Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe. Schema, Beschreibung

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Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

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Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen

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Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe ergibt sich aus der Arbeit von Carnot und der Beschreibung des Carnot-Zyklus, die 1824 in seiner Dissertation veröffentlicht wurde. Ein praktisches Wärmepumpensystem wurde 1852 von William Thomson (Lord Kelvin) vorgeschlagen. Es wurde Wärme genannt Multiplikator und zeigte, wie eine Kältemaschine effektiv zu Heizzwecken eingesetzt werden kann. Zur Begründung seines Vorschlags wies Thomson schon damals darauf hin, dass die begrenzten Energieressourcen eine kontinuierliche Verbrennung von Brennstoff in Heizöfen nicht ermöglichen würden und dass sein Wärmemultiplikator weniger Brennstoff verbrauchen würde als herkömmliche Öfen. Die von Thomson vorgeschlagene Wärmepumpe (HP) verwendete Luft als Arbeitsmedium. Umgebungsluft wurde in den Zylinder gesaugt, entspannt und abgekühlt und dann durch einen Wärmetauscher geleitet, wo sie durch Außenluft erwärmt wurde. Nach der Komprimierung auf Atmosphärendruck gelangt die Luft aus dem Zylinder in den beheizten Raum und wird auf eine Temperatur über der Umgebungstemperatur erhitzt. Tatsächlich wurde eine ähnliche Maschine in der Schweiz verkauft. Thomson gab an, dass sein HP in der Lage sei, die erforderliche Wärme mit nur 3 % der für die Heizung aufgewendeten Energie bereitzustellen.

Eine Weiterentwicklung der Wärmepumpenanlagen erfolgte erst in den 20er und 30er Jahren des 20. Jahrhunderts, als in England die erste Anlage zur Heizung und Warmwasserbereitung unter Nutzung der Wärme der Umgebungsluft entstand. Danach begannen die Arbeiten in den USA, die zur Errichtung mehrerer Demonstrationsanlagen führten.

Die erste große Wärmepumpenanlage Europas wurde 1938–1939 in Zürich in Betrieb genommen. Es nutzte die Wärme von Flusswasser, einen Rotationskompressor und Kältemittel. Es versorgte das Rathaus mit 60 °C warmem Wasser°C bei einer Leistung von 175 kW. Zur Abdeckung von Spitzenlasten gab es einen Wärmespeicher mit Elektroheizung. Während der Sommermonate diente das Gerät zur Kühlung. Zwischen 1939 und 1945 wurden neun weitere ähnliche Anlagen errichtet, um den Kohleverbrauch im Land zu senken. Einige von ihnen arbeiten seit mehr als 9 Jahren erfolgreich.

Daher verwendete Carnot 1824 erstmals den thermodynamischen Zyklus zur Beschreibung des Prozesses, und dieser Zyklus bleibt die grundlegende Grundlage für den Vergleich damit und die Bewertung der Effizienz von HP. Eine Wärmepumpe kann man sich als umgekehrte Wärmekraftmaschine vorstellen. Eine Wärmekraftmaschine empfängt Wärme (Abb. 1.1.1) von einer Hochtemperaturquelle und gibt sie bei niedriger Temperatur ab, wodurch nützliche Arbeit geleistet wird. Eine Wärmepumpe benötigt Arbeit, um bei niedrigen Temperaturen Wärme zu erzeugen und bei höheren Temperaturen abzugeben.

Funktionsprinzip der Wärmepumpe
Abb.1.1.1. Thermodynamisches Diagramm einer Wärmepumpe und einer Wärmekraftmaschine: 1 - Wärmepumpe; 2 - Wärmekraftmaschine.

Es kann gezeigt werden, dass es, wenn beide Maschinen reversibel sind (d. h. thermodynamische Prozesse beinhalten keine Wärme- oder Arbeitsverluste), eine endliche Grenze für den Wirkungsgrad jeder von ihnen gibt, und in beiden Fällen ist dies das Verhältnis Qí/W. Wäre dies nicht der Fall, wäre es möglich, ein Perpetuum Mobile zu bauen, indem man einfach eine Maschine mit einer anderen verbindet. Nur bei einer Wärmekraftmaschine wird dieses Verhältnis in der Form W/Qn geschrieben und als thermischer Wirkungsgrad bezeichnet. Bei einer Wärmepumpe bleibt es in der Form Qn/W und wird als Wärmeumwandlungskoeffizient (Kt) bezeichnet.

Wenn wir davon ausgehen, dass Wärme bei der Temperatur TL isotherm zugeführt und bei der Temperatur TH isotherm abgeführt wird und Kompression und Expansion bei konstanter Entropie erfolgen (Abb. 1.1.2), Arbeit von einem externen Motor geliefert wird, dann ist der Umwandlungskoeffizient für Der Carnot-Zyklus hat die Form:

Kt \u1d TL / ( TN - TL ) + XNUMX \uXNUMXd TN / ( TN - TL )

Funktionsprinzip der Wärmepumpe
Ris.1.1.2

Daher kann keine Wärmepumpe eine bessere Leistung erbringen, und alle praktischen Kreisläufe verwirklichen nur den Wunsch, dieser Grenze möglichst nahe zu kommen.

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