Was ist Wärmepumpe – Wie funktioniert es – Definition

Wärmepumpe – Wie funktioniert es?

Der Begriff Wärmepumpe ist normalerweise für ein Gerät reserviert, das im Winter ein Haus heizen kann, indem ein Elektromotor verwendet wird, der Wärme Q _kalt von außen bei niedriger Temperatur entnimmt und Wärme Q _heiß an das wärmere Innere des Hauses abgibt .

Das Funktionsprinzip von Kühlschränken , Klimaanlagen und Wärmepumpen ist dasselbe und es ist genau das Gegenteil einer Wärmekraftmaschine . Im Allgemeinen ist eine Wärmepumpe ist eine Vorrichtung , die Wärmeenergie von einer überträgt Wärmequelle zu einer „ Wärmesenke „, aber in diesem Fall ist die Übertragung erfolgt in der entgegengesetzten Richtung der spontanen Wärmeübertragung durch Wärmeaufnahme aus einem kalten Raum und loslassen zu ein wärmeres. Wie in der Figur dargestellt, wird durch Ausführen einer externen Arbeit W Wärme aus einem Niedertemperaturbereich (Wärmequelle) entnommen und eine größere Wärmemenge bei einer höheren Temperatur (Wärmesenke) abgegeben.

Der am weitesten verbreitete thermodynamische Kreislauf oder die am weitesten verbreitete Methode zur Beheizung, Klimatisierung, Kühlung und Wärmepumpe ist der Dampfkompressionskreislauf .

Dampfkompressionszyklus – Dampfkompressionskühlung

Bei der Dampfkompression wird ein zirkulierendes flüssiges Kältemittel als Medium (normalerweise R134a ) verwendet, das Wärme aus dem zu kühlenden Raum absorbiert und abführt und diese Wärme anschließend an anderer Stelle abgibt. Die Abbildung zeigt ein typisches einstufiges Dampfkompressionssystem . Das typische Dampfkompressionssystem besteht aus vier Komponenten:

• Kompressor
• Kondensator
• Expansionsventil (auch Drosselklappe genannt)
• Verdampfer

In einem idealen Dampfkompressionszyklus durchläuft das System, das den Zyklus ausführt, eine Reihe von vier Prozessen: einen isentropischen (reversiblen adiabatischen) Prozess, einen Drosselungsprozess im Wechsel mit zwei isobaren Prozessen:

• Isentropische Kompression (Kompression im Kolbenkompressor) – Ein zirkulierendes Kältemittel wie R134a tritt als Niederdruckdampf bei oder geringfügig unter der Temperatur des Kühlschrankinneren in einen Kompressor ein. Das gasförmige Medium wird durch einen Kolbenkompressor (oder durch Kreiselpumpen) adiabatisch von Zustand 1 auf Zustand 2 auf einen relativ hohen Druck und eine relativ hohe Temperatur komprimiert. Die Umgebung arbeitet am Gas, erhöht seine innere Energie (Temperatur) und komprimiert es (erhöht seinen Druck). Andererseits bleibt die Entropie unverändert. Die für den Kompressor erforderliche Arbeit ist gegeben durch W _C = H ₂ – H ₁ .
• Isobare Wärmeabgabe (in einem Kondensator) – Der überhitzte Dampf wandert unter Druck durch Spulen oder Rohre, aus denen der Kondensator besteht. In dieser Phase passiert das Kältemittel den Kondensator, wo das Kältemittel kondensiert und eine Wärmeübertragung vom Kältemittel in die kühlere Umgebung stattfindet. Die abgegebene Nettowärme ist gegeben durch Q _re = H ₃ – H ₂ . Wenn das Kältemittel den Kondensator verlässt, steht es immer noch unter Druck, liegt aber nur noch geringfügig über Raumtemperatur.
• Isenthalpischer Prozess (Expansion in einem Expansionsventil) – Das Kältemittel im Zustand 3 tritt in das Expansionsventil ein und expandiert auf den Verdampferdruck. Dieser Prozess wird normalerweise als Drosselprozess modelliert, bei dem die Enthalpie konstant bleibt. H ₄ = H ₃ . Der plötzliche Druckabfall führt zu einer explosionsartigen Flash-Verdampfung eines Teils (typischerweise etwa der Hälfte) der Flüssigkeit. Die durch diese Flash-Verdampfung absorbierte latente Wärme wird hauptsächlich aus dem benachbarten noch flüssigen Kältemittel gewonnen, ein Phänomen, das als Autokühlung bekannt ist .
• Isobare Wärmezufuhr ( in einem Verdampfer ) – Das kalte und teilweise verdampfte Kältemittel fließt durch die Spulen oder Rohre der Verdampfereinheit. In dieser Phase (zwischen Zustand 4 und Zustand 1) erfolgt eine Wärmeübertragung mit konstantem Druck von einer externen Quelle auf das flüssige Medium, da die Kammer zum Ein- und Ausströmen geöffnet ist. Während das Kältemittel den Verdampfer passiert, führt die Wärmeübertragung aus dem Kühlraum zur Verdampfung des Kältemittels. Die hinzugefügte Nettowärme ist gegeben durch Q _add = H ₁ – H ₄

Während eines Dampfkompressionszyklus wird von den Pumpen zwischen den Zuständen 1 und 2 ( isentropische Kompression ) an der Flüssigkeit gearbeitet . Die Flüssigkeit leistet keine Arbeit, da der Prozess zwischen den Stufen 3 und 4 isenthalpisch ist. Das Arbeitsfluid in einem Dampfkompressionszyklus folgt einem geschlossenen Kreislauf und wird ständig wiederverwendet.

Reversible Wärmepumpen

Reversible Wärmepumpen arbeiten in beide Richtungen, um den Innenraum zu heizen oder zu klimatisieren (zu kühlen). Sie verwenden ein Umsteuerventil die Strömung von Kältemittel von dem Kompressor durch den Kondensator und Verdampfungs Spulen umzukehren.

Heizung und Klimaanlage

Im Heizmodus sind Wärmepumpen beim Heizen drei- bis viermal effektiver (dh sie können COP = 4 haben) als einfache elektrische Widerstandsheizungen, die dieselbe Strommenge verwenden. Die typischen Installationskosten für eine Wärmepumpe sind etwa 20-mal höher als für Widerstandsheizungen. Im Heizmodus ist die Außenspule ein Verdampfer, während die Innenspule ein Kondensator ist.

Im Kühlmodus ist der Durchfluss umgekehrt und die Außenspule ist ein Kondensator, während die Innenspule ein Verdampfer ist. Im Heizmodus ist die Außenspule ein Verdampfer, während die Innenspule ein Kondensator ist. Der COP für den Kühlmodus ist geringer als für den Heizmodus, da die vom Kompressor geleistete Arbeit nur während des Heizmodus verwendet wird.

Leistungskoeffizient – Wärmepumpe, Kühlschrank, Klimaanlage

Im Allgemeinen ist die thermische Effizienz , η _th , ein Wärmekraftmaschine als das Verhältnis der Arbeits es tut, W , an den Wärmeeingang bei der hohen Temperatur, Q _H .

Der thermische Wirkungsgrad , η _th , stellt den Anteil an Wärme , Q _H , die konvertiert wird , zu arbeiten .

Bei Wärmepumpen und Kühlschränken ist die Arbeit jedoch keine Ausgabe. Bei einer Kälte- oder Wärmepumpe gibt der thermische Wirkungsgrad an, inwieweit die durch Arbeit hinzugefügte Energie in Nettowärmeleistung umgewandelt wird. Aus wirtschaftlicher Sicht ist der beste Kältekreislauf einer, der die größte Wärmemenge aus dem Inneren des Kühlschranks (Kältespeicher) für den geringsten Aufwand an mechanischer Arbeit oder elektrischer Energie abführt . Das relevante Verhältnis ist daher, je größer dieses Verhältnis ist, desto besser ist der Kühlschrank. Wir nennen dieses Verhältnis den Leistungskoeffizienten , der mit COP bezeichnet wird .

Der Leistungskoeffizient ,   COP, definiert auch für Wärmepumpen, aber an diesem Punkt folgen wir dem Netz Wärme auf das heiße Reservoir zugesetzt. Der COP überschreitet normalerweise 1, insbesondere bei Wärmepumpen, da nicht nur Arbeit in Wärme umgewandelt wird, sondern zusätzliche Wärme von einer Wärmequelle dorthin gepumpt wird, wo die Wärme benötigt wird.

Im Allgemeinen hängt COP stark von den Betriebsbedingungen ab, insbesondere von der absoluten Temperatur und der relativen Temperatur zwischen Kühlkörper und System.

Leistungskoeffizient – Kühlschrank, Klimaanlage

Der Leistungskoeffizient , COP , einen Kühlschrank als die aus dem kalten Reservoir Q entfernt Wärme definiert ist _kalt , (dh in einem Kühlschrank) durch die Arbeit W unterteilte die Wärme (dh der durch den Kompressor geleistete Arbeit) durchgeführt zu entfernen.

Wie zu sehen ist, ist der Kühlschrank umso besser (effizienter), wenn für eine bestimmte Menge an Arbeit mehr Wärme Q _Kälte aus dem Inneren des Kühlschranks abgeführt werden kann. Da der erste Hauptsatz der Thermodynamik auch in diesem Fall gültig sein muss (Q _kalt + W = Q _heiß ), können wir die obige Gleichung umschreiben:

Für einen idealen Kühlschrank (ohne Verluste und Irreversibilitäten) kann Folgendes abgeleitet werden:

Diese Formeln werden auch für eine Klimaanlage angewendet , die sehr ähnlich wie ein Kühlschrank funktioniert.

Andererseits sind die COP zum Heizen und Kühlen unterschiedlich.

Leistungskoeffizient – Wärmepumpe

Zum Heizen ist der COP das Verhältnis der dem System zugeführten Wärme (heißer Speicher). Unter Verwendung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik definieren Sie COP auch als die dem Kältespeicher entzogene Wärme plus die Eingangsarbeit zur Eingangsarbeit.

Für eine ideale Wärmepumpe (ohne Verluste und Irreversibilitäten) kann Folgendes abgeleitet werden:

Beachten Sie, dass diese Gleichungen eine absolute Temperaturskala (T _kalt , T _heiß ) verwenden müssen und es sich nur um einen theoretischen maximalen Wirkungsgrad handelt . Gemäß der obigen Formel wäre der maximal erreichbare COP für T _heiß = 35 ° C (308 K) und T _kalt = 0 ° C (273 K) 8,8. In Wirklichkeit liegen die besten Systeme jedoch bei 4,5.

Wie zu sehen ist, kann der COP eines Wärmepumpensystems durch Verringern der Temperaturdifferenz (T _heiß – T _kalt ) verbessert werden . Daher ist die Reduzierung der Ausgangstemperatur (T _hot ) sehr effizient, erfordert jedoch eine sehr effiziente Wärmeübertragung vom Wärmepumpensystem in die Umgebung (dh Verwendung von Rohrboden). Eine Erhöhung der Eingangstemperatur (T _kalt ) bedeutet beispielsweise eine übergroße Bodenwärmequelle.

Beispiel – Wärmepumpe – Heizung und Klimaanlage

Eine reversible Wärmepumpe hat einen Leistungskoeffizienten von COP = 3,0 , wenn sie im Heizmodus betrieben wird . Sein Kompressor verbraucht 1500 W elektrische Energie.

1. Berechnen Sie die Wärmemenge ( Q _hot ), die die Wärmepumpe einem Raum hinzufügen kann?
2. Wenn die Wärmepumpe zum gedreht wurde Kühlmodus (dh als eine Klimaanlage im Sommer zu handeln), was würden Sie erwarten , dass seine Leistungszahl sein? Angenommen, alles andere bleibt gleich und vernachlässigen Sie alle anderen Verluste.

Lösung:

Aus der COP , die definiert ist als:

Die Wärmemenge, die die Wärmepumpe einem Raum hinzufügen kann, entspricht:

Q _heiß = COP- _Erwärmung x B = 3 x 1500 = 4500 W oder 4500 J / s

Im Kühlmodus kann die Wärmepumpe (Klimaanlage) mit 1500-W- Motor die Wärme Q _kalt aus dem Inneren des Hauses aufnehmen und dann Q _hot = 4500 W nach außen ablassen. Unter Verwendung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik, der besagt:

Q _kalt + W = Q _heiß ,

erhalten wir die Wärme, Q _kalt = 3000 W . Aus der Definition: COP- _Kühlung = 3000/1500 = 2 .

Beachten Sie, dass wir in diesem Beispiel viele Annahmen haben. Zum Beispiel haben wir angenommen, dass die Temperaturdifferenz (T _heiß – T _kalt ) für beide Modi gleich ist. Wir haben jedoch die Reservoire getauscht, ohne dass dies Auswirkungen auf die COP hat. Es ist nur ein anschauliches Beispiel.

Reverse Brayton Cycle – Brayton Refrigeration Cycle

Im Allgemeinen beschreibt der Brayton-Zyklus die Funktionsweise einer Wärmekraftmaschine mit konstantem Druck . Heute moderne Gasturbinenmotoren und Luftholen Strahltriebwerke sind auch eine Konstantdruck – Wärmemaschinen

Ein Brayton-Zyklus , der in umgekehrter Richtung gefahren wird, ist als umgekehrter Brayton-Zyklus bekannt . Sein Zweck ist es, Wärme von einem kälteren zu einem heißeren Körper zu transportieren, anstatt Arbeit zu produzieren. In Übereinstimmung mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kann Wärme nicht spontan vom kalten zum heißen System fließen , ohne dass externe Arbeiten am System durchgeführt werden. Wärme kann vom kälteren zum heißeren Körper fließen, jedoch nur, wenn sie durch eine externe Arbeit gezwungen wird. Genau das leisten Kühlschränke und Wärmepumpen. Diese werden von Elektromotoren angetrieben, für deren Betrieb Arbeiten aus ihrer Umgebung erforderlich sind. Einer der möglichen Kreisprozessen ist ein umgekehrter Brayton-Zyklus, der dem gewöhnlichen Brayton-Zyklus ähnlich ist, jedoch über die Netzwerkeingabe rückwärts gefahren wird. Dieser Kreislauf wird auch als Gaskühlkreislauf oder Bell-Coleman-Kreislauf bezeichnet. Diese Art von Zyklus wird häufig in Düsenflugzeugen für Klimaanlagen verwendet, die Luft von den Triebwerkskompressoren verwenden. Es ist auch in der LNG-Industrie weit verbreitet, wo der größte umgekehrte Brayton-Zyklus zum Unterkühlen von LNG unter Verwendung von 86 MW Leistung aus einem Gasturbinen-Kompressor und Stickstoff-Kältemittel dient.