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Diffusions-Absorptionskältemaschine

Grundlagen

Der Diffusions-Absorptionskälteprozess wurde erstmalig 1925 von v. Platen und Munters in einem Kühlschrank realisiert. Der Prozess wurde z.B. von Altenkirch [1] und Stierlin [2] für die Kühlschrankanwendung vielfältig untersucht und optimiert. Der Betrieb der Diffusions-Absorptionskälteanlage ist geräuschlos und unabhängig von der Stromversorgung. Deshalb wird der Prozess heute noch für Kühlschränke, die geräuschlos funktionieren müssen (z.B. Minibars im Hotelzimmer) und für Campingkühlschränke, die mit Propangas beheizt werden, eingesetzt.
Als Arbeitsstoffe kommen Ammoniak (Kältemittel), Wasser (Lösungsmittel) und Wasserstoff oder Helium (als druckausgleichendes Hilfsgas) zum Einsatz. Die Besonderheit des Prozesses ist, dass im Verdampfer der gleiche Gesamtdruck wie im Kondensator herrscht. Der Phasenwechsel des Kältemittels erfolgt durch Verdunstung aufgrund eines geringeren Ammoniakpartialdrucks. Deshalb wird in diesem Zusammenhang die Bezeichnung Verdunster statt Verdampfer verwendet. Um den Partialdruck von Ammoniak abzusenken wird ein druckausgleichendes Hilfsgas benötigt.
In einem Forschungsprojekt soll der Einsatz des Diffusions-Absorptionskälteprozesses für die solare Kühlung untersucht werden. Dabei bestehen wesentliche wissenschaftliche Herausforderungen: 

•    Erhöhung der Kälteleistung auf ca. 400 W unter Beibehaltung der Wärmeübertragerkonstruktion (keine Behälterbauweise)
•    Integration des direkt solar beheizten Austreibers in den Kollektor
•    Untersuchung des Förderverhaltens von parallelen, geneigten und über die komplette Länge beheizten Austreiberrohren 

Mit diesem Anlagenkonzept eröffnen sich neue Möglichkeiten für die solare Kühlung. Das Kälteaggregat befindet sich direkt am Solarkollektor. Eine Anlage zur Kälteversorgung kann aus mehreren Kollektoren modular aufgebaut werden. Zusätzlich zur Kälteproduktion kann Heizwärme über den üblichen Kupfermäander am Solarkollektor, der parallel zu den Kältemittelrohren installiert ist, ausgekoppelt werden. Die Regelung des Systems ist sehr einfach. Wenn Wärme über den Heizkreis abgeführt wird, kann die Kältemaschine nicht in Betrieb gehen, da das benötigte Temperaturniveau für den Austreiber nicht zur Verfügung steht. Wenn keine Wärme aus dem Heizkreis abgeführt wird und die Temperatur auf über 100 °C ansteigt, wird der Kälteprozess in Gang gesetzt.

DASKA-Verschaltung-modular_kleiner

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Prozessbeschreibung

Die Abbildung "Prozessschaubild der neu entwickelten Diffusions-Absorptionskältemaschine" zeigt den Prozess. Im Unterschied zur klassischen Prozessdarstellung ist ein solar beheizbarer Austreiber dargestellt. Im Kollektorbau wird diese Bauform als „Harfe“ bezeichnet. Aus dem Verteilrohr führen parallel durchströmte Steigrohre zum Sammelrohr. Der Wärmeeintrag erfolgt über Wärmeleitung vom Absorberblech des Solarkollektors auf die Steigrohre. Weiterhin wird als Lösungsmittelwärmeübertrager ein Plattenwärmeübertrager an Stelle eines Doppelrohrwärmeübertragers verwendet.

Definitionen

Reiche Lösung    Flüssige Ammoniak/Wasser-Mischung mit hohem Ammoniakanteil (ca. 45 %)
Arme Lösung    Flüssige Ammoniak/Wasser-Mischung mit niedrigem Ammoniakanteil (ca. 40 %)
Reiches Gas    Gasgemisch aus Ammoniak und Helium mit hohem Ammoniakanteil
Armes Gas    Gasgemisch aus Ammoniak und Helium mit niedrigem Ammoniakanteil

 

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Im Ruhezustand befindet sich im Reservoir, im Lösungsmittelwärmeübertrager und im Austreiber flüssige reiche Lösung. Der Austreiber ist zu ca. 1/3 der Steigrohrlänge flüssigkeitsgefüllt. Wenn der Austreiber beheizt wird, verdampft Ammoniak aus der reichen Lösung. Es bilden sich Gasblasen, die aufgrund der geringeren Dichte nach oben steigen. In den Steigrohren der „Harfe“ entsteht eine Zweiphasenströmung. Im oberen Sammelrohr erfolgt eine Trennung in Flüssigkeit, die nun arm an Ammoniak ist, und den Ammoniakdampf. Die arme Lösung fließt in den Lösungsmittelwärmeübertrager ab. Der Dampf strömt in den Dephlegmator, einen Wärmeübertrager der mit Umgebungsluft gekühlt wird. Aufgrund der Kühlung verringert sich die Temperatur des Dampfes und das darin noch enthaltene Wasser kondensiert und fließt ebenfalls in den Lösungsmittelwärmeübertrager. Das Kältemittel (Ammoniak mit geringen Wasseranteilen) wird im Kondensator unter Wärmeabgabe verflüssigt. Es strömt in den Verdunster. Dieser wird ebenfalls vom druckausgleichenden Hilfsgas (hier: Helium) durchströmt. Der Partialdruck von Ammoniak im Verdunster entspricht dem Niederdruck in einer herkömmlichen Absorptions- oder Kompressionskältemaschine. Die Summe der Partialdrücke von Ammoniak und Helium ergibt den Gesamtdruck, der in der kompletten Anlage herrscht. Der Verdunstungsvorgang ähnelt dem Verdunsten von Wasser in Luft. Das durch das Zuführen von Wärme verdunstete Ammoniak diffundiert in die Hilfsgasatmosphäre hinein (Siehe Abbildung unten (links)). Im Verdunster entsteht die nutzbare Kälteleistung. Am Austritt des Verdunsters liegt ein Gasgemisch aus Ammoniak und Helium vor. Dieses Gasgemisch strömt durch den Gaswärmeübertrager. Dabei wird die noch enthaltene Kälteenergie dieses „reichen Gases“ (hoher Ammoniakanteil) auf das im Gegenstrom geführte „arme Gas“ (niedriger Ammoniakanteil) übertragen. Das reiche Gas strömt über das Reservoir in den Absorber. Dort wird es im Gegenstrom mit der flüssigen armen Lösung geführt. Dabei findet der Stoffübergang durch Absorption des Ammoniaks aus dem reichen Gas in die arme Lösung statt. Die Partialdruckunterschiede im Gas werden durch Diffusionsvorgänge ausgeglichen (Siehe Abbildung 4 unten (rechts)). Infolge des Stoffübergangs verringert sich die Dichte des Gases und dieses steigt in den Absorber auf und strömt in den Gaswärmeübertrager.
Die arme Lösung, die den Austreiber verlässt, hat einen hohen Wasseranteil und einen niedrigen Ammoniakanteil. Durch den Höhenunterschied zwischen Austreiberaustritt und Absorbereintritt strömt die arme Lösung zum Absorber. Im Absorber wird Ammoniak aus dem reichen Gas von der armen Lösung absorbiert. Dadurch wird diese zur reichen Lösung.

 

Verdunstung und Absorption

 

 

 

 

 

 

 



Flüssigkeitsumlauf:

Die reiche Lösung strömt vom Reservoir zum Austreiber und wird in diesem nach oben gefördert, da sich die Dichte aufgrund der Beheizung verringert. Dabei muss der Druckverlust des Lösungsmittelwärmeübertragers überwunden werden. Die arme Lösung strömt vom Austreiber zum Absorber aufgrund des Höhenunterschieds zwischen Austreiberaustritt und Absorbereintritt. Dabei muss ebenfalls der Druckverlust des Lösungsmittelwärmeübertragers kompensiert werden. Weiterhin kommt es durch die Temperaturabsenkung im Lösungsmittelwärmeübertrager zu einer Erhöhung der Dichte. Dieser Effekt wirkt der Zirkulation entgegen und muss ebenfalls durch den Höhenunterschied der Anschlüsse kompensiert werden.



Gasumlauf:


Aufgrund seiner höheren Dichte sinkt das reiche Gas, das mit Ammoniak beladen ist, vom Verdunster in das Reservoir. Durch den Stoffübergang im Absorber zwischen armer Lösung und reichem Gas sinkt die Dichte des Gases. Das leichtere Gas steigt nach oben in den Verdunster.

Die Lage der Bauteile zueinander sowie die Höhenunterschiede von Ein- und Austrittsöffnungen sind von entscheidender Bedeutung für das Funktionieren des Kälteprozesses. Weiterhin dürfen keine großen Druckverluste zugelassen werden, was die Wärme- und Stoffübertragung sowie die Prozessführung erschwert.



Versuchsanlage am ITW


Der Dephlegmator, der Kondensator und der Absorber bestehen aus luftgekühlten Rippenrohren. Als Lösungsmittelwärmeübertrager wird ein Plattenwärmeübertrager eingesetzt. Der Gaswärmeübertrager und der Verdunster sind Doppelrohr-Wärmeübertrager und werden im Gegenstrom durchströmt. Der externe Verdunsterkreislauf wird von Wasser durchströmt und mit einem Laborthermostat beheizt. Über direkt am Kondensator und am Absorber angebrachte Lüfter kann der Einfluss von freier und erzwungener Konvektion zur Wärmeabfuhr untersucht werden.

 

Beschriftung_Pruefstand_kleiner

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Die Versuchsanlage ist mit umfangreicher Messtechnik ausgestattet. Die Temperaturen zur Bilanzierung des Gas- und des Lösungsmittelwärmeübertragers werden direkt im Hilfsgas und Lösungsmittel mit PT-100 Widerstandsthermometern der Klasse 1/10 B gemessen.


Durch einen Drucksensor wird der Gesamtdruck der Anlage gemessen. Des Weiteren werden zwei Coriolis-Messgeräte zur kontinuierlichen Messung der Massenströme und der Dichte eingesetzt. Im Strang der armen Lösung wird ein Coriolis-Messgerät verwendet. Für die Messung von Massenstrom und Dichte des Kondensats wird ebenfalls ein Coriolis-Messgerät eingesetzt. Durch die kontinuierliche Messung der Dichte ρ kann die Ammoniakkonzentration ξ für jeden Messpunkt ermittelt werden: ξ=ƒ(ρ,T,p). Aus dem Druck, der Temperatur und der Dichte kann somit die Konzentration für jeden Messpunkt berechnet werden

Quellen:

[1] Statusbericht des Deutschen Kälte- und Klimatechnischen Vereins Nr. 23: Edmund Altenkirch – Pionier der Kältetechnik. Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein (DKV), Hannover, 2010

[2]  Stierlin, H.: Große Reduktion des Energieverbrauchs bei den lautlosen Kühlschränken – Eine neue Generation von Absorptionskühlschränken. KI Klima Kälte-Heizung Nr.9, S. 363-368, 1980



Relevante Projekte

Konzeptstudie einer direkt solarthermisch angetriebenen Kleinkälteanlage

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Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Thomas Brendel

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