Schwingungsüberwachung bei Wärmepumpen durch piezoelektrische Sensoren

Wärmepumpen nutzen effizient die Umgebungsluft zum Heizen von Gebäuden und zur Warmwasserbereitung. Das Außengerät, in dem Ventilator und Kompressor untergebracht sind, ist in besonderem Maße Verschmutzungen, Sonneneinstrahlung, Witterungsbedingungen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Die rotierenden Komponenten, einschließlich des Ventilators und des Kompressors, erzeugen dabei erhebliche Vibrationen. Hochempfindliche piezoelektrische Sensoren werden zur Störungsüberwachung eingesetzt, zur Gewährleistung des zuverlässigen Dauerbetriebs und rechtzeitige Terminisierung erforderlicher Wartungsarbeiten. Durch seine Partnerschaft mit Metra Mess- und Frequenztechnik (MMF) setzt ASC Sensors neue Maßstäbe für anspruchsvolle Mess- und Prüfanwendungen, indem es ultraleichte IEPE-Sensoren in sein Portfolio innovativer Inertialsensoren aufnimmt.

Effizienz von Wärmepumpen

Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe nutzt die Umgebungsluft als Wärmequelle zur Versorgung eines ganzen Gebäudes. Ein eingebauter Ventilator saugt die Luft an und leitet sie an einen Wärmetauscher weiter. In diesem zirkuliert ein Kältemittel, das aufgrund seiner thermischen Eigenschaften schon bei niedrigen Temperaturen seinen Aggregatzustand ändert. Während sich das Kältemittel mit der zugeführten „warmen“ Außenluft vermischt, erwärmt es sich, bis es schließlich zu verdampfen beginnt. Der Dampf strömt weiter zu einem elektrischen Kompressor. Dieser erhöht den Druck, wodurch die Temperatur weiter ansteigt. Sobald der Kältemitteldampf die gewünschte Temperatur erreicht hat, fließt er durch einen weiteren Wärmetauscher. Hier gibt er die transportierte Wärmeenergie an das Heizsystem ab und kondensiert; das Kältemittel kühlt ab und wird wieder flüssig.

Die Effizienz von Wärmepumpen wird durch ihren COP-Wert (Coefficient of Performance) ausgedrückt. Dieser gibt das Verhältnis zwischen der Wärmeleistung und der zur Erzeugung dieser Leistung erforderlichen Energie an. Der COP wird von Parametern wie Außentemperatur, Vorlauftemperaturen im Kreislauf und Luftfeuchtigkeit beeinflusst. Auch mechanische Probleme, Unwuchten der Ventilatorblätter, Alterungserscheinungen oder Materialermüdung können die Effizienz, die Leistung und den sicheren Betrieb einer Wärmepumpe erheblich beeinträchtigen.

Extrem genaue, stabile Schwingungsüberwachung

Abhängig von ihrer Amplitude und Frequenz sind die Schwingungen einer Wärmepumpe immer ein Maß für ihren ordnungsgemäßen Betrieb. IEPE (Integrated Electronics Piezo-Electric)-Sensoren sind besonders empfindlich, um selbst kleinste Veränderungen im Ventilator, Kompressor oder im Verhalten anderer kritischer Teile einer Pumpeneinheit korrekt zu erfassen.

Durch seine jüngste Zusammenarbeit mit MMF ist der deutsche Inertialsensorspezialist ASC nun in der Lage, zusätzlich zu seinem eigenen Portfolio an kapazitiven Sensorlösungen auch kundenspezifische IEPE-Sensorsysteme anzubieten.

Bei der Schwingungsüberwachung von Wärmepumpen zeichnen sich die triaxialen Beschleunigungsaufnehmer KS903 von MMF besonders aus. Ihre kompakte Bauweise mit einer Gesamtmasse von nur 9 Gramm hat minimale Auswirkungen auf die Messergebnisse. Sie bieten einen breiten, extrem hohen Frequenzbereich von bis zu 12 kHz zur Erfassung von Stößen und Vibrationen. Die hohe Temperaturbeständigkeit bis zu +100 °C und präzise Messungen über lange Zeiträume hinweg sorgen für hervorragende Langzeitstabilität und zuverlässige Ergebnisse.

Daher werden diese leichten, kompakten IEPE-Beschleunigungssensoren vor allem bei anspruchsvollen Prüf- und Messanwendungen eingesetzt, wo das Gewicht eine Rolle spielt, zum Beispiel bei Struktur- und Modalanalysen in der Automobil- und Eisenbahnprüfung, bei Leichtflugzeugen und anderen Leichtbaukonstruktionen, einschließlich jener von Wärmepumpen. Sie werden typischerweise schon während der Produktentwicklung eingesetzt, um geeignete Dimensionierungen festzulegen und die Robustheit der verschiedenen Komponenten sicherzustellen, sowie in der Analyse von Defekten, um deren Ursachen zu verstehen.