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Kompressionskältemaschine

Die überwiegende Anzahl der heute eingesetzten Kältemaschinen sind Kompressionskältemaschinen. Sie arbeiten nach dem Kaltdampfprinzip. Dabei wird ein Kältemittel in Abhängigkeit des Drucks bei verschiedenen Temperaturen verflüssigt und wieder verdampft. Um ein flüssiges Kältemittel zu verdampfen, erfolgt eine Absenkung des Drucks durch ein Expansionsventil und im Verdampfer wird Wärme zugeführt.
Die zugeführte Wärme wird der Umgebung entzogen und es entsteht die nutzbare Kälteleistung. In einem geschlossenen Kreislauf muss der Dampf nun mit einem Verdichter auf einen hohen Druck verdichtet werden. Dieser Dampf auf hohem Druckniveau wird im Kondensator verflüssigt. Bei der Verflüssigung des Dampfes muss Wärme (meist bei Umgebungstemperatur) abgeführt werden.
Der Kompressionskälteprozess ist das am meisten genutzte Verfahren für die Kälteerzeugung. Es wird z.B. im Kühlschrank oder bei der Autoklimaanlage angewendet. Weiterhin ist es weit verbreitet im industriellen Bereich sowie bei der Lebensmittelkühlung oder der Klimatechnik. In Deutschland hat die Kältetechnik ein Anteil von ca. 14 % an der gesamten Stromproduktion.

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Der Absorptionskälteprozess

Der Absorptionskälteprozess nutzt Wärme als Antriebsenergie. Durch die Zufuhr von Wärme wird Kältemittel aus einem Lösungsmittel/Kältemittelgemisch bei einem Temperaturniveau von 80 bis 120 °C verdampft. Dieser Kältemitteldampf wird im Kondensator verflüssigt und nach der Druckabsenkung durch das Expansionsventil im Verdampfer bei niedrigen Temperaturen (-10°C bis 15 °C) verdampft. Wie auch bei der Kompressionskältemaschine entsteht durch die Verdampfung die nutzbare Kälteleistung. Danach wird im Gegensatz zum Kompressionskälteprozess, der Kältemitteldampf nicht verdichtet sondern mit dem Lösungsmittel (arme Lösung) gemischt. Die arme Lösung wird dazu aus dem Austreiber abgeführt und über das Expansionsventil in den Absorber geleitet. Im Absorber wird der Kältemitteldampf mit dem Lösungsmittel, der armen Lösung, in Kontakt gebracht. Der Dampf wird von der armen Lösung absorbiert, wodurch der Ammoniakanteil der armen Lösung ansteigt. Die arme Lösung wird dadurch zur reichen Lösung. Bei der Absorption wird Wärme (bei Umgebungstemperatur, 30°C bis 50°C) frei, die abgeführt werden muss.
Die reiche Lösung kann als inkompressibel angesehen werden. Damit kann es mit einer Lösungsmittelpumpe auf ein höheres Druckniveau gepumpt werden, ohne dass Verdichtungsarbeit anfällt. Die benötigte elektrische Energie ist dabei deutlich geringer als bei einem Verdichter in einer Kompressionskältemaschine. In der Absorptionskältemaschine ist neben Austreiber und Absorber auch ein Lösungsmittelwärmeübertrager integriert. Da sich die Temperaturniveaus des Austreibers und des Absorbers stark unterscheiden kann mit dem zwischengeschalteten Lösungsmittelwärmeübertrager die Vorkühlung der armen und die Vorwärmung der reichen Lösung erfolgen. Wärme wird im Prozess zurückgewonnen, was die Leistungszahl erhöht.
Die Anordnung aus Austreiber, Absorber (Lösungsmittelwärmeübertrager) und Absorber wird auch als „thermischer Verdichter“ bezeichnet.

Vergleich_Kompressionskaeltemaschine-Absorptionskaeltemaschine_kleiner

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Entwicklung einer Ammoniak-Wasser-Absorptionskältemaschine

Im Rahmen von Forschungsprojekten wurde am ITW eine Ammoniak/Wasser Absorptionskältemaschine mit einer Nennkälteleistung von 10 kW entwickelt. Im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte wird die Anlage verbessert um die Herstellungskosten zu senken und die Leistungszahl und die Kälteleistung zu erhöhen.

Die Kältemaschine besteht aus Edelstahl. Bis auf wenige Verschraubungen und Absperrhähne sind die Verbindungen verschweißt. Es kommen edelstahl-geschweißte Plattenwärmeübertrager zum Einsatz, die eine Druckfestigkeit von mehr als 25 bar besitzen. Der Austreiber (zylindrischer Behälter) der Kältemaschine ist eine Spezialanfertigung und besteht ebenfalls komplett aus Edelstahl. Zur Umwälzung der reichen Lösung wird eine Kolben-Membranpumpe eingesetzt, bei der das Ammoniak durch eine Membran vom Kolben der Pumpe getrennt ist. Es existiert keine Wellendichtung, bei der die Gefahr des Austritts von Ammoniak bestehen würde. Um Kosten zu senken wird die Verwendung von Serienbauteilen mehr und mehr angestrebt. Der Austreiber ist die teuerste Komponente der Kältemaschine und wird derzeit komplett überarbeitet.

Absorptionskaeltemaschine

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Im Betrieb wird am Austreiber Wärme auf hohem Temperaturniveau zugeführt. Ammoniak wird (mit geringem Wasseranteil) aus der Ammoniak-Wasserlösung „ausgekocht“. Der Dephlegmator dient zur Abscheidung des unerwünschten Wasseranteils im Kältemittel. Anschließend erfolgt im Kondensator, der über einen Zwischenkreislauf mit Außenluft gekühlt wird, die Verflüssigung des gasförmigen Kältemittels. Nachdem das flüssige Kältemittel das Reservoir und den Kondensatvorkühler, der das Kältemittel unterkühlt, durchströmt hat, wird es vom Hochdruck (ca. 13-18 bar) auf den Tiefdruck (ca. 4-5 bar) entspannt. Am Verdampfer gibt das zu kühlende Wasser Wärme an das verdampfende Kältemittel ab.

Die im Austreiber verbliebene, an Ammoniak arme Lösung, strömt durch den Lösungsmittelwärmeübertrager und gibt Wärme an die kalte reiche Lösung ab. Mit dem Drosselventil erfolgt die Druckabsenkung vom Hoch- auf den Tiefdruck. Im Absorber werden arme Lösung und Kältemitteldampf zusammengeführt. Bei der Absorption des verdampften Kältemittels in der armen Lösung wird Lösungswärme frei und muss abgeführt werden. Hierzu werden ebenfalls die Trockenkühler verwendet. Die Membranpumpe fördert die durch die Absorption entstandene reiche Lösung wieder in den Austreiber. Dephlegmator, Kondensatvorkühler und Lösungsmittelwärmeübertrager dienen der Steigerung der Anlageneffizienz.

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Kontakt

Dipl.-Ing. Thomas Brendel

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