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Technik und Funktion von Wärmepumpen-Verdampfern

Wie funktioniert ein Verdampfer in einer Wärmepumpe?

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Ablauf der Kältemittel-Verdampfung

Im Verdampfer wird die aus der Umgebung gewonnene Wärme (Luftwärme, Erdwärme, Wasserwärme oder Abwärme) aufgenommen und an das unter niedrigem Druck stehende Kältemittel abgegeben. Das Kältemittel beginnt so zu sieden, während Druck und Temperatur bei der Verdampfung konstant bleiben. Die Temperatur der Umgebung muss dabei höher sein als die Temperatur des Kältemittels. Die Umgebung kühlt sich beim Verdampfen daher ab, kann jedoch nie tiefer gehen, als die Verdampfungstemperatur des Kältemittels. Der Verdampfer der Wärmepumpe überführt damit das zunächst flüssige Kältemittel in einen gasförmigen Zustand, welches dann in den Verdichter der Wärmepumpe weitergeleitet wird.

Prinzip der Verdampfungsenthalpie

Aus energetischer Sicht macht dieser Prozess die Verdampfungsenthalpie nutzbar. Das ist die Energiemenge, die für das Verdampfen einer Flüssigkeit notwendig wird. Die Verdampfungsenthalpie wird als Kondensationswärme wieder an die Umgebung abgegeben, wenn die Verflüssigungstemperatur unterschritten wird. Bei unveränderten Druckverhältnissen erfolgen die Phasenübergänge isotherm. Das bedeutet, dass sich die Temperatur der Flüssigkeit beim Verdampfen nicht ändert. So wird zum Verdampfen von z. B. Wasser bei 100 °C 500 Mal mehr Energie nötig, als das Wasser bei 100 °C am Kochen zu halten. Verflüssigt sich der Wasserdampf, so beträgt seine Temperatur immer noch 100 °C, gibt jedoch die Verdampfungsenthalpie wieder an die Umgebung ab.

Überhitzung des Verdampfers

Aufgrund des für ein Kältemittel typischerweise sehr niedrigen Siedepunktes reichen zum Verdampfen bereits Minusgrade aus. Dabei ist es jedoch sehr wichtig, dass der Kältemitteldampf vor Verlassen des Verdampfers über seine Verdampfungstemperatur hinaus erhitzt wird (Überhitzung bzw. Sauggasüberhitzung), damit kein flüssiges Kältemittel in den Verdichter gelangen kann. Andernfalls könnten sogenannte Flüssigkeitsschläge den Verdichter beschädigen. Demgegenüber wird das Kältemittel nach Austritt aus dem Verflüssiger vor dem Expansionsventil unter die Verflüssigungstemperatur abgekühlt (Unterkühlung), um eine Dampfblasenbildung zu vermeiden, die die Funktion des Expansionsventils beeinträchtigen und damit die Leistung des Kreisprozesses der Wärmepumpe reduzieren könnte.

Arten von Verdampfungsprozessen

Bei der Technik des Verdampfens des Kältemittels unterscheidet man grundsätzlich zwischen einer trockenen und einer überfluteten Verdampfung. Zudem kommen in der Praxis auch Kombinationen beider Verdampfertechniken zum Einsatz:

Trockene Verdampfer

Bei der trockenen Verdampfung wird das Kältemittel über ein Expansionsventil dem Verdampfer zugeführt. Die Kältemittelmenge wird dabei anhand der Differenz zwischen der Gas- und Sättigungstemperatur (Sauggasüberhitzung) geregelt. Am Austritt des Verdampfers ist das gasförmige Kältemittel dann überhitzt und daher "trocken".

Überflutete Verdampfer

Bei der überfluteten Verdampfung wird das Kältemittel über eine Hoch- oder Niederdruck-Schwimmerregulierung in den Verdampfer geführt. Die Kältemittelmenge wird anhand des Flüssigkeitsspiegels auf der Hoch- oder Niederdruckseite geregelt. Am Verdampferaustritt ist das Kältemittelgas nur geringfügig überhitzt und wird daher als "nass" bezeichnet.

Überflutete Verdampfer weisen meist einen höheren Wirkungsgrad auf, da keine minimalen Temperaturdifferenzen zwischen Kältemittel- und Mediumseite notwendig sind und sich die Verdampfungstemperatur somit höher auslegen lässt und daher im Teillastbereich der Wärmepumpe stärker ansteigt. Ein weiterer Vorteil des überfluteten Verdampfers ist die leichte Reinigung der Wasserwege. Nach dem Entfernen der Verdampferabdeckung können die wasserführenden Kupferrohre leicht vollflächig von innen gereinigt werden. Das ist besonders in Industriebetrieben, in denen die Wasserqualität schwankt wichtig und spart Wartungskosten ein.

Indem Wasser durch Kupferrohre fließt, die im flüssigen Kältemittel liegen, erzielt ein überfluteter Verdampfer einen optimalen Wärmeübergang und ermöglicht so eine relativ hohe Verdampfungstemperatur. (Grafik: Mitsubishi Electric)
Indem Wasser durch Kupferrohre fließt, die im flüssigen Kältemittel liegen, erzielt ein überfluteter Verdampfer einen optimalen Wärmeübergang und ermöglicht so eine relativ hohe Verdampfungstemperatur. (Grafik: Mitsubishi Electric)

Antriebsarten von Verdampfern

Überdies unterscheidet man Verdampfer auch nach dem Antrieb im Kühlmittelkreislauf nach Naturumlaufverdampfern und Zwangsumlaufverdampfern:

  • Naturumlaufverdampfer sind Verdampfer, dessen Umlauf ohne Umwälzpumpe durch natürliche Konvektion aufgrund von Blasenbildung erzeugt wird. Die sich bei der Übertragung von Wärme bildenden Blasen erzeugen dann einen Auftrieb, der die Flüssigkeit nach oben fördert.
  • Zwangsumlaufverdampfer bedürfen zum Antrieb des Kühlmittelkreislaufes hingegen einer Umwälzpumpe, die wiederum Antriebsstrom erforderlich macht und somit die Betriebskosten der Wärmepumpe erhöht, und werden meistens bei Drücken unterhalb von ca.300 mbar bis zu ca. 50 mbar oder bei weitsiedenden Gemischen eingesetzt.

Verdampfer nach Wärmepumpenarten

Verdampfer können auch je nach Art der Wärmepumpe unterschieden werden:

  • In Luft/Luft-Wärmepumpen und Luft/Wasser-Wärmepumpen besteht der Verdampfer aus Kupferrohren, auf die Aluminiumrippen aufgepresst sind. Ein Ventilator fördert dabei die Luft über die Aluminiumrippen.
  • Wasser/Wasser- und Sole/Wasser-Wärmepumpen nutzen meistens Verdampfer mit Plattenwärmeüberträgern. Diese sind kompakt, wirtschaftlich und platzsparend. Außerdem können sie problemlos mit einer Wärmedämmung versehen werden.
  • In sogenannten Direktverdampfer-Wärmepumpen werden meistens Verdampfer mit aus kunststoffummantelten Kupferleitungen eingesetzt, die direkt im Erdreich verlegt werden und mit Kältemittel durchströmt werden.

Vorgang der Verdampferabtauung

Der Verdampfer kann im Heizbetrieb - vornehmlich bei Luftwärmepumpen - vereisen. Daher muss dieser zeitweise abgetaut werden. Der Abtauvorgang beginnt, falls die Differenz zwischen der Lufteintrittstemperatur und der Kältemitteleintrittstemperatur einen vorgegebenen Wert (z. B. 8 Kelvin) überschreitet. Zusätzlich muss die Sperrzeit für ein erneutes Abtauen überschritten sein. Diese hängt von der Temperatur und Feuchte der Außenluft sowie von der Verdichterfrequenz im Heizbetrieb ab. Die minimale Sperrzeit beträgt häufig rund 30 Minuten.

Bei der Abtauung selbst schaltet das im Kältekreis verbaute 4-Wegeumschaltventil um. Dabei wird der Verdampfer zum Verflüssiger und der Verflüssiger zum Verdampfer. Während des Abtauens läuft an der Außeneinheit der Wärmepumpe nur der Verdichter. Ist der Abtauprozess beendet, wird der Ventilator der Luftwärmepumpe wieder in Betrieb gesetzt, um die entstandene Feuchtigkeit vom Wärmetauscher in der Außeneinheit zu blasen.

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Weitere Informationen zur Technik von Wärmepumpen

"Verdampfer in der Wärmepumpen-Technik" wurde am 19.06.2018 das letzte Mal aktualisiert.