Grundlagen der Absorptionstechnik

Hier werden die grundlegenden Absorptionsprozesse dargestellt.

Der Absorptionsprozess kann sowohl in einer Kältemaschine als auch in einer Wärmepumpe eingesetzt werden. Zur Veranschaulichung ist der Absorptionskälteprozess im Folgenden dem Kompressionskälteprozess gegenübergestellt.

Kompressionskälteprozess

Die überwiegende Anzahl der heute eingesetzten Kältemaschinen sind Kompressionskältemaschinen. Sie arbeiten nach dem Kaltdampfprinzip. Dabei wird ein Kältemittel in Abhängigkeit vom Druck bei verschiedenen Temperaturen verflüssigt und wieder verdampft. Um ein flüssiges Kältemittel zu verdampfen, erfolgt eine Absenkung des Drucks durch ein Expansionsventil und im Verdampfer wird Wärme zugeführt.
Die zugeführte Wärme wird der Umgebung entzogen und es entsteht die nutzbare Kälteleistung. In einem geschlossenen Kreislauf muss der Dampf nun mit einem Verdichter auf einen hohen Druck verdichtet werden. Dieser Dampf auf hohem Druckniveau wird im Kondensator verflüssigt. Bei der Verflüssigung des Dampfes muss Wärme (meist bei Umgebungstemperatur) abgeführt werden.
Der Kompressionskälteprozess ist das am meisten genutzte Verfahren für die Kälteerzeugung. Es wird z.B. im Kühlschrank oder bei der Autoklimaanlage angewendet. Weiterhin ist es weit verbreitet im industriellen Bereich sowie bei der Lebensmittelkühlung oder der Klimatechnik. In Deutschland hat die Kältetechnik ein Anteil von ca. 14 % an der gesamten Stromproduktion.

Vergleich der Prozesse

Absorptionskälteprozess

Der Absorptionskälteprozess nutzt Wärme als Antriebsenergie. Durch die Zufuhr von Wärme wird Kältemittel aus einem Lösungsmittel/Kältemittelgemisch bei einem Temperaturniveau von 80 °C bis 120 °C verdampft. Dieser Kältemitteldampf wird im Kondensator verflüssigt und nach der Druckabsenkung durch das Expansionsventil im Verdampfer bei niedrigen Temperaturen (-10 °C bis 15 °C) verdampft. Wie auch bei der Kompressionskältemaschine entsteht durch die Verdampfung die nutzbare Kälteleistung. Danach wird im Gegensatz zum Kompressionskälteprozess, der Kältemitteldampf nicht verdichtet sondern mit dem Lösungsmittel (arme Lösung) gemischt. Die arme Lösung wird dazu aus dem Austreiber abgeführt und über das Expansionsventil in den Absorber geleitet. Im Absorber wird der Kältemitteldampf mit dem Lösungsmittel, der armen Lösung, in Kontakt gebracht. Der Dampf wird von der armen Lösung absorbiert, wodurch der Ammoniakanteil der armen Lösung ansteigt. Die arme Lösung wird dadurch zur reichen Lösung. Bei der Absorption wird Wärme (bei Umgebungstemperatur, 30 °C bis 50 °C) frei, die abgeführt werden muss.
Die reiche Lösung kann als inkompressibel angesehen werden. Damit kann es mit einer Lösungsmittelpumpe auf ein höheres Druckniveau gepumpt werden, ohne dass Verdichtungsarbeit anfällt. Die benötigte elektrische Energie ist dabei deutlich geringer als bei einem Verdichter in einer Kompressionskältemaschine. In der Absorptionskältemaschine ist neben Austreiber und Absorber auch ein Lösungsmittelwärmeübertrager integriert. Da sich die Temperaturniveaus des Austreibers und des Absorbers stark unterscheiden kann mit dem zwischengeschalteten Lösungsmittelwärmeübertrager die Vorkühlung der armen und die Vorwärmung der reichen Lösung erfolgen. Wärme wird im Prozess zurückgewonnen, was die Leistungszahl erhöht.
Die Anordnung aus Austreiber, Absorber (Lösungsmittelwärmeübertrager) und Absorber wird auch als „thermischer Verdichter“ bezeichnet.

Kontakt

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Dr.-Ing. Fabian Schmid

Wissenschaftlicher Mitarbeiter