Absorptionswärmepumpe
Das Bild zeigt das Prinzipschaltbild einer Absorptionskältemaschine.

Eine Absorptionskältemaschine ist eine Kältemaschine, bei der im Gegensatz zur Kompressionskältemaschine die Verdichtung durch eine temperaturbeeinflusste Lösung des Kältemittels erfolgt. Man bezeichnet dies auch als thermischen Verdichter. Das Kältemittel wird in einem Lösungsmittelkreislauf bei geringer Temperatur in einem zweiten Stoff absorbiert und bei höheren Temperaturen desorbiert. Bei dem Prozess wird die Temperaturabhängigkeit der physikalischen Löslichkeit zweier Stoffe genutzt. Voraussetzung für den Prozess ist, dass die beiden Stoffe in dem verwendeten Temperaturintervall in jedem Verhältnis ineinander löslich sind.

Inhaltsverzeichnis

Entwicklung

Der Absorptions-Kältekreislauf gilt als der älteste bekannte technische Prozess zur Kälteerzeugung. John Leslie entwickelte 1810 eine Absorptionskälteanlage mit dem Kältemittel Wasser und dem Absorptionsmittel Schwefelsäure. Der industrielle Durchbruch gelang F. Carré 1859, der das Stoffpaar Ammoniak/Wasser in einer kontinuierlich arbeitenden Absorptionskälteanlage einsetzte.

Die Firma Carrier begann 1940 mit Forschungen an einer Wasser/Lithiumbromid-Absorptionskälteanlage und errichtete 1945 die erste kommerzielle Anlage.

Grundlegende Prozesse

Die Absorptions-Kältemaschine verknüpft folgende grundlegende Gedanken: Die zum Verdampfen einer Flüssigkeit erforderliche Temperatur nimmt mit sinkendem Druck ab, d.h. das Kältemittel wird bereits bei niedrigen Temperaturen infolge des geringen absoluten Druckes im Verdampfer verdampft. Im Falle der LiBr-Absorptionskälteanlage wird Wasser als Kältemittel verwendet und in einem nahezu evakuiertem Behälter auf eine Rohrschlange gesprüht und bei ca. 3° C verdampft. Die zur Verdampfung erforderliche Verdampfungswärme wird dem Gebäude-Kaltwasser in der Rohrschlange entzogen, das als nutzbare Kälte zur Verfügung steht. Der Verdampfungsprozess würde stoppen, wenn der Sättigungsdruck des Kältemittels im Verdampfer erreicht würde. Daher muss der Kältemitteldampf in einem zweiten Schritt ständig entzogen werden. Hier macht man sich die Eigenschaften von bestimmten Salzlösungen zu Nutze, Kältemitteldampf aus der Luft zu binden, d.h. zu absorbieren. Daher auch der Name "Absorptions-Kältemaschine". Dieser Schritt erfolgt im sog. Absorber. Auch der Absorptionsprozess würde stoppen, wenn die Salzlösung mit Kältemittel gesättigt wäre. Daher muss im dritten Schritt der Salzlösung permanent das Kältemittel entzogen werden. Dazu wird die mit Kältemittel angereicherte Salzlösung in den sog. Generator oder Austreiber gepumpt, in dem die Feuchtigkeit durch Hitzeeinwirkung (ca. 80° - 120°C) ausgekocht und wiederum verdampft wird - allerdings auf deutlich höherem Temperatur- und Druckniveau. Die aufkonzentierte Salzlösung wird im geschlossenen Kreislauf wieder zurück zum Absorber geführt. Der Kältemitteldampf aus dem Austreiber wird im letzten Schritt im Kondensator mit Hilfe von Kühlwasser aus einem Kühlkreislauf (z.B. mit Kühlturm) wieder auf das Ausgangsniveau herabgekühlt, kondensiert und anschließend zum Verdampfer geführt.

Definitionen

Als Maß der Güte einer Absorptionskälteanlage wird das Wärmeverhältnis ζ oder EER (energy efficiency ratio) verwendet, das als Quotient des Wärmestroms am Verdampfer  \dot Q_0 zur Heizleistung  \dot Q_H definiert ist:

 \zeta = \frac {\dot Q_0}{\dot Q_H}

Wenn das Wärmeverhältnis ζ der Absorptionskälteanlage und die Leistungszahl EER einer Kompressionskälteanlage gegenüber gestellt werden, muss die unterschiedliche Wertigkeit der in den Prozess eingebrachten Energien berücksichtigt werden. Die Leistungszahl bezieht sich auf die aufgewendete elektrische Energie.

Ammoniak-Wasser-Absorptionskälteanlage

In der Ammoniak-Wasser-Absorptionskälteanlage bildet Ammoniak das Kältemittel, und Wasser wird als Lösungsmittel eingesetzt. Der Vorteil dieser Kombination ist der Einsatz natürlicher Stoffe, die sehr preiswert sind. Es muss allerdings ein giftiger Inhibitor (Natriumdichromat) im Lösungsmittelkreislauf eingesetzt werden, um Korrosionen zu vermeiden. Das Wärmeverhältnis ζ der Anlagen ist abhängig von der Verdampfungstemperatur und liegt im Bereich von 0,65 (Verdampfungstemperatur = 0 °C) und 0,3 (Verdampfungstemperatur = -50 °C).

Einsatzbereiche

Ammoniak-Wasser-Absorptionskälteanlagen werden traditionell in der Gefriertrocknung und in der chemischen Industrie eingesetzt. Die Anlagen sind vorwiegend als Einzelanlagen kundenspezifisch konzipiert, und die Kälteleistungen liegen im MW-Bereich. Durch Nutzung der Abwärme z. B. von Gasmotoren zur Kälteerzeugung mittels einer Absorptionskälteanlage wurde mit der Kraft-Kälte-Kopplung ein neuer Einsatzbereich für die Anlagen erschlossen. Die Kälteleistung liegt deutlich niedriger als bei den Großanlagen. Es werden daher vorgefertigte Anlagenmodule errichtet, die anschlussfertig in einem oder mehreren Einbaurahmen geliefert werden.

Industrielle Absorptionskälteanlagen

Industrielle direkt beheizte Absorptionskälteanlage mit Verdampfungstemperaturen bis -60 °C (Beschreibung siehe Text)

In dem Lösungsmittelverdampfer der Absorptionskälteanlage (Austreiber) AT befindet sich ein Ammoniak-Wasser-Gemisch. Diese Lösung wird indirekt durch Dampf oder durch einen Öl- oder Gasbrenner direkt beheizt. Der Vorteil liegt darin, dass jede Wärmequelle, die die erforderliche Verdampfungstemperatur bereitstellen kann, geeignet ist. Die Lösung verdampft bei Temperaturen von 170 °C und Drücken von 10 bar. Aus der Siedelinie für das Ammoniak-Wasser-Gemisch kann für diesen siedenden Zustand ein Verhältnis von 5 Gew.-% Ammoniakanteil im Wasser des Verdampfers ermittelt werden. Man spricht hier von der armen heißen Lösung. Die Dämpfe werden der Trennsäule (Rektifikationskolonne) TS zugeführt, die über dem Verdampfer angeordnet ist. Die Kolonne besteht aus einem langgezogenen stehenden zylindrischen Behälter, der mit übereinander angeordneten Glocken- oder Tunnelböden ausgerüstet ist. Auf den Böden steht eine Flüssigkeitsschicht, die über ein Wehr auf den darunter liegenden Boden abläuft und am Kolonnensumpf wieder in den Verdampfer geleitet wird. Im Gegenstrom steigt das Gas in der Kolonne nach oben. Die Öffnungen der gasführenden Einbauten sind so ausgeführt, dass die Gasphase durch die auf dem Boden stehende Flüssigkeit perlt und ein Energie- und Stoffaustausch stattfindet. Auf jedem Trennboden besteht das temperaturabhängige Gleichgewicht zwischen der auf dem Boden kondensierten Flüssigkeit und der Dampfphase. Es findet eine Aufkonzentration der leichter siedenden Phase zum Kolonnenkopf hin statt.

Reiche Lösung wird im mittleren Teil der Kolonne als Feed aufgegeben. Der unterhalb des Feeds liegende Kolonnenteil ist der Abtriebsteil und der darüberliegende der Verstärkerteil. Am Kolonnenkopf 7 ist das Ammoniak in der Gasphase stark angereichert mit einen Restanteil von ca. 0,2 Gew.-% Wasser. Die Brüden werden dem Verflüssiger V zugeleitet. Ein Teilstrom des verflüssigten Destillats wird als Rückstrom (Reflux - flüssiges Ammoniak) wieder auf den oberen Boden der Kolonne zurückgeführt. Die Anzahl der notwendigen Trennböden lässt sich über ein McCabe-Thiele Diagramm bestimmen. Das verflüssigte Ammoniak wird im Hochdrucksammler HS gespeichert. Zur Optimierung wird das kalte Gas aus den angeschlossenen Kälteverbrauchern 1 einem Wärmeübertrager WT3 zugeführt, um den Vorlauf des flüssigen Kältemittels 2 zu kühlen. Der weitere Prozess verläuft analog zur Kompressionskältemaschine.

Durch Wärmeaufnahme an den Kälteverbrauchern wird das Kältemittel Ammoniak verdampft. Die Dämpfe werden über die Saugleitung nach dem Wärmeaustausch mit dem Flüssigkeitsvorlauf zum Absorber AB geleitet. Als Absorptionsmittel wird die arme abgekühlte Lösung 3 aus dem Austreiber verwendet. Die arme Lösung wird in den Absorber eingedüst und der Absorber wird mit Kühlwasser gekühlt, um die Lösungswärme abzuführen. Die kalte Lösung hat das Bestreben, Ammoniak bis zur Sättigung aufzunehmen. Bei 40 °C und 0,5 bar (abs) kann die reiche Lösung im Absorber einen Ammoniakgewichtsanteil von 15 % erreichen. Die im Absorber anfallende kalte reiche Lösung 6 wird durch den oben erwähnten Lösungsmittelwärmeübertrager WT1 gepumpt, dort erwärmt und über eine Füllstandsregelung in den Austreiber geleitet.

Der Kälteverbraucherkreis ist in dem Bild nicht dargestellt. Das unterkühlte flüssige Ammoniak kann in Verdampfern über thermostatische Regelventil eingespritzt werden und durch Verdampfung Wärme aus dem zu kühlenden Raum aufnehmen. Meistens werden jedoch Pumpenanlagen eingesetzt, da hier eine aufwändige Regelung des Ammoniakmassenstroms in dem Verdampfervorlauf entfallen kann. Das flüssige Ammoniak wird über eine Füllstandsregelarmatur (Hochdruckschwimmer oder füllstandgesteuertes Ventil) in einen Abscheider geleitet. Über Kältemittelpumpen wird das Ammoniak überfluteten Verdampfern zugeleitet. Die Betriebsweise wird als überflutet bezeichnet, da nur ein Teil des flüssigen Kältemittels verdampft. Das Ammoniak-Flüssigkeit-Gas-Gemisch wird in den Abscheider zurückgeleitet. Der Abscheider dient zum Puffern des Kältemittels aufgrund von Füllstandsänderung, die sich durch wechselnden Kältebedarf ergeben (Kältemittelverlagerung in nicht betriebenen Verdampfern, Änderung des spezifischen Volumen bei Temperaturänderung). Die weitere Funktion des Abscheiders ist die Trennung der Flüssig- und Gasphase. Das gasförmige Ammoniak strömt über die Saugleitung in den Absorber, in dem ein Unterdruck durch die Absorption des Ammoniakgases in der armen kalten Lösung und Abfuhr der Lösungswärme aufrecht erhalten wird.

Zu der hier beschriebenen Anordnung des Kältekreislaufes einer Ammoniak-Wasser-Absorptionskälteanlage gibt es viele Varianten. Zur Kühlung des Kolonnenkopfes kann anstatt des Ammoniak-Refluxes ein Verflüssiger im Kopf der Rektifikationskolonne (Dephlegmator) eingesetzt werden, der mit der kalten reichen Lösung aus dem Absorper beaufschlagt wird. Die Verdampfungstemperatur der Absorptionskälteanlage wird durch die erreichbaren Heizmittel- und Kühlwassertemperaturen begrenzt. Zur wärmetechnischen Optimierung und dem Einsatz von Wärme auf einem möglichst niedrigen Temperaturniveau besteht die Möglichkeit, den Absorptionsprozess zweistufig auszuführen. Der apparative Aufwand ist deutlich höher, da zwei Absorber und Austreiber notwendig sind. Die erste Austreiberstufe kann allerdings mit deutlich niedrigeren Temperaturen beheizt werden.

Ammoniak-Absorptionskälteanlagen werden insbesondere bei tiefen Verdampfungstemperaturen eingesetzt, da in den Anlagen im Gegensatz zu Kompressionskälteanlagen kein Öl in dem Kältekreislauf eingebracht wird. Aufgrund des Viskositätsgefälles bei tiefen Temperaturen ist das Abführen von Öl aus den Tiefpunkten der Verbraucherkreise in Kompressionskälteanlagen problematisch.

Die Absorptionskälteanlage im h-ζ-Diagramm

h-ζ-Diagramm und Darstellung einer Ammoniak-Wasser-Absorptionskälteanlage (Beschreibung siehe Text)

Das h-ζ-Diagramm zeigt in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis von zwei Phasen die Siede- und Taulinie und die zugehörigen Enthalpien. In dem Diagramm für Ammoniak und Wasser können die Zustände einer Ammoniak-Wasser-Kälteanlage eingetragen werden (siehe Diagramm).

Der Punkt 8 beschreibt den Siedezustand im Verdampfer (Austreiber): p = 10 bar/T = 170 °C. Der Zustand des Dampfes über der Lösung 7 liegt auf einer Isothermen zu 8. Die Anreicherung des Dampfes in der Rektifikationskolonne bis zum Kopf skizziert der Punkt 9. In dem Beispiel ist eine Kopftemperatur von 50 °C eingetragen. In den Brüden am Kolonnenkopf ist das Ammoniak auf 99,5 Gew.-% angereichert. Die Zustände auf den einzelnen Kolonnenböden sind hier nicht dargestellt. In Abhängigkeit von der Temperatur des betrachteten Bodens und der Annahme eines Gleichgewichtes zwischen Dampf und Flüssigkeit liegen die Zustände der beiden Phasen auf einer Isothermen. Die Taulinie zeigt bei dem vorgegebenen Druck von 10 bar den Dampfzustand und die Siedelinie den Zustand der Flüssigkeit.

In dem Punkt 9 wird die Isotherme gebildet und auf der Siedelinie erhält man den Punkt 9*. Die Zustandsänderung zwischen 9* und 8 stellt die in der Kolonne zurücklaufende Flüssigkeit dar. Die über die Böden ablaufende Flüssigkeit wird durch den Gasgegenstrom wieder aufgeheizt. Das im Kopf der Kolonne aufkonzentrierte Ammoniakgas 9 wird isobar verflüssigt: Zustand 1. Das Kältemittel wird zu dem Niederdruck-Abscheider geleitet und adiabat entspannt (in dem Fließbild nicht mehr dargestellt). Eine Teilmenge verdampft bei der Entspannung (Zustand 2) und für die Kälteerzeugung kann die unterkühlte Flüssigkeit 12 genutzt werden, indem sie zu den Kälteverdampfern in den Kühlräumen gepumpt wird. Das Ammoniakgas aus dem Abscheider 2 wird im Absorber von der armen kalten Lösung absorbiert. Die bei der Absorption frei werdende Wärme kann aus den zugehörigen Enthalpien zwischen 2 und 6 abgelesen werden. Der Punkt 6 im Diagramm beschreibt den Zustand im Absorber (hier: p = 0,3 bar; T = 25 °C); die Ammoniakkonzentration beträgt hier 20 Gew.-%. Die reiche Lösung wird im Lösungsmittelwärmeübertrager von der heißen armen Lösung, die zum Absorber strömt, erwärmt und die reiche Lösung wird dann wieder dem Austreiber zugeführt.

Kleinanlagen

Der Vorteil von Kleinanlagen (Campingkühlschränke, Minibar in Hotels) liegt im lautlosen Betrieb, da durch zusätzlich eingebrachten Wasserstoff auf Lösungsmittelpumpen verzichtet werden kann.


Siedetemperaturen

  • Ammoniak: -33.33 °C/1 bar
  • Wasser: 100 °C/1 bar

Wasser-Lithiumbromid-Absorptionskälteanlage

Neben dem Stoffpaar Ammoniak/Wasser ist auch Lithiumbromid/Wasser gebräuchlich, wobei hier allerdings Wasser das Kältemittel ist. Dadurch ist auch die niedrigste Kaltwasseraustrittstemperatur auf ca. 5 °C begrenzt. Absorptionskälteanlagen mit der Stoffkombination werden daher in der Regel im Klimabereich eingesetzt. Die Eintrittstemperatur des Heizmediums (Heißwasser, Wasserdampf) für den Austreiber kann zwischen 80 °C und 180 °C liegen. Die Anlagen werden daher oft eingesetzt, wenn Abwärme im Bereich von 80–120 °C oder auch solar erzeugte Wärme zur Verfügung steht. Neben den indirekt mit Heißwasser oder Dampf beheizten Austreibern werden auch direkt mit Öl oder Gas beheizte LiBr-Absorptionskälteanlagen (kurz AKM) angeboten. Das Wärmeverhältnis ζ liegt bei einstufigen AKM bei Nennbedingungen (Heiztemperatur: 120 °C; Kühlwassertemperatur: 29 °C) zwischen 0,6 und 0,7. Bei 2-stufigen AKM liegt es zwischen 1,0 bis 1,3.

Direkt beheizte LiBr-Absorptionskälteanlagen haben Kälteleistungen von 10 kW bis 5.300 kW. Große einstufige Anlagen werden im Kälteleistungsbereich von 180 kW bis 5.300 kW angeboten.

Der Vorteil der LiBr-Absorptionskälteanlagen ist die niedrige Austreibertemperatur und die Unbedenklichkeit der Verwendung von Wasser als Kältemittel, vor allem im Wohnbereich. Da die Kälteerzeugung im Unterdruckbereich stattfindet, ist ein Zerbersten durch Überdruck ausgeschlossen, wenn die Beheizung abgesichert ist.

Beschreibung

Wasser-Lithiumbromid-Absorptionskälteanlage, Bauart Carrier (Beschreibung siehe Text)

Die Wasser-Lithiumbromid-Absorptionskälteanlage enthält die gleichen Komponenten wie die Ammoniak-Wasser-Absorptionskälteanlage mit Ausnahme der Rektifikationsäule. Auf diese kann verzichtet werden, da Lithiumbromid bei den gefahrenen Temperaturen praktisch keinen Dampfdruck besitzt und somit nicht flüchtig ist. Die Firma Carrier verwendet zwei zylindrische Behälter, die entsprechend der Funktion mit Trennwänden, Rohrschlangen und Düsenstöcken ausgerüstet sind. Der obere Behälter stellt den Austreiber AT dar. Die arme Lösung wird indirekt durch Wärmezufuhr über eine Rohrschlange beheizt und das Wasser verdampft. Im rechten Bereich der Kammer sind Rohrschlangen installiert, die von Kühlwasser KüW durchströmt werden. Das verdampfte und nicht mit Salz befrachtete Wasser kondensiert im rechten Kammersumpf.

Der untere Behälter nimmt den Verdampferteil VD und den Absorberteil AB auf. Die wasserarme und somit LiBr-reiche Lösung 1 aus dem Austreiber wird über einen Lösungswärmeübertrager WT1 abgekühlt und geregelt über einen Düsenstock im linken Teil der unteren Kammer 2 eingedüst. Die salzreiche fein disgerierte Lösung ist bestrebt, den Wasserdampf in der Kammer zu absorbieren. Die entstehende Lösungswärme wird über Kühlschlangen an das Kühlwasser übertragen. Im linken Sumpf der Kammer wird die wasserreiche Lösung 3 über die Lösungsmittelpumpe durch den Wärmeübertrager WT1 geleitet, vorgewärmt und wieder in die obere Austreiberkammer gefördert.

In der unteren Kammer herrscht ein starker Unterdruck von etwa 2 mbar, der einer Wassersattdampftemperatur von 6 °C entspricht. Im rechten Teil der Kammer wird Wasser im Kreis gefördert 6 und verdüst. Bei dem durch die Absorption hervorgerufenen Unterdruck verdampft das Wasser bei einer Temperatur von 6 °C. Die Verdampfungswärme liefert das Kaltwasser KW, das in Rohrschlangen in dem Zerstäubungsbereich des Wassers geführt wird. Das Wasser ist somit das Kältemittel, das dem Kaltwasser die Wärme entzieht.

http://www.carrier.de/dasat/images/3/100243-absorpt.exe

Einsatzbereiche

Wasser-Lithiumbromid-Absorptionskälteanlagen werden in folgenden Bereichen eingesetzt:

  • Kälteerzeugung für Prozesskühlung aus der Abwärme von Motoren oder Gasturbinen (Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung)
  • Reduzierung des sommerlichen Spitzenstromverbrauchs für Gebäudeklimatisierung, der durch elektrisch betriebene Kompressionskältemaschinen verursacht wird, und stattdessen Einsatz von Erdgas oder Heizöl und Sonnenenergie über Kollektoren als Energiequelle
  • Kaltwassererzeugung für Kraftwerke in denen Wärme als "Abfallprodukt" entsteht.

Weitere Verfahren

Eine neue, weitgehend noch unbekannte Alternative ist der Einsatz ionischer Flüssigkeiten als Absorptionsmedium. Diese zeichnen sich oft durch eine hohe Aktivität gegenüber Wasser aus, besitzen aber gegenüber Lithiumbromid den Vorteil, dass sie als „flüssige Salze“ beim Austreiben nicht Auskristallisieren können. Des weiteren sind sie weniger korrosiv als Lithiumbromid.

Quellen

Siehe auch


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