Wie funktioniert eine Wärmepumpe und Kältemaschine? (Aufbau und Funktionsweise einfach erklärt!)

Описание: In diesem Video beschäftigen wir uns mit dem Aufbau und der Funktion von Wärmepumpen und Kältemaschinen. Wir werden dabei die Funktionsweise eines Kühlschranks erläutern. Dabei spielen Phasenübergänge des Kältemittels eine zentrale Rolle. Zudem klären wir die Frage, ob wir mit einem offenen Kühlschrank einen Raum kühlen können oder ob wir diesen dabei erwärmen.

Im Gegensatz zu rechtsgängigen Kreisprozessen kehren linksgängige Kreisprozesse den Energiefluss einer Wärmekraftmaschinen um. In diesen Fällen wird dann nicht Wärme in mechanische Nutzarbeit umgewandelt, sondern es wird unter Aufwendung von mechanischer Arbeit Nutzwärme abgegeben. Man bezeichnet solche technischen Systeme dann als Wärmepumpen. Im Volumen-Druck-Diagramm wird der Kreisprozess einer Wärmepumpe gegen den Uhrzeigersinn durchlaufen, d.h. links herum.

Betrachten wir das Energieflussdiagramm der Wärmepumpe, so können wir den großen Vorteil von Wärmepumpen gegenüber einer rein elektrischen Beheizung erkennen. Betreiben wir mit dieser elektrischen Energie eine Wärmepumpe, so nutzen wir nicht nur die elektrische Energie zur Beheizung, sondern auch noch jene Wärmeenergie die der Umgebung entzogen wurde. Es wird sozusagen Wärme von der Umgebung in das zu beheizende Medium gepumpt. Deshalb auch der Begriff Wärmepumpe.

Wir können an dieser Stelle auch noch direkt eine weitere Möglichkeit des Einsatzes einer Wärmepumpe erkennen. Denn anstelle den wärmeabgebenden Wärmetauscher für Heizzwecke zu nutzen, können wir auch den wärmeaufnehmenden Wärmetauscher für Kühlzwecke verwenden. Möchten wir bspw. einen Raum kühlen, dann bauen wir die Wärmepumpe einfach anders herum ein. Auf diese Weise funktionieren zum Beispiel Klimaanlagen oder Kühlschränke. Das expandierte kalte Gas wird in diesen Fällen durch jenen Wärmetauscher geleitet, der sich im zu kühlenden Raum befindet, während die durch Kompression entstehende Wärme an die kühlere Umgebung abgegeben wird. Das kalte Gas nimmt nun Wärme von dem zu kühlenden Raum auf und senkt hierdurch dessen Temperatur.

Um die Effizienz einer Kältemaschine oder Wärmepumpe zu charakterisieren, setzt man wie bei Wirkungsgraden üblich, den Nutzen ins Verhältnis zum Aufwand. Bei Kältemaschinen besteht der Nutzen in einer möglichst großen Aufnahme an Wärmeenergie des Verdampfers. Dies bildet in diesem Fall die sogenannte Nutzwärme. Der Aufwand den wir für das Aufnehmen der Nutzwärme betreiben müssen, ist die Kompressionsarbeit zum Betrieb des Kompressors.

Dieser Quotient wird in diesem Fall nicht etwa Wirkungsgrad genannt, sondern als Leistungsziffer oder Leistungszahl bezeichnet. Umso größer die Leistungsziffer ist, desto mehr Nutzwärme kann bei gegebenem Arbeitsaufwand dem zu kühlenden System entzogen werden, und umso effizienter ist die Kühlwirkung. Moderne Kältemaschinen erreichen je nach Differenz zwischen Temperatur der gekühlten Luft und der Umgebung Leistungsziffern von über Sieben.

Analog zur Leistungszahl bei Kältemaschinen, kann auch für Wärmepumpen eine entsprechende Leistungsziffer angegeben werden. Diese gibt das Verhältnis von wärmeabgebender Wärmeleistung zur aufgewendeten mechanischen Leistung des Kompressors an. Anders als bei Kältemaschinen wird die Leistungsziffer für Wärmepumpen stets größer 1 sein. Bei Kältemaschinen kann die Leistungszahl theoretisch auch kleiner 1 sein. Je nach Temperaturdifferenz zwischen dem zu wärmenden Medium und der umgebenden Luft, liegen die Leistungszahlen von modernen Wärmepumpen zwischen 4 und Sechs.

00:00 Wärmekraftmaschine (rechtsgängiger Kreisprozess)
01:17 Wärmepumpen (linksgängige Kreisprozess)
03:06 Phasen einer Wärmekraftmaschine
06:08 Wärmepumpe: Verdichtung und Wärmeabgabe
07:43 Wärmepumpe: Expansion
09:38 Wärmepumpe: Wärmeaufnahme
11:41 Wie funktioniert eine Kältemaschine
13:51 Kühlt oder wärmt ein offener Kühlschrank?
14:43 Kältemittel
16:08 Wie funktioniert ein Kühlschrank?
18:55 Leistungsziffer bei Kältemaschinen
20:19 Leistungszahl bei Wärmepumpen