Wärmepumpe
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VT1 Praktikum WS2013/14 Wärmepumpe Universität Linz Wärmepumpe Mag. Dipl.-Ing. Katharina Danzberger 1. Zielsetzung Im Rahmen der Übung „Wärmepumpe“ sollen die Wärmebilanz und die Leistungszahl bzw. der COP (Coefficient Of Performance) der installierten Wärmepumpen bestimmt und diskutiert werden. Weiters sollen die theoretischen Werte mit den tatsächlich erzielten Werten verglichen werden. 2. Voraussetzungen zur Übungsdurchführung Grundvoraussetzung für die Übungsdurchführung ist die positive Absolvierung der Vorbesprechung zum Beispiel „Wärmepumpe“. Diese hat spätestens einen Tag vor der geplanten Durchführung zu erfolgen. Der Stoff für diese Vorbesprechung setzt sich aus dieser Übungsanleitung und den relevanten Abschnitten (Wärmetransport) folgender Literatur zusammen: • Skript „Verfahrenstechnik I“, Institut für Verfahrenstechnik, JKU 3. Einleitung Die Wärmeenergie in einem abgeschlossenen System geht immer vom heißeren zum kälteren Körper über. Eine Wärmepumpe ist eine Arbeitsmaschine, die mit Hilfe höherwertiger Energie (elektrische Energie) Wärme von einem tieferen auf ein höheres Temperaturniveau hebt (Abbildung 1). Dieser Wärmetransport geschieht über ein reales Gas im Kältemittelkreislauf. Das Kältemittel (hier: R134a) nimmt beim Verdampfen Wärme auf und gibt sie beim Kondensieren wieder ab. Die Wärme wird also in Form von Phasenumwandlungs-energie des Gases transportiert. Es ist daher günstig, ein Gas mit möglichst hoher Kondensationswärme zu verwenden. Damit der Wärmetransport vom kalten zum warmen Reservoir stattfinden kann, muss Arbeit von außen zugeführt werden. Die von der Maschine benötigte Arbeit ∆Wmech ist gleich der Wärmedifferenz ∆Q. Institut für Verfahrenstechnik WS13/14 Welser Str. 42, 4060 Leonding Wärmepumpe_Anleitung VT1 Praktikum WS2013/14 Wärmepumpe Universität Linz Abbildung 1: Schematische Darstellung der Wärmepumpe Abbildung 2: Eine typische Anwendung für Wärmepumpen Institut für Verfahrenstechnik WS13/14 Welser Str. 42, 4060 Leonding Wärmepumpe_Anleitung VT1 Praktikum WS2013/14 Wärmepumpe Universität Linz Jede Kompressionswärmepumpe enthält die folgenden Komponenten: o o o o Verdampfer Verdichter Kondensator Expansionsventil Diese Komponenten sind durch Leitungen verbunden, in denen das Kältemittel R134a den Kreisprozess nach Abbildung 3 durchläuft. p P0 Abbildung 3: Prinzipielle Schaltung einer Wärmepumpe Im Verdampfer wird das flüssige Kältemittel unter Wärmezufuhr auf niedrigem Temperaturniveau beim Druck p0 verdampft. Der überhitzte Kältemitteldampf wird vom Verdichter auf den Druck p verdichtet und damit auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. Im Kondensator gibt der überhitzte Kältemitteldampf seine Überhitzungs- und Kondensationswärme ab, wird verflüssigt und im Expansionsventil auf den Verdampfungsdruck p0 entspannt, wobei ein Teil des flüssigen Kältemittels verdampft. 3.1 Mollier-Diagramm Das verwendete Kältemittel Tetrafluorethan CF3CH2F (Handelsname: R134a) ist ein farbloses, fast geruchloses Gas, welches unter Druck leicht verflüssigt werden kann. Mit dem Mollier-Diagramm (Enthalpiediagramm), Abbildung 4, kann die Energie und der Phasenübergang des Kältemittels im gesamten Wärmepumpenkreislauf quantitativ beschrieben werden. Institut für Verfahrenstechnik WS13/14 Welser Str. 42, 4060 Leonding Wärmepumpe_Anleitung VT1 Praktikum WS2013/14 Wärmepumpe Universität Linz Abbildung 4: Mollier Diagramm Institut für Verfahrenstechnik WS13/14 Welser Str. 42, 4060 Leonding Wärmepumpe_Anleitung VT1 Praktikum WS2013/14 Wärmepumpe Universität Linz Farblich unterscheidbar sind Isotherme (rot), Isentrope (orange) und Isochore (schwach grün) eingezeichnet. Eine fett durchgezogene, schwarze Linie trennt die Bereiche, in denen das Kältemittel unterhalb des kritischen Punktes K flüssig oder teils gasförmig/flüssig oder gasförmig vorliegt. Abbildung 5 zeigt schematisch einen vollständigen Wärmepumpenkreislauf. Auf der vertikalen, logarithmisch geteilten Achse ist der Druck in bar aufgetragen, auf der horizontalen Achse kann die spezifische Enthalpie h (in kJ/kg) abgelesen werden, die auf die Kältemittelmenge bezogen ist. Wärmemengen und Verdichtungsarbeit sind in dieser Darstellung als Strecken parallel zur Enthalpieachse abzulesen. Abbildung 5: Wärmepumpen-Kreisprozess im lg p, h-Diagramm Ausgehend von Punkt 1 wird der Kältemitteldampf im Idealfall (isentrope Verdichtung d. h. dS = 0) bis zum Punkt 2 verdichtet. [1]: Die Temperatur TE des überhitzten Dampfes vor der Kompression wird direkt an der Kupferrohrzuleitung zum Kompressor gemessen. Ausgehend von [1] (pV-Isobare schneidet TE-Isotherme) kann der Kreisprozess konstruiert werden. [1->2]: Unter der Annahme, dass die Verdichtung von pV auf pC adiabatisch und reversibel abläuft, folgt man bei [1] der Linie konstanter Entropie bis zum Druck pC und erreicht somit [2]. Der Energieaufwand ist Wmech = h2 − h1 . Von Punkt 2 bis zum Punkt 3 wird das Kältemittel isobar abgekühlt, verflüssigt und etwas unterkühlt. [2->2‘]: Im Kondensator bleibt der Druck konstant bei pC. Der Kältemitteldampf kühlt zunächst ab zur Kondensationstemperatur TC. [2‘->3]: Anschließend wird der Kältemitteldampf unter Abgabe seiner latenten Wärme zur Flüssigkeit. Diese Zustandsänderung erfolgt isotherm und isobar. Institut für Verfahrenstechnik WS13/14 Welser Str. 42, 4060 Leonding Wärmepumpe_Anleitung VT1 Praktikum WS2013/14 Wärmepumpe Universität Linz Zur Abfuhr der Kondensationswärme in endlicher Zeit ist ein Temperaturgefälle zur Wärmesenke hin notwendig: Twarm < TC. Deshalb kühlt das Kältemittel nach vollständiger Verflüssigung noch weiter ab [3‘]. [3‘] und [4‘] wird allerdings hier nicht weiter berücksichtigt. Für die an die Wärmesenke abgegebene Wärme qC (spezifische Nutzwärme) gilt: qC = h2 − h3 Die Entspannung von 3 nach 4 verläuft auf einer Isenthalpen (dh = 0). [3->4]: Durch die Druckabsenkung am Drosselventil (pC auf pV) findet eine Temperaturabsenkung von TC auf TV statt. Die Verdampfungswärme wird vom Kältemittel selbst aufgebracht. Da weder Wärme noch Arbeit mit der Außenwelt ausgetauscht wird, herrscht konstante Enthalpie. Vom Punkt 4 bis Punkt 1 wird das Kältemittel isobar verdampft und leicht überhitzt. Die Länge der Strecke 4 – 1 entspricht der spezifischen Wärme q0 = h1 – h4, die der Wärmequelle (Umgebung) entzogen wird. [4->0]: Das Kältemittel behält die Siedetemperatur TV bis zur vollständigen Verdampfung bei [0]. Damit die Verdampfungswärme in endlicher Zeit das Kältemittel erreicht, muss die Wärmequelle etwas wärmer sein: TV < Tkalt. [0->0‘]: Danach wird der Kältemitteldampf erwärmt auf T0’. Wir nehmen T0’ gleich Tkalt an. Die aus der Wärmequelle aufgenommene Wärmemenge qV berechnet sich nach: qV = h0’ − h3 [0‘->1]: Die Abwärme des Verdichters qreib geht auf das Kältemittel über und bringt es auf die Temperatur TE. Für die Abwärme gilt: qreib = h1 − h0’ 3.2 Carnot-Prozess Der Carnot-Kreisprozess ist ein vollkommen reversibler Prozess, der Wärme in zwei Bädern auf Temperaturen Twarm und Tkalt umsetzt. In der Realität lässt sich solch ein reversibler Prozess jedoch nicht verwirklichen. Trotzdem wird die „thermodynamische Qualität“ von realen Maschinen an dem sogenannten Carnot-Wirkungsgrad gemessen. Für die einzelnen Leistungszahlen der Wärmepumpe gilt nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, dass mindestens so viel Arbeit Wmech aufgewendet werden muss, wie auch die Carnot-Maschine benötigt, damit Wärme genutzt werden kann: ε warm = Qwarm Wmech ε warm ≤ (ε Carnot ) −1 = Institut für Verfahrenstechnik WS13/14 Welser Str. 42, 4060 Leonding Twarm = ε Carnot , warm Twarm − Tkalt Wärmepumpe_Anleitung VT1 Praktikum WS2013/14 Wärmepumpe Universität Linz 3.3 Leistungszahlen Die Leistungszahl ε, auch Effizienz genannt, ist generell definiert als ε= Nutzen . Aufwand Für die Beurteilung einer Wärmepumpe ist entscheidend, wievielmal größer der Nutzwärmestrom, d. h. der vom Kondensator an die Wärmesenke (Warmwasserheizung) abgegebene Wärmestrom gegenüber der aufgewendeten Antriebsleistung des Verdichters ist. Die Leistungszahl ε einer Wärmepumpe, englisch Coefficient Of Performance (COP), ist der Quotient aus der Wärme, die in den Heizkreis abgegeben wird, und der eingesetzten Energie: Q Q COP = C = ε warm = warm W Wmech Eine Wärmepumpe lässt sich besonders dort vorteilhaft anwenden, wo Umwelt- oder Abwärme von einem noch angemessen hohen Temperaturniveau (> 0°C) zur Verfügung steht und wo Nutzwärme bei nicht sehr hohen Temperaturen (z. B. Heizung < 50°C) benötigt wird, so dass nur eine ger inge Temperaturdifferenz zwischen Verdampfungs- und Kondensationstemperatur zu überwinden ist. Heutige Wasser / Wasser-Wärmepumpen erreichen Leistungszahlen von ca. 5,5 bis 6,5 bei W10 / W35 (d.h. 10°C Wärmequellentemperatur , 35°C Heizungsvorlauftemperatur). Damit die Gebäudeheizung mittels einer Wärmepumpe energetisch sinnvoll wird, muss entweder die Kondensationstemperatur abgesenkt (z. B. durch Niedertemperaturheizung) oder die Verdampfungstemperatur angehoben werden (durch höhere Wärmequellentemperatur, z. B. wenn die Wärmepumpe ihre Wärme aus dem Erdreich oder vom Grundwasser bezieht. Die European Heat Pump Association hat sogar ein Gütesiegel entworfen um die Wärmepumpen mit ihren Leistungszahlen vergleichbar zu machen und diese nach Normen zu testen. Abbildung 6: Qualitätssiegel für Wärmepumpen Institut für Verfahrenstechnik WS13/14 Welser Str. 42, 4060 Leonding Wärmepumpe_Anleitung VT1 Praktikum WS2013/14 Wärmepumpe Universität Linz 4. Generelle Problemstellung Um Aussagen über die Güte einer Wärmepumpe machen zu können benötigt man ihre Leistungsdaten im Betrieb. Daher werden im Rahmen dieses Beispiels die Kenndaten der Wärmepumpe bei unterschiedlichen Betriebszuständen bestimmt. * Berechnung des COP: COP = QC W QC........Wärmemenge auf der Wärmesenkenseite [J] W........zugeführte Arbeit [J] * Berechnung des theoretischen Wirkungsgrades εth einer Wärmepumpe: ε th = Twarm Twarm − Tkalt Twarm...….Temperatur der warmen Seite [°K] Tkalt.......Temperatur der kalten Seite [°K] * Berechnung des Gütegrades ηWP einer Wärmepumpe: ηWP = COP ε th εth…..theoretischer Wirkungsgrad der WP COP…Leistungszahl der WP Institut für Verfahrenstechnik WS13/14 Welser Str. 42, 4060 Leonding Wärmepumpe_Anleitung Institut für Verfahrenstechnik WS13/14 Welser Str. 42, 4060 Leonding M 6.804 LIRSL 6.614 Leitungen von und zu Erdwärmesonden 6.610 PICRAHL TIRAHL 6.600 B 1 6000 L Wasserspeicher WS-Warm M 6.800 TISR 6.604 TIR 5.612 FIRSL 5.610 5.602 TIR 6.808 WP Prozess- M M TIR 5.600 EI 5.607 FIRSL 5.601 5.804 LIRSL 6.616 Leitungen von und zu Erdwärmesonden TIRC 6.602 B 2 2000 L Wasserspeicher WS-Kalt M 6.802 VT1 Praktikum WS2013/14 Wärmepumpe Universität Linz 5. Verfahrenstechnische Beschreibung Wärmepumpe_Anleitung VT1 Praktikum WS2013/14 Wärmepumpe Universität Linz 6. Durchführung zur Verfügung stehen: • 2 Wärmepumpen mit Messvorrichtungen (siehe VFB) Folgende Daten sind alle 5 min abzulesen: • Tein und Taus auf der Warmwasser- und der Kaltwasserseite • TQein und TQaus, TVorlauf und TRücklauf und TBoiler und THeizgas an der großen WP • Qel ablesen und bestimmen an der kleinen WP • Flüsse auf der Warmwasser- und der Kaltwasserseite Folgende Daten sind zu bestimmen: • QW, QK und W und daraus den COP berechnen • ∆T der Tein an WW- und KW-Seite • εth mit den Temperaturen der Wasserkreisläufe und mit den Temperaturen der WP berechnen • Den Gütegrad der WP berechnen 7. Datenauswertung, Protokoll Das anzufertigende Protokoll soll folgende Gliederung enthalten: 1. Aufgabenstellung 2. Theoretische Grundlagen / Berechnungen 3. Experimentelle Durchführung 4. Darstellung der Ergebnisse 5. Diskussion der Ergebnisse / Zusammenfassung 6. Anhang (Messwerte / ermittelte Daten) Institut für Verfahrenstechnik WS13/14 Welser Str. 42, 4060 Leonding Wärmepumpe_Anleitung VT1 Praktikum WS2013/14 Wärmepumpe Universität Linz Explizit anzuführen sind weiters zumindest folgende Auswertungen (Diagramme): • • • • • Wärmebilanz erstellen Wassermenge im KW und WW-Tank berechnen Temperaturverläufe: Sowohl vom Kaltwasser- wie auch vom Warmwassertank Leistungslinien: COP gegen ∆T [°C] und εeff gegen ∆T [°C] Leistungsverlauf: Leistung der WP [%] gegen Zeit [min] • Wärmeflüsse: . Q W [W] gegen Zeit [min] und . Q K [W] gegen Zeit [min] Das Protokoll (MS-Word) ist innerhalb einer Woche nach Durchführung gemeinsam mit dem Excel-File bei mir abzugeben. Es kann eine Woche nach Abgabe bei mir abgeholt werden und die verbesserte Version wird mir dann als MS-Word file mit dem Dateinamen GrXX_WP_WS13.doc per e-mail ([email protected]) geschickt (spätestens drei Wochen nach Durchführung des Beispiels). 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