Um den Durchblick zu behalten, haben die Menschen Zahlen entwickelt. Die Naturwissenschaften lassen sich so deutlich besser erfassen, als wenn man beispielsweise nur die Eigenschaften „viel“ oder „wenig“ benutzen würde. Unser Zahlensystem kann man dabei grafisch an einem Zahlenstrahl auftragen. Der Abstand von der Zahl Eins zur Zwei und dann zur Drei ist immer gleich groß. Das hilft, wenn man sich den Abstand zwischen zwei Städten in Kilometern vorstellen möchte. Aber Prozesse laufen nicht immer so schlicht ab wie eine Wanderung von Dortmund nach Köln. Beispielsweise der Druck auf ein verdampfendes Kältemittel hat einen komplizierten Einfluss auf den Energiegehalt eines Kältemittels. Daher verlässt man zur besseren Darstellung dieses Zusammenhangs das gewohnte Zahlensystem und bedient sich des Logarithmus einer Zahl. Einige technische Diagramme verwenden diesen Trick.
Es hilft ein wenig, wenn man weiß, der Logarithmus von 10 ist 1, der von 100 ist 2, der von 1000 ist 3 usw. Obwohl sich also die Werte von Zahlen erheblich unterscheiden, kann der Logarithmus dieser Zahlen auf einem Zahlenstrahl überraschend nah beieinander liegen. So ist jedenfalls die senkrechte Achse, also die y-Achse des Diagramms, aufgebaut. Sie stellt den Druck mit logarithmischer Teilung dar und steigt wie gewohnt von unten nach oben an. log(p) steht also für logarithmisch aufgetragenen Druck.
h für Enthalpie
Die Enthalpie wird mit dem Buchstaben „H“ abgekürzt und ist aus dem Englischen für „heat content“ abgeleitet. Am einfachsten lässt es sich also mit dem Begriff Wärmeinhalt übersetzen und wird in der Einheit Joule (J) angegeben. Und die spezifische Enthalpie „h“ meint dann den Wärmeinhalt bezogen auf eine Masse, spezifisch eben. Der Wärmeinhalt bezogen auf eine Masse erhält dann in der Regel die Einheit Kilojoule pro Kilogramm (kJ/kg). Waagerecht nimmt also der Wärmeinhalt von links nach rechts zu.
Ablesebeispiel
Das skizzierte Diagramm dieses Berichts gilt nur für ein bestimmtes Kältemittel, nämlich R407C. Das R in R407C steht übrigens für Refrigerant, also Kältemittel, weshalb man schlicht von R407C sprechen kann und allen Wissenden ist dann klar, dass es sich um ein Kältemittel handelt. Das abgebildete log(p)-h-Diagramm beinhaltet ein Ablesebeispiel im Punkt (1). In diesem Diagramm sind die Informationen für einen Zustand des Kältemittels bei einem Druck (p) von 3,0 bar und einer Enthalpie (h) von 220 kJ/kg abzulesen. Rein optisch fällt sofort auf, dass dieser Punkt unterhalb der erkennbaren Glocke liegt. Es handelt sich daher ganz klar um das bereits siedende Kältemittel.
Held
Von 1 nach 2: Verdampfen = durch Umweltenergieaufnahme
Von 2 nach 3: Verdichten mithilfe eines Verdichters (Kompressors)
Von 3 nach 4: Verflüssigen = Wärmeenergieabgabe an das Gebäude oder WW-Bereitung
Von 4 nach 1: Expansionsventil = Entspannung (Drucksenkung) des Kältemittels
Die Eingeweihten wissen nämlich, links von der Glocke ist alles flüssig, rechts davon existiert überhitzter Dampf. Der Dampfanteil im Punkt (1) liegt bei genau 0,2, also 20 Prozent. Der Rest, also noch 80 Prozent des Kältemittels, ist flüssig. Die Temperatur des Kältemittels liegt bei –17 °C. Solange jetzt die Umgebung auch nur ein wenig wärmer ist als minus 17 °C, verdampft dieses Kältemittel und der Zustand verändert sich bei ansonsten gleichem Druck auf der waagerechten Drucklinie nach rechts. Die Enthalpie, also der Wärmeinhalt, nimmt dabei kontinuierlich zu. Irgendwie unheimlich, nicht wahr? Minus 17 °C und die siedende Flüssigkeit nimmt tüchtig Energie auf und verdampft dabei. In einem Glasbehälter würde man tatsächlich eine blubbernde Flüssigkeit sehen, ähnlich wie in einem Kochtopf mit Wasser.
Folgen für den Kreislauf?
Im Kältekreislauf würde der Ablesepunkt (1) eine Stelle im Verdampfer der Wärmepumpe markieren. Dort würde vom Kältemittel die Energie aus der Umgebung aufgenommen, sei es das an der Außeneinheit einer Wasser-Luft-Wärmepumpe oder aus dem Erdreich bei einer Sole-Wasser-Wärmepumpe. Für dieses Kältemittel und bei genau 3,0 Bar Druck würde die Verdampfung fortlaufend bis zum Punkt (2) beobachtbar sein. Dann wäre das Kältemittel vollständig verdampft. In dem Kreisprozess einer Kältemaschine würde sicherheitshalber noch etwas „gewartet“, um das Kältemittel ganz sicher in Dampf zu verwandeln. Die so genannte Überhitzung würde erzwungen, der Punkt (2b) wird besetzt. Es darf nämlich für den dann in Aktion tretenden Kompressor keine noch so geringe Flüssigkeitsmenge vorhanden sein, der Kompressor könnte sonst zerstört werden. Wie auch immer, der Enthalpiegehalt beträgt nun 432 kJ/kg und ist damit um 212 kJ/kg angestiegen. Nur durch Umgebungswärme wohlgemerkt.
Der Kompressor
Ein Kompressor muss tun, was ein Kompressor tun muss, er komprimiert. Häufig werden die skurril anmutenden Scrollverdichter in der Kältetechnik eingesetzt. Im Ablesebeispiel schafft der Kompressor eine Verdichtung auf 20 bar und damit auf den Punkt (3) im Diagramm. Man kann jetzt ablesen, welche Temperatur das R407C angenommen hat, nämlich annähernd 100 °C bei einer Enthalpie von dann 488 kJ/kg. Während der Kompression hat die Enthalpie ja nochmals ein wenig zugelegt, nämlich 56 kJ/kg). Der Hauptanteil zur Enthalpieerhöhung, also 212 kJ/kg, stammt allerdings aus der Verdampfung. Und diese Energie ist, da sie aus der Umwelt entnommen wurde immer kostenlos!
Merke: Desto länger die Verdampfungslinie (1 zu 2), umso kürzer die Verdichterlinie (2 zu 3) (Kompressionslinie), desto größer ist die Leistungszahl!
Die Verflüssigung
Wer den Kältekreislauf kennt, erwartet jetzt bereits den nächsten Schritt im Diagramm. Denn auf dem hohen Temperaturniveau kann an dieser Stelle Wärme an die Umgebung abgegeben werden. Dabei wird ganz normal der Taupunkt unterschritten und mit weiter abnehmender Temperatur verflüssigen sich immer größere Anteile des Kältemittels. Bei konstantem Druck wandert also der Zustand von Punkt (3) zu (4). Die Enthalpie nimmt erheblich ab. Klar, die Energie wird im Falle einer Wärmepumpe beispielsweise an eine Fußbodenheizung abgegeben.
Die Druckminderung wird mittels eines Expansionsventils von Punkt (4) zu (1) durchgeführt und das Kältemittel ist damit wieder in seinem ursprünglichen Aggregatzustand (flüssig) . Dieser Kreisprozess lässt sich also eindeutig einzelnen Komponenten zuordnen und im log(p)-h-Diagramm nachzeichnen. Über den Zusammenhang des Massenstroms eines eingesetzten Kältemittels kann auch die Leistung genau vorausgesagt werden. Der Zusammenhang ist sehr schlicht.
Während im normalen Sprachgebrauch die Energie in Kilowattstunden (kWh) und die Leistung in Kilowatt (kW) benannt wird, zeigt das log(p)-h-Diagramm bei der Enthalpie den Energiegehalt in Kilojoule pro Kilogramm (kJ/kg). Der Bezug ist dann:
1 Joule = 1 Wattsekunde oder 1 J = 1 Ws
und dann gilt natürlich auch 1 J/s = 1 W
Bei einer Enthalpiedifferenz von insgesamt 268 kJ/kg kann man annehmen, dass, wenn man ein Kilogramm pro Sekunde (kg/s) unter diesen Umständen einsetzen würde, eine Wärmepumpe mit ca. 268 kW Leistung betreibt.
