NH3-Absorptionskälteanlagen

Kälte aus (Ab) Wärme
Teil 1 „Einführung“

Kälteerzeugung erfolgt heute mit Kompressions-Kälteanlagen, die mittels elektrischer Energie angetrieben werden. Es können aber auch andere Verfahren, z.B. Absorptions-Kälte-anlagen, eingesetzt werden.
Anders als beim Kompressions-Kälteprozeß wird in der Absorptions-Kälteanlage der Kältemitteldampf nicht mechanisch, sondern durch eine geeignete Flüssigkeit (Absorptionsmittel, Mehrkomponentengemisch) im Absorber gelöst (verflüssigt) und in der Flüssigphase verdichtet. Anschließend wird das Kältemittel dann durch Zufuhr von Wärme wieder aus der Lösung ausgetrieben und kann wie in der Kompressions-Kälteanlage im Kondensator verflüssigt werden.
Das System besteht aus einer Kette hintereinander geschalteter Wärmetauscher. Die für den Antrieb der Lösungsmittelpumpen benötigte elektrische Leistung beträgt dabei nur wenige Prozente der mechanischen Antriebsenergie vergleichbarer Kompressions-Kälteanlagen.

Absorptions-Kälteanlagen haben besonders günstige Betriebseigenschaften

• Antrieb durch „billige“ (Ab) Wärme,
  geringer Bedarf an elektrischer Energie,
  kleine elektrische Anschlußleistungen,
• einfacher Aufbau, einfache Bedienung und Unterhaltung,
• Zuverlässigkeit, überlegene Verfügbarkeit,
• günstiges Teillastverhalten bei proportionaler Abnahme
  der erforderlichen Wärmezufuhr,
• Anspruchslosigkeit im Hinblick auf Ersatzteilbedarf,
• außer Pumpen keine beweglichen, verschleissbehafteten Maschinen,
• umweltfreundliche Arbeitsstoffe,
• das Kältemittel ist ölfrei,
• geringer Geräuschpegel, keine Vibrationen,
• problemlose Aufstellung im Freien
  (gilt für Ammoniak Absorptions-Kälteanlagen),
• lange Lebensdauer.

Teil 2 „Verfügbare Verfahren“

Für den Einsatz in Absorptions-Kälteanlagen eignen sich etwa zehn Stoffpaare als Arbeitsmittel. Bisher werden jedoch nur zwei Stoffpaare in Kälteanlagen technisch eingesetzt.

Tabelle 2.1
Technisch verfügbare Stoffpaare für Absorptions-Kälteanlagen

Wasser/Lithium-Bromid Absorptions-Kälteanlagen

• Wasser ist das Kältemittel und die wäßrige Lithium-Bromid-Lösung das Lösungsmittel,
  das Kältemittel Wasser verhindert den Einsatz unter 0°C,
• Lithium-Bromid Salz in wäßriger Lösung ist nahezu ungiftig, nicht brennbar und geruchlos,
• werden fast ausschließlich zur Kaltwassererzeugung in der Klimatechnik eingesetzt, Kaltwasser-Austrittstemperaturen bis etwa +5°C sind realisierbar,
• Arbeitsdrücke im Verdampfer und im Kondensator liegen im tiefen Vakuum,
• werden als Kompaktsätze und in großen Stückzahlen kostengünstig in Serie gebaut.

Ammoniak/Wasser Absorptions-Kälteanlagen

• Ammoniak ist das Kältemittel und Wasser das Lösungsmittel,
• Ammoniak ist ätzend, riecht stechend und ist giftig, allerdings warnt der stechende Geruch rechtzeitig und verhindert so im allgemeinen gesundheitliche Schädigungen,
• Ammoniak-Luft-Gemische sind kaum entzündbar, sind aber bei hohen Ammoniak-An-teilen von 15,5 bis 27 Vol.% explosiv,
• in Wasser gelöstes Ammoniak ist ätzend,
• Ammoniak ist erheblich leichter als Luft,
• Ammoniak ist bei Umgebungsdruck oberhalb von minus 33,4°C gasförmig, Anlagen mit Verdampfungstemperaturen < minus 33°c arbeiten daher unterhalb umgebungsdruck (vakuum),
• tiefe Temperaturen bis -60°C (-65°C) sind erreichbar,
• wegen der erhöhten Systemdrücke ist die Herstellung dieser Anlagen teurer als jene, die Lithium-Bromid als Arbeitsmittel verwenden

Teil 3 „Verfahrensbeschreibung“

Das grundsätzliche Verfahren der Absorptions-Kälteanlagen der beiden vorgenannten Stoffpaare ist sehr ähnlich, allerdings erfordern die Stoffeigenschaften der eingesetzten Medien angepaßte Systemvariationen. Beide Systeme zeichnen sich durch günstige thermodynamische Eigenschaften der Kältemittel aus.
Das Verfahren der Absorptions-Kälteanlagen kann mit dem der Kompressions-Kälteanlagen verglichen werden, wobei der mechanische Verdichter durch einen „thermischen Verdichter“ ersetzt wird.

Tabelle 3.1

Vergleich der Verfahren Kompressions-/Absorptions-Kälteanlagen

Bild 3.1
Kompressions-Kälteanlage

Kältemittelkreislauf

• dem verdampfenden Kältemittel wird im Verdampfer bei entsprechendem Druck und entsprechender Temperatur Wärme (Kälte) Qverd zugeführt,
• der Kältemitteldampf wird abgesaugt und durch Energiezufuhr Nk im Verdichter auf höheren Druck verdichtet,
• im Kondensator wird das Kältemittel durch Wärmeabfuhr Qcond an die Umgebung verflüssigt,
• das verflüssigte Kältemittel gelangt über das Entspannungsventil wieder in den Verdampfer,

Absorptions-Kälteanlage

Bild 3.2
Absorptions-Kälteanlage (thermischer Verdichter)

Lösungsmittel-Kreislauf

• der Kältemittel-Kreislauf ist im Prinzip identisch zu anderen Kälteanlagen mit mechanischen Verdichtern.
• der Lösungsmittel-Kreislauf, der aus einer Kette hintereinandergeschalteter Wärmetauscher besteht, läßt sich als „thermischer Verdichter“ bezeichnen.
• Saugseite = Absorber
  Druckseite = Austreiber

Lösungsmittel-Kreislauf

Das dampfförmige Kältemittel des Kältemittel-Kreislaufes wird von der „armen“ Lösung mit niedriger Kältemittelkonzentration in einem kombinierten Stoff- und Wärmeaustauschvorgang absorbiert. Die „arme“ Lösung reichert sich mit dem Kältemittel unter Abgabe der Wärme Qabs zu einer höheren Konzentration an.
Die Lösungspumpe fördert die nun „reiche“ Lösung aus dem Absorber in den Austreiber. Hier wird das Kältemittel durch Zufuhr der Wärme Qdes ausgetrieben (desorbiert) und strömt dampfförmig dem Kondensator (Verflüssiger) zu. Die „reiche“ Lösung wird durch den Abzug des Kältemitteldampfes wieder zu „armer“ Lösung.

Über das Entspannungsventil expandiert die „arme“ Lösung auf den niedrigen Absorberdruck und gelangt schließlich wieder in den Absorber. Damit ist der Lösungskreislauf geschlossen.
Im Temperaturwechsler (oder Lösungswärmetauscher) wird die den Austreiber verlassende heiße „arme“ Lösung im Gegenstrom zu der kalten „reichen“ Lösung geführt und durch Wärmeaustausch abgekühlt.
Eine Besonderheit der Ammoniak Absorptions-Kälteanlagen ist die Notwendigkeit der Rektifikation des den Austreiber verlassenden Kältemitteldampfes (nicht dargestellt).

Teil 4 „Ammoniak Absorptions-Kälteanlagen,

allgemein
„

Die wirtschaftlichen Leistungsgrenzen sind:

Tabelle 4.1
Ammoniak Absorptions-Kälteanlagen

angepaßte Anlagen

Neben den angepaßten Anlagen, die analog zum Anlagenbau individuell ausgelegt und ausgerüstet werden, gibt es für mittlere und kleine Kälteleistungen vordefinierte Ammoniak Absorptions-Kälteanlagen.

Standard Anlagen mittlerer Größe

Tabelle 4.2

Standard Anlagen 800 kW bis 3000 kW

Standard Anlagen kleiner Größe

Tabelle 4.3

Standard Anlagen 200 kW bis 800 kW

Standardsystem AK 1200 / 2000

Bild 4.11

Standard System

modulisiert

Bild 4.12

Auswahldiagramm AK 2000(Beispiel)

Standardsystem AK 600 / 250

Bild 4.21

Standardsystem, vorgefertigt

Bild 4.22

Auswahldiagramm AK 250 (Beispiel)