Adsorptionskältemaschine

Geschlossenes System

Beim Adsorptionskälteprozess wird bei niedrigem Druck der Umgebung durch Verdampfung des Kältemittels Wasser Wärme entzogen (d.h. Nutzkälte erzeugt). Die Verdichtung des Wasserdampfs auf den für die Verflüssigung erforderlichen Druck im Kondensator erfolgt durch einen thermischen Kompressor. Der Wasserdampf wird dabei zunächst an Silikagel adsorbiert und anschließend durch Wärmezufuhr desorbiert und auf den erforderlichen Druck gebracht.

Eine Adsorptionskältemaschine besteht aus zwei mit Silikagel gefüllten Kammern, die wechselweise zur Wasserdampfadsorption und -desorption genutzt werden und einen quasikontinuierlichen Prozess ermöglichen. Die Adsorptionswärme bzw. die notwendige Heizwärme für die Desorption wird durch Wärmeübertrager in den Kammern ab- bzw. zugeführt, deren Rippen für einen guten thermischen Kontakt dicht mit Silikagel umpackt sind. Die Kältemittelpumpe fördert lediglich nicht verdampftes Wasser zurück in die Sprühdüsen des Verdampfers. Jede Silikagelkammer wird über zwei ansteuerbare Ventilklappen entweder mit dem Verdampfer oder Kondensator verbunden. Der Prozess besteht aus zwei Arbeitstakten sowie einer kurzen Umschaltphase zwischen den Takten.

Im Arbeitstakt 1 ist das untere Dreiwegeventil für eine der beiden Silikagelkammern zum Verdampfer hin geöffnet und der im Verdampfer produzierte Wasserdampf wird an dem trockenen und vorgekühlten Silikagel adsorbiert (in der Abbildung links). Das obere Dreiwegeventil ist zur anderen Kammer geöffnet. Die Beladung erfolgt bei geringerem Verdampferdruck (z.B. 1000 Pa bei 5°C) und die freiwerdende Adsorptionsenthalpie wird durch das Kühlwasser abgeführt. Die mögliche Wasserdampfbeladung des Silikagels steigt mit sinkender Kühlwassertemperatur, die somit den Endpunkt der Adsorption festlegt. In der zweiten Kammer (in der Abbildung rechts) ist während des ersten Arbeitstaktes die Ventilklappe zum Verdampfer hin geschlossen und die Klappe zum Kondensator hin geöffnet. Durch Wärmezufuhr wird der im vorigen Arbeitstakt angelagerte Wasserdampf ausgetrieben und bei Kondensatordruck verflüssigt.

Im Arbeitstakt 2 werden die Dreiwegeventile genau gegenläufig betrieben. Der adsorbierte Wasserdampf der ersten Kammer wird jetzt durch Wärmezufuhr in den Kondensator ausgetrieben (Ventilklappe zum Kondensator geöffnet, zum Verdampfer geschlossen), in der zweiten Kammer wird das getrocknete Silikagel zur Adsorption von Wasserdampf aus dem Verdampfer verwendet. Zwischen den beiden Arbeitstakten findet eine Umschaltphase zur Wärmerückgewinnung von etwa 20 Sekunden Dauer statt, in welcher beide Kammern in Reihe von Kühl- bzw. Heizwasser durchströmt werden. Das Heizwasser dient zur Vorwärmung der Adsorptionskammer des vorhergehenden Arbeitstaktes, das Kühlwasser kühlt die bisherige heiße Desorptionskammer vor. Ein typischer Zyklus dauert 400 Sekunden, so dass inklusive Umschaltphase ein Takt von 7 Minuten gegeben ist.

Quelle: Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik, Stuttgart

Fachwissen zum Thema

Funktionsprinzip

Funktionsprinzip

Solarkälte

Absorptionskältemaschine

Solarthermische Kollektoren können Kälteanlagen antreiben, die im Sommer Gebäude kühlen und klimatisieren

Solarthermische Kollektoren können Kälteanlagen antreiben, die im Sommer Gebäude kühlen und klimatisieren

Solarkälte

Arten und Verfahren der solaren Kälteerzeugung

Solarkälte

Kälteerzeugung mit thermischen Systemen