AKM: Solare Kälteerzeugung

Im Rahmen von Forschungsprojekten wurde am ehemaligen 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 ist ebenfalls als Plattenwärmeübertrager ausgeführt. 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. Mit dem Ziel geringer Fertigungskosten besteht die Kältemaschine überwiegend aus Serienbauteilen.

Das Kältemittel liegt vor dem Absorber (1) in gasförmigem Aggregatszustand vor. Das Kältemittelgas wird in einem Absorber mit der armen Lösung (9) in Kontakt gebracht, wodurch das Kältemittel absorbiert wird. Bei diesem Prozess wird die Verdampfungsenthalpie des Kältemittels freigesetzt, weshalb Wärme auf mittlerem Temperaturniveau abgeführt werden muss. Die Mischung aus Kältemittel und armer Lösung besitzt nach dem Absorber einen erhöhten Ammoniakmassenanteil und liegt flüssig vor (2). Diese Mischung wird als reiche Lösung – reich an Ammoniak – bezeichnet. Über eine Lösungsmittelpumpe wird die reiche Lösung auf das Hochdruckniveau des Systems gebracht (3). Die Auftrennung der reichen Lösung in einen Kältemitteldampf und eine arme Lösung erfolgt im Austreiber. Dort wird Wärme auf hohem Temperaturniveau dem System zugeführt wodurch ein Teil der Lösung verdampft. Durch die teilweise Verdampfung der reichen Lösung (6) findet eine Stofftrennung in Kältemitteldampf (10) und arme Lösung (7) statt. Letztere wird zum Absorber zurückgeführt und für die Absorption wiederverwendet. Zur Steigerung der Effizienz wird ein Lösungsmittelwärmeübertrager (LMWÜ) zur inneren Wärmerückgewinnung zwischen reicher Lösung (3→4) und armer Lösung (7→8) eingesetzt.

Das aus dem Austreiber kommende Kältemittel liegt durch die Bindung von Wasser nicht als reines Ammoniak vor. Um die Reinheit des Kältemittels zu erhöhen wird in einem Dephlegmator der Dampf teilweise kondensiert. Bei diesem Prozess wird das Wasser vermehrt abgeschieden und reichert sich in der flüssigen Phase an. Der Kältemitteldampf (10) wird anschließend im Kondensator auf mittlerem Temperaturniveau kondensiert. Über ein Expansionsventil wird das flüssige Kältemittel auf den Tiefdruck der Anlage entspannt (12→13). Durch die Expansion verdampft ein Teil des Kältemittels wodurch die Temperatur absinkt. Auf dem niedrigen Druckniveau kann das Kältemittel bei geringerer Temperatur verdampft werden (13→14). Der Kältemittelwärmeübertrager (KMWÜ) dient in dem Prozess wie auch der LMWÜ der Effizienzsteigerung. Dabei wird der Kältemitteldampf (14→1) überhitzt, bzw. das flüssige Kältemittel nach dem Kondensator (11→12) unterkühlt.

Flyer zur Entwicklung einer Absorptionskältemaschine am ehemaligen ITW.