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Wärmetauscher für Wärmepumpe

• Verflüssiger für Wärmepumpe
• Übersicht der Verflüssiger nach Wärmeleistung in kW
• Die Auslegungsdrücke der Wärmetauscher (in bar)
• Kombinationsanschlüsse (d.h. sowohl Löten als auch externe Gewinde)
• Kältemittel: Temperaturen und Drücke
• Wärmepumpe friert ein, SWEP B26FH
• Verdampfer für Wärmepumpe
• Trennwärmetauscher

Verflüssiger für Wärmepumpe

Der Verflüssiger ist der Wärmetauscher der Wärmepumpe in ihrem sekundären Kreislauf. Das heiße Kältemittel im Verflüssiger überträgt Wärme auf das Heizungswasser. Das heiße Kältemittel gelangt im gasförmigen Zustand in den Wärmetauscher und wird nach der Kondensation gekühlt, kondensiert und unterkühlt. Die auf das Heizungswasser übertragene Wärme stammt hauptsächlich aus dem Phasenwechsel (d.h. der Kondensation des Kältemittels).

Umrüstung von Klimaanlagen zu Wärmepumpen

Der Hauptgrund für die Umrüstung einer Klimaanlage zu einer Wärmepumpe ist der niedrigere Anschaffungspreis. Klimaanlagen sind für das Kühlen optimiert, nicht für das Heizen. Sie erreichen zwar nicht die gleiche Effizienz wie Wärmepumpen, aber unter Berücksichtigung der Gesamtkosten können sie manchmal mehr Sinn machen.

Bei der Umrüstung wird die Kühlfunktion in der Regel deaktiviert und das innere Wandgerät durch einen Kondensator ersetzt. Das Außengerät der Klimaanlage ist für den Sommerbetrieb ausgelegt und kann im Winterbetrieb anfälliger für Frostbildung sein (im Vergleich zum Außengerät einer Wärmepumpe). Die Steuerungseinheit der Klimaanlage muss durch eine neue ersetzt werden, um den Umkehrzyklus (Abtauen des Außengeräts) zu unterstützen.

Kleine Klimaanlagen verwenden Rotationskompressoren, und mit diesen erreicht die Wärmepumpe nicht so hohe Heizfaktoren wie mit Scrollkompressoren. Die Klimaanlage sollte über einen Inverter verfügen, um die Leistung zu regulieren.

Die Liste zeigt Plattenwärmetauscher, die häufig als Verflüssiger verwendet werden:

• SWEP B8LASH (für Leistungen von 3–10 kW, B8LASH ist asymmetrisch; die Anschlüsse sind Kombinationsanschlüsse mit ¾"); der Wärmetauscher eignet sich als Verflüssiger für das Sinclair Split ASGE-Klimagerät, wenn es zu einer Wärmepumpe umgebaut wird,
• SWEP B26H, B26FH (asymmetrischer Wärmetauscher mit einer Leistung von 5–20 kW, speziell für Wärmepumpen ausgelegt. Er verfügt über Lötanschlüsse zum Primärkreis und externe Gewinde ISO G 1" zum Sekundärkreis),
• SWEP B25TH, B85H, B86H (für Leistungen von 10–50 kW, Klimaanlage; die Anschlüsse sind Kombinationsanschlüsse von 1" oder Kombinationsanschlüsse von 1 ¼".),
• SWEP B18H, B185H, B16DW (Für Erdgas, CO2 bis zu 140 bar; die Anschlüsse erfolgen entsprechend den Kundenwünschen),

Der asymmetrische Wärmetauscher verfügt über engere Kanäle im internen Kreislauf, die für das Kältemittel ausgelegt sind. In der Regel gibt es auf der Wasserseite etwa zehnmal mehr Durchfluss als auf der Kältemittelseite. Daher ist der asymmetrische Wärmetauscher für Klimaanlagen und Wärmepumpen optimiert.

Die SWEP B25TH-Version ist bei Technikern beliebt, weil sie auf der Kältemittelseite reine Lötverbindungen aufweist. Die SWEP B85H und B86H hingegen weisen eine höhere Effizienz im Vergleich zur B25TH auf, ihre Verbindungen sind Combo-Verbindungen: Die Anschlüsse sind außen mit Gewinde versehen und bieten auch innen eine Rohrleitung zum Löten (siehe Bild, klicken Sie, um die Zeichnung der Verbindung zu öffnen). Die B86H erreicht die höchste Effizienz, weist jedoch auch den höchsten Druckverlust auf. Die Druckverluste können durch Erhöhen der Anzahl der Platten reduziert werden.

Alle SWEP-Wärmetauscher haben Edelstahlverbindungen, und zum Löten muss Lötzinn mit mindestens 45 % Silberanteil verwendet werden.

Der Auslegungsdruck des Wärmetauschers kann aus dem in seinem Datenblatt bereitgestellten Diagramm abgelesen werden. Die Auslegungsdrücke gängiger Wärmetauscher liegen in etwa wie folgt:

• 46 bar(g) bei 75 °C für B8TH, B8LASH;
• 48 bar(g) bei 75 °C für B26H, B26FH;
• 46 bar(g) bei 75 °C für B25TH;
• 50 bar(g) bei 75 °C für B85H, B86H.

Temperaturen und Drücke von Kältemitteln

Druck-Temperatur-Diagramme für verschiedene Kältemittel sind im Internet häufig verfügbar. Zur besseren Übersicht haben wir die Drücke in bar(g) für die folgenden Kältemittel in der Tabelle zusammengefasst (Quelle: A-GAS):

• R410A ,
• R407C ,
• R134a ,
• R22 ,
• R32 .

Der Druck bar(g) ist relativ zum atmosphärischen Druck (Überdruck im Vergleich zur umgebenden Luft von 1 bar). Einige Kältemittel (z. B. R407C) bestehen aus mehreren Kältemitteln, von denen jedes seine eigenen Kondensationstemperaturen hat. Daher werden für diese Kältemittel zwei Temperaturen angegeben: a) Siedetemperatur bezieht sich auf den Punkt, an dem das flüssige Kältemittel zu sieden beginnt und in den gasförmigen Zustand übergeht. b) Kondensationstemperatur stellt den Punkt dar, an dem das gasförmige Kältemittel wieder in den flüssigen Zustand kondensiert.

Wärmepumpen einfrieren, Ausfall des Wärmetauschers

Der Austauscherriss tritt am häufigsten in diesen beiden Fällen auf:

• Der Betriebsdruck des Kältemittels ist höher als der Auslegungsdruck des Wärmetauschers. Das System muss einen Hochdruckschalter enthalten. Dieser schaltet den Kompressor aus, wenn der Arbeitsdruck überschritten wird (z. B. im Falle eines Fehlers).
• Der Wärmetauscher darf nicht einfrieren. Es besteht die Gefahr, dass das Medium im Kondensator einfriert, wenn die Wärmepumpe im Rückwärtsgang betrieben wird. Die Umkehrbetriebsart wird für einige Minuten gestartet, um den Verdampfer abzutauen. Außerdem, wenn bei kalter Startbedingung die Verdampfertemperatur sehr niedrig ist, kann der Verdampfer einfrieren.

Das Kältemittel kann eine Temperatur von -20 °C haben. Daher besteht unter ungünstigen Umständen die Gefahr, dass das Wasser im Kondensator einfriert. Selbst wenn das Wasser am Ausgang des Wärmetauschers 3 °C beträgt, kann sich im Inneren des Wärmetauschers ein Bereich mit einer Temperatur unter dem Gefrierpunkt befinden. Maßnahmen gegen das Einfrieren sind beispielsweise:

• Temperatursensor am Auslass des Wassers vom Wärmetauscher: Wenn sie unter eine bestimmte Temperatur fällt, schaltet sich der Kompressor aus.
• Frostschutz, elektrische Beheizung des Wärmetauschers während des Umkehrbetriebs.
• Durchflussschalter: Um das Einfrieren des Wärmetauschers zu verhindern, ist es erforderlich, den vollen Durchfluss auf der Wassseite aufrechtzuerhalten: Verwendung der konstanten Geschwindigkeit der Umwälzpumpe. Die Ventile an den Heizkörpern müssen geöffnet sein.
• Filtersieb am Wassereinlass des Wärmetauschers, um Partikel über 1 mm abzufangen. Schmutz kann den Durchfluss blockieren und dazu führen, dass das Wasser im Kanal einfriert
• Verzögertes Abschalten der Wasserpumpe beim Stoppen des Kompressors. Die Pumpe kann einige Minuten nach dem Ausschalten des Kompressors weiterlaufen und umgekehrt: Die Wasserpumpe vor dem Starten des Kompressors einschalten.
• Das Ausschalten des Lüfters während des Abtauvorgangs erhöht die Verdampfertemperatur.
• Der Verdichter wird mit möglichst geringer Leistung gestartet. Dadurch wird der Rückgang der Verdampfungstemperatur während des Anlaufs minimiert.
• Klimaanlagen sind für den Sommerbetrieb optimiert. Bei der Umstellung auf eine Wärmepumpe können an der Außeneinheit mit Lüfter größere Probleme mit Frost auftreten. Das liegt daran, dass Klimaanlagen zwischen den Lamellen kleinere Abstände haben als übliche Wärmepumpen.

Das Einfrieren von Wasser im Wärmetauscher bedeutet eine Beschädigung des Wärmetauschers und in der Regel auch Schäden an der Gesamtwärmepumpe (Wasser kann in den Kältemittelkreislauf gelangen). Aus diesem Grund bietet SWEP auch eine spezielle Version des am häufigsten verwendeten SWEP B26H-Wärmetauschers für das Kältemittel R410A an: die modifizierte B26FH-Version hat keine Kanäle in der Ecke am Kältemittel-Einlass, wo der Wärmetauscher am anfälligsten für das Einfrieren ist. Dies reduziert insgesamt das Risiko des "Einfrierens der Wärmepumpe".

Verdampfer für Wärmepumpe

Der Verdampfer ist der Wärmetauscher der Wärmepumpe im Primärkreislauf. In diesem Wärmetauscher verdampft das kalte flüssige Kältemittel. Das System ist normalerweise so eingestellt, dass das Expansionsventil vor dem Verdampfer den Druck reduziert. Dies verringert die Siedetemperatur. Die Temperatur des Verdampferkältemittels ist auf etwa 0 °C eingestellt, kann aber niedriger sein. Damit das Kältemittel verdampfen kann, muss ihm Wärme zugeführt werden. Diese wird beispielsweise aus der Umgebungsluft oder aus dem Boden entnommen (und später dem Heizwasser im Verflüssiger zugeführt). Der Großteil der auf diese Weise von der Umgebung auf das Kältemittel übertragene Energie wird in der Phasenumwandlung gespeichert.

Für kleine Anwendungen kann der klassische SWEP Plattenwärmetauscher verwendet werden. Der Kältemittel-Einlassanschluss sollte niemals größer sein als der Kältemittel-Auslassanschluss. Für den ordnungsgemäßen Betrieb sollte die empfohlene Kältemittelgeschwindigkeit von 10 bis 25 m/s am Einlass und 5 bis 10 m/s am Auslass (2,5 bis 5 m/s, wenn der Anschluss horizontal ist) gewährleistet sein; dies verhindert auch die Ansammlung von Öl im Wärmetauscher.

Hochleistungspumpen erfordern mehr Platten im Wärmetauscher. Wenn für den Verdampfer mehr als 30 Platten benötigt werden, ist es in der Regel notwendig, eine spezialisierte Art von Plattenwärmetauscher auszuwählen (V-Typ, P-Typ, F-Typ oder Q-Typ). Die V-Serie Wärmetauscher sind klassische Wärmetauscher, die mit einem System zur gleichmäßigen Verteilung des Kältemittels ausgestattet sind (z. B. V25, V80). Ohne diese Maßnahme würde bei einer größeren Anzahl von Platten das Kältemittel nur durch die Platten in der Nähe des Einlasses fließen. Der Wärmetauscher würde nicht die erwartete Effizienz haben und könnte einfrieren. Das Verteilsystem ist kein Hindernis, wenn ein solcher Wärmetauscher auch als Verflüssiger verwendet wird.

Spezialisierte Typen (zum Beispiel die meisten Wärmetauscher der V-Serie und insbesondere P-Typ und andere Verdampfer) sind nicht auf Lager und müssen hergestellt werden.

Trennwärmetauscher für Wärmepumpen

Der Trennwärmetauscher wird beispielsweise verwendet, um den Frostschutzmittelkreislauf vom Heizungswasserkreislauf zu trennen. Auf diese Weise kann draußen eine Mischung mit Glykol verwendet werden, während im Heizkreislauf im Gebäude nur Heizungswasser vorhanden ist. Der Trennwärmetauscher kann auch dazu verwendet werden, die Wärmepumpe von verschmutzten oder aggressiven Medien zu trennen.

Um die Effizienz der Wärmepumpe aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, die Temperaturen beider Kreisläufe so nah wie möglich beieinander zu halten. Die Druckverluste steigen mit dem Quadrat des Durchflusses.