Kort version
*
Värmepump
Denna utrustning får endast demonstreras av personal.
• Känn på metallrören eller vattnet i spannarna
• Vad kan man använda en sån här apparat till?
• Kan den användas på mer än ett sätt?
• Ni har en liknande apparat hemma! Var finns den?
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
1
030918
Utförlig version
**
Värmepump
Tryckmätare
Manometer
Strypventil
Strömbrytare
Kompressor
Förångare
Kondensor
Denna utrustning får endast demonstreras av personal.
Värmepumpens kompressor startas med strömbrytaren.
•
•
•
•
Låt värmepumpen gå några minuter och känn då och då på rörslingorna (förångaren
och kondensorn). Stäng sedan av kompressorn.
Vad skulle man kunna använda värmepumpen till?
Kan den användas på mer än ett sätt?
Ni har en liknande apparat hemma. Var finns den?
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
2
030918
Utförlig version
***
Värmepump
Tryckmätare
Manometer
Strypventil
Strömbrytare
Kompressor
Förångare
Kondensor
Se till att spannarna (finns ej i bilden) står på plats. Förångare och kondensor skall doppa ned
i spannarna. Se till att tömningskranarna är stängda.
Fyll båda spannarna med 5 liter vatten från kallvattenskranen.
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
3
030918
Be personalen koppla in en energimätare så
att du kan se hur hög elektrisk effekt
kompressorn använder (watt W).
Effekt
watt, W
Energi
Wattsekunder, Ws
Starta kompressorn.
Mät temperaturen på vattnet i förångarspannen och i kondensorspannen och avläs elektriska
effekten till kompressorn.
Mät temperaturerna och effekten varje minut. Gör tabell.
•
•
•
Hur lång tid tar det för vattnet på varma sidan att värmas 5 oC?
Vad har samtidigt hänt med temperaturen på vattnet i den andra spannen?
Räkna ut hur mycket elektrisk energi som kompressorn samtidigt har använt [elektrisk
energi (wattsekunder) = elektrisk effekt (watt) . tid (sekunder)]
För att värma 5 liter vatten 5 oC behövs det 105 000 Ws.
•
•
•
Hur mycket elektrisk energi använde värmepumpen för att värma vattnet 5oC?
Om värmepumpen använde mindre än 105 000 Ws, varifrån kommer då resten av
energin som värmde vattnet?
Varför tror de det heter värme-pump?
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
4
030918
******
Mera om
Värmepump
Syfte
Eleverna får undersöka en värmepump. De får upptäcka att värme förflyttas, pumpas från
kalla sidan till varma sidan. De kan konstatera att värmepumpen kan utnyttjas för
uppvärmning och avkylning och att den ger möjlighet till god energihushållning.
Förkunskaper
Inga speciella förkunskaper behövs. Man bör vara försiktig så att man inte spiller vatten på
elkontakter etc.
*** För naturvetare finns det goda möjligheter att göra mätserier på temperatur
och effekt, beräkna värmefaktor och fördjupa analysen. Detta beskrivs i särskild
handledning.
Kommentarer till experimenten
Värmepumpen kan köras med förångare och kondensor i luft eller i vatten. Med luft kan man
redan efter en minuts körning tydligt känna att metallrörsspiralerna blir kalla respektive
varma.
Temperatur och tryck på varma sidan stiger snabbt. Därför bör värmepumpen i luft gå högst
några minuter. (Om trycket överstiger c:a 12 bar stängs kompressorn automatiskt).
Figur 1. Manometrar visar trycket på köldmediet i värmepumpen, på kalla och varma sidan.
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
5
030918
Med vatten i spannarna bör man mäta temperaturen med termometrar för att se förändringen,
som är i storleksordningen 1 oC per minut.
*** Naturvetarelever kan beräkna värmepumpens värmefaktor som kvoten
mellan nyttig energi och tillförd energi. Värmefaktorn varierar beroende på
temperaturen på kalla och varma sidan. Om man beräknar den i
femminutersperioder, kan man redovisa den i diagram mot temperaturskillnaden
mellan varma och kalla sidan.
Exempel på resultat
Värmepump
Vattentemperatur /
o
C
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
Tid / minuter
Figur 2. Vattentemperatur på kalla och varma sidan.
Temperaturen på varma sidan steg med 5 oC efter 9 minuter.
Samtidigt sjönk temperaturen på kalla sidan med 4,5 oC.
Elektriska effekten till värmepumpen var (i medeltal) 124 W.
Elektriska energin till värmepumpen under denna tid var 124 . 9 . 60 Ws = 66960 Ws.
Det behövs 105 000 Ws för att värma vattnet. Elenergin bidrar med 66960 Ws, resten hämtas
från kalla spannen, där temperaturen sjunker.
105000
Värmefaktorn är under denna tid e =
= 1,6
66960
Efter ytterligare 7 minuter hade temperaturen stigit ytterligare 5 oC.
Samtidigt sjönk temperaturen på kalla sidan med 4,7 oC.
Elektriska effekten till värmepumpen var (i medeltal) 131 W.
Elektriska energin till värmepumpen under denna tid var 131 . 7 . 60 Ws = 55020 Ws
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
6
030918
Det behövs 105 000 Ws för att värma vattnet. Elenergin bidrar med 55020 Ws, resten hämtas
från kalla spannen, där temperaturen sjunker.
105000
= 1,9
Värmefaktorn är under denna tid e =
55020
Värmepumpen ger alltså ifrån sig betydligt mer energi i form av värme än vad man måste
tillföra i form av elenergi. Resten hämtas från en kall reservoar, t.ex. uteluft, sjövatten eller
mark. En värmepump för husuppvärmning har ofta en värmefaktor på mellan 2 och 3,5.
Slutsatser
Det behövs 105 000 Ws för att värma 5 liter vatten 5 oC. Värmepumpen använde mindre
elenergi än 105 000 Ws. Den tar värme från kalla sidan och pumpar över till varma sidan.
Värme pumpas till
varma sidan
Elektrisk energi till
kompressorn
Värme tas
kalla sidan
från
Figur 3. Energin för att höja temperaturen på varma sidan kommer till stor del från
kalla sidan. Lite elenergi behövs för att driva kompressorn.
Energin för att höja temperaturen på varma sidan kommer alltså till största delen från kalla
sidan. Lite elenergi behövs för att driva kompressorn. (Lite energi går förlorad till
omgivningen – luften runt värmepumpen värms upp.)
Så fungerar det
Det är alltid lätt att höja temperaturen - energi kan tillföras på många sätt. För att sänka
temperaturen kan vi t ex sätta ned någonting i kallt vatten. Men temperaturen sjunker bara ned
till omgivningens, dvs. vattnets temperatur. Ett sätt att kyla ytterligare är att utnyttja
avdunstning.
Då någonting kokar, förångas eller avdunstar behövs energi. Denna energi tas upp från
omgivningen. Om man inte tillför energi (som på spisen), så sjunker i stället temperaturen.
Tänk på hur det känns att gå omkring med våt baddräkt!
Alltså: förångning sänker temperaturen.
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
7
030918
Kylskåpet och frysen, som båda är värmepumpar, arbetar på detta sätt.
Men energi kan inte bara försvinna. Energin pumpas till ett annat ställe där det alltså blir
varmt. Man kan därför också använda värmepumpen för att få värme: kyl något som du inte
bryr dig om temperaturen på, t ex sjövatten, och låt den bortpumpade energin värma ditt hus.
Lite elenergi kostar det att driva pumpen, men det mesta får du gratis från sjön.
Värmepumpen bygger på att man kan flytta kokpunkten för en vätska genom att ändra trycket.
Vatten kokar ju vid 80oC på ett högt berg där lufttrycekt är litet, men inte förrän långt över
100oC vid högt tryck. I värmepumpen använder man ett ämne (köldmedium) vars kokpunkt
kan förflyttas mellan kanske -20oC och +50oC genom att man ändrar trycket Tidigare var
freon vanligt. Men eftersom kloret i freon angriper luftens ozonskikt om det släpps ut,
använder man numera andra ämnen. I experimentvärmepumpen finns tetrafluoretan, ett
vanligt köldmedium, som betecknas R134.
expansionsventil
Vätska
lågt tryck
KALLA
SIDAN
temp T2
Vätska
högt tryck
VARMA
SIDAN
temp T1
kondensor
förångare
Gas
högt tryck
Gas
lågt tryck
kompressor
Figur 4. Värmepumpens funktion.
Värmepumpen arbetar i fyra steg:
1. Kompressorn, pumpar upp köldmedie-gasen till högt tryck. Samtidigt ökar
temperaturen
2. Vid detta höga tryck kondenserar gasen till vätska. Energi avges och vattnet
som omger kondensor-rörslingan värms upp.
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
8
030918
3. Vätskan får pysa ut genom ett tunt rör eller en expansionsventil. På andra
sidan är trycket lågt (kompressorn suger ju). Temperaturen sjunker vid
expansionen.
4. Vid detta låga tryck kan vätskan koka fastän den har låg temperatur. Vid
förångningen åtgår energi och förångar-rörslingan tar upp värme från
omgivningen. Temperaturen sjunker ytterligare.
Tillämpningar
Kylskåpet och frysen är exempel på värmepumpar. Där utnyttjar man kalla sidan, och får på
köpet gratisvärme i köket (kondensorn sitter på baksidan av kylen eller frysen).
Många villaägare har en värmepump, som hämtar värme från uteluften eller grundvattnet och
lämnar värme inne i huset.
Bor du i ett hyreshus i Malmö, så får du värme från avloppet. Vid reningsverket finns mycket
stora värmepumpar, som pumpar värme från avloppsvattnet till fjärrvärmevattnet.
En värmepump för bostadsuppvärmning har ofta en värmefaktor mellan 2 och 3, dvs. man får
ut 2-3 gånger mer energi för uppvärmning än vad man måste tillföra som elenergi till
kompressorn.
På Kockum Fritid utnyttjar man en värmepump maximalt. Man använder samma värmepump
till att kyla isbanan och till att värma simbassängen. Se ”Värmepump på Kockum Fritid”
Denna utrustning behöver du
Experimentvärmepump Phywe (från Vwr International AB. Flera experimentmaterielfirmor
säljer värmepumpar med mycket små rörslingor för kondensor och förångare. De
fungerar dåligt.)
Termometrar
Effekt- och energimätare (t.ex. EM1 från Zenit ab läromedel. Det går också med en enklare
effektmätare. En sådan visar effekten i watt. Eleverna får själva räkna ut energin i
wattsekunder genom att multiplicera med den tid det tog.)
Litteratur
Areskoug, Mats, Miljöfysik. Energi och klimat. 1999. ISBN 91-44-01114-8. Energilära,
förutsättningar för solenergiutnyttjande, solfångare, solceller, vind- och
vattenenergi, värmepump, växthuseffekten mm behandlas. Många experiment
beskrivs.
Weblänkar
http://www.radron.net/
Råd och rön. Testresultat för värmepumpar för villavärme. Från 14 år.
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
9
030918
