Im Bereich der thermischen Kältemaschinen nehmen Absorptionskältemaschinen aktuell den größten Marktanteil ein. Die thermische Verdichtung erfolgt über einen kombinierten Kältemittel- und Lösungsmittelkreislauf. Sind Kühltemperaturen über 5°C erforderlich, wird in der Regel Wasser als Kältemittel und Lithiumbromid (LiBr = Salz) als Lösungsmittel verwendet. Dieses Stoffpaar kommt in der Absorptionskältetechnik am häufigsten vor. Bei benötigten Temperaturen von unter 0°C greift man auf das Kältemittel-/Lösungsmittel-Paar Ammoniak (NH3)/Wasser zurück. Für den Antrieb muss die zugeführte Wärme eine Temperatur von mindestens 70°C aufweisen.
Der Prozess der Kältemaschine basiert vor allem darauf, dass durch die Absorption von Kälte- und Lösungsmittel (z.B. Wasser und Lithiumbromid) ein Unterdruck (z.B. 2 mbar) entsteht. So kann bei niedrigen Temperaturen (z.B. 6°C) das zugeführte Kältemittel Wasser verdampfen und dabei den Kaltwasserkreislauf herunterkühlen (z.B. von 12°C auf 6°C). Damit die Absorption stattfindet, muss die hochkonzentrierte LiBr-Lösung über Düsen in den Absorberbereich des Behälters eingebracht werden. Dabei werden Teile des Wasserdampfes absorbiert. Absorption und Verdampfung finden in einem Behälter (Absorber, Verdampfer) statt. Das herunterzukühlende Kaltwasser wird dabei über eine Rohrschlange in den Verdampfungsbereich des Behälters eingebracht.
Im zweiten Behälter (Austreiber, Kondensator bzw. Generator) finden nebeneinander der Prozess der Verdampfung (Austreiben) und der Prozess der Kondensation statt. Der wasserreichen LiBr-Lösung wird mit Rohrschlangen Wärme zugeführt. Das Wasser verdampft und es bildet sich im unteren Bereich des Behälters eine hochkonzentrierte LiBr-Lösung. Diese wird über Düsen in den Absorberteil des ersten Behälters gebracht. Zwischen den Behältern befindet sich ein Wärmetauscher, mit dem die hochkonzentrierte Lösung aus dem Austreiber durch die wässrige LiBr-Lösung aus dem Absorber/Verdampfer-Behälter abgekühlt wird. Die bei der Absorption freigesetzte Wärme wird über eine Kühlschlange abtransportiert. Das Kühlwasser wird anschließend in den Austreiber gebracht, wo das ausgetriebene Wasser ebenfalls über eine Kühlschlange auf einer Seite des Behälters heruntergekühlt wird und kondensiert. Die Kondensationswärme wird über das Kühlwasser mit abgeführt. Das kondensierte Wasser wird dem Absorber/Verdampfer-Behälter zur Verdampfung zugeführt.
Folgende Grafik zeigt den Ablauf eines Absortionszyklus:
Abbildung 3: Absorptionszyklus;
Quelle: Carrier GmbH & Co. KG;
Animierte Grafik mit ergänzter Bauteilbeschriftung
Die „Energy Efficiency Ratio (EER)“ liegt für einstufige Wasser/LiBr-Absorptionsanlagen im Bereich von ca. 0,55 – 0,7. [3] Beim einstufigen Absorptionsprozess spricht man auch vom Single Effect (SE).
Kombinierte Absorptionskältemaschine und Wärmepumpe
Immer mehr Hersteller bieten Absorptionskältemaschinen an, die im umgekehrten Prinzip als Wärmepumpe gefahren werden können. Dadurch wird eine bessere Auslastung der Anlagentechnik erreicht. Dies ist eine sinnvolle Option, wenn z.B. die Kältemaschine für die Klimatisierung eingesetzt wird. Ist in der Übergangs- und Winterzeit keine Kälteanforderung vorhanden, kann mit der Absorptionsmaschine Wärme effizient bereitgestellt werden.
Mehrstufige Absorptionskältemaschinen
Absorptionskältemaschinen können die eingesetzte Wärmeenergie effizienter nutzen, wenn mehrstufige Prozesse genutzt werden. Die Bezeichnungen „Effect“ und „Lift“ beschreiben diese Stufigkeit der Schaltung des Sorptionsprozesses.
Durch die Effect-Stufigkeit kann ein höheres Temperaturniveau der Wärmeenergie (z.B. 140 – 170°C) besser ausgenutzt werden, sodass eine höhere Leistungszahl erreicht wird. So liegt der EER von Double-Effect-Absorptionskältemaschinen bei einem Wert von ca. 1,3. [5] Der entsprechende Wert der EER für Triple-Effect-Absorptionskältemaschinen bei ca. 1,7. [5] Soll eine besonders hohe Auskühlung des Heizmediums erreicht werden, z. B. bei der Verwendung von Fern- oder Nahwärme, so wird die Lift-Stufigkeit genutzt. Die Lift-Stufigkeit wird auch genutzt, wenn nur ein niedriges Temperaturniveau zur Verfügung steht, mit dem ansonsten die erforderliche Kältenutztemperatur nicht erreicht werden würde. Zusätzlich sind unterschiedlichste Kombinationen von Effect- und Lift-Stufigkeit möglich (siehe auch Bereich "Neue Entwicklungen/Forschung")
[3]: Henning Hans-Martin, Urbaneck Thorsten, Morgenstern Alexander, Nunez Thomas, Wiemken, Edo, Thümmler, Egbert, Uhlig, Ulf (2015) Kühlen und Klimatisieren mit Wärme. Bine-Fachbuch.
[5]: Schleith Mario. (2013). Anwendungsmöglichkeiten für Absorptionskältemaschinen und Wärmepumpen. Artikel auf cci-Dialog GmbH Internetseite, Fa. Thermax Europe Ltd.
Einen anschaulichen Ablauf des Absorptionskälteprozesses in deutscher Sprache können Sie über die Internetseite des Projektpartners EAW-Energieanlagenbau GmbH Westenfeld einsehen:
Eine animierte Darstellung in englischer Sprache zu einer Absorptionskältemaschine können Sie über die Internetseite des Projektpartners Carrier GmbH & Co.KG aufrufen: