Wärmepumpe

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Hintergrund

Durch die zunehmende Sorge der Gesellschaft für Umwelt- und Umweltfragen steigt der Bedarf an effizienteren Möglichkeiten der Wärme- und Energienutzung. Die Wärmepumpenindustrie nutzt technologische Fortschritte wie die ganzjährige Raumheizung, um Wärmeenergie an einen nützlicheren Ort und Zweck zu verlagern. Dieses Konzept wird erreicht, indem örtlich begrenzte oder umgeleitete Wärme bereitgestellt wird, während kühle Luft mit erwärmter Luft ausgetauscht wird.

Die Prinzipien von Wärmepumpen sind eigentlich das Gegenteil der technologischen und thermodynamischen Prinzipien einer Klimaanlage. Die meisten Wärmepumpen bieten den zusätzlichen Vorteil, dass sie sowohl im Winter heizen als auch im Sommer kühlen. Dies kann einfach durch Umkehren der Strömung des durch die Spulen zirkulierenden Arbeitsfluids erreicht werden. Die Wärmepumpe ist ein thermodynamisches Gesamtsystem, bei dem ein flüssiges und/oder gasförmiges Medium durch eine Baugruppe gepumpt wird, wo es aufgrund von Druckänderungen seine Phasen ändert. Obwohl die Einrichtung relativ kostspielig ist, bietet das Wärmepumpensystem eine wirtschaftlichere und effizientere Möglichkeit, die Temperaturen zu steuern und vorhandene Wärmeenergie wiederzuverwenden.

Rohstoffe

Bei der Herstellung von Wärmepumpen werden große Eisengussteile mit Edelstahlkomponenten und Aluminiumrohren verwendet. Die in der Pumpe und im Motor verwendeten Gussteile enthalten oft geringe Mengen an Nickel, Molybdän und Magnesium, um die mechanischen und korrosionsbeständigen Eigenschaften des Gussteils zu verbessern. Bei kleineren Wärmepumpen erfordern einige Komponenten die Verwendung von legiertem Stahl, um das Gewicht zu reduzieren. Je nach Art des verwendeten Arbeitsmediums (Ammoniak, Wasser oder Fluorchlorkohlenwasserstoffe) kann die Verrohrung des Wärmepumpensystems korrosionsbeständigen Edelstahl oder Aluminium erfordern. In Systemen, in denen die Konsistenz der thermodynamischen Eigenschaften kritischer ist, können Kupferrohre die Effizienz verbessern. Die Gehäuse der meisten Komponenten der Wärmepumpe sind aus weichem Kohlenstoffstahlblech gefertigt. Der Rest der Rohrleitungen, Fittings, Ventile und Kupplungen besteht aus Edelstahl.

Alle Wärmepumpen benötigen ein Arbeitsmedium, um überschüssige Energie von einer Wärmequelle auf eine andere zu übertragen. Traditionell wurden Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) aufgrund ihrer überlegenen thermodynamischen Eigenschaften als Arbeitsflüssigkeiten verwendet. Aufgrund der mittlerweile bekannten schädlichen Auswirkungen von FCKW auf die Umwelt wurden sie schrittweise aus der Produktion genommen. Stattdessen werden in Wärmepumpensystemen häufig Wasser, Kohlenwasserstoffe und Ammoniak verwendet, obwohl sie bei einigen Wärmepumpenkonstruktionen nicht effizient genug sind.

Design

Wärmepumpen haben alle die gleichen Grundkomponenten. Diese Komponenten bestehen aus einer Pumpe, einem Kondensator, einem Verdampfer und einem Expansionsventil. Trotz der relativen Ähnlichkeiten dieser Komponenten variieren die Konstruktionen von Wärmepumpen stark in Abhängigkeit von der spezifischen Anwendung der Pumpe. Die beiden Hauptdesigns, Dampfkompression und -absorption, verwenden unterschiedliche thermodynamische Prinzipien, jedoch enthalten beide ähnliche Komponenten und bieten ähnliche Systemwirkungsgrade.

Wärmepumpen demonstrieren eine bemerkenswerte Vielseitigkeit bei der Bereitstellung von Klimatisierung und Heizung in demselben System, indem sie einfach die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums umkehren. In dieser Hinsicht machen Wärmepumpen duale Systeme überflüssig, um eine gewünschte Temperatur zu halten. Dies ist jedoch kostspielig, da ein System erforderlich ist, das in beide Richtungen pumpen kann. In extrem widrigen Klimazonen verlieren Wärmepumpen einen Teil ihrer Wirksamkeit und benötigen möglicherweise eine zusätzliche Wärmequelle. Diese zusätzliche Wärme kann von geothermisch erwärmtem Wasser oder elektrischen Heizgeräten stammen.

Der typische Wärmepumpenbetrieb verwendet das Arbeitsmedium, um Wärme von einer Quelle zu empfangen, die sich in der Nähe des Verdampfers befindet. Am Verdampfer verdampft die Flüssigkeit zu einem Niederdruckdampf. Beim Eintritt in die Pumpe wird der Dampf auf hohen Druck komprimiert und gelangt in einen Kondensator, der den Dampf in eine Flüssigkeit zurückführt und schließlich seine gespeicherte Wärme an die gewünschte Quelle abgibt. Ein Expansionsventil ermöglicht dann dem System, in seinen flüssigen Niederdruckzustand zurückzukehren, und der Kreislauf beginnt von neuem.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Die Pumpe wird in der Regel als fertige Einheit beschafft und durch Integration mit Kupplungs- und Verrohrungskomponenten in die Anlage eingebaut. Die Pumpe ist für die spezifische Größe und den Flüssigkeitsbedarf des Systems ausgelegt und kann je nach Größe direkt an den Aufstellungsort geliefert werden. Dies tritt normalerweise bei großen gewerblichen Wärmepumpen auf, die Bürogebäude mit Wärme und/oder Kälte versorgen. Bei kleineren Wohnmodellen kann die Pumpe in einer Baugruppe installiert sein, die den Kondensator, den Verdampfer und verschiedene Rohrleitungen umfasst. Diese von einem Blechkasten ummantelten Einheiten werden aus verschiedenen Baugruppen für Verflüssiger und Verdampfer bestehen, um alle Komponenten mit dem Kasten oder untereinander zu verschrauben. Einige der verwendeten Halterungen bilden die Basis der Einheit, an der die Pumpe an einer Metallwanne festgeschraubt und an einen Wechselstrommotor angeschlossen wird.

Hüllen

• 1 Aus mehreren unterschiedlichen Blechen zusammengesetzte Schalungseinheiten werden in einer Scherenpresse auf Maß geschnitten. Nachdem sie auf die richtigen Abmessungen zugeschnitten wurden, werden kleine Montagelöcher in das Metall gestanzt, wobei eine computernumerisch gesteuerte (CNC) Stanzpresse verwendet wird. Diese Stanzpressen haben entweder einen beweglichen Tisch zum Bewegen des Blechs oder eine bewegliche Matrize, die Löcher an verschiedenen Stellen des Metalls stanzen kann. Stanzpressen werden oft durch ein computergestütztes Konstruktionsprogramm (CAD) dorthin geleitet, wo sie gestanzt werden sollen. In der Maschine sind verschieden geformte Stanzwerkzeuge gespeichert, die es ermöglichen, alle erforderlichen Löcher durch einfaches Ändern des Computerprogramms zu stanzen.
• 2 Nach dem Stanzen wird das Blech zu einer numerisch gesteuerten (NC) Abkantpresse bewegt, wo es in verschiedene Formen und Konfigurationen gebogen wird. Die Abkantpresse biegt das Metall mithilfe von Matrizen oder Werkzeugen in viele verschiedene Formen. Im Gegensatz zur CNC-Stanze erfordert die Abkantpresse einen manuellen Werkzeugwechsel, um eine andere Biegung durchzuführen. Das Blech kann dann mit den anderen Blechen und Halterungen verschweißt, genietet oder verschraubt werden. Nach dem Zusammenbau bieten diese Platten die meiste Stabilität von eigenständigen Einheiten.

Kondensator und Verdampfer

• 3 Verflüssiger und Verdampfer bestehen aus vielen kleinen, dünnen Kupfer- oder Aluminiumrohren, die von Rohrbiegemaschinen um gebogene Gesenke gebogen werden. NC-Rohrbiegemaschinen werden so programmiert, dass sie jedes der Rohre mit der gleichen exakten Biegung versehen, sodass sie übereinander gestapelt werden können. Diese Rohre werden dann an Platten oder Rippen befestigt, durch die die Rohre hindurchgehen und durch Rohraufweitung oder Verbindungsschweißen verbunden werden. Dadurch entsteht ein dicht geschlossenes System. Die Rohr-Platten-Einheit fungiert als Wärmetauscher, indem sie das Arbeitsfluid durch das System innerhalb der Rohre strömen lässt, während die Wärme im Kondensator an ein anderes flüssiges Medium abgegeben wird, das zwischen den Platten strömt und die durch die Rohre abgegebene Wärme aufnimmt .
• 4 Um den Komponenten Festigkeit oder Konnektivität zu verleihen, werden kleine Klammern aus unlegiertem Kohlenstoffstahl gestanzt. Die Konsolen werden in der Regel aus Stahlcoils gestanzt, die kontinuierlich zuerst durch eine Abwickelhaspel geführt werden. Nach dem Abwickeln wird es in einem kontinuierlichen Prozess geschert, gebogen und geformt. Dies geschieht mit einer Folgeverbundwerkzeugkonfiguration, bei der die Halterung an der Spule befestigt bleibt, während sie sich von Station zu Station bewegt Bahnhof. Jede Station fügt der Halterung etwas hinzu, entweder ein Loch oder eine Kerbe, und schickt es an die nächste Station, bis es schließlich von der Spule abgeschert wird. Dieser Prozess kann an Anbieter ausgelagert werden, die sich auf Folgeverbund- oder Transferpressen spezialisiert haben und eine bessere Kostenkontrolle bieten können.

Schläuche

• 5 Weitere Schläuche werden hergestellt und gebogen, um den Rest der zum Verbinden der Pumpe mit dem Verflüssiger und dem Verdampfer erforderlichen Rohrleitungen bereitzustellen. Es werden verschiedene Fittings und Verbindungskomponenten verwendet. Das Expansionsventil, das in einigen Rohrleitungen enthalten ist, ist eine weitere Komponente, die als ganze Einheit gekauft wird. Das Expansionsventil ist ein entworfenes Anschlussstück, das die Expansion des Arbeitsmediums und die Verbindung von Schläuchen mit kleinerem Durchmesser mit Schläuchen mit größerem Durchmesser ermöglicht. In kleinen Wohneinheiten befindet sich das Ventil im Hauptkasten, während es in größeren Gewerbeeinheiten vor Ort in das Rohrleitungssystem eingebaut werden kann.

Lackieren/Beschichten

• 6 Komponenten, Unterbaugruppen, Halterungen und/oder Platten sind korrosionsbeständig lackiert oder pulverbeschichtet. Vor dem Lackieren werden einige Teile jedoch mit einem speziellen Lösungsmittel behandelt, um Fett- oder Ölrückstände aus der Fertigung zu entfernen. Dies geschieht in der Regel durch Eintauchen der Teile in große, mit Lösungsmittel gefüllte Tanks und anschließendes Trocknen in einem speziellen Ofen. Einige Teile, die speziell mit Zink, Nickel oder Chrom beschichtet sind, werden durch ein Säurebad geführt, bevor sie in Tanks mit Beschichtungslösung getaucht werden. Nach der Reinigung werden die Teile manuell auf Tabletts geladen oder an speziell konstruierten Gestellen aufgehängt und einer Lackierkabine zugeführt. Die Farbe wird mit einem unter Druck stehenden Farbspender aufgetragen, der Farbe in jede Spalte sprüht.

Verpackung

• 7 Nach gründlicher Prüfung wird die Wärmepumpe zur Verpackung geschickt, wo das System verpackt und an den Aufstellungsort versandt wird.

Installation

• 8 Grundsätzlich werden Wärmepumpen auf der Baustelle installiert. Der Kompressor und der Verdampfer werden aus massiven Rohren mit einem Durchmesser von 3 Zoll (7,5 cm) hergestellt und haben größere Kammern, in denen das Arbeitsfluid die Phasen wechselt. Die Pumpe selbst wird auf eine Betonunterlage geschraubt und angeschlossen mit einem großen Gleichstrommotor oder Erdgasgenerator. Die Fittings und Ventile werden versandt und in das Rohrleitungssystem eingebaut, während sie von Halterungen und Streben getragen werden, die an bestehenden Wänden verankert sind. Diese Installationen weisen erhebliche technische Herausforderungen auf und erfordern oft eine Zusammenarbeit zwischen dem Auftragnehmer und dem Wärmepumpenhersteller.

Qualitätskontrolle

Jedes Bauteil, das von einem externen Lieferanten bezogen wird, wird in der Regel vor dem Zusammenbau auf Maßhaltigkeit geprüft. Andere Komponenten werden während ihrer Herstellung auf Qualität überprüft. Die Endmontage wird dann getestet, indem sie mit der entsprechenden Arbeitsflüssigkeit gefüllt und das System an eine Stromquelle angeschlossen wird, um die Pumpe zu drehen. Durch Messung der Temperatur- und Druckniveaus der Flüssigkeit in verschiedenen Stufen mit Messwandlern oder Schaltern kann das endgültige System anhand vorgegebener Kriterien überprüft werden.

Die Zukunft

Mit steigenden Energiekosten wird die Nachfrage nach der effizienten Wärmepumpe steigen. Die hohen Anschaffungskosten werden vollständig amortisiert, wenn der Gesamtenergieverbrauch sinkt. Die vielseitige Wärmepumpe wird Organisationen zugute kommen, die ihre Aufmerksamkeit für neue technologische Entwicklungen erhöhen möchten. Mit der Verbesserung der Technologie wird die Wärmepumpe letztendlich kostengünstigeres Heizen und Kühlen erzeugen. Die Produktentwicklung wird einen Wettbewerb zwischen den Industrien erzeugen, wodurch die hohen Herstellungskosten sinken. Die Arbeitsflüssigkeitstechnologie wird aufgrund mehrerer experimenteller Studien, die auf zukünftige Umweltbelange ausgerichtet sind, weiter ausgebaut werden.