Erklären Sie den Begriff Umweltwärme unter Berücksichtigung der Definition von Wärme im thermodynamischen Sinne. Wie groß ist der Exergieanteil von Umweltwärme?
Der Exergieanteil von Umweltwärme ist fast gleich null. Betrachtet man den Wärmestrom, der im Plank-Prozess dem Verdampfer zugeführt wird, so muss ein gewisser Wärmestrom (d. h. mit einem gewissen Exergieanteil) vorhanden sein, andernfalls würde es zu keiner Wärmeübertragung kommen.
Allerdings ist bei der Umweltwärme selbst der Exergieanteil gleich null, da die Exergie sich immer auf die Umwelt selbst bezieht. So kann Umwelt keinen höhere Energie haben als die Umwelt.
Beschreieben sie mittels der Begriffe Exergie und Anergie die übergeordnete Funktionsweise einer Wärempumpe
Die Wärmepumpe hat die Aufgabe mittels eines reinen Exergiestroms in Form eines elektrischen Arbeitsstroms die Umweltwärme, die nahezu 100 % aus Anergie besteht, in einen Nutzwärmestrom umzuwandeln.
Erklären Sie anhand des Exergieanteils des Heizwärmebedarfs warum Wärmepumpen insbesondere zur Deckung des häuslichen Wärmebedarfs, weniger aber zur Deckung des industriellen Wärmebedarfs geeignet sind.
Bei industriellen Anwendungen ist die erforderliche Nutztemperatur meist wesentlich höher als bei den häuslichen Anwendungen. Da sich die Quellentemperatur allerdings nicht von häuslichen und industriellen Anwendungen unterscheidet und je nach Quelle ca. 5 – 10 °C beträgt, muss die restliche Energie in Form von Exergie als elektrischer Arbeitsstrom zur Verfügung gestellt werden. Je höher also die notwendige Nutztemperatur ist, desto höher muss auch der zugeführte Exergieteil sein im Verhältnis zum entnommenen Anergieteil aus der Umwelt.
Vergleichen Sie mit den Begriffen Exergie und Anergie einen Kraftwerksprozess und einen Wärmepumpenprozess unter der in der Vorlesung vorgestellten „Hühnerbrühe-Analogie“
Bei einem Kraftwerksprozess geht ein Wärmestrom hinein, der sich aus Exergie und Anergie zusammensetzt. Mit Hilfe des Kraftwerksprozess wird dieser Wärmestrom aufgeteilt in einen reinen Exergiestrom (elektrischer Arbeitsstrom) und in einen nahezu reinen Anergiestrom (Abwärme).
Bei der Wärmepumpe ist dies genau umgekehrt. Es werden zwei getrennte Energieströme (ein elektrischer Arbeitsstrom und ein Wärmestrom) in das System hineingeführt und in Form eines gemeinsamen Wärmestroms wieder hinausgeführt.
Welchen Einfluss hat jeweils eine Änderung der Wärmequellen- und Wärmesenkentemperatur einer Wärmepumpe? Erklären Sie in diesem Zusammenhang, wie sich eine Änderung der Massenströme von Wärmequelle und Wärmesenke auf die Temperaturen und somit auf die Effizienz des eigentlichen Wärmepumpenprozesses auswirken.
Je höher die vorhandene Wärmequellentemperatur, desto höher ist auch die Leistungszahl der Wärmepumpe.
Je höher die erforderliche Nutztemperatur (Wärmesenkentemperatur), desto niedriger ist die Leistungszahl einer Wärmepumpe.
Betrachtet man den Wärmepumpenprozess als offenes System, wo lediglich zwei Massenströme rein bzw. raus gehen, dann kommt es per Definition zu keinen Wärmeströmen. Dann wird die Energieübertragung lediglich über die Enthalpiedifferenz der Massenströme berechnet. Je höher also die Massenströme sind, desto höher ist auch die übertragene Wärmeleistung bei gleichbleibender Enthalpiedifferenz.
Erklären Sie den Zusammenhang zwischen dem Carnot-Faktor des von einer Wärmepumpe abgegebenen Wärmestroms und der Carnot-Effizienz (Carnot-Leistungszahl) einer Wärmepumpe.
Der Carnot-Faktor einer Wärmepumpe gibt das optimale Verhältnis von Exergie zu Anergie des Nutzwärmestroms an. Es lässt sich auch aus dem Kehrwert der Carnot-Effizienz berechnen.
Die Leistungszahl einer Wärmepumpe (COP = Coefficient of Performance) errechnet sich aus dem abgeführten Nutzwärmestrom geteilt durch den zugeführten elektrischen Arbeitsstrom. Bei dem COP nach Carnot (Carnot-Leistungszahl) handelt es sich um die höchstmögliche Leistungszahl einer Wärmepumpe.
Warum wird das Verhältnis der Leistungszahl einer Wärmepumpe zur Carnot-Leistungszahl als eine aussagekräftige Kennzahl gesehen?
Die Leistungszahl hängt sehr stark von der Wärmequellen- und Wärmesenkentemperatur ab und somit von den jeweiligen Betriebsbedingungen. Dies macht einen allgemeinen Vergleich von Wärmepumpen wesentlich schwieriger.
Das Verhältnis allerdings vom COP einer Wärmepumpe zur Carnot-Leistungszahl ist wesentlich weniger abhängig von den Betriebsbedingungen und somit besser geeignet zur Bewertung der Effizienz.
Was ist der Unterschied einer Leistungszahl und einer Arbeitszahl einer Wärmepumpe? Nennen Sie Faktoren, von denen die Arbeitszahl abhängt.
Die Leistungszahl gibt lediglich die Effizienz einer Wärmepumpe an, bei bestimmten Betriebsbedingungen (bestimmter Wärmequellen- und Wärmesenkentemperatur).
Um allerdings für den realen Bestand eine aussagekräftige Zahl zu erhalten, reicht es nicht aus die Leistungszahl über das gesamte Jahr zu mitteln. Hier würde die höhere Betriebszeit z. B. bei kalten Monaten und somit geringerer Leistungszahl weniger in Gewicht fallen als es in der Realität der Fall gewesen ist.
Um eine reale aussagekräftige Zahl zu erhalten, wird die Arbeitszahl errechnet. Dabei handelt es sich um den Quotienten aus dem Integral der Nutzwärmeströme über ein gesamtes Jahr und dem Integral des zugeführten elektrischen Arbeitsstroms über das gesamte Jahr. Dabei ist das Integral des Nutzwärmestroms der Dividend.
Diskutieren Sie, ob die von einer Wärmepumpe abgegebene Wärme eine erneuerbare Energie ist.
Die von einer Wärmepumpe abgegebene Wärme ist nicht automatisch eine erneuerbare Energie. Es handelt sich lediglich um 100 % erneuerbare Energie, wenn die zugeführte elektrische Arbeit aus 100 % erneuerbarem Strom besteht.
Machen Sie eine Energiebilanz über die Luft, die in einem Zylinder mittels eines Kolbens isotherm verdichtet wird. Machen Sie eine quantitative Aussage zu den Energieströmen.
Sollte es sich um eine vollständig isotherme Verdichtung handeln, so wäre die Änderung der inneren Energie gleich null. Dies liegt daran, dass delta T bei einem isothermen Prozess gleich null ist.
Sollte es sich allerdings um ein reales Gas handeln, bei dem sich die innere Energie um ein wenig erhöht, während der Verdichtung, dann handelt es sich auch nicht mehr um eine vollständige isotherme Verdichtung. In diesem Fall wäre die Änderung der Inneren Energie größer als null und würde gemäß der Formel des ersten Hauptsatzes zur Schlussfolgerung haben, dass die abgeführte Wärme gleich der Summe aus der Inneren Energie plus der zugeführten elektrischen Arbeit sein muss.
An welchen Stellen hat die den Sättigungsdruck beschreibenden Dampfdruckkurve des Arbeitsstoffes einen Einfluss auf den Plank-Prozess einer Wärmepumpe? Wovon hängt dieser Druck im Betrieb der Wärmepumpe maßgeblich ab?
Die Dampfkurve beschreibt bei welchem Druck und welcher Temperatur ein gewisser Arbeitsstoff verdampft bzw. sich verflüssigt. Der Druck hängt maßgeblich von der Temperatur ab, bei der es zu der isothermen Verdampfung bzw. Verdichtung kommt.
Skizzieren Sie ein qualitatives log p,h-Diagramm (ohne Werte) und benennen Sie alle Kurvenscharen der Isolinien einschließlich ihrer physikalischen Einheit, sowie Bereiche gleichen Aggregatzustands und wichtige Zustandspunkte.
Skizzieren Sie das log p,h-Diagramm eines einfachen Plank-Prozesses und zeichnen Sie die korrespondierenden Längen der zu- und abgeführten Energieströme ein.
Skizzieren Sie das T,s-Diagramm eines einfachen Plank-Prozesses und zeichnen Sie beispielhaft die Temperaturverläufe der Energieträgerflüssigkeiten der Wärmeübertrager ein.
Erläutern Sie die Funktion eines Inneren Wärmeübertragers (IHX) einer Wärmepumpe. Wovon hängt es ab, ob er sich positiv oder negativ auf die Effizienz einer Wärmepumpe auswirkt?
Sowohl bei Kälteanlagen als auch bei Wärmepumpen kann es unter Umständen sinnvoll sein, einen Inneren Wärmeübertrager (IHX) zu integrieren. Dieser stellt hauptsächlich die Unterkühlung bzw. Überhitzung des Arbeitsmittels sicher. Dadurch ist es möglich, dass der Verdampfer nicht den gesamten Massenstrom des Kältemittels verdampfen lässt und der restliche Teil des Kältemittels in dem IHX verdampft.
Je nach Umgebungstemperatur hat dieser IHX einen positiven bzw. negativen Einfluss auf die Wärmepumpe. Je höher die Umgebungstemperatur, desto positiver ist der Einfluss auf die Effizienz
Erstellen Sie ein „Black-Box“-Diagramm des Plank-Prozesses einer Wärmepumpe mit den ein- und austretenden Energieströmen. Drücken Sie mittels dieser Energieströme die Leistungszahl der Wärmepumpe aus.
Erstellen Sie ein „Black-Box“-Diagramm einer Wärmepumpe, bei der die Wärmeübertrager Kondensator und Verdampfer komplett Teil des Systems sind mit den ein und austretenden Energieströmen. Drücken Sie mittels dieser Energieströme die Leistungszahl der Wärmepumpe aus.
COP = Q_Punkt / W_Punkt = Massenstrom * Delta_Enthalpie / W_Punkt
Analysieren Sie die Hauptkomponenten einer Wärmepumpe bezüglich ihrer Exergie- und Anergieströme.
Verdichter = Aufnahme von Exergiestrom
Verflüssiger = Abgabe von Nutzwärme (Exergie- plus Anergiestrom)
Verdampfer = Aufnahme von Anergiestrom
Erklären Sie, warum es sich beim isentropen Gütegrad eines Verdichters streng genommen nicht um einen Wirkungsgrad handelt, auch wenn er gelegentlich, als ein solcher bezeichnet wird.
Der isentrope Gütegrad vergleicht die tatsächlich verrichtete Arbeit mit der Arbeit, die in einem idealen isentropen Prozess verrichtet worden wäre.
Bei einem Wirkungsgrad wird allerdings prinzipiell der Nutzen geteilt durch den Aufwand berechnet. Da der Nutzen im Fall des Isentropen Wirkungsgrades allerdings nicht der Energie zur Beförderung des Massenstroms unter adiabat-isentropen Bedingungen ist, kann man streng genommen auch nicht von einem Wirkungsgrad ausgehen.
Bei dem isentropen Wirkungsgrad werden nämlich irreversible Verluste z. B. bei kleinen Verdichtern (häusliche Wärmepumpen) nicht berücksichtigt. Dort handelt es sich häufig um Verluste wie die Übertragung thermischer Energie des Motors über das Verdichtergehäuse.
Erläutern Sie, wie aus Messdaten eines Wärmepumpenprozesses mittels eines log p,h-Diagramms unter Voraussetzung einer adiabaten Verdichtung und unter Vernachlässigung der Änderung von kinetischer und potenzieller Energie die spezifische Stutzenrabeit ermitteln werden kann.
Die spezifische Stutzenarbeit lässt sich aus dem Zustand am Saugstutzen und dem Zustand am Druckstutzen ermitteln. Die Enthalpiedifferenz der beiden Zustände gibt an wie groß die spezifische Stutzenarbeit [kJ / kg] zu sein hat.
Nennen Sie die in der Vorlesung genannten vier Möglichkeiten der Umweltwärmenutzung und beschreiben Sie wesentliche Charakteristika dieser.
1) Erdwärmekollektoren:
- Horizontale Anordnung
- Mindesttiefe 1,20 Meter
- Die durchschnittliche Bodentemperatur entspricht im Jahresmittel der Lufttemperatur im Jahresmittel
2) Erdwärmesonden:
- Senkrechte Anordnung
- Tiefe 10 – 100 Meter
- Große Leistung trotz kleiner Grundstücksfläche
- Bodenbeschaffenheit etc. notwendig zu kennen
3) Grundwasser
- Ganzjährige Temperatur von 8 – 12 °C
- Förderbrunnen = Wasserentnahme; Schluckbrunen = Wasserrückgabe
- Brunnen müssen mindestens 10 Meter entfernt sein (je nach Leistung)
- Wasserqualität für Korrosion etc. wichtig
4) Luft:
- Kostengünstigste Variante
- Lufttemperatur dafür im Winter allerdings teilweise -10 °C
o COP an kalten Tagen deutlich geringer
Zuletzt geändertvor 10 Monaten
