Arbeitsstoffpaare

Bei reinen Arbeitsstoffen muss zunächst die niedrigste, im Gesamtprozess vorkommende, Temperatur ermittelt werden, sodass der Schmelzpunkt des eingesetzten Stoffs immer über dieser Temperatur liegt und der Stoff nicht während des Prozesses einfrieren kann. Zusätzlich steigt die Viskosität (Die Viskosität ist ein Maß für die Zähflüssigkeit eines Fluides. Je größer die Viskosität, desto zäher das Fluid) .im Allgemeinen mit geringer werdender Temperatur und es muss sichergestellt sein, dass sich der Schmelzpunkt des Arbeitsstoffes hinreichend weit entfernt von der niedrigsten, auftretenden Prozesstemperatur befindet. Diese niedrigste Temperatur ist bei einer Absorptionsmaschine mit dem Anwendungszweck verbunden und sehr unterschiedlich. Der Schmelzpunkt des Absorptionsmittels ist weitgehend unkritisch, jedoch ist es wünschenswert, dass dieses noch bei Umgebungstemperatur flüssig ist, um eine Kristallisation zu vermeiden. [5, 10, 41, 42]

Die notwendige Pumpenleistung hängt direkt vom Druckunterschied des Hoch- und Niederdruckteils der Absorptionsmaschine ab. Diese Leistung kann nur dadurch minimiert werden, dass ausgewählte Arbeitsstoffe eine flache Dampfdruckkurve aufweisen [49]. Liegt eine nur geringe Druckdifferenz vor, so kann nach [5] gänzlich auf eine Lösungsmittelpumpe verzichtet werden, da die Lösung nach dem Thermosyphonprinzip (Thermosyphonsysteme nutzen die durch Erwärmung der Flüssigkeiten entstehenden Dichteunterschiede. Die erwärmte, leichtere Flüssigkeit steigt auf und eine Strömung entsteht.) umläuft. Dabei muss jedoch beachtet werden, dass das Gemisch im Austreiber ohne Rektifikation trennbar ist. Durch eine groß gewählte Verdampfungsenthalpie muss weniger Lösungsmittel innerhalb der Anlage im Kreis gepumpt werden, was wiederum die benötigte Pumpenleistung reduziert und den Wirkungsgrad der Gesamtanlage erhöht. Kleine Mengenströme in einer Anlage begünstigen geringere Druck- und thermodynamische-Verluste der Ventile und Drosseln. Dabei müssen die Wärmetauscher bei kleineren Mengen weniger Wärme übertragen und können kostengünstiger dimensioniert werden [10, 48].

Kältemittel Wasser

Die Vorteile von Wasser (R718) als Arbeitsstoff sind vor allem, dass es ungefährlich, ungiftig, stabil, günstig und sehr gut verfügbar ist. Die thermodynamischen und physikalischen Eigenschaften und die große Verdampfungsenthalpie in Verbindung mit der flachen Dampfdruckkurve sind vorteilhaft. Die Nachteile sind die geringe volumetrische Kälteleistung und die erforderlichen, hohen Druckverhältnisse für große Temperaturhübe. Desweiteren sind große Fördervolumenströme und ein Arbeiten unter Vakuum notwendig.

Wasser als Kältemittel wird meist mit Lithiumbromid zur Bildung eines Arbeitsstoffpaares kombiniert. In älteren Anlagen wurden auch Verbindungen mit  Schwefelsäure, Natron oder Kalilauge eingesetzt.

Lithiumbromid (LiBr) ist ein anorganisches Salz und hat sich als Gemisch vor allem in Klimaanlagen bewährt [42, 43]. In neuen Anlagen findet dieses Arbeitsstoffpaar vor allem bei kleingewerblichen und privaten Gas-Absorptionswärmepumpen Verwendung. Wasser als Kältemittel kommt wegen der Lage des Gefrierpunktes nur bei Kühltemperaturen oberhalb von 0°C (In der Praxis meist über +4°C um weit genug vom Gefrierpunkt entfernt zu sein.) in Betracht. Eine Rektifikation (Kapitel 2.3) ist hierbei nicht erforderlich. Der Hautnachteil dieses Gemisches ist eine Löslichkeitsgrenze, die den Bereich der möglichen Arbeitstemperaturen zum Teil sehr einschränkt. Eine für den Anwendungsfall positive Verschiebung der Kristallisationsgrenze von LiBr-Wasser kann durch die Zugabe einer dritten Komponente erreicht werden. Jedoch muss dabei eine Erhöhung der Viskosität, sowie der Korrosivität, vermieden werden.

Kältemittel Ammoniak NH3

Ammoniak (R717) ist schon seit über 100 Jahren der industriellen Kältetechnik bekannt. NH₃gehört zu den klassischen Kältemitteln wie Propan, Isobutan und CO₂ zu den natürlichen, nicht umweltschädlichen Kältemitteln und hat sich sowohl in Kompressions- als auch Absorptionsmaschinen bewährt. Ammoniak selbst ist am natürlichen Stickstoffkreislauf beteiligt und entsteht in der Natur beim Abbau organischer Materialien. Diese haben den Vorteil, günstig in der Anschaffung/Erstellung sowie bei der späteren Entsorgung zu sein. In früheren Jahren wurden vermehrt FCKW (Fluorchlorkohlenwasserstoffe, ihre Freisetzung ist in erheblichem Maße für den Abbau der Ozonschicht verantwortlich. Ein Verbot wurde 1989 beschlossen.) als Kältemittel eingesetzt, diese dürfen aber seit 1989 nicht mehr in neuen Anlagen verwendet und bei alten Anlagen nur noch unter strengen Auflagen weiterbetrieben werden. Ammoniak bietet ausgezeichnete thermodynamische, wärmetechnische und betriebstechnische Eigenschaften sowie eine geringe Viskosität. Die hohe vorliegende volumetrische Leistung hat zur Folge, dass innerhalb der Anlage hohe Drücke vorherrschen und nur geringe Durchflussmengen vorliegen. Dies begünstigt die Abmessungen der Verdichter und Wärmetauscher [48, 50], verursacht jedoch eine Erhöhung der Anlagekosten, da dickere Wandstärken benötigt werden.

Stoffdaten

Ein großer Nachteil von Ammoniak ist seine Toxizität. Das farblose Gas besitzt einen stechenden Geruch mit starker Reizwirkung und die Geruchsschwelle liegt bei 5 ppm, sodass ein gutes Leckwarnvermögen vorliegt. Ammoniak ist entzündlich (innerhalb gewisser Grenzen), giftig beim Einatmen und verursacht, je nach Konzentration, starke Verätzungen. Obwohl ein Entflammungsrisiko vorhanden ist, besteht diese Gefahr nur in begrenzten Bereichen. Reines Ammoniak ist schwer brennbar und ohne weitere Wärmezufuhr erlischt die Flamme [51]. Während des Betriebs gelangen meist nur geringe Mengen in die Umgebung. NH₃ ist leicht wasserlöslich, gefährlich für Wasserorganismen und daher als wassergefährdend eingestuft. Sollte es in das Erdreich eindringen, ist eine Grundwasserverunreinigung anzunehmen.