Direkt zu

 


 

Grundlagen der Kälteerzeugung

Kälteerzeugung mit thermischen Systemen

Im Bereich der thermischen Systeme unterscheidet man offene und geschlossene Systeme. Zusätzlich gibt es den Dampfstrahl-Kälte-Prozess, der sich jedoch noch in der Entwicklungsphase befindet. Allen liegen Wärmetrans-formationsprozesse zugrunde. Fast im gesamten Bereich der thermischen Systeme wird mit Absorption und Adsorption gearbeitet. Adsorption nennt man die Anlagerung von Ionen und Molekülen an der Oberfläche eines anderen Stoffes infolge bestimmter physikalischer Wechselwirkungen, ohne dass dabei feste Bindungen ausgebildet werden. Absorption ist das Aufnehmen von Gasen durch feste oder flüssige Sorptionsmittel, wobei sich die Gase in diesem Mittel lösen.

 

Offene Systeme

 

Im Bereich der offenen Systeme ist zunächst das Verfahren der sorptionsgestützten Kälteerzeugung (SGK) oder auch DEC (für Desiccative and Evaporative Cooling) zu nennen. Dies ist eine ausgereifte Technologie zur Gebäudeklimatisierung und bietet sich aufgrund der geringen Temperaturanforderungen von etwa 60 - 80 °C besonders für den Einsatz thermischer Solarenergie an.

DEC

 

Diese Technologie basiert auf dem Prinzip der adiabaten Außenluftentfeuchtung durch ein Adsorptionsmittel wie Silikagel oder Lithiumchlorid. Nach einer Vorkühlung der getrockneten Frischluft mit maximal befeuchteter Raumabluft gelingt es, mit einer anschließenden Verdunstungskühlung auf die gewünschte Zulufttemperatur von 16 - 18 °C zu kommen. Die Außenluft wird im Sorptionsrad getrocknet, im Wärmerückgewinner mit der zusätzlich befeuchteten kühlen Raumabluft vorgekühlt und anschließend durch Verdunstungskühlung auf den gewünschten Zuluftzustand gebracht. Die Raumabluft wird durch Verdunstungskühlung maximal befeuchtet und im Wärmerückgewinner durch die trockene Luft erwärmt. Im Regenerationslufterhitzer, z.B. einem Solarkollektor, wird die Abluft auf die erforderliche Regenerationstemperatur gebracht, nimmt dann im Sorptionsrad das zuluftseitige adsorbierte Wasser auf und wird als warme feuchte Fortluft nach außen abgegeben. Schwankungen in der Regenerationslufttemperatur aufgrund wechselnder solarer Einstrahlung werden durch ein Nachheizsystem oder durch die Speichermasse des klimatisierten Raumes ausgeglichen. Prozessbedingt kann mit offener Sorptionstechnik kein Wasserkreislauf mit den üblichen Vorlauftemperaturen von 6 - 10 °C gekühlt werden. Der Kälteträger bei der offenen Sorption ist die befeuchtete Luft, die direkt in den Raum eingeblasen wird. Aufgrund der beschränkten Entfeuchtungsleistung der verwendeten Sorptionsmittel von etwa 6 g Wasser pro Kilogramm trockener Luft müssen SGK-Anlagen in sehr feuchten Klimazonen mit Kompressions- oder Absorptionskältemaschinen gekoppelt werden, um die direkte Zuluftbefeuchtung umgehen zu können. Allerdings kann die Sorptionsanlage auch rein zur Entfeuchtung der Außenluft verwendet werden, wodurch die sehr energieaufwendige Taupunktunterschreitung einer Kompressionskältemaschine entfällt. Als luftgeführtes System mit einer Kühllastabfuhr allein durch gekühlte Außenluft bietet sich der Einsatz insbesondere dann an, wenn im Gebäude ein hoher Frischluftbedarf vorhanden ist. Im Winter kann die Sorptionsanlage mit Sorptionsrad und Wärmeübertrager als hocheffiziente Wärmerückgewinnungsanlage und die thermische Solaranlage zur Heizungsunterstützung eingesetzt werden.

Die Flüssigsorption hat einen ähnlichen gerätetechnischen Aufbau wie die SGK, allerdings wird die Abluft direkt nach dem Wärmerückgewinner abgeblasen, die Kühlung wird durch den  Einsatz flüssiger hygroskopischer Materialien, z.B. einer Salzlösung, realisiert. Zur Aufrechterhaltung der Entfeuchtung wird die verdünnte Salzlösung in einem Regenerator wieder aufkonzentriert. Dazu wird die Salzlösung erwärmt und das gebundene Wasser verdampft. Im Gegensatz zu Systemen mit Entfeuchtungsrotoren hat die Regeneration keinen Einfluss auf die Zustandsänderungen im Zuluftsektor. Entfeuchtung und Regeneration sind voneinander getrennt und müssen nicht zeitgleich stattfinden. Die Speicherung der Salzlösung macht es möglich, z.B. dann zu regenerieren, wenn solare Wärme anfällt. Auf diese Weise ist es möglich, Solarenergie in Form von konzentrierter Salzlösung verlustfrei zu speichern. Ein weiterer Vorteil liegt in der vollständigen Trennung der Luftströme, wie sie bei regenerativen Systemen nicht der Fall ist. Diese ermöglicht den Zuluftventilator in einer drückenden Anordnung zu installieren, wodurch im Sommer geringe Zulufttemperaturen mit Hilfe der Verdunstungskühlung garantiert sind. Experimentelle Untersuchungen mit LiCl und CaCl Lösungen ergaben hohe Entfeuchtungsleistungen von Prozessluft von 6 - 7 g/kg in einem einfachen Kreuzstromwärmeübertrager, der auf der Kühlseite durch Verdunstungskühlung mit Wasser beaufschlagt wurde.

  

Geschlossene Systeme

 

Im Bereich der geschlossenen Systeme gibt es den Absorptionskälteprozess und den Adsorptionskälteprozess. Im Vergleich liegt der wesentliche Vorteil der Adsorptionstechnik bei der möglichen Nutzung geringer Heiztemperaturen unterhalb 90 °C. Bei Solarenergie-, Abwärme- oder Fernwärmenutzung mit Heiztemperaturen um 60 °C lässt sich mit der geschlossenen Adsorption Nutzkälte unabhängig von den klimatischen Randbedingungen erzeugen.

Beim Adsorptionskälteprozess wird bei niedrigem Druck der Umgebung durch Verdampfung des Kältemittels Wasser Wärme entzogen (d.h. Nutzkälte erzeugt). Die Verdichtung des Wasserdampfs auf den für die Verflüssigung erforderlichen Druck im Kondensator erfolgt durch einen thermischen Kompressor. Der Wasserdampf wird dabei zunächst an Silikagel adsorbiert und anschließend durch Wärmezufuhr desorbiert und auf den erforderlichen Druck gebracht. Eine Adsorptionskältemaschine besteht aus zwei mit Silikagel gefüllten Kammern, die wechselweise zur Wasserdampf-adsorption und -desorption genutzt werden und einen quasikontinuierlichen Prozess ermöglichen. Die Adsorptionswärme bzw. die notwendige Heizwärme für die Desorption wird durch Wärmeübertrager in den Kammern ab- bzw. zugeführt, deren Rippen für einen guten thermischen Kontakt dicht mit Silikagel umpackt sind. Die Kältemittelpumpe fördert lediglich nicht verdampftes Wasser zurück in die Sprühdüsen des Verdampfers. Jede Silikagelkammer wird über zwei ansteuerbare Ventilklappen entweder mit dem Verdampfer oder Kondensator verbunden. Der Prozess besteht aus zwei Arbeitstakten sowie einer kurzen Umschaltphase zwischen den Takten.

 

Ads

 

Im Arbeitstakt 1 ist das untere Dreiwegeventil für eine der beiden Silikagelkammern zum Verdampfer hin geöffnet und der im Verdampfer produzierte Wasserdampf wird an dem trockenen und vorgekühlten Silikagel adsorbiert (in der Abbildung links). Das obere Dreiwegeventil ist zur anderen Kammer geöffnet. Die Beladung erfolgt bei geringerem Verdampferdruck (z.B. 1000 Pa bei 5 °C) und die freiwerdende Adsorptionsenthalpie wird durch das Kühlwasser abgeführt. Die mögliche Wasserdampfbeladung des Silikagels steigt mit sinkender Kühlwassertemperatur, die somit den Endpunkt der Adsorption festlegt. In der zweiten Kammer (in der Abbildung rechts) ist während des ersten Arbeitstaktes die Ventilklappe zum Verdampfer hin geschlossen und die Klappe zum Kondensator hin geöffnet. Durch Wärmezufuhr wird der im vorigen Arbeitstakt angelagerte Wasserdampf ausgetrieben und bei Kondensatordruck verflüssigt. Im Arbeitstakt 2 werden die Dreiwegeventile genau gegenläufig betrieben. Der adsorbierte Wasserdampf der ersten Kammer wird jetzt durch Wärmezufuhr in den Kondensator ausgetrieben (Ventilklappe zum Kondensator geöffnet, zum Verdampfer geschlossen), in der zweiten Kammer wird das getrocknete Silikagel zur Adsorption von Wasserdampf aus dem Verdampfer verwendet. Zwischen den beiden Arbeitstakten findet eine Umschaltphase zur Wärmerückgewinnung von etwa 20 Sekunden Dauer statt, in welcher beide Kammern in Reihe von Kühl- bzw. Heizwasser durchströmt werden. Das Heizwasser dient zur Vorwärmung der Adsorptionskammer des vorhergehenden Arbeitstaktes, das Kühlwasser kühlt die bisherige heiße Desorptionskammer vor. Ein typischer Zyklus dauert 400 Sekunden, so dass inklusive Umschaltphase ein Takt von 7 Minuten gegeben ist.

Absorptionskältemaschinen unterscheiden sich von elektrisch angetriebenen Kompressionskälteanlagen durch den Ersatz des mechanischen Verdichters durch einen thermischen Verdichter und sind so mit geschlossenen Adsorptionskältemaschinen vergleichbar. In einer Absorptionskältemaschine wird der Verdichterprozess durch Absorption des verdampften Kältemittels in einem Lösungsmittel (Wasser oder LiBr) und anschließendes Auskochen im Generator bei hohem Druck ersetzt.

 

Abs

 

Die hauptsächlich eingesetzten Arbeitsstoffpaare sind Ammoniak-Wasser und Wasser-LiBr, wobei Ammoniak bzw. Wasser als Kältemittel und Wasser bzw. LiBr als Lösungsmittel verwendet werden. Bei der Paarung Ammoniak-Wasser siedet Ammoniak bei 105 Pa Druck bereits bei -33 °C  und ist somit für die Kälteerzeugung und Klimatisierung geeignet. Die Paarung Wasser-LiBr ist auf die reine Klimatisierung mit Verdampfertemperaturen über 0 °C beschränkt. In Wasser-LiBr Anlagen ist der extrem geringe Kältemitteldruck von etwa 1000 Pa bei +5 °C günstig für geringe Pumpenleistung und wenig aufwendige Konstruktionen. Allerdings darf in LiBr-Systemen die Kältemittelkonzentration in der Lösung nicht zu stark absinken, da sonst eine Kristallisation des Lösungsmittels eintritt. Und durch den hohen Siedepunktabstand bei Wasser-LiBr entsteht beim Austreiben des Kältemittels aus der Lösung reiner Kältemitteldampf. Der Siedepunktabstand zwischen Ammoniak und Wasser liegt dagegen so niedrig, dass beim Austreiben immer Wasserdampf produziert wird, der in einer Rektifiziersäule wieder abgeschieden werden muss.

Bei der Dampfstrahlkältemaschine handelt es sich im Prinzip um eine Kompressionskältemaschine, allerdings um eine thermisch angetriebene. Der mechanische Verdichter ist hier durch einen Dampfstrahlverdichter ersetzt. Der Prozess wird in zwei Kreisläufen geführt, dem Treibmittelkreislauf und dem Kältemittelkreislauf. Fast immer sind Treibmittel (Treibdampf) und Kältemittel (Saugdampf) ein und dasselbe Medium: Wasser. Gelegentlich wurden auch Propan oder Kältemittel vorgeschlagen, letztere vor allem für die Dampferzeugung in Sonnenkollektoren.

 

Dampf

 

Im Strahlverdichter wird über Düsen die druckproportionale potentielle Energie des Treibdampfes in Geschwindigkeits-energie umgesetzt. Der statische Druck der Strömung sinkt bis unter den Verdampferdruck, so dass Kältemitteldampf angesaugt wird. Das im Mischraum des Strahlverdichters entstehende Dampfgemisch tritt mit hoher, meistens Überschallgeschwindigkeit in den Diffusor ein. Dort wird die Geschwindigkeit wieder in Druck umgesetzt. Über das Drosselventil wird ein Teil des Kondensats zum Verdampfer zurückgeführt, der größere Teil gelangt in einen Dampferzeuger. Die Druckerhöhung im Diffusor muss so groß sein, dass im Kondensator mit dem gegebenen Kühlwasser der gesamte Dampf verflüssigt werden kann. Der Kältemitteldampf aus dem Verdampfer entnimmt durch direkte Wärme-übertragung Wärme vom Kaltwasser, das als Kälteträger zum Verbraucher gelangt. Zusätzlich saugt ein Hilfsstrahlapparat ständig eine kleine Gasmenge aus dem Kondensator ab, wodurch das Ansammeln von Inertgasen (Luft) verhindert wird.

↑ Inhaltsverzeichnis



Kälteerzeugung mit elektrischen Systemen

Im Bereich der elektrischen Systeme gibt es zwei Verfahren: das Photovoltaik Peltier-System und das Photovoltaik Kom-pressionskältesystem. Auch wenn es mit beiden möglich ist, zu kühlen, sind doch andere Verfahren praktikabler, da die Photovoltaikkomponenten einen zu geringen Wirkungsgrad haben.

Der französische Physiker Peltier entdeckte 1834 einen Effekt, nach dem das Peltierelement arbeitet. Peltier fand heraus, dass bei Stromdurchgang an der Kontaktstelle zweier verschiedener, einander sich berührender Metalle eine Temperaturabsenkung gegenüber der Umgebungsluft festzustellen war.    Ein Peltier-Element besteht aus zwei Halbleiter-schenkeln, von denen der eine n-, der andere p-leitend ist. Die beiden Schenkel sind an ihrer Stirnseite durch eine Kupferbrücke verbunden. Fließt durch dieses Peltier-Element ein Gleichstrom, so kühlt sich die eine Seite des Elementes ab und entnimmt infolgedessen von der Umgebung Wärmeenergie. Die von der kalten Elementseite aufgenommene Wärmeenergie wird an der warmen Seite wieder an die Umgebung abgegeben. Das Peltierelement "pumpt" also Wärmeenergie von der kalten auf die warme Seite. Der Strom, den das Element braucht, wird beim Photovoltaik Peltier-System von Photovoltaikelementen geliefert.

Ein Photovoltaik Kompressionskältesystem arbeitet mit einer herkömmlichen Kompressionskälteanlage, für die elektrische Energie von einer Photovoltaikanlage bereitgestellt wird. 

Das Prinzip der Kompressions-Kälteenergieerzeugung kann wie folgt beschrieben werden: Das im Kältekreis der Kompressionskälteanlage befindliche Kältemittel wird im Verdampfer durch Wärmeentzug des zu kühlenden Mediums verdampft. Im Verdichter erfolgt eine Druck- und Temperaturerhöhung. Anschließend wird das Kältemittel im Kondensator unter Wärmeabgabe wieder verflüssigt. Durch eine Drossel wird das Kältemittel auf den Verdampfungsdruck entspannt.

 

Komp

 

↑ Inhaltsverzeichnis



Kälteerzeugung mit thermomechanischen Systemen

Für die solar betriebenen thermomechanischen Systeme stehen zwei Verfahren zur Verfügung: der Veulleumier-Prozess und der Rankine-Prozess. In der Praxis werden diese Verfahren bis jetzt noch nicht eingesetzt. Aus Gründen der Vollständigkeit sollen sie im Folgenden jedoch kurz erwähnt werden.

Beim Veulleumier-Prozess wird eine Kombination von Stirling-Arbeitsgasverdichter mit Stirling-Kälteerzeugung genutzt. Die beiden Stirling-Elemente sind gasseitig verbunden, nicht zu verwechseln mit den Stirling-Kältemaschinen, die mechanisch durch einen Stirling-Motor angetrieben werden. Nach dem Veulleumier-Prinzip können sehr zuverlässige Apparaturen gebaut werden, da die Druckverhältnisse klein sind und damit Belastungen für Lager, Dichtungen u.ä. gering bleiben.

Beim thermomechanischen Rankine-Prozess wird thermisch erzeugter Dampf in mechanische Energie zum Antrieb eines Motors umgewandelt. Dieser Motor wiederum treibt den Kompressor der Kompressionskältemaschine an. Der offen-sichtliche Nachteil des Systems liegt in der zweistufigen Konversation der Antriebsleistung von thermischer in mechanische und anschließend von mechanischer in Kompressionsleistung. Demgegenüber ist als Vorteil die Flexibilität der energetischen Versorgung zu nennen. Denn ist das System an ein elektrisches Netz angeschlossen, so kann - wenn kein Kühlbedarf gegeben ist - erzeugte elektrische Energie in das Netz eingespeist werden und umgekehrt bei mangelnder solarer Versorgung, das System mit nicht solar erzeugter elektrischer Energie problemlos versorgt werden.

↑ Inhaltsverzeichnis



Auswahl des Verfahrens

Heute sind, wie oben beschrieben, unterschiedliche raumlufttechnische Verfahren verfügbar. Bisher werden nur zentrale Anlagen für Gebäude und Gebäudebereiche installiert. Die am meisten verwendeten sind geschlossene Systeme wie Ad- und Absorptionskältemaschinen und offene Kühl- und Entfeuchtungsverfahren wie die sorptionsgestützte Klimatisierung. Es wird davon ausgegangen, dass sowohl eine Kontrolle der Raumtemperatur als auch der Raumfeuchte stattfindet. Abhängig von den Kühllasten kann entweder eine Nur-Luft-Anlage, ein rein wassergestütztes System oder ein kombiniertes Wassersystem mit Luftanlage eingesetzt werden. Das technische Entscheidungskriterium ist, ob der hygienische Luftwechsel auch zur Abfuhr der fühlbaren und latenten Wärme ausreicht. Eine Nur-Luft-Anlage ist in diesem Fall eine geeignete Lösung. Die Variante mit Zu-/Abluft-Anlage ist nur bei ausreichend dicht ausgeführten Gebäuden sinnvoll. Bei dieser kann Niedertemperaturwärme über offene sorptionsgestützte Anlagen (DEC) oder mit konventioneller Lüftungstechnik in Verbindung mit thermisch angetriebenen Kältemaschinen eingesetzt werden. Wenn eine Zu-/Abluft-Anlage nicht eingesetzt werden kann, sind thermisch angetriebene Kaltwassererzeuger die beste Möglichkeit der Nutzung von Niedertemperaturwärme.

↑ Inhaltsverzeichnis



Relevante Projekte

 

↑ Inhaltsverzeichnis



Kontakt

Dipl.-Ing. Thomas Brendel

↑ Inhaltsverzeichnis