DAKM: Solare Kälteerzeugung

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.

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.

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