Sorptionskältetechnik

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Die Sorptionswärmepumpen stellen eine große Gruppe verschiedenster Verfahrens- und Ausführungsvarianten dar. Trotz dieser Vielfalt lassen sich charakteristische Gemeinsamkeiten nennen:
  • Bei der Verdampfung eines Kältemittels wird einer Wärmequelle Verdampfungsenthalpie entzogen. Der entstehende Kältemitteldampf wird von einem Sorptionsmittel gebunden, um eine kontinuierliche Verdampfung zu ermöglichen.
  • Bei der Einlagerung des Kältemitteldampfes an das Sorptionsmittel wird Wärme frei (Sorptionsenthalpie), die über ein Kühlsystem abgeführt werden muß.
  • Die Sorption des Kältemittels erfolgt bis zu einem bestimmten Sättigungsgrad, danach muß das Sorptionsmittel regeneriert und das Kältemittel zurückgewonnen werden. Für diesen sogenannten Desorptionsvorgang ist Wärme als Antriebsenergie erforderlich. Die thermischen Bedingungen (Heizwasser-Vorlauftemperatur, Temperaturspreizung) richten sich nach dem Arbeitsstoffpaar, der Ausführung des Maschinensystems sowie den be-triebstechnischen Einsatzparametern.
  • Für den kontinuierlichen bzw. quasikontinuierlichen Betrieb einer Sorptionskältemaschine laufen die beiden Prozeßphasen (Sorption und Desorption) parallel ab.
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    Absorptionskältetechnik
    Die Absortionskälteanlage läßt sich wie folgt charakterisieren:
  • Ein Kältemittel (vorzugsweise Wasser, aufgrund seiner thermodynamischen Eigenschaf-ten, wie hohe Verdampfungsenthalpie) wird auf einem niedrigen Temperatur- und Druck-niveau verdampft und von einem flüssigen Sorptionsmittel (Salzlösung) absorbiert.
  • Die Lösung wird nach Passieren eines Rekuperationssystems im Generator bzw. Austrei-ber mit Hilfe einer Wärmequelle (Dampf, Heißwasser oder Direktbefeuerung) bei einem höheren Druckniveau (Kondensationsdampfdruck) erwärmt. Es entsteht Kältemittel-dampf, der am Kondensator verflüssigt wird.
  • Das rekondensierte Kältemittel wird über eine Drossel zur Drucktrennung zum Verdamp-fer geleitet und entspannt sich.
  • Ebenso erfolgt ein Rücklauf der aufkonzentrierten Sorbens zum Absorber.
  • Diese System folgt der thermodynamischen Charakteristik von Zweistoffgemischen. Das heißt, für jeden Betriebspunkt lassen sich Druck, Temperatur und Konzentration angeben. Durch Kombination der Temperatur- und Druckniveaus ergeben sich unterschiedliche Konzentrationen für des Kältemittel, die sogenannte Entgasungsbreite.
  • Für einen wirtschaftlichen Betrieb einer Absorptionskältemaschine muß die Entgasungs-breite möglichst groß sein, was vor allem durch die Heizmitteltemperatur bestimmt wird. Für eine breite Anwendung dieser Technologie werden verschiedene mehrstufige Verfah-renskombinationen realisiert, die die Anpassung an die Einsatzbedingungen gestatten.
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    Adsorptionskältetechnik
    Das Adsorptionssystem besteht ebenfalls aus einem Verdampfer, einem Kondensator und den Sorptionswämetauschern für Adsorption und Desorption. Bei der Adsorptionstechnik wird der Kältemitteldampf aber von einer festen Sorbens gebunden.
    Als Adsorbentien kommen hauptsächlich Silicagel, Alumosilikate (Molekularsiebe), Aktivkohle o.ä. Stoffe zum Einsatz. Hierbei werden folgenden Eigenschaft der Adsorbentien genutzt.
  • unter Wärmeumsatz reversibel dehydratisierbar
  • stark hygroskopisch
  • große Aufnahmefähigkeit durch große innerer Adsorptionsflächen
    • Adsorbentien kommen auch natürlich vor und sind daher im Vergleich zu anderen in der Kältetechnik eingesetzten Stoffen umweltverträglich und ungefährlich bei Herstellung, Gebrauch und Entsorgung.
    Die Adsorptionskältetechnik benötigt als ,,Antriebsenergie" Niedertemperaturwärme im Bereich von 55 bis 95°C und erschließt damit im Vergleich zur Absorptionstechnik Wärmepotentiale, die bisher für die Kälteerzeugung nicht nutzbar waren.
     
     
    DEC-Kältetechnik (desiccative and evaporative cooling)
     
    Das DEC-System hat keinen geschlossenen Kältemittelkreislauf und arbeitet nach dem Prinzip der adsorptiven Luftentfeuchtung und adiabaten Verdunstung. Das Betriebsmedium ist Frischluft für den zu klimatisierenden Raum. Damit ist der Einsatz auf die Klinmatechnik beschränkt.
  • Der Luftstrom wird in einem Adsorptionsrad mit einer festen Adsorbens getrocknet. Er erwärmt sich dabei durch freiwerdende Sorptionsenthalpie. Nach der Wärmeabgabe an den Abluftstrom (Regenerationsluft für den Adsortionstrockner) wird dieser befeuchtet und kühlt sich dabei durch Abgabe der Verdunstungsenthalpie ab.
  • Der Adsorptionstrockner wird mit dem Abluftstrom regeneriert, der dazu erwärmt wird. Die heiße Luft kann das in der Sorbens gebundene Wasser verdampfen, aufnehmen und austragen.