Versuch zur Wärmepumpe

Gliederung

1. Ziel des Versuchs.. 3

2. Physikalische Grundlagen.. 3

2.1. Allgemein.. 3

2.1.1. Erster Hauptsatz der Thermodynamik.. 3

2.1.2. Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik.. 3

2.1.3. Entropie.. 3

2.1.4. Enthalpie.. 3

2.1.5. Zustandsanderungen.. 3

2.1.6. Latente Warme.. 3

2.2. Prinzip einer Warmepumpe.. 4

2.2.1. Realisierung.. 4

2.2.2. Leistungsziffer E einer Warmepumpe.. 5

2.2.3. Organic Rankine Cycle (ORC).. 5

2.2.4. Mollier-Diagramm.. 6

3. Versuchsaufbau.. 7

4. VersuchsdurchfUhrung.. 7

4.1. Vorbereitung.. 7

4.2. Messungen.. 7

4.3. Anmerkung.. 8

5. Zusammenstellung und Diskussion der Ergebnisse.. 8

5.1. Versuchsauswertung.. 8

5.1.1. Temperaturverläufe.. 8

5.1.2. Leistungsverläufe.. 9

5.1.3. Verlauf der Leistungsziffer.. 11

5.1.4. Vergleich mit dem ORC-Prozess.. 12

5.2. Diskussion und Berechnungen zur Messunsicherheit.. 13

5.2.1. Maximale Messunsicherheit der Leistungen.. 14

5.2.2. Mindesverlustleistung.. 17

5.3. Weitere Diskussion.. 18

5.3.1. Realistischeres Energieflussdiagramm.. 18

5.3.2. Vorschläge zur Verbesserung der Versuchsanlage.. 18

5.3.3. Eisbildung.. 18

6. Fazit.. 18

7. Literaturverzeichnis.. 19

8. Anhang.. 20

9. Original-Messprotokoll.. 20

1. Ziel des Versuchs

Mithilfe eines Versuchsmodells sollen die Leistungsziffer, sowie die Wärmeverluste einer Warmepumpe ermittelt und anschließend diskutiert werden.

2. Physikalische Grundlagen

2.1. Allgemein

2.1.1. Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Dieser beschreibt die Energieerhaltung in thermodynamischen Systemen. Er besagt, dass in einem abgeschlossenen System die Energie erhalten bleibt. Dies bildet die Grundlage fur das Aufstellen einer Energiebilanz[1].

2.1.2. Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Dieser besagt u. a., dass alle Prozesse, bei denen Reibung auftritt, irreversibel sind. Augerdem gibt es keine Maschine, die Wärme zu 100% in Arbeit umwandeln kann (,,Perpetuum Mobile 2. Art"). Da sich thermodynamische Systeme stets ausgleichen wollen, gibt es Wärmeströme, die die Eigenschaft besitzen, sich von Bereichen mit hoher Temperatur zu Bereichen mit niedriger Temperatur zu bewegen[2].

2.1.3. Entropie

Entropie soll hier nur mit der umgangssprachlichen Beschreibung als ,,Maß für die Unordnung" eines Systems veranschaulicht werden. Ein System strebt immer die ,,maximale Unordnung" an, um die Entropie zu erhöhen und damit den Energiegehalt zu senken, was zu einem stabileren Zustand führt[3].

Daraus folgt, dass Zustandsanderung immer in Richtung maximaler Entropie und damit minimaler Energie ablaufen wollen, also wie in 2.1.2. beschrieben, von Bereichen mit hoher Temperatur zu Bereichen mit niedrigerer Temperatur.

Bei der hier behandelten Wärmepumpe jedoch soll dieser Prozess umgekehrt werden: Ein warmer Bereich soll immer wärmer, ein kalter Bereich immer kälter werden. Da der eigentliche Nutzen der warme Bereich ist, spricht man überhaupt erst von einer Wärmepumpe. Eine Kältemaschine {Kühlschrank) würde den kalten Bereich nutzen, arbeitet aber nach demselben Prinzip wie die Wärmepumpe.

2.1.4. Enthalpie

Auch hier soll die kurze Erklärung genügen, dass die Enthalpie den Energiegehalt von Stoffen beschreibt. Für eine umfangreiche physikalische Erklärung wird ebenfalls auf entsprechende Literatur verwiesen.

2.1.5. Zustandsanderungen

Für das weitere Verständnis sind folgende Begriffe fur die Beschreibung von Zustandsänderungen relevant:

- ,,isotherm": Meint eine Zustandsänderung, bei der sich die Temperatur nicht verändert

- ,,isobar": Meint eine Zustandsänderung, bei der der Druck konstant bleibt

- ,,isochor": Meint eine Zustandsänderung, bei der das Volumen konstant bleibt

- ,,isentrop": Meint eine Zuständsanderung, bei der die Entropie konstant bleibt

- ,,isenthalp": Meint eine Zustandsänderung, bei der die Enthalpie konstant bleibt.

2.1.6.Latente Warme

Diese tritt bei sog. Phasenänderungen auf, wenn bspw. etwas verdampft, gefroren oder verflüssigt wird. Während der Phasenanderung ändert sich nicht die Temperatur, aber dem Stoff wird dennoch Energie entzogen oder zugeführt. Erst wenn der Prozess der Phasenänderung komplett abgeschlossen ist, ändert sich wieder die Temperatur[4].

2.2. Prinzip einer Warmepumpe

Die Aufgabe einer Wärmepumpe besteht darin, Wärme eines niedrigeren zu einem höheren Temperaturniveau zu transportieren. Damit dies gelingt, wird dem System Arbeit zugeführt.

[...]

[1]: Eichler, J., Physik f..r das lngenieurstudium, 5. Auflage, Verlag Springer Vieweg, Wiesbaden 2014, S. 123

[2]: Eichler, J., Physik f..r das lngenieurstudium, 5. Auflage, Verlag Springer Vieweg, Wiesbaden 2014, S. 129

[3]: Eichler, J., Physik f..r das lngenieurstudium, 5. Auflage, Verlag Springer Vieweg, Wiesbaden 2014, S. 132 f.

[4]: Eichler, J., Physik f..r das lngenieurstudium, 5. Auflage, Verlag Springer Vieweg, Wiesbaden 2014, S. 112