Physik verstehen 3, Schulbuch

44 1 Die Wärmepumpe und der Kühlschrank 1. Was sind die Grundlagen einer Wärmepumpe? • Ein Körper kann Wärmeenergie abgeben, wenn er eine höhere Temperatur als seine Umgebung hat (  Seite 12–17). • Eine Flüssigkeit siedet und verdampft bei geringerer Siedetemperatur, wenn der Druck auf die Flüssigkeit vermindert wird (  Seite 33). • Die Temperatur eines Gases steigt, wenn es zusammengedrückt wird und sinkt wieder, wenn es sich ausdehnt ( Joule-Thomson-Effekt ). • Wenn eine Flüssigkeit verdampft, nimmt sie Wärmeenergie auf. Beim Kondensieren wird Wärmeenergie abgegeben (  Seite 29). • In der Natur enthalten Erde, Luft und Wasser viel Wärmeenergie. Die Temperatur ist jedoch oft zu niedrig, um sie direkt nutzen zu können. 2. Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Um die Wärmeenergie der Natur (Erdreich, Wasser, Luft) nutzen zu können, muss ihr Temperaturniveau angehoben werden. Bei der Wärmepumpe erreicht man das mithilfe eines Kompressors (Verdichter). Flüssiges Kältemittel gelangt durch das Ausdehnungsventil in den Verdampfer (Abb. 44.4). Es wird verdampft und kühlt dabei auf ca. +2 °C ab (Joule-Thomson- Effekt). Die nun wärmere Umgebung (Erdreich, Wasser, Luft) gibt Wärmeenergie an den kalten Dampf ab – er erwärmt sich. Im Kompressor (Verdichter) wird der Dampf verdichtet. Dadurch steigt die Temperatur des zusammengedrückten Dampfes auf ca. +60 °C. Der warme Dampf gelangt weiter in den Kondensator (Verflüssiger). Hier gibt er Wärmeenergie an zB das kältere Wasser einer Heizung ab, das dadurch erwärmt wird. Der Dampf kühlt dabei ab und kondensiert. Das nun wieder flüssige Kältemittel gelangt durch das Ausdehnungsventil wieder in den Verdampfer. Der Kreislauf wiederholt sich. + = Aus eins wird vier 3 Teile Sonnenenergie 1 Teil Antriebsenergie 4 Teile Heizwärme 3 4 1 44.1 Die Wärmepumpe spart Energie. 44.2 Die technische Ausführung einer Wärmepumpe Wichtige Teile der Wärmepumpe sind Verdampfer, Kompressor, Kondensator, Ausdehnungsventil und ein Rohrsystem mit Kältemittel (zB Ammoniak mit einem Siedepunkt von –33,6 °C). M Umweltwärme Nutzwärme elektr. Energie 44.3 Durch die Wärmepumpe wird zB die Wärmeenergie des Erdbodens genutzt. In der Wärmepumpe wird flüssiges Kältemittel verdampft. Im Verdampfer nimmt der Dampf Umweltwärme auf und erwärmt sich. Im Kompressor wird er verdichtet und dadurch weiter erwärmt. Im Kondensator gibt er Wärme ab und wird wieder flüssig. M zB +10°C zB +5 °C Wärmequellen Wärmepumpe Nutzwärme Luft Wasser Erdreich Fußbodenheizung Radiatorheizung Brauchwasser Verdampfer Kompressor (Verdichter) Kondensator (Verflüssiger) 60°C, 15 bar Ausdehnungsventil (Expansionsventil) 2°C , 3,5 bar 50°C, 15 bar zB +55°C zB +20°C 44.4 Prinzip der Wärmepumpe Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv