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Letzte Aktualisierung: 16.09.2019
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Verflüssiger und Wärmetauscher in Wärmepumpen
Wie funktionieren Verflüssiger im Wärmepumpenbetrieb? Welche Arten gibt es?
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Funktion des Wärmepumpen-Verflüssigers
Während der Verdampfer Wärme aufnimmt, gibt der Verflüssiger (Kondensator) die Wärme des vom Verdichter kommenden heißen Kältemittelgases über einen Wärmetauscher an das Heizungswassers wieder ab. Dabei tritt der überhitzte Dampf in den Verflüssiger ein, wird auf Verflüssigungstemperatur abgekühlt (Enthitzung) und kondensiert (Verflüssigung). Nach der Verflüssigung des Kältemittels wird das Kondensat noch weiter gekühlt (Unterkühlung), um Dampfblasen vor dem Expansionsventil zu vermeiden. Diese könnten sonst die Flüssigkeitszufuhr zum Verdampfer mindern und diesen in seiner Funktionsfähigkeit einschränken.
Druckverhältnis von Verdichter und Verflüssiger
Damit der Dampf jedoch Wärme an die Umgebung abgeben kann, muss seine Temperatur höher liegen, als die Umgebungstemperatur. Dies ist nur bei sehr hohen Drücken möglich ist. Bei einer Umgebungstemperatur von 40 °C muss z.B. das Kältemittel R12 auf über 10 bar komprimiert werden. Die obere Temperatur, bei der die Wärmepumpe noch Energie an die Umgebung abgeben kann, hängt also stark davon ab, wie hoch der Dampf im Verdichter komprimiert werden kann, was wiederum die Leistungszahl bzw. Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe beeinflusst.
Funktionswechsel von Verflüssiger und Verdampfer
Verflüssigen und Verdampfen sind zwei zentrale Prozesse in einer Wärmepumpe. Die Verflüssigung bezeichnet den Phasenübergang eines Gases oder Gasgemisches in den flüssigen Aggregatzustand. Analog dazu ist Verdampfung der Phasenübergang einer Flüssigkeit oder eines Flüssigkeitsgemisches in den gasförmigen Aggregatzustand. Die sehr ähnliche Funktion des Verdampfers und des Verflüssigers machen es daher recht einfach möglich, mit einer Wärmepumpe auch zu kühlen, indem nur die Funktionen von Verdampfer und Verflüssiger getauscht werden. Aus technischer Sicht geschieht dies durch ein Umschaltventil, zwei Rückschlagventile und ein zweites Expansionsventil.
Bauarten von Verflüssigern und Wärmetauschern
Aus physikalischer Sicht sind Verflüssiger in Wärmepumpen nichts anderes als Wärmetauscher (Wärmeübertrager). Wärmetauscher kommen in den unterschiedlichsten Formen und Anwendungen vor. Die fünf gebräuchlichsten Bauformen an Wärmetauschern sind jedoch der
- Plattenwärmetauscher,
- Koaxialwärmetauscher,
- Rohrbündelwärmetauscher,
- Registerwärmetauscher und
- Lamellenwärmetauscher.
Bei den meisten Wärmepumpen werden für den Verflüssiger hartgelötete oder verschweißte Plattenwärmetauscher (Plattenwärmeübertrager) und Koaxialwärmetauscher (Koaxialwärmeübertrager) eingesetzt. In größeren Wärmepumpenanlagen können auch mehrere Wärmetauscher zur Verflüssigung des Kühlmittels eingesetzt werden, um die Wärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus abzugeben.
Wärmestrom und Wärmemenge im Verflüssiger
Im Verflüssiger wird der Wärmestrom vom Kältemittel zu Heizmedium durch die Übertragungsfläche des Wärmetauschers, die Temperaturdifferenz und die Wärmedurchgangszahl bestimmt. In Wärmepumpen beträgt die Temperaturdifferenz beim Heizmedium Wasser etwa 2 bis 5 Kelvin (K) und beim Heizmedium Luft wie bei Luft/Luft-Wärmepumpen rund 5 bis 10 K. Die Wärmemenge, die der Verflüssiger auf das Heizmedium überträgt, ist daher in etwa die Summe der Wärme, die im Verdampfer aufgenommen wurde, plus der vom Verdichter aufgenommenen elektrischen Energie.
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