Thermosiphonpumpe

Diffusions-Absorptionskältemaschinen (DAKMs) gehören zur Gruppe der thermisch angetriebenen Absorptionskältemaschinen. Wesentlicher Bestandteil einer DAKM ist die Thermosiphonpumpe, die zur Förderung der flüssigen Lösung mittels der eigenen Dämpfe dient. Hierzu wird der Thermosiphonpumpe, die gleichzeitig der Austreiber des Prozesses ist, Antriebswärme zugeführt. Die Wärmezufuhr führt zur partiellen Verdampfung von flüssigem Kältemittel und zur Entstehung von Dampfblasen. Diese schließen sich zu Kolben zusammen und fördern die Lösung in der Thermosiphonpumpe mit nach oben. Die partielle Verdampfung sorgt neben der Förderung dafür, dass das Kältemittel aus der Lösung ausgetrieben wird. Im kommerziellen Bereich sind DAKMs als Hotel- und Camping-Kühlschränke weit verbreitet, da sie keine beweglichen Teile besitzen und dementsprechend geräuschfrei arbeiten. Die Beheizung der Kühlschränke erfolgt entweder elektrisch mittels Heizstab oder mittels Gasbrenner. Dabei wird die Wärme jeweils im unteren Bereich der Thermosiphonpumpe teilflächig eingebracht. Am Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) wurde eine direkt angetriebene solare Kälteanlage (DASKA) entwickelt. Die Beheizung dieser Anlage erfolgt über einen Solarkollektor, in welchem die Thermosiphonpumpe direkt integriert ist. Es hat sich gezeigt, dass die Art der Beheizung einen großen Einfluss auf die Kälteleistung der DAKM hat.

Ziel der derzeitigen Forschung am ITW ist die Untersuchung des Förderverhaltens einer Thermosiphonpumpe mit dem Arbeitsmedium Wasser für verschiedene Beheizungsarten. Der zugeführte Heizwärmestrom, der für die partielle Verdampfung des Arbeitsmediums erforderlich ist, wird sowohl im Absolutwert, in der Wärmestromdichte als auch im Ort der Wärmezufuhr variiert. Daraus kann die Auswirkung der relativen Heizlänge auf das Förderverhalten untersucht werden. Zudem werden Messungen zu einem neuen Beheizungskonzept, das in eine DAKM integriert werden kann, durchgeführt. Das Beheizungskonzept beinhaltet einen Austreiber in Form eines Plattenwärmeübertragers (PWÜ) und ein nachgeschaltetes vertikales Förderrohr. Die Beheizung des Plattenaustreibers am Fußpunkt der Thermosiphonpumpe ermöglicht ein gutes Förderverhalten und eine kompakte Bauweise der DAKM.

Der Prüfstand (siehe Abbildung) bietet die Möglichkeit den Einfluss von geometrischen Größen, wie z.B. der Förderrohrinnendurchmesser und das Verhältnis von Füllstand im Reservoir bei unterschiedlichen Förderrohrlängen, auf das Förderverhalten zu untersuchen. Zudem kann die Temperatur der ins Förderrohr bzw. in den PWÜ eintretenden Flüssigkeit variiert bzw. eingestellt werden können. Das Arbeitsmedium liegt in flüssigem Aggregatzustand im Reservoir vor und erzeugt einen Vorlagedruck. Über zwei Doppelrohrwärmeübertrager wird das Arbeitsmedium vortemperiert. Die Thermosiphonpumpe kann mittels elektrischer Beheizung am Förderrohr punktuell, teilflächig oder flächig beheizt werden. Alternativ zur elektrischen Beheizung des Förderrohres bietet der Prüfstand die Möglichkeit der thermischen Beheizung über einen PWÜ. Dabei ist das Förderrohr dem PWÜ nachgeschaltet. Durch die partielle Verdampfung des Arbeitsmittels entsteht ein Zweiphasengemisch. Durch das Absinken der mittleren Dichte im Förderrohr und Auftriebskräfte des erzeugten Dampfes wird Flüssigkeit im Förderrohr gefördert. In einem Abscheider trennt sich die Flüssig- und Dampfphase auf. Der Massenstrom der Flüssigkeit, die vom Abscheider zurück ins Reservoir fließt, wird über ein Coriolis-Durchflussmessgerät kontinuierlich erfasst. Der aus dem Abscheider strömende Dampf wird im Kondensator verflüssigt. Der Massenstrom des entstandenen Kondensats wird ebenfalls mittels Coriolis-Durchflussmessgerät kontinuierlich gemessen. Daraus lässt sich das Förderverhalten einer Thermosiphonpumpe über das Förderverhältnis, das sich aus dem Verhältnis von geförderter Flüssigkeit zu erzeugtem Dampf berechnet, bewerten.