Funktionsprinzip Absorptionskältlemaschine

Funktionsprinzip bei einfachster, einstufiger Bauweise

Die einfachste Grundform einer Absorptionsmaschine besteht zumindest aus einem Absorber, Verdampfer, Verflüssiger und einem Austreiber [Der Austreiber wird in mancher Literatur auch als Generator oder Kocher bezeichnet.]. Im Folgenden werden die notwendigen Funktionen schrittweise erklärt.

Am Anfang des gesamten Kreislaufs steht der Austreiber. In ihm wird aus der Lösung des Arbeitsstoffpaares bei hohen Temperaturen das Wasser aus der kältemittelreichen Lösung verdampft. Dabei wird ein hoher Kältemitteldampfdruck erzeugt, der für die Verflüssigung des Kältemittels im Verflüssiger ausreicht. Infolge der Verdampfung verringert sich die Konzentration in der Lösung und ein Anstieg der notwendigen Verdampfungstemperatur tritt ein. Dieser Vorgang wird Wärmetönung genannt und wurde zuvor hier näher betrachtet.

Der Kältemitteldampf wird nach der Austreibung über einen Flüssigkeits-abscheider geleitet, um eventuell mit ausgetriebenes, dampfförmiges Lösungsmittel von dem Kältemittel zu trennen. Durch die Rektifikation (Gegenstromdestillation) des Dampfgemischs kann der Lösungsmitteldampf größtenteils entfernt werden.

Abbildung 20: Austreiber mit nachfolgender Rektifikation

Der Kältemitteldampf wird weiter in den Verflüssiger geleitet und dort abgekühlt. Diese Abkühlung führt zum Niederschlag. Um die niedrige Temperatur des Verflüssigers erreichen und halten zu können, ist der Verflüssiger wassergekühlt.

Abbildung 21: Abkühlung des Kältemitteldampfes im Verflüssiger

Das kondensierte Kältemittel wird durch ein Regelventil [Diese Drosselarmatur ist notwendig, da unterschiedliche Druckniveaus innerhalb der Anlage vorliegen. Sie kann bei einer Bauweise mit druckausgleichendem Gas weggelassen werden.] hindurch in den Verdampfer geleitet. Das Kältemittel verdampft in dem Verdampfer und entzieht dabei Wärme aus dem Kaltwasser, dadurch wird die gewünschte Nutzkälte erzeugt. Der dabei entstehende Lösungsmitteldampf (arme Lösung) geht nun in den Absorber über.

Abbildung 22: Verdampfung / Wärmeaufnahme des Kältemittels

Im Absorber wird das Kältemittel (Wasser/Wasserdampf) von der konzentrierten LiBr-Lösung absorbiert und danach wieder zurück in den Austreiber geleitet. Der im Absorber vorherrschende Druck entspricht auch dem im Verdampfer vorliegenden Druck. Lithiumbromid ist bei entsprechender Kühlung bzw. Wärmeabfuhr durch das Kühlwasser wieder bestrebt, Wasser aufzunehmen und zieht den Kältemitteldampf aus dem Verdampfer ab. Die reiche Lösung [Die „arme Lösung“ ist die mit ausgedampftem Kältemittel, reich ist die Lösung wieder, wenn Kältemittel gelöst wurde.] wird daraufhin über die Lösungspumpe zurück in den Austreiber gepumpt.

Abbildung 23:Aufnahme des Kältemittels und anreichern der Lösung

In Abbildung 24ist der komplette Kreislauf, zur besseren Übersicht, in einfachster Ausführung dargestellt.

Abbildung 24: Gesamtprozess mit Lösungsrückführung

Eine gute Animation dieses Prozesses kann hier betrachtet werden Funktionweise Absorptionsmaschine Yazaki.

Bei der einfachsten Grundform, einer stetig arbeitenden Absorptionsmaschine, ist deutlich zu erkennen, dass zwei Kühlkreisläufe notwendig sind. Mit dem Kühlwasserkreislauf wird der Prozess gekühlt und mit dem Kaltwasserkreislauf die gewünschte Kälte erzeugt. In Abbildung 25 tritt die arme Lösung aus dem Austreiber mit hoher Temperatur in den Absorber ein, um dort Kältemittel aufzunehmen. Bei dieser Temperatur kann kein Kältemittel aufgenommen werden und die arme Lösung muss stark abgekühlt werden, was einen zusätzlichen Kühlwasserbedarf bedeutet. Ebenso muss die reiche, gekühlte Lösung im Austreiber erwärmt werden, um das Kältemittel verdampfen zu können. Um diesen zusätzlichen Aufwand zu verringern, wird ein Wärmetauscher verbaut, sodass die heiße, arme Lösung ihre Wärme an die kalte, reiche Lösung abgeben kann und dadurch gekühlt wird. Dabei wird nahezu die zum Verdampfen im Austreiber notwendige Temperatur erreicht.

Abbildung 25:Loesungsrueckfuehrung mit Waermetauscher

Neben diesem Temperaturwechsler besteht die Möglichkeit, durch einen weiteren Wärmetauscher die Kälteleistung zu erhöhen. Hierbei wird zwischen dem kalten Kältemitteldampf des Verdampfers und der vom Verflüssiger kommenden Kältemittelflüssigkeit, Wärme übertragen. Somit wird das flüssige Kältemittel stark unterkühlt und eine Leistungssteigerung hervorgerufen. [2, 3, 5, 8, 10, 11-13]

Zur Beurteilung der energetischen Effizienz einer Absorptionsmaschine dient das Wärmeverhältnis  oder im Englischen auch als COP (Coefficientof Performance) bezeichnet. Diese Kennzahl gibt das Verhältnis von der Kälteleistung zur erforderlichen Heizleistung an.

Bei den meisten Absorptionsmaschinen ist die Leistung der Lösungsmittelpumpe zu vernachlässigen, da sie gegenüber der Heizleistung verschwindend gering ist [3, 5, 39]. Für die reversible Absorptionsmaschine kann der maximal erreichbare COP hergeleitet, und mit dem idealen Carnot-Prozess verglichen werden. Dieser hängt nicht von dem eingesetzten Arbeitsstoffpaar, sondern lediglich von den Betriebstemperaturen, ab. Dies führt zu einfacheren Berechnungsverfahren für den Gütegrad

weiter mit der Herstellerübersicht der einstufigen Absorptionsmaschinen