein durch die Temperierung des Sorptionsmittels angetrieben, somit kann die Anlage sehr kompakt und hermetisch geschlossen aufgeaut werden.

Je nach verwendetem Arbeitsmedium arbeiten die Anlagen im Unterdruckbereich      ( 20 – 200 mbar).

 

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