Absorptionskälteanlagen zur Gefrierkälteerzeugung

Einsatzmöglichkeiten und Anwendungsbeispiele

• Unterschiedliche Absorptionsanlagen zur Gefrierkühlung und Pluskühlung
• Wie funktioniert eine Absorptionskälteanlage zur Gefrierkühlung?
• Was ist möglich? – Das große Spektrum der Prozeßtechnik
• Der thermische Antrieb, Abwärmenutzung und Kälte-Kraft-Kopplung
• Varianten zur Einbindung ins Kältenetz
• Anwendungsbeispiele mit unterschiedlichen Anlagenkonfigurationen

1. Unterschiedliche Absorptionsanlagen zur Gefrierkühlung und Pluskühlung

Absorptionskälteanlagen (AKA) zur Gefrierkälte-erzeugung arbeiten mit dem Stoffpaar Ammoniak und Wasser, wobei das Ammoniak als Kältemittel fungiert. Dadurch lassen sich selbst mit einstufigen Anlagen Temperaturen bis zu -60°C erzeugen. Zur Kälteerzeugung bei Temperaturen über +5 °C (z.b. Kaltwassersätze zur Klimatisierung) sind AKAs, die mit dem Stoffpaar Wasser und Lithiumbromid arbeiten, im allgemeinen aus Kostengründen besser geeignet. Diese können jedoch keine Kälte unter +5°C erzeugen, da das Wasser hier als Kältemittel arbeitet und die Gefahr des Einfrierens bestände.
AKAs zur Gefrierkälteerzeugung, um die es im folgenden ausschließlich geht, werden bis auf Ausnahmen in Einzel- oder Kleinserienfertigung hergestellt. Dadurch läßt sich jede Anlage in großem Maße an die Erfordernisse des Anwenders anpassen. Die vielfältigen Möglichkeiten, die dem Planer dabei zur Verfügung stehen, werden im folgenden umrissen.

2. Wie funktioniert eine Absorptionskälteanlage zur Gefrierkühlung?

Während eine Kompressionskälteanlage zu 100% mechanische bzw. elektrische Energie zum Antrieb benötigt, kann bei einer AKA zu über 95% Wärme als Antriebsenergie genutzt werden. Der mechanische Kompressor in einer Kompressionsanlage wird in einer AKA durch einen Lösungskreislauf, bestehend aus mehreren Wärmetauschern, ersetzt. Dieser Lösungskreislauf führt die gleiche Funktion wie der Kompressor aus, nämlich Kältemitteldampf aus dem Verdampfer abzusaugen, und diesen auf einen hohen Druck zu bringen, so daß er bei der entsprechenden Rückkühltemperatur verflüssigt werden kann. Das Grundprinzip beruht darauf, daß ein Absorbent (hier Wasser) in der Lage ist, bei niedrigem Druck und Temperatur den Kältemitteldampf (hier Ammoniak) zu absorbieren, dadurch in flüssige Lösung (reiche Lösung) zu bringen und anschließend bei hohem Druck und hoher Temperatur durch Wärmezufuhr wieder mittels Verdampfung abgeben kann.
Der Absorptionsprozeß findet bei niedrigem Druck im Absorber statt, der über die Umgebung gekühlt werden muß (Kühlwasser, Luft), weil die Absorption ansonsten durch die Eigenwärmeerzeugung zum Stillstand kommen würde. Das Verdampfen des Kältemittels aus der Flüssigkeitslösung bei hohem Druck findet im sogenannten Austreiber (oder Desorber) unter Wärmezufuhr statt. Diese Wärmezufuhr stellt die hauptsächliche Antriebsenergie der AKA dar. Um die Kältemittel-Absorbentlösung vom niedrigen Druckniveau (Absorber) auf das hohe Druckniveau (Austreiber) zu bringen ist eine Flüssigkeitspumpe erforderlich, die mit elektrischer Energie angetrieben wird. Durch die Rückführung der kältemittelarmen Absorbentlösung (arme Lösung) in den Absorber wird der Lösungskreislauf geschlossen.
Der Kältemittelverflüssiger (Kondensator) und der Verdampfer arbeiten genauso wie in einer Kompressionsanlage auch. Neben den bereits erwähnten Wärmetauschern enthält eine AKA noch weitere, die der internen Prozeßverbesserung dienen.

Abb. 1: Prinzipschema einer Absorptionskälteanlage mit dem Stoffpaar NH3-H2O

3. Was ist möglich? – Das große Spektrum der Prozeßtechnik

Drei Temperaturen bestimmen den Prozeß

Die Temperaturen dreier Wärmeströme, die mit der umgebenden Installation ausgetauscht werden, bestimmen die Eckdaten des internen Prozeßverlaufs:

• die der Rückkühlung für den Kondensator und Absorber
• die der zu erzeugenden Kälte im Verdampfer.
• die der Antriebswärme für den Austreiber

Alle drei Temperaturen bedingen einander. Je höher die Rückkühltemperatur und je niedriger die Verdampfertemperatur, desto höher muß die erforderliche Antriebstemperatur sein. Zwar kann man sich für das Verhältnis dieser drei Temperaturen zueinander an pauschalen Darstellungen in Diagrammform orientieren, besser ist es jedoch den Prozeß und die Oberflächen der Wärmetauscher mit den Temperaturen für den speziellen Einzelfall zu optimieren. Diese Aufgabe wird von dem Hersteller solcher Anlagen geleistet, um die AKA optimal an die Bedürfnisse des Anwenders anzupassen. Im allgemeinen ist es ratsam sich in einem möglichst frühen Planungsstadium mit dem Hersteller in Verbindung zu setzen, damit die AKA und die umgebende Installation optimal aufeinander abgestimmt werden können.

Mehrstufige Absorptionsanlagen

Obwohl man mit Ammoniak-Wasser-Anlagen in einer Stufe Temperaturen bis -60 °C erzeugen kann, ist es sinnvoll in speziellen Fällen mehrstufige Anlagen zu konzipieren.

1. Mehrstufigkeit bei der Kälteerzeugung
Wenn der Betreiber der AKA Kälte auf unterschiedlichen Temperaturniveaus benötigt, ist es möglich verschiedene Verdampfer-Absorberstufen hintereinander zu schalten. Besonders bei tiefen Temperaturen kann dieses zu einem erheblich besseren Gesamtwirkungsgrad der Anlage führen.

2. Mehrstufigkeit im Antriebsteil
Wie bereits erläutert erfordert eine gewünschte Verdampfertemperatur in Kombination mit einer gegebenen Rückkühltemperatur eine bestimmte Mindesttemperatur für den Antrieb. Steht diese Temperatur nicht zur Verfügung, so kann der gewünschte Prozeß durch einen mehrstufigen Antriebsteil auch mit niedrigerer Antriebstemperatur durchgeführt werden.

4. Der thermische Antrieb, Abwärmenutzung und Kälte-Kraft-Kopplung

Als thermischer Antrieb können generell alle Wärmequellen genutzt werden, die eine bestimmte Temperatur zur Verfügung stellen, z.B.

• Prozeßdampf
• Heißwasser
• Abgase aus Motoren, Turbinen oder Verbrennungsanlagen
• Abwärme beliebiger Stoffströme
• direkte Befeuerung mit Primärenergie (Gas, Öl,…)

Der thermische Antrieb erfolgt im Austreiber der AKA. Dieser Wärmetauscher wird den Eigenschaften des antreibenden Stoffstromes angepaßt (flüssig, gasförmig, Druckverlust, Verschmutzung, etc.).
Eine sehr häufige Anwendung ist die sogenannte Kälte-Kraft-Kopplung. Hierbei wird die AKA an ein Blockheizkraftwerk angeschlossen, wo sie entweder die Abgaswärme des Motors bzw. der Turbine nutzt, oder in speziellen Fällen auch das Kühlwasser des Motors. Die Kopplung kann durch direkte Abkühlung der Abgase erfolgen, oder über einen zwischengeschalteten Heißwasser- oder Dampfkreislauf. Einen Dampf- oder Heißwasserkreislauf zwischenzuschalten ist besonders dann sinnvoll, wenn nur ein Teil der Abgaswärme zum Antrieb der AKA genutzt werden soll.

5. Varianten zur Einbindung ins Kältenetz

Es gibt verschiedene Möglichkeiten eine AKA an die Kälteverbraucher des Anwenders zu koppeln. Im folgenden werden die drei meist angewandten Methoden vorgestellt. Alle drei sind in Abb.2 grafisch dargestellt.

1. Solekühlung (mittlere Darstellung in Abb.2)

Ein Kälteträgerfluid (Sole), oder ein Produktstrom kann direkt in einem Verdampfer gekühlt werden, der in der AKA integriert ist. Als Verdampfertyp kommen alle gebräuchlichen Ammoniak-verdampfer in Frage.

2. Direkte Kopplung an einen Niederdruckabscheider (untere Darstellung in Abb.2)

Eine AKA kann anstelle eines Kompressors direkt an einen Niederdruckabscheider gekoppelt werden, wenn keine Kompressionsmaschine auf denselben Abscheider arbeitet.

3. Indirekte Kopplung an einen Niederdruckabscheider (Kaskadenverdampfer) (obere Darstellung in Abb.2)

Für den Fall, daß noch andere Kälteerzeuger (z.B. Ammoniakkompressoren) auf denselben Niederdruckabscheider wie die AKA arbeiten, ist ein Kaskadenwärmetauscher zwischenzuschalten. In diesem verdampft auf der einen Seite das Ammoniak der AKA, während auf der anderen Seite das Kältemittel des anderen Kälteerzeugers kondensiert. Damit vermeidet man, daß sich die Kältemittel der verschiedenen Systeme mischen. Das Ammoniak in AKAs enthält immer einen gewissen Wasseranteil, der sich negativ auf Kompressoren auswirken kann, und das Ammoniak aus Kompressionsanlagen enthält immer etwas Öl, welches sich negativ auf den Absorptionsprozeß auswirken kann. Daher sollte es vermieden werden, Ammoniak aus Kompressionsanlagen mit solchem aus AKAs zu mischen.

Abb.2: Ankopplungsmöglichkeiten einer AKA an unterschiedliche Kältenetze

6. Rückkühlung

Wie bei einer Kompressionsanlage auch muß die dem Prozeß zugeführte Energie (Antrieb und Verdampferwärme) an die Umgebung abgegeben werden. Dieses kann durch Kühlwasser z.B. aus Kühltürmen oder in besonderen Fällen auch durch trockene Luftkühlung erfolgen.

7. Anwendungsbeispiele mit unterschiedlichen Anlagenkonfigurationen

1. AKA für 1400 kW bei -28°C in einer Margarinefabrik

Diese Anlage dient der Kälteversorgung einer niederländischen Margarinefabrik und wurde in ein vorhandenes Ammoniakversorgungs-netz eingebunden. Die Kopplung erfolgte über einen Kaskadenwärmetauscher. Zur Deckung des Spitzenbedarfs werden Kompressoren hinzugeschaltet, die auf denselben Niederdruckabscheider arbeiten. Die Kühlung für den Kondensator und Absorber erfolgt durch Flußwasser. Die Anlage wird von einer mehrere Kilometer entfernten Sammelleitwarte aus überwacht. Die Aufstellung im Jahr 1996 wurde durch vier vorgefertigte Module realisiert, die in einer vorhandenen Betriebshalle unterge-bracht werden mußten.

2. AKA für 700 kW bei -30°C zur Herstellung von Gefriergemüse

In einem spanischen Betrieb zur Herstellung von Gefriergemüse wurde eine Kälte-Kraft-Kopplungsanlage bestehend aus zwei Motoren, einem Dampfkessel und einer Absorptionskälteanlage installiert. Die Absorptionsanlage arbeitet direkt auf einen Niederdruckabscheider, von dem aus die verschiedenen Verbraucher versorgt werden. Für die Verdampfer in den Kühlkammern wurde eine Heißdampfabtauung vorgesehen. Die Anlage wurde in zwei vorgefertigten Modulen zum Aufstellungsort transportiert. Die Regelung erfolgt vollautomatisch.

3. AKA für 280 kW bei -10°C in einem fleischverarbeitendem Betrieb

Anlage zur Glykolkühlung in einem fleischverarbeitenden Betrieb in Holland. Aufgrund sehr geringer Raumhöhe am Aufstellungsort wurde eine extrem niedrige und kompakte Bauweise gewählt. Die Anlieferung erfolgte in einem komplett verrohrten und verdrahteten Modul. Die Anlage, die mit Heißwasser von 120°C angetrieben wird, wird durch einen Kühlturm gekühlt und besitzt eine vollautomatische Regelung.

4. AKA für 2700 kW bei -30 °C in einer Raffinerie

In einer deutschen Raffinerie werden die Kratzkühler einer verfahrenstechnischen Anlage direkt mit dem flüssigen Ammoniak einer AKA versorgt. Die AKA ist an das zentrale Dampf- und Kühlwassernetz der Raffinerie angeschlosssen. Die Anlage läuft ganzjährlich 24 Stunden am Tag. Der Betreiber entschied sich die vorhandene Kompressionsanlage durch eine AKA zu ersetzen aufgrund der größeren Betriebssicherheit und der geringeren Wartungskosten.

5. AKA für 2500 kW bei -18 °C in einem fleischverarbeitenden Betrieb

In einem fleischverarbeitenden Betrieb in Spanien wurde eine Kälte-Kraft-Kopplungsanlage mit einer elektrischen Leistungsabgabe von 9 MW und einer Kälteleistung von 2500 kW installiert. Der Antrieb der AKA erfolgt mit Heißwasser von 140 °C. Die Anlage wurde in drei vormontierten Modulen geliefert, die am Aufstellungsort aufeinander installiert und mit den entsprechenden Verbindungsleitungen versehen wurden. Die AKA ist über einen Kaskadenwärmetauscher an den Niederdruckabscheider einer vorhandenen Kompressionsanlage angeschlossen.

6. AKA für 880 kW bei -15 °C in einem milchverarbeitenden Betrieb

Diese Anlage lädt einen Eisspeicher in einer Käsefabrik in Spanien. Der Antrieb erfogt mit Dampf von 5 barg, welcher von einem Blockheizkraftwerk erzeugt wird. Die Rückkühlung für den Kondensator und Absorber ist integraler Bestandteil der Anlage und kann in Form von Verdunstungskühlern, oder Trockenluftkühlern ausgeführt werden.