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Fig. 5
Darstellung des idealisierten Kreisprozes-
ses der Wärmepumpe im Mollier-Diagramm
(siehe Abschnitt 8.2)
Der Kreisprozess der Wärmepumpe wird ideali-
siert in die vier Schritte Kompression (1→2), Ver-
flüssigung (2→3), gedrosselte Entspannung
(3→4) und Verdampfung (4→1) unterteilt:
Kompression:
Das gasförmige Arbeitsmittel wird vom Kom-
pressor angesaugt, ohne Entropieänderung
(s
= s
) von p
auf p
1
2
1
überhitzt. Die Temperatur steigt von T
Die mechanische Verdichtungsarbeit pro Mas-
seneinheit ist Δw = h
2
Verflüssigung:
Im Verflüssiger kühlt das Arbeitsmittel ab und
kondensiert. Die frei werdende Wärme (Überhit-
zungswärme und Kondensationswärme) er-
wärmt das umgebende Reservoir auf die Tem-
. Sie beträgt pro Masseneinheit Δq
peratur T
2
– h
h
.
2
3
Gedrosselte Entspannung:
Das kondensierte Arbeitsmittel gelangt zum Ent-
spannungsventil, um dort gedrosselt (d.h. ohne
mechanische Arbeit) auf niedrigeren Druck ent-
spannt zu werden. Dabei nimmt auch die Tem-
peratur ab, da Arbeit gegen die molekularen An-
ziehungskräfte im Arbeitsmittel verrichtet wer-
den muss (Joule-Thomson-Effekt). Die Enthal-
pie bleibt konstant (h
4
Verdampfung:
Im Verdampfer verdampft das Arbeitsmittel unter
Aufnahme von Wärme im Idealfall vollständig.
Dies führt zur Abkühlung des umgebenden Re-
servoirs auf die Temperatur T
mene Wärme pro Masseneinheit ist Δq
h
.
4
Das verdampfte Arbeitsmittel wird zur erneuten
Kompression wieder vom Kompressor angesaugt.
komprimiert und dabei
2
auf T
1
– h
.
1
= h
).
3
. Die aufgenom-
1
= h
1
Hinweis:
Das entspannte Kältemittel verdampft und entzieht
dem linken Reservoir Wärme.
Unter idealen Bedingungen führt das Rohrsystem
vom Verdampfer über das Schauglas bis zum Ver-
dichter ausschließlich gasförmiges Kältemittel.
Mit sinkender Wassertemperatur nimmt die Wär-
meaufnahme über die Verdampferwendel ab und
infolge dessen können im linken Schauglas Trop-
fen von Kältemittel sichtbar werden.
Dies hat praktisch keinen Einfluss auf die Funktion
der Wärmepumpe, sollte jedoch durch ständiges
Umwälzen des Wassers auf ein Minimum reduziert
werden.
Für die Bestimmung der Leistungszahl wird ein ei-
geschränktes Temperaturfenster des Wassers-
empfohlen:
Ausgangstemperatur zu Beginn des Experiments
in beiden Behältern ca. 20 bis 25°C, Abbruchtem-
peratur des heruntergekühlten Wassers im linken
Reservoire etwa 10°C bis 12°C.
8. Experimentierbeispiele
.
2
8.1 Wirkungsgrad des Kompressors
Der Wirkungsgrad η
sich aus dem Verhältnis der Wärmemenge ΔQ
die dem Warmwasserreservoir pro Zeitintervall
Δt zugeführt wird, zur Antriebsleistung P des
Kompressors. Sie nimmt mit wachsender Tem-
peraturdifferenz zwischen Verflüssiger und Ver-
dampfer ab.
=
2
Zur Bestimmung des Wirkungsgrades:
Wärmepumpe ans Netz anschließen.
Wasserbehälter mit je 2l Wasser befüllen
und in das Halteblech einsetzen (siehe
Punkt 6.1). Für die nachfolgende Messung
zusätzlich mind. 4l Wasser mit 20°C bereit
halten.
Kompressor einschalten und ca. 10 Min. lau-
fen lassen, so dass er seine Betriebstempe-
ratur erreicht (die Erwärmung des Kompres-
sors sollte nicht während der Messung erfol-
gen)
Wasserbehälter leeren und mit dem auf
20°C temperierten Wasser befüllen. Ener-
giemesser zurücksetzen (Punkt 9)
–
Kompressor einschalten und Zeitmessung
1
starten (Stoppuhr, Smartphone, etc.).
Während des gesamten Experiments das
Wasser in den Behältern immer gut umrühren.
5
des Kompressors ergibt
co
,
2
