Wärmepumpen mit transkritischer Prozessführung bestehen wie Maschinen mit subkritischer Prozessführung aus vier wesentlichen Baugruppen:
- Verdampfer (Wärmetauscher)
- Verdichter oder Kompressor
- Gaskühler (Wärmetauscher)
- Expansionsventil (Drosselorgan)
Die Baugruppen sind über Rohrleitungen verbunden. In dem hermetisch abgeschlossenem System befindet sich der Arbeitsstoff CO2 (R744).
Der Arbeitsstoff wird in einem sogenannten transkritischen Kreisprozess unter Aufwendung von Volumenänderungsarbeit fortlaufend folgenden Zustandsänderungen unterworfen:
- Verdampfen
- Verdichten
- Kühlung des transkritischen Fluids als anisotherme und isobare Zustandsänderung
- Entspannen
Der Vorteil des transkritischen Kreisprozesses besteht darin, dass einer Wärmequelle mit einem niedrigen Temperaturniveau, iwe z.B. Abwärme oder Grundwasser, durch Verdampfen des unter niedrigem Druck stehenden flüssigen Arbeitsstoffstromes Wärmeenergie entzogen wird.
Diese Wärmeenergie wird im 2. Schritt des Kreisprozesses auf ein höheres Temperaturniveau angehoben und damit im 3. Schritt für die technische Praxis nutzbar gemacht. Im Wesentlichen über den durch die Arbeitsstoffverdampfung entstehenden Enthalpiestrom wird der Energieentzug aus der Wärmequelle wird dabei bestimmt.
Während der Verdampfung führt der Enthalpiestrom aus der Wärmequelle in den Arbeitsstoff über den Phasenübergang des Arbeitsstoffes von der flüssigen in die dampfförmige Phase zu einem erheblichen Anstieg der spezifischen Enthalpie, also des spezifischen Energieinhaltes des Arbeitsstoffes.
Der Arbeitsstoff liegt am Verdampferaustritt als überhitzter und damit flüssigkeitstropfenfreier Dampf mit hoher spezifischer Enthalpie vor. Das Temperaturniveau des überhitzen Arbeitsstoffdampfes darf dabei nicht höher als die Wärmequellentemperatur liegen.
Dem Arbeitsstoffdampf wird Volumenänderungsarbeit zugeführt, indem der überhitzte Arbeitsstoffdampf von dem Verdichter angesaugt und verdichtet wird. Die spezifische Enthalpie steigt weiter an und die Temperatur des Arbeitsstoffdampfes erhöht sich auf ein nutzbares Temperaturniveau.
Ab diesem Punkt unterscheiden sich Wärmepumpen mit CO2 als Arbeitsstoff im Kreisprozess grundlegend von Wärmepumpen in subkritischer Betriebsweise.
Die Temperatur des Arbeitsstoffdampfes liegt nach der Verdichtung im Unterschied zur subkritischen Betriebsweise deutlich über dem kritischen Punkt. Daher kann man auch von transkritischer Prozessführung sprechen. Eine Verflüssigung des Arbeitsstoffes durch Kondensation ist im transkritischen Bereich nicht möglich.
Im Unterschied zur subkritischen Prozessführung erfolgt der Energietransport zur Wärmesenke bei der transkritischer Prozessführung nicht bei konstanter Temperatur, sondern durch eine „gleitende“ Abkühlung des Arbeitsstoffes bei annähernd konstantem Druck.
Ein Phasenübergang von der dampfförmigen in die flüssige Phase findet nicht statt. Anstelle des Verflüssigers wird ein so genannter Gaskühler eingesetzt.
Der Energieinhalt des Arbeitsstoffes wird während der gleitenden Abkühlung um die zuvor im Verdampfer und Verdichter aufgenommenen Enthalpieanteile reduziert.
Am Gaskühleraustritt liegt der Arbeitsstoff nicht in der flüssigen Phase, sondern immer noch als transkritisches Fluid vor. Das Temperaturniveau des Arbeitsstoffes ist noch hoch und kann wie bei der subkritischen Prozessführung nicht unter der Rücklauftemperatur der Wärmesenke liegen.
Besondere Anforderungen an die Wärmesenke ergeben sich aufgrund der „gleitenden“ Abkühlung. Diese muss im Unterschied zu subkritischen Prozessen die Aufnahme von größeren Temperaturdifferenzen ermöglichen, die den gleitenden transkritischen Prozessverlauf des Arbeitsstoffes äquivalent auf der Wasserseite wiedergeben.
Die Entspannung des transkritischen Arbeitsstoffes auf das niedrige Druckniveau des Verdampfers erfolgt zweistufig:
- 1. Entspannungsstufe: Übergang des Arbeitsstoffes vom transkritischen Zustand in die Flüssigphase.
- 2. Entspannungsstufe der flüssige Arbeitsstoff wird analog zur subkritischen Prozessführung über ein Expansionsventil entspannt. Über diese Entspannungsstufe verdampft bereits ein Teil des Arbeitsstoffes, der Großteil verbleibt aber in der Flüssigphase. Die für die Teilverdampfung notwendige Energie wird der Flüssigphase des Arbeitsstoffes entzogen und geht mit einer deutlichen Absenkung der Temperatur des Arbeitsstoffes einher.
Nachdem Druck und Temperatur wieder ihren Anfangszustand im Verdampfer erreicht haben, ist. der transkritische Arbeitsmittelkreislauf geschlossen.
| Der Prozess stellt sich im Temperatur-Entropie-Diagramm wie folgt dar: | Der Prozess stellt sich im Druck-Enthalpie-Diagramm wie folgt dar: |
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