Funktion von Expansionsventilen in Wärmepumpen

Der Kältemittelkreislauf wird letztlich durch ein Expansionsventil (auch Drosselorgan oder Druckreduzierventil genannt) geschlossen, in dem das aus dem Verflüssiger kommende nun flüssige Kältemittel wieder auf das niedrigere Druck- und Temperaturniveau des Verdampfers entspannt wird. Das Expansionsventil stellt aus physikalischer Sicht lediglich einen Strömungswiderstand für die Flüssigkeit dar, die durch das Absaugen des Dampfes auf der Verdampferseite an Druck hinter dem Expansionsventil verliert.

Durch diesen Entspannungsprozess kühlt sich die Kühlmittelflüssigkeit hinter dem Ventil stark ab. Durch das Expansionsventil werden beim Eintritt in den Verdampfer somit wieder der ursprüngliche Anfangsdruck und die Anfangstemperatur erreicht. Aus energetischer Sicht spricht man bei diesem Entspannungsprozess auch von einer isenthalpen Drosselung mit einem positivem Joule-Thomson-Effekt. Hinter dem Expansionsventil beginnt dann der Wärmepumpenkreislauf von neuem.

Einfache Klimaanlagen besitzen vielfach kein Expansionsventil, sondern stattdessen eine feste Drossel (Orifice). Diese "drosselt" den Durchfluss des Kältemittels und sprüht das flüssige Kältemittel in den Verdampfer. Für Wärmepumpen, die bei unterschiedlichen Bedingungen wie z. B schwankenden Temperaturen auf der Quellen- und Senkenseite betrieben werden, werden im Allgemeinen thermostatische Expansionsventile verwendet, die präzise dem Verdampfer immer diejenige Kältemittelmenge zuführen, die unter den jeweiligen Arbeitsbedingungen verdampft werden soll. Damit erhalten thermostatische Expansionsventile das Gleichgewicht zwischen Zufluss und Absaugung in jedem Betriebszustand aufrecht, um die wärmeübertragenden Verdampferoberflächen immer voll auszunutzen. Das thermostatische Expansionsventil verhindert zudem, dass der Verdichter flüssiges Kältemittel ansaugt.

Im Inneren des thermostatischen Expansionsventils befindet sich eine Membrane, durch die ein Kapillarrohr führt. Auf der Hochdruckseite des Verflüssigers befindet sich oberhalb dieser Membrane ein Fühler, der den Verflüssigerdruck misst und das Ventil öffnet. Unterhalb der Membrane am Ende des Kapillarrohrs befindet sich ein Fühler, der den Verdampferdruck misst und das Ventil wieder schließt. Am Ventil selbst befindet sich eine Feder, über deren Federdruck sich die statische Überhitzung einstellen lässt. Wenn das Expansionsventil regelt, besteht dann ein Gleichgewicht zwischen dem Fühlerdruck auf der Oberseite der Membrane und dem Verdampferdruck plus des Federdrucks auf der Unterseite der Membrane.

Unter Überhitzung versteht man die Differenz aus der am Fühler des thermostatischen Expansionsventils gemessenen Temperatur und der Verdampfungstemperatur. Die Verdampfungstemperatur wird über Manometer an der Saugseite ermittelt. Die Unterkühlung ist als Differenz zwischen Flüssigkeitstemperatur und Verflüssigerdruck bzw. -temperatur am Eintritt des Expansionsventils definiert. Eine Unterkühlung der Kältemittelflüssigkeit ist notwendig, um Dampfblasen vor dem Expansionsventil zu vermeiden, die die Funktion des Expansionsventils beeinträchtigen und die Flüssigkeitszufuhr zum Verdampfer behindern könnten.

Neben thermostatischen Expansionsventilen mit innerem und äußerem Druckausgleich gibt es auch elektronische Expansionsventile. Wesentlicher Vorteil der elektronischen Variante ist die nicht wirksame, bei thermostatischen Ventilen konstruktionsbedingte minimale Sauggasüberhitzung und der größere Leistungsbereich eines Expansionsventils. Dies bringt Vorteile bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen und im Teillastverhalten der Wärmepumpe.