Kältemaschine und Wärmepumpe - Physik

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Physik, Klasse 11-13, G-Niveau

Einleitung

Kältemaschine und Wärmepumpe - Physik behandelt zwei Geräte, die nach demselben physikalischen Prinzip arbeiten. Ein Kühlschrank entzieht seinem Innenraum Wärme. Eine Wärmepumpe entzieht der Umwelt Wärme und gibt sie an ein Gebäude ab. In beiden Fällen wird Wärme mithilfe von Arbeit von einem niedrigen auf ein höheres Temperaturniveau transportiert.

Merksatz: Eine Kältemaschine „erzeugt“ keine Kälte. Sie transportiert Wärme von der kalten zur warmen Seite.

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Grundidee: Wärme gegen ihre natürliche Richtung transportieren

Wärme fließt von selbst von einem wärmeren zu einem kälteren Körper. Der umgekehrte Transport benötigt Energie. Das folgt aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Bei einer Kompressionsanlage liefert meist ein elektrisch angetriebener Kompressor die notwendige Arbeit.

Die Anlage besitzt eine kalte Seite und eine warme Seite. Auf der kalten Seite nimmt ein Kältemittel Wärme auf. Auf der warmen Seite gibt es diese Wärme zusammen mit der zugeführten Arbeit wieder ab.

Für die Energieströme gilt:

$Q_{\mathrm{w}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{m}}=Q_{\mathrm{k}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{t}}+W$

Dabei ist $Q_{\mathrm{k}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{t}}$ die aufgenommene Wärme, $W$ die zugeführte Arbeit und $Q_{\mathrm{w}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{m}}$ die abgegebene Wärme. Diese Gleichung ist eine Anwendung des Energieerhaltungssatzes.

Der Kältemittelkreislauf

Das Kältemittel zirkuliert in einem geschlossenen Rohrsystem. Es wechselt dabei zwischen flüssigem und gasförmigem Zustand. Entscheidend ist, dass seine Siedetemperatur vom Druck abhängt.

1. Verdampfer: Das Kältemittel steht unter niedrigem Druck. Es nimmt Wärme von der kalten Seite auf und verdampft.
2. Verdichter: Der Kompressor verdichtet das gasförmige Kältemittel. Druck und Temperatur steigen.
3. Verflüssiger: Das heiße Kältemittel gibt Wärme an die warme Seite ab und kondensiert.
4. Expansionsventil: Das flüssige Kältemittel wird entspannt. Druck und Temperatur sinken, danach beginnt der Kreislauf erneut.

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Warum Verdampfen und Kondensieren wichtig sind

Beim Verdampfen nimmt ein Stoff Energie auf, ohne dass seine Temperatur während des Phasenübergangs stark steigen muss. Beim Kondensieren gibt er diese Energie wieder ab. Dadurch kann das Kältemittel große Wärmemengen transportieren.

Das Expansionsventil ist kein Motor. Es senkt den Druck. Dadurch sinkt die Siedetemperatur des Kältemittels, sodass es auf der kalten Seite schon bei niedriger Temperatur verdampfen kann.

Kältemaschine und Wärmepumpe im Vergleich

Physikalisch können Kältemaschine und Wärmepumpe gleich aufgebaut sein. Der Unterschied liegt darin, welche Seite genutzt wird.

Gerät	Gewünschter Nutzen	Beispiel
Kältemaschine	Wärme wird einem kalten Bereich entzogen.	Kühlschrank, Gefriertruhe, Klimaanlage
Wärmepumpe	Wärme wird auf der warmen Seite bereitgestellt.	Raumheizung, Warmwasser

Beim Kühlschrank ist der Innenraum die Nutzseite. Die Rückseite wird warm, weil dort die aufgenommene Wärme und die elektrische Arbeit abgegeben werden. Bei der Wärmepumpe ist die warme Seite die Nutzseite.

Leistungszahl und Effizienz

Bei Kältemaschinen und Wärmepumpen verwendet man meist eine Leistungszahl statt eines gewöhnlichen Wirkungsgrades. Sie kann größer als 1 sein, weil das Gerät Wärme transportiert und nicht nur elektrische Energie in Wärme umwandelt.

Für die Wärmepumpe gilt:

${\epsilon }_{\mathrm{W}\mathrm{P}}=\frac{Q_{\mathrm{w}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{m}}}{W}$

Für die Kältemaschine gilt:

${\epsilon }_{\mathrm{K}\mathrm{M}}=\frac{Q_{\mathrm{k}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{t}}}{W}$

Beispiel: Nimmt eine Wärmepumpe mit $1\mathrm{k}\mathrm{W}\mathrm{h}$ elektrischer Arbeit zusätzlich $3\mathrm{k}\mathrm{W}\mathrm{h}$ Umweltwärme auf, gibt sie $4\mathrm{k}\mathrm{W}\mathrm{h}$ Wärme ab. Ihre Leistungszahl beträgt in diesem vereinfachten Fall 4.

Für eine ideale Anlage nach dem umgekehrten Carnot-Prozess gelten mit absoluten Temperaturen in Kelvin:

${\epsilon }_{\mathrm{W}\mathrm{P},\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{n}\mathrm{o}\mathrm{t}}=\frac{T_{\mathrm{w}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{m}}}{T_{\mathrm{w}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{m}}-T_{\mathrm{k}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{t}}}$

${\epsilon }_{\mathrm{K}\mathrm{M},\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{n}\mathrm{o}\mathrm{t}}=\frac{T_{\mathrm{k}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{t}}}{T_{\mathrm{w}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{m}}-T_{\mathrm{k}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{t}}}$

Reale Anlagen erreichen kleinere Werte. Je kleiner der notwendige Temperaturunterschied ist, desto günstiger kann die Anlage arbeiten.

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Wärmequellen und Anwendungen

Wärmepumpen können Wärme aus der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser aufnehmen. Welche Wärmequelle geeignet ist, hängt vom Standort, vom Gebäude und von technischen Vorgaben ab.

Kältemaschinen werden in Kühlschränken, Kühlhäusern, Klimaanlagen, Supermärkten und industriellen Prozessen eingesetzt. Manche Anlagen können ihren Kreislauf umkehren und je nach Bedarf heizen oder kühlen.

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Was beeinflusst die Effizienz?

Eine Wärmepumpe arbeitet meist günstiger, wenn die Wärmequelle nicht zu kalt und die benötigte Heiztemperatur nicht zu hoch ist. Deshalb sind gut gedämmte Gebäude und Heizsysteme mit niedriger Vorlauftemperatur vorteilhaft. Auch passende Dimensionierung, saubere Wärmeübertrager und eine fachgerechte Einstellung sind wichtig.

Bei Luftwärmepumpen sinkt die Leistungszahl gewöhnlich, wenn die Außenluft sehr kalt wird. Außerdem kann sich Eis am Verdampfer bilden, das durch einen Abtauvorgang entfernt werden muss.

Kältemittel müssen zum Temperatur- und Druckbereich der Anlage passen. Einige Kältemittel belasten das Klima stark, wenn sie austreten. Deshalb sind dichte Kreisläufe, fachgerechte Wartung und die Wahl geeigneter Stoffe wichtig. Einen Kältemittelkreislauf darfst Du nicht selbst öffnen.

Zusammenfassung

Eine Kältemaschine und eine Wärmepumpe transportieren Wärme mithilfe eines Kreisprozesses. Das Kältemittel verdampft bei niedrigem Druck, wird verdichtet, kondensiert bei hohem Druck und wird anschließend entspannt. Die Energiebilanz lautet $Q_{\mathrm{w}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{m}}=Q_{\mathrm{k}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{t}}+W$. Bei der Kältemaschine wird die kalte Seite genutzt, bei der Wärmepumpe die warme Seite. Kleine Temperaturunterschiede verbessern die erreichbare Leistungszahl.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was ist die gemeinsame Hauptaufgabe von Kältemaschine und Wärmepumpe? (Wärme von einem niedrigen auf ein höheres Temperaturniveau transportieren) (!Kälte aus elektrischer Energie erzeugen) (!Wärme vollständig vernichten) (!Druck ohne Energiezufuhr dauerhaft erhöhen)

Welches Bauteil erhöht Druck und Temperatur des gasförmigen Kältemittels? (Der Verdichter) (!Der Verdampfer) (!Das Expansionsventil) (!Der Verflüssiger)

Was geschieht im Verdampfer? (Das Kältemittel nimmt Wärme auf und verdampft) (!Das Kältemittel gibt Wärme ab und gefriert) (!Das Kältemittel wird mechanisch verdichtet) (!Das Kältemittel wird vollständig aus dem Kreislauf entfernt)

Was geschieht im Verflüssiger? (Das Kältemittel gibt Wärme ab und kondensiert) (!Das Kältemittel nimmt Wärme auf und verdampft) (!Der Druck wird durch eine Drossel abgesenkt) (!Der Kompressor wird abgekühlt)

Welche Energiebilanz ist richtig? (Abgegebene Wärme ist aufgenommene Wärme plus Arbeit) (!Abgegebene Wärme ist nur die elektrische Arbeit) (!Aufgenommene Wärme ist abgegebene Wärme plus Arbeit) (!Arbeit und Wärme haben keinen Zusammenhang)

Warum kann die Leistungszahl einer Wärmepumpe größer als 1 sein? (Weil zusätzlich zur Arbeit Umweltwärme transportiert wird) (!Weil Energie neu erzeugt wird) (!Weil der Energieerhaltungssatz nicht gilt) (!Weil die Temperatur in Celsius negativ sein kann)

Welche Seite ist bei einem Kühlschrank die gewünschte Nutzseite? (Die kalte Innenseite) (!Die warme Rückseite) (!Der elektrische Anschluss) (!Die Raumluft über dem Gerät)

Welche Seite ist bei einer Heizungswärmepumpe die gewünschte Nutzseite? (Die warme Seite) (!Nur die kalte Umweltseite) (!Nur das Expansionsventil) (!Der ungenutzte Teil des Kompressors)

Wann kann eine Wärmepumpe besonders günstig arbeiten? (Bei einem kleinen Temperaturunterschied zwischen Quelle und Heizung) (!Bei einem möglichst großen Temperaturunterschied) (!Wenn der Verdichter ausgeschaltet bleibt) (!Wenn kein Wärmeübertrager vorhanden ist)

Welche Aufgabe hat das Expansionsventil? (Es senkt den Druck des Kältemittels) (!Es treibt den Kompressor an) (!Es erhöht die Heiztemperatur durch Verbrennung) (!Es speichert dauerhaft die gesamte Wärme)

Memory

Verdampfer	Wärmeaufnahme
Verdichter	Druckerhöhung
Verflüssiger	Wärmeabgabe
Expansionsventil	Drucksenkung
Kältemaschine	Kalte Nutzseite
Wärmepumpe	Warme Nutzseite
Leistungszahl	Verhältnis von Nutzwärme zu Arbeit
Kältemittel	Wärmetransport im Kreislauf

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Verdampfer	Kältemittel nimmt Wärme auf
Verdichter	Druck und Temperatur steigen
Verflüssiger	Kältemittel gibt Wärme ab
Expansionsventil	Druck und Temperatur sinken
Kältemittelkreislauf	Vorgänge wiederholen sich

Kreuzworträtsel

Verdampfer	In welchem Bauteil nimmt das Kältemittel Wärme auf?
Verdichter	Welches Bauteil erhöht den Druck?
Verflüssiger	In welchem Bauteil kondensiert das Kältemittel?
Drossel	Welches kurze Wort bezeichnet ein Bauteil zur Drucksenkung?
Kältemittel	Welcher Stoff zirkuliert im geschlossenen Kreislauf?
Leistungszahl	Welche Größe beschreibt das Verhältnis von Nutzen zu Arbeit?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Eine Kältemaschine transportiert von einem niedrigen auf ein höheres Temperaturniveau. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel Energie auf und . Der Verdichter erhöht den Druck und die . Im Verflüssiger gibt das Kältemittel Wärme ab und . Das Expansionsventil senkt den . Bei der Kältemaschine wird die Seite genutzt. Bei der Wärmepumpe wird die Seite genutzt. Die Summe aus aufgenommener Wärme und Arbeit ergibt die Wärme.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Energiefluss: Zeichne einen Kühlschrank und markiere mit Pfeilen, wo Wärme aufgenommen, Arbeit zugeführt und Wärme abgegeben wird.
2. Bauteile einer Wärmepumpe: Gestalte vier Karten zu Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionsventil.
3. Alltagsbeobachtung: Prüfe vorsichtig, ob die Rückseite eines laufenden Kühlschranks wärmer als die Raumluft ist, ohne das Gerät zu öffnen.
4. Erklärvideo: Produziere ein einminütiges Video zum Merksatz „Kälte wird nicht erzeugt, Wärme wird transportiert“.

Standard

1. Kältemittelkreislauf: Baue aus Papier, Schläuchen oder Pfeilkarten ein Modell des Kreislaufs und erkläre jeden Schritt.
2. Leistungszahl: Erfinde drei Rechenbeispiele mit zugeführter Arbeit, Umweltwärme und abgegebener Wärme und löse sie.
3. Gebäudeheizung: Vergleiche Heizkörper und Fußbodenheizung im Hinblick auf die benötigte Vorlauftemperatur.
4. Interview: Befrage eine Fachperson aus Heizungs-, Klima- oder Kältetechnik zu typischen Fehlern und Effizienzfaktoren.

Schwer

1. Carnot-Prozess: Berechne die ideale Leistungszahl für zwei Temperaturpaare in Kelvin und vergleiche die Ergebnisse.
2. Schulgebäude: Entwickle ein begründetes Konzept, welche Wärmequelle für eine Wärmepumpe an Deiner Schule geeignet sein könnte.
3. Messprojekt: Plane eine Untersuchung zum Stromverbrauch eines Kühlschranks bei unterschiedlichen Einstellungen und beachte faire Vergleichsbedingungen.
4. Kältetechnik: Erstelle eine Reportage über Kühlung in einem Supermarkt, einer Eissporthalle oder einem Kühlhaus und hole vorher eine Erlaubnis ein.

Lernkontrolle

1. Energieerhaltung: Eine Wärmepumpe nimmt 6 kWh Umweltwärme auf und benötigt 2 kWh elektrische Arbeit. Bestimme die abgegebene Wärme und begründe den Rechenweg.
2. Systemvergleich: Erkläre mit einem gemeinsamen Energieflussbild, warum Kühlschrank und Heizungswärmepumpe physikalisch eng verwandt sind.
3. Temperaturhub: Beurteile, welche von zwei Anlagen voraussichtlich effizienter arbeitet: 5 °C auf 35 °C oder minus 5 °C auf 55 °C.
4. Fehleranalyse: Eine Person behauptet, eine Wärmepumpe erzeuge aus 1 kWh Strom 4 kWh neue Energie. Korrigiere die Aussage mithilfe der Energiebilanz.
5. Anwendung: Entwickle eine begründete Empfehlung, wie ein Gebäude für den Einsatz einer Wärmepumpe vorbereitet werden kann.
6. Transfer: Erkläre, wie eine umkehrbare Klimaanlage im Sommer kühlt und im Winter heizt, ohne den Grundkreislauf neu zu erfinden.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

1. den Wärmetransport von der kalten zur warmen Seite erklären kannst.
2. Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionsventil richtig zuordnen kannst.
3. die Energiebilanz $Q_{\mathrm{w}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{m}}=Q_{\mathrm{k}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{t}}+W$ anwenden kannst.
4. Kältemaschine und Wärmepumpe anhand ihrer Nutzseite unterscheiden kannst.
5. eine Leistungszahl berechnen und sinnvoll deuten kannst.
6. den Einfluss des Temperaturunterschieds auf die Effizienz erklären kannst.
7. technische Anwendungen bewerten und Sicherheitsregeln beachten kannst.

Verknüpfte Lernbereiche

Kältemaschine und Wärmepumpe - Physik Thermodynamik Wärmelehre Energieerhaltungssatz Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik Aggregatzustand Druck Temperatur Kältemittel Leistungszahl