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Die Komponenten: Wärmetauscher, Kompressor und Expansionsventil

Einleitung: Die Bausteine der Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe besteht aus vier Hauptkomponenten, die im Kreislauf zusammenarbeiten:

  1. Verdampfer (Wärmetauscher zur Wärmeaufnahme)
  2. Kompressor/Verdichter (Herzstück)
  3. Verflüssiger (Wärmetauscher zur Wärmeabgabe)
  4. Expansionsventil (Druckabbau)

Dazu kommt das Kältemittel, das durch alle Komponenten zirkuliert. In diesem Artikel schauen wir uns jede Komponente genauer an.

Der Wärmetauscher: Wärme geben und nehmen

Ohne den Wärmetauscher wäre die moderne Heiz- und Kältetechnik schwer vorstellbar. Diese Komponente erfüllt die Kernaufgabe der Wärmeaufnahme und -abgabe.

Funktionsprinzip

In einem Wärmetauscher wird Wärme zwischen zwei Medien ausgetauscht, ohne dass sich die Medien direkt berühren.

Wichtig: "Warm" bewegt sich immer zu "Kalt" – das ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik in Aktion.

Die Wärmeübertragung erfolgt hauptsächlich über:

  • Konduktion: Wärmeleitung durch Materialien
  • Konvektion: Wärmetransport durch strömende Medien

Beispiele aus dem Alltag

Wärmetauscher begegnen uns täglich in vielen Geräten:

Gerät Wärmeaufnahme Wärmeabgabe
Autokühler Heißes Kühlwasser Vorbeiströmende Luft
Kühlschrank Innenraum Rückseite (Gitter)
Wärmepumpe Umgebung (Luft/Erde) Heizungswasser

Bauarten von Wärmetauschern

Rohrwärmetauscher

Aufbau:

  • Ein Rohr mit zirkulierendem Medium
  • Definierter Raum um das Rohr mit anderem Medium
  • Wärme wird durch die Rohrwand übertragen

Vorteile:

Rohrwärmetauscher punkten vor allem durch ihre Einfachheit:

Vorteil Erklärung
Einfacher Aufbau Wenige Komponenten
Robust Unempfindlich gegen Druckschwankungen
Wartungsfreundlich Leicht zu reinigen
Kostengünstig Günstige Herstellung

Nachteile:

Die Einfachheit bringt allerdings auch Einschränkungen mit sich:

Nachteil Erklärung
Geringere Effizienz Kleinere Übertragungsfläche
Größerer Platzbedarf Mehr Bauraum nötig

Plattenwärmetauscher

Aufbau:

  • Mehrere Platten mit kleinen Zwischenräumen
  • Abwechselnd warmes und kaltes Medium
  • Gegenläufige Fließrichtung für maximale Effizienz

Vorteile:

Die kompakte Bauweise bietet entscheidende Vorteile:

Vorteil Erklärung
Hohe Effizienz Große Oberfläche
Kompakt Wenig Platzbedarf
Flexibel erweiterbar Platten hinzufügbar

Nachteile:

Die höhere Komplexität hat allerdings auch Nachteile:

Nachteil Erklärung
Höhere Kosten Aufwendigere Fertigung
Druckempfindlich Dichtungen anfällig
Schwerer zu reinigen Viele kleine Kanäle

Einsatz in Wärmepumpen

In Wärmepumpen kommen je nach Position unterschiedliche Wärmetauscher-Typen zum Einsatz:

Position Bezeichnung Wärmetauscher-Typ
Eingang Verdampfer Lamellen-Rohr oder Platten
Ausgang Verflüssiger Löt-Plattenwärmetauscher

Der Kompressor/Verdichter: Das Herzstück

Diese Komponente ist für die Verdichtung des Kältemittels verantwortlich. Durch die Kompression steigt die Temperatur auf ein nutzbares Niveau.

Funktionsprinzip

  1. Gasförmiges Kältemittel wird aus dem Verdampfer angesaugt
  2. Der Kompressor verdichtet das Gas mechanisch
  3. Druck steigt → Temperatur steigt
  4. Das heiße Gas wird zum Verflüssiger weitergeleitet

Der Kompressor ist das eigentliche "Pumpen" in der Wärmepumpe!

Aufbau

Ein Kompressor besteht aus:

  • Antriebseinheit: Meist ein Elektromotor
  • Verdichtungsbereich: Schaufelräder oder Kolben

Kompressor-Arten

Scrollverdichter (Standard für Wärmepumpen)

Funktionsprinzip:

  • Zwei spiralförmige Elemente
  • Eines fest, eines beweglich
  • Exzentrische Bewegung verdichtet das Gas

Vorteile:

Scrollverdichter haben sich aus guten Gründen als Standard etabliert:

Vorteil Erklärung
Sehr leise Keine stoßartigen Bewegungen
Hoher Wirkungsgrad Effiziente Verdichtung
Lange Lebensdauer Wenig Verschleiß
Konstante Förderung Gleichmäßiger Betrieb

Inverter-Kompressor (Modern)

Kombiniert den Scrollverdichter mit einem Wechselrichter:

  • Drehzahl des Motors ist variabel
  • Passt die Leistung dem Bedarf an
  • Kein ständiges Ein-/Ausschalten → weniger Verschleiß

Vorteile:

Die variable Drehzahl bringt entscheidende Vorteile mit sich:

Vorteil Erklärung
Energieeffizient Nur so viel Leistung wie nötig
Leise Keine Anlaufgeräusche
Langlebig Reduzierte Belastung
Präzise Regelung Konstante Temperatur

Weitere Kompressor-Typen

Neben den genannten gibt es weitere Verdichterbauarten für spezielle Anwendungen:

Typ Anwendung
Hubkolbenverdichter Große Kälteanlagen
Rollkolbenverdichter Kleine Klimageräte
Turboverdichter Industrieanlagen

Das Expansionsventil: Der Gegenspieler

Das Expansionsventil ist der Gegenspieler zum Verdichter. Es regelt den Rückfluss des Kältemittels vom Verflüssiger zum Verdampfer.

Funktionsprinzip

Nach der Wärmeabgabe im Verflüssiger hat das Kältemittel noch:

  • Erhöhten Druck
  • Erhöhte Temperatur

Das Expansionsventil:

  1. Reduziert den Druck durch kontrolliertes Ablassen
  2. Dadurch sinkt die Temperatur
  3. Das Kältemittel ist bereit für den nächsten Zyklus

Ventilarten

Ungeregelte Expansionsventile

  • Einfache Konstruktion
  • Feste Öffnungsweite
  • Für simple Systeme (z.B. Kühlschränke)

Geregelte Expansionsventile

  • Passt Durchflussmenge automatisch an
  • Reagiert auf Temperatur und Druck
  • Standard für Wärmepumpen

Durch die Regelung kann die Heizleistung präzise eingestellt werden.

Das Kältemittel: Die magische Flüssigkeit

Ohne die besonderen Eigenschaften des Kältemittels könnten Wärmepumpen nicht funktionieren.

Was macht ein Kältemittel besonders?

Kältemittel haben besondere physikalische Eigenschaften, die sie für diesen Einsatzzweck ideal machen:

Eigenschaft Bedeutung
Niedriger Siedepunkt Verdampft schon bei niedrigen Temperaturen
Hohe Wärmekapazität Nimmt viel Wärme auf
Phasenwechsel Wechselt effizient zwischen flüssig und gasförmig

Kältemittel vs. Kühlmittel

Achtung: Diese Begriffe werden oft verwechselt! Ein Blick auf die Unterschiede zeigt jedoch klare Differenzen:

Kältemittel Kühlmittel
Aggregatzustand Wechselt (flüssig ↔ gasförmig) Bleibt gleich
Wärmeübertragung Durch Phasenwechsel Nur durch Strömung
Anwendung Wärmepumpen, Klimaanlagen Motorkühlung

Verwendete Kältemittel

Natürliche Kältemittel

Natürliche Kältemittel sind umweltfreundlicher, haben aber jeweils spezifische Vor- und Nachteile:

Bezeichnung Eigenschaften
Propan (R290) Umweltfreundlich, leicht brennbar
CO2 (R744) Nicht brennbar, hoher Druck
Ammoniak (R717) Sehr effizient, giftig

Synthetische Kältemittel

Synthetische Kältemittel werden zunehmend durch umweltfreundlichere Alternativen ersetzt:

Bezeichnung Status
R410A Noch erlaubt, aber auslaufend
R32 Moderner Standard
R1234yf Zukunftstechnologie

Verbotene Kältemittel

Aufgrund von Umwelt- und Sicherheitsvorschriften sind verboten:

  • FCKW (z.B. R11) – Ozonschicht-Zerstörer
  • HFCKW (z.B. R22) – Treibhausgas
  • Ab 2025: Weitere HFKW mit hohem GWP

GWP (Global Warming Potential): Maß für das Treibhauspotenzial eines Stoffes.

Das Zusammenspiel aller Komponenten

        Verdampfer (außen)
              │
              │ Gas (kalt)
              ↓
        Kompressor ←── Strom
              │
              │ Gas (heiß, hoher Druck)
              ↓
        Verflüssiger (innen)
              │
              │ Flüssig (warm)
              ↓
        Expansionsventil
              │
              │ Flüssig (kalt, niedriger Druck)
              ↓
        zurück zum Verdampfer

Der Energiefluss

  1. Umgebungswärme (kostenlos) → Verdampfer
  2. Elektrischer Strom → Kompressor
  3. Nutzwärme → Heizung

Das Besondere: Für 1 kWh Strom erhält man 3–5 kWh Wärme!

Fazit

Auf den Punkt: Jede Komponente hat ihre spezielle Aufgabe im Gesamtsystem. Der Verdampfer nimmt Wärme aus der Umgebung auf, der Kompressor erhöht die Temperatur, der Verflüssiger gibt die Wärme an die Heizung ab, und das Expansionsventil senkt Druck und Temperatur wieder. Das Kältemittel transportiert die Wärme zwischen den Komponenten. Nur im perfekten Zusammenspiel funktioniert die Wärmepumpe effizient.

Der nächste Schritt: Kennzahlen und Dimensionierung von Wärmepumpen

Die komplette Artikelserie „Wärmepumpen"

  1. Der Anti-Kühlschrank: Wie funktioniert eine Wärmepumpe? – Grundlagen
  2. Die Komponenten: Wärmetauscher, Kompressor und Expansionsventil – Sie sind hier
  3. Kennzahlen und Dimensionierung von Wärmepumpen – COP, JAZ und mehr
  4. Betriebsweisen: Monovalent, Bivalent und Hybrid – Betriebsarten
  5. Wärmepumpen-Typen und das Dreamteam mit Solaranlagen – Luft-Wasser, Sole-Wasser & Solar

Quellen