Absorptionskältemaschine
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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 temperaturabhängige physikalische Löslichkeit von zwei Stoffen angewendet. Voraussetzung für den Prozess ist, dass die beiden Stoffe im dem verwendeten Temperaturintervall in jedem Verhältnis ineinander löslich sind.
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[Bearbeiten] 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.
[Bearbeiten] Detaillierter Ablauf
In dem Austreiber der Absorptionskälteanlage befindet sich ein Ammoniak-Wasser-Gemisch. Diese Lösung wird elektrisch, indirekt durch Dampf oder durch einen Öl- oder Gasbrenner direkt beheizt. Der Vorteil liegt darin, dass jede Wärmequelle, die die erforderliche Austreibertemperatur bereitstellen kann, geeignet ist. Die Lösung verdampft bei Temperaturen von 170°C und bei 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 Austreibers ermittelt werden. Man spricht hier von der armen heißen Lösung. Die Dämpfe werden der Trennsäule (Rektifikationskolonne) des Austreibers zugeführt, die z.B. mit Siebböden ausgerüstet ist. Auf jedem Trennboden besteht das temperaturabhängige Gleichgewicht zwischen der auf dem Boden kondensierten Flüssigkeit und der Dampfphase. Die Temperatur wird zum Kolonnenkopf geringer. Dies wird dadurch erreicht, dass kalte arme Lösung in der Mitte der Kolonne und Reflux (flüssiges Ammoniak) im oberen Bereich der Kolonne auf die Böden geleitet werden. Am Kolonnenaustritt erreicht man einen Restanteil von ca. 0,5-Gew.% Wasser im Dampf. Dieser Sattdampf wird den Verflüssigern zugleitet. Der weitere Prozess verläuft analog zur Kompressionskältemaschine.
Durch Wärmeaufnahme an den Kälteverbrauchern wird das Kältemittel Ammoniak verdampft. Die Dämpfe werden über die Saugleitung zum Absorber geleitet. Als Absorptionsmittel wird die arme abgekühlte Lösung aus dem Austreiber verwendet. Die kalte Lösung hat das Bestreben, Ammoniak bis zur Sättigung aufzunehmen. Die arme Lösung wird in den Absorber eingedüst und der Absorber wird mit Kühlwasser gekühlt, um die Lösungswärme abzuführen.
Zum Abkühlen der heißen armen Lösung aus dem Absorber wird ein Temperaturwechsler Wärmetauscher verwendet, auf dessen Gegenseite die aus dem Absorber wieder abgeführte reiche kalte Lösung strömt. Meistens wird die arme Lösung zusätzlich einem mit Kühlwasser beaufschlagten Wärmetauscher zugeführt, um bei möglichst tiefen Temperaturen eine hohe Löslichekeit von Ammoniak in der Lösung zu erzielen. Die reiche Lösung kann bei 40°C und 0,5 bar (abs) einen Ammoniakgewichtsanteil von 15 % erreichen. Die Lösung wird wieder dem Austreiber zugeleitet. Die Lösung wird mittels einer Lösungsmittelpumpe wiederin den Austreiber gefördert. Ihr Anteil an der gesamten Leistung liegt in der Regel deutlich unter 5 %.
Der Vorteil von Kleinanlagen (Campingkühlschränke, Minibar in Hotels) liegt im lautlosen Betrieb, da durch zusätzlich eingebrachten Wasserstoff auf Lösungmittelpumpen verzichtet werden kann.
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.
Siedetemperaturen
- Ammoniak: -33.33 °C
- Wasser: 100 °C
[Bearbeiten] 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 Temperatur auf ca. 0 °C begrenzt. Vorteilhaft dagegen 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.
Siedetemperaturen
- Wasser: 100 °C
- Lithiumbromid: 1310 °C
Wasser-Lithiumbromid-Absorptionskälteanlagen werden in folgenden Bereichen eingesetzt:
- Kälteerzeugung mit 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
[Bearbeiten] 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.
