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Was ist Enthalpie?
Druck und Enthalpie charakterisieren den Zustand eines Kältemittels eindeutig. Mit diesen beiden Grössen lassen sich die Vorgänge in Wärmepumpen und Kältemaschinen veranschaulichen [Sie6].
Die spezifische Enthalpie h ist die pro Kilogramm des Mediums zugeführte Wärme bei konstantem Druck (ab einem festgelegten Nullpunkt). Wenn einer Flüssigkeit Wärme zugeführt wird, dann steigt die Temperatur der Flüssigkeit, bis die Siedetemperatur erreicht ist. Die spezifische Enthalpie h ist hier somit
- h0 Enthalpie der Flüssigkeit bei 0 °C, Konvention, z.B. Wasser: 0 kJ/kg
- c spezifische Wärmekapazität der Flüssigkeit, Wasser: 4,19 kJ/kgK
- θ Temperatur in °C
Die Gerade O-A1 (Bild 11.3) stellt diesen Zusammenhang dar. Die Siedetemperatur hängt stark vom Druck ab (Punkt A1 bzw. B1). Bei weiterer Wärmezufuhr bleibt die Temperatur konstant, die Flüssigkeit verdampft. Sukzessive geht immer mehr siedende Flüssigkeit über in Sattdampf (flüssigkeitsfreier Dampf auf Siedetemperatur). Es entsteht Nassdampf, umfassend sowohl Flüssigkeit als auch Gas. Nach vollständiger Verdampfung (Punkt A2 bzw. B2) existiert nur noch Sattdampf mit der Enthalpie
- h' spezifische Enthalpie siedender Flüssigkeit in kJ/kg
- r spezifische Verdampfungswärme, z.B. Wasser (bei 1 bar): 2260 kJ/kg
Wird dieser trockene, gesättigte Dampf durch eine beheizte Rohrschlange geleitet, so steigt die Temperatur wieder, es erfolgt eine Überhitzung des Dampfs (Punkt A3 bzw. B3). Die Enthalpie ist im Überhitzungsgebiet:
- cp spezifische Wärmekapazität des Gases bei konstantem Druck, z.B. Wasserdampf 1,9 kJ/kgK
- θs Siede- oder Sättigungstemperatur in °C
Die Änderung des Aggregatszustands flüssig–gasförmig ist umkehrbar. Dabei müssen die besprochenen Energien wieder abgeführt werden (Kondensation).
Bild 11.3 Erwärmung von Wasser im θ,h-Diagramm
Bild 11.4 Aufbau des p,h-Diagramms (Wasser)
Das p,h-Diagramm
Aus dem θ,h-Diagramm lässt sich nun das p,h-Diagramm aufbauen (Bild 11.4). Unter dem Druck p ist immer der Absolutdruck zu verstehen. Der Verlauf der Isothermen (Linien konstanter Temperatur) weist zwei Knicke auf. Im Flüssigkeitsgebiet links der Siedelinie verlaufen die Isothermen vertikal, da bei Flüssigkeiten die Enthalpie nicht vom Druck abhängt. Im Überhitzungsgebiet rechts der Kondensationslinie verlaufen die Isothermen steil nach unten; dort ist die Enthalpie nur wenig druckabhängig. Die nachstehenden p,h-Diagramme weisen im weiteren Isentropen (Linien konstanter Entropie s) auf. Bei einer reibungsfreien Zustandsänderung ohne Wärmezufuhr oder -abfuhr bleibt die Entropie konstant. Das Kältemittel R134a ist, wie Wasser, ein reiner Stoff. Es verdampft deshalb bei konstanter Temperatur (Bild 11.5). R407C ist ein Stoffgemisch, bei der Verdampfung (bei konstantem Druck) steigt die Temperatur leicht an (Bild 11.6). Die Differenz zwischen Siede- und Kondensationstemperatur wird als Temperaturgleit (Glide) bezeichnet.
Bild 11.5 p,h-Diagramm von R134a
Bild 11.6 p,h-Diagramm von R407C