Thermodynamik in HLK-Anlagen


Dec 12, 2023

Die Thermodynamik beschreibt die Wirkung von Wärme und anderen Energiearten und die Beziehungen zwischen ihnen. Ein Thema, das auf den ersten Blick etwas einschüchternd wirkt. Wenn Sie jedoch die Theorie der Thermodynamik in Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK-Anlagen) verstehen, können Sie sofort nachvollziehen, wie und warum Systeme funktionieren und wie sie am besten eingesetzt werden. 

6 Grundlagen der Wärmeübertragung

Um die Grundsätze der Thermodynamik zu verstehen, müssen wir zunächst sechs Konzepte rund um Wärme und Wärmeübertragung begreifen. 

1) Kälte bedeutet Abwesenheit von Wärme. Um etwas kalt zu machen, muss man ihm Wärme entziehen.

2) Wärme und Temperatur sind zwei verschiedene Dinge:

  • Wärme ist der Fluss von Energie von einem Objekt, System oder Ort zu einem anderen.
  • Die Temperatur misst die innere kinetische Energie eines Objekts.

3) Wärme bewegt sich natürlich von einem heißen zu einem kühleren Bereich. 

4) Wärme bewegt sich auf drei Arten.

  • Konduktion ist die Übertragung von Wärme von einem Objekt auf ein anderes durch direkten Kontakt.
  • Konvektion ist die Übertragung von Wärme von einem Objekt auf die Umgebung, durch ein Gas oder eine Flüssigkeit, von einer hohen Temperatur auf eine niedrige Temperatur.
  • Strahlung ist die Übertragung von Wärme durch elektromagnetische Strahlung.

5) Eine Phasenänderung liegt vor, wenn etwas von einem Zustand in einen anderen übergeht, z. B. Eis (fest) schmilzt zu Wasser (flüssig), das zu Dampf (gasförmig) verdampfen kann.

6) Je größer der Temperaturunterschied zwischen zwei Medien ist, desto schneller ist die Wärmeübertragung. 

Die Gesetze der Thermodynamik

Die gute Nachricht ist, dass man keinen naturwissenschaftlichen Abschluss braucht, um zu verstehen, wie HLK-Systeme funktionieren. Es gibt insgesamt vier Gesetze der Thermodynamik: das nullte, erste, zweite und dritte Gesetz. Der nullte Hauptsatz wurde als letzter entdeckt, aber er untermauert die anderen drei Hauptsätze, daher sein Name und seine Rangfolge. 

Während das nullte und das erste Gesetz leicht zu verstehen sind, beziehen sich das zweite und das dritte Gesetz auf die so genannte Entropie, die ein Maß für die Unordnung eines Systems ist. Das hört sich alles sehr kompliziert an, aber die Entropie ist ein Maß dafür, wie weit die Energie verteilt ist. Energie ist nützlich, wenn sie konzentriert ist, aber wenn sie sich zerstreut und ausbreitet, ist sie nicht mehr nützlich, z. B. wenn wir ein Holzscheit verbrennen, wird die im Scheit konzentrierte Energie an die Umgebungsluft abgegeben. Diese Energie ist immer noch da (in der Atmosphäre), aber sie ist jetzt nutzlos.
 

Der nullte Hauptsatz der Thermodynamik

Was es aussagt: Der nullte Hauptsatz besagt, dass sich zwei thermodynamische Systeme, die sich jeweils im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten System befinden, auch im thermischen Gleichgewicht miteinander befinden.

Was er bedeutet: Wenn zwei Objekte die gleiche Temperatur haben, tauschen sie keine Wärme aus.

Beispiel: Lebensmittel und Getränke in einem Kühlschrank haben die gleiche Temperatur wie die Luft im Kühlschrank. Alle befinden sich im thermischen Gleichgewicht und es findet keine Wärmeübertragung zwischen den Stoffen statt.
 

Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Was er aussagt: Der erste Hauptsatz besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann. 

Was er bedeutet: Er ist auch als Energieerhaltungssatz bekannt und besagt, dass Energie nur von einer Form in eine andere übertragen oder verändert werden kann.

Beispiel: Ein Elektroofen wandelt Strom in Wärmeenergie um. 100 Einheiten elektrischer Energie werden in 100 Einheiten Wärmeenergie umgewandelt, um Ihr Essen zu kochen.
 

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Was er aussagt: Der zweite Hauptsatz besagt, dass die Entropie eines isolierten Systems mit der Zeit immer zunimmt. 

Was er bedeutet: Energie breitet sich immer weiter aus. Wärme bewegt sich immer von einem wärmeren zu einem kühleren Bereich, aber sie fließt nicht spontan von kalt nach heiß.

Beispiel: In dem Moment, in dem Sie ein frisch gekochtes Essen aus dem Ofen nehmen, verliert es an Wärme. Die Wärme wandert von der heißen Speise auf den kühleren Teller und die kühlere Luft um ihn herum. 
 

Dritter Hauptsatz der Thermodynamik

Er besagt Folgendes: Wenn sich die Temperatur dem absoluten Nullpunkt* nähert, nähert sich die Entropie eines Systems einem konstanten Minimum.

Was er bedeutet: Wenn der absolute Nullpunkt erreicht ist, bleibt keine Wärmeenergie übrig. Wärme kann nicht auf einen anderen Stoff übertragen werden, und es gibt keine Energie, die sich ausbreiten könnte. Die Entropie erreicht daher ebenfalls einen Punkt von Null. 

Beispiel: Die Moleküle in Wasserdampf bewegen sich schnell und haben eine hohe Entropie. Wenn der Dampf unter 100 °C abkühlt, kommt es zu einer Phasenänderung von gasförmigem zu flüssigem Wasser. Wasser hat im Vergleich zu Dampf eine geringere Molekularbewegung und eine geringere Entropie. Kühlt man das Wasser unter 0oC ab, so vollzieht sich ein weiterer Phasenübergang von einer Flüssigkeit zu festem Eis. Die Bewegung der Moleküle nimmt weiter ab, ebenso die Entropie. Wird dieses Eis bis zum absoluten Nullpunkt abgekühlt, wird auch die Entropie Null.

*0o Kelvin, -273,15oC oder -459,67oF.
 

Wir haben gelernt, dass:

  1. Verschiedene Arten von Energie können ineinander umgewandelt werden.
  2. Wärme wandert auf natürliche Weise von einem heißen in einen kühleren Bereich, aber wenn die Objekte die gleiche Temperatur haben, wird keine Wärme übertragen.
  3. Die Menge der Nutzenergie, die eine Substanz verliert, hängt von der Temperatur ab. 

Durch die Anwendung dieser Prinzipien im thermodynamischen Kreislauf kann die Wärmebewegung kontrolliert und zu unserem Vorteil genutzt werden. 

Kältemittel und der thermodynamische Kreislauf

Das Kältemittel ist ein äußerst nützlicher Stoff. Es hat einen niedrigen Siedepunkt und lässt sich leicht so manipulieren, dass es Wärme aufnimmt und abgibt. Erhöht man den Druck auf das Kältemittel, so steigen auch seine Temperatur und seine interne kinetische Aktivität. Verringert man den Druck auf das Kältemittel, so sinken seine Temperatur und seine innere kinetische Energie.

In HLK-Systemen zirkuliert das Kältemittel durch Komponenten, die nicht nur seinen Druck und seine Temperatur, sondern auch seinen physikalischen Zustand verändern. Das Kältemittel wechselt die Phase von einer Flüssigkeit zu einem Gas und umgekehrt und nimmt dabei Wärme auf bzw. gibt sie ab.

Thermodynamik in Kältemaschinen und Wärmepumpensystemen

Der thermodynamische Kreislauf von Kältemaschinen und Wärmepumpensystemen ist genau derselbe. Der Kreislauf kann zum Heizen oder Kühlen verwendet werden, wobei ein Dampfkompressionskreislauf zum Einsatz kommt. In einem einfachen System besteht dieser aus vier Hauptkomponenten: 

Verdichter: Der Verdichter ist das Herzstück des Systems und treibt den gesamten Kälteprozess an. Kältemittelgas mit niedrigem Druck (gesättigter Dampf) tritt in den Verdichter ein und wird zu einem erhitzten Gas mit hohem Druck (überhitzter Dampf) verdichtet. Dieses heiße Kältemittelgas strömt dann zum nächsten Element des Systems, dem Verflüssiger. 

Verflüssiger: Der Verflüssiger ist ein Wärmetauscher, der ebenfalls den Zustand des Kältemittels von gasförmig zu flüssig ändert. Im Verflüssiger wird der überhitzte Dampf zu einer Hochdruckflüssigkeit (gesättigte Flüssigkeit) kondensiert, wenn er unerwünschte Wärme entweder über Wasser oder Luft austauscht. Durch diese Zustandsänderung wird latente Wärme freigesetzt und das Kältemittel unterkühlt. 

💡 Gut zu wissen

Beim Kühlprozess in einem Kühlsystem fungiert der Verflüssiger als Wärmetauscher, um unerwünschte Wärme über Luft oder Wasser an die Atmosphäre abzugeben.
Beim Heizen in einem Wärmepumpensystem wird diese Wärme zur Nutzung im Heizungs- und Warmwasserkreislauf des Gebäudes ausgetauscht.


Expansionsventil: Das unter hohem Druck stehende flüssige Kältemittel wird dann durch ein Expansionsventil geleitet. Dadurch verringert sich der Druck und damit die Temperatur, so dass eine kühle, unter niedrigem Druck stehende Kältemittelflüssigkeit entsteht.

Verdampfer: Das kühle, unter niedrigem Druck stehende flüssige Kältemittel gelangt in den Verdampfer. Wie der Verflüssiger ist auch der Verdampfer ein Wärmetauscher, der eine Zustandsänderung des Kältemittels einleitet. Das Kältemittel nimmt Wärme aus der Luft oder dem Wasser auf, wodurch es zum Sieden gebracht wird und zu einem Niederdruckgas (gesättigter Dampf) verdampft. Bei dieser Zustandsänderung wird Wärme absorbiert, so dass die Luft oder das Wasser abgekühlt wird.

Das Niederdruckgas strömt vom Verdampfer in den Kompressor und der Kreislauf beginnt von neuem.

💡 Gut zu wissen

Beim Kühlprozess in einem Kaltwassersatz findet ein Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel im Verdampfer und den Kühlkreisläufen (Kaltwasserkreislauf) statt.
Beim Heizvorgang in einem Wärmepumpensystem findet ein Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und der Umgebungsluft oder dem Wasser statt.


Hoffentlich haben Sie nun ein besseres Verständnis für die Thermodynamik von Wärmepumpen und Kaltwassersystemen. Aber bevor Sie gehen, sollten Sie noch eine Sache wissen, nämlich wie Sie das beste HLK-Produkt für Ihre Anforderungen auswählen können. 

Die Vorteile einer Zertifizierung

Wussten Sie, dass eine Zertifizierung es Ihnen ermöglicht, Produkte objektiv zu vergleichen und eine fundierte Entscheidung zu treffen? Die Vorteile eines zertifizierten Produkts sind unter anderem:

  • Die Produktleistung wird nach den gleichen Kriterien bewertet, und die Ergebnisse werden in der gleichen Maßeinheit ausgedrückt, unabhängig davon, in welchem Land die Produkte hergestellt oder vermarktet werden
  • Die Leistung eines zertifizierten Produkts wird von einer unparteiischen, unabhängigen und kompetenten akkreditierten Stelle überprüft.
  • Zertifizierte Produkte entsprechen den Normen
  • Ein Produkt, dessen Leistung zertifiziert ist, funktioniert gemäß den vom Hersteller angegebenen Spezifikationen.

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