Grundlagen

Absorptionskältemaschinen

Bei dem Kompressionskälteprozeß wird das Kältemittelgas (Dampf) mechanisch verdichtet und anschließend wieder verflüssigt. Bei dem Absorptionsprozeß geschieht dieses durch Absorbtion des Dampfes.

Der Dampf wird durch einen geeigneten Absorptionsstoff, das Lösungsmittel, bei einem bestimmten Druck p0 absorbiert. Das Lösungsmittel geht mit dem Dampf (Kältemittel) eine Mischung oder eine chemische Verbindung ein.
Die leichter siedende Komponente wird als Arbeitsstoff (Kältemittel) und die schwer siedende Komponente als Absorbtions- bzw. Lösungsmittel bezeichnet.

Der Vorteil von Absorptionskältemaschinen gegenüber Kompressionsprozessen liegt darin, daß die Pumpe, um ein höheres Druckniveau zu erreichen, nicht den Druck eines Gases, sondern den einer Flüssigkeit erhöhen muß.

    Vorteil

  • Flüssigkeit hat eine spez. höhere Wärmekapazität als Gase
  • Die Pumpe muß kleinere Volumen fördern
  • Die Antriebsleistung bzw. -arbeit ist deutlich geringer

Der Arbeitsstoff (Kältemittel) läßt sich auf dem höheren Druckniveau durch Wärmezufuhr wieder dampfförmig austreiben. Als Antriebsenergie der Sorptionskälteanlage dient nicht die mechanische Arbeit, sonder Wärme mit einer Temperatur von meist 85°C bis 200°C. Höhere Austreibertemperaturen würden die Effektivität steigern, können aber derzeit mangels geeigneter Stoffpaare nicht verwirklicht werden.

Die Absorptionsanlagen haben mehrere nachfolgend aufgeführte Vorteile:

  • Benötigte Austreiber-Energie kann durch Abwärme erfolgen
  • Geringer Bedarf an elektrischer Energie
  • Zuverlässigkeit durch wenige bewegte Teile
  • Geringer Ersatzteilbedarf
  • Geräuscharm und Vibrationsfrei
  • lange Lebensdauer durch geringe Abnutzung
  • Umweltfreundliche Kältemittel

Prinzip

Die Absorptionskältemaschine besteht aus dem

Verdampfer
, dem
Absorber, dem
Generator (Austreiber), dem
Verflüssiger, der Lösungsmittelpumpe, dem Lösungswärmetauscher und dem Expansionsventil.

Prinzipbild

Prinzipbild Vollbild (78kb)

Dem Verdampfer wird aus der Umgebung der Wärmestrom Q0 zugeführt. Dabei verdampft das flüssige Kältemittel bei der Temperatur T0. Diese Wärme ist die Nutzkälte. Der Kältemitteldampf wird nun von einer an Kältemittel verarmten (armen) Lösung im Absorber absorbiert, also gewissermaßen vom Absorber „angesaugt“. Hierbei muß der Absorber Wärme abführen, denn um so kälter das Lösungsmittel ist, desto mehr Kältemittel kann es aufnehmen. Das Kältemittel kondensiert und geht mit dem Lösungsmittel in eine Mischung. Das vorliegende flüssige Zweistoffgemisch wird nun über eine Lösungsmittelpumpe in den Generator gepumpt, der sich auf dem Kondensatordruck befindet. Nach der Lösungspumpe durchströmt die reiche Lösung, bevor sie in den Generator gelangt, den Lösungswärmetauscher, indem sie von der aus dem Generator in den Absorber zurückfließenden heißeren Lösung aufgewärmt wird. Das erhöht den Effekt, daß sich die heiße zurückfließende arme Lösung abkühlt, um mehr Kältemitteldampf aufzunehmen bzw. die kältere reiche Lösung erwärmt. Damit ist die Lösung bei Eintritt in den Generator bereits vorgewärmt und es muß weniger „Antriebs“wärme zugeführt werden. Im Generator wird die reiche Lösung durch die zugeführte Antriebswärme Q2 bei der höchsten vorkommenden Temperatur T2 zum sieden gebracht, wobei das Kältemittel, das im Absorber absorbiert wurde, wieder aus der Lösung ausgetrieben wird. Der auf dem höheren Druckniveau entstehende Kältemitteldampf wird erneut einem Wärmetauscher (Kondensator) zugeführt, wobei die Wärme aus dem Kältemittel abgeführt und das Kältemittel verflüssigt wird. Um das Kältemittel dem Verdampfer wieder zuführen zu können, wird der Druck über das Expansionsventil auf p0 abgesenkt. Dabei senkt sich gleichzeitig die Temperatur (adiabate Drossel). Somit ist der Kältemittelkreislauf geschlossen.

Die Absorptionskältemaschine hat demnach zwei Kreisläufe. Einen Kreislauf zwischen Verdampfer, Absorber, Generator und Kondensator und einen zwischen Absorber und Generator.

Der zweite Kreislauf dient zur fortlaufenden Versorgung des Generators mit reicher Lösung, da durch das Austreiben des Arbeitsstoffes sich die Konzentration dieses Stoffes im Lösungsmittel vermindert. Gleichzeitig wird arme Lösung vom Generator über das Expansionsventil dem Absorber zugeführt.

Arbeitsstoffpaare

In der Kältetechnik haben nur zwei Arbeitsstoffpaare größere Bedeutung erlangt.

  • Gemisch Ammoniak-Wasser
  • Gemisch Wasser-Lithiumbromid

Das Gemisch Ammoniak-Wasser wird vorzugsweise zur Kälteerzeugung und das Gemisch Wasser-Lithiumbromid hauptsächlich in Klimaanlagen und zur Kühlung von Wasser verwendet.

Wasser-Lithiumbromid-Lösung

    Vorteile

  • Wasser als Kältemittel hat eine hohe Verdampfungswärme
  • Die Lithiumbromid-Lösung kann sich nicht verflüchtigen
  • Das Stoffpaar ist weder toxisch noch entflammbar
    Nachteile

  • Der Gefrierpunkt von Wasser begrenzt den Einsatzbereich
  • Lithiumbromid ist in Wasser nur begrenzt löslich
  • Das Vakkum erfordert eine hohe Dichtheit des Systems

Ammoniak-Wasser-Lösung

    Vorteil

  • Hohe Verdampfungswärme des Ammoniak als Kältemittel
  • Einsatzbereich bis -60°C möglich
  • Gute Wärme- und Stoffübergangsverhältnisse
    Nachteile

  • Höhere Drücke erforderlich
  • Flüchtigkeit des Lösungsmittels
  • Giftige Eigenschaften des Kältemittels

Quelle: O. Möller / om