Abbildung 9:Veranschaulichung Grundbegriffe der Adsorption

Bei diesem Vorgang gibt es keine chemischen Wechselwirkungen beider Stoffe. Die physikalische Absorption ist reversibel und kann unter bestimmten Bedingungen (Wärmezufuhr) zurück in den Originalzustand versetzt werden, das heißt beide Stoffe voneinander trennen.Diese doch relativ schwache Bindung ist ausreichend, um den Prozess der Adsorption und Desorption ablaufen zu lassen. Die Adsorbentien besitzen ein hohes Bestreben das Kältemittel aufzunehmen und durch die hochgradige Porosität kann eine signifikante Menge an Kältemittel adsorbiert werden. Die Oberfläche des Adsorbens enthält nur eine bestimmte Anzahl an Adsorptionsplätzen. Der Quotient aus der Anzahl der besetzten Plätze durch die Anzahl vorhandener Plätze wird durch den Bedeckungsgrad  beschrieben.

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Abbildung 10: Isosterenfeld für das Stoffpaar Silicagel und Wasser sind in [7, 22] einsehbar.

Der ideale Sorptionsprozess für das Stoffpaar Silicagel und Wasser besteht aus vier Abschnitten und wird schrittweise erläutert.

1.    Isosteres Aufheizen (A-B):Silicagel hat im Ausgangszustand A die Beladung  und die Temperatur  bzw. . Durch Wärmezufuhr steigt der Druck von  auf  an und der Adsorber nimmt die Wärme  auf. Die Beladung bleibt während des gesamten Vorgangs konstant und die Zustandsänderung entspricht der von Punkt A nach Punkt B.

2.    Isobare Desorptionsphase (B-C): In dieser Phase wird bei konstantem Wasserdampfdruck  die Silicageltemperatur durch weitere Wärmezufuhr  von außen erhöht. Die Beladung des Silicagels nimmt während dieser Phase auf  ab und erreicht ihren minimalen Wert.

3.    Verflüssigungsphase (E-F):Der aus dem Silicagel ausgetriebene Wasserdampf strömt in den Verflüssiger, gibt Wärme ab und verflüssigt sich dort. Daraufhin wird das Waser weiter in den Verdampfer geleitet.

4.    Isostere Abkühlphase (C-D):Silicagel wird abgekühlt und der Druck dadurch auf  reduziert. Die Beladung bleibt während dieses Vorgangs konstant bei. Sobald der Verdampferdruck erreicht ist, setzt die nächste Phase ein.

5.    Isobare Adsorptionsphase (D-A):Durch weitere Wärmeentnahme und bei konstantem Verdampferdruck kühlt sich Silicagel entsprechend dem Isosterenfeld entlang der Isobaren (D-A) ab. Dabei wird die Adsorptionswärme frei, die mittels eines geeigneten Kühlkreislaufes abgeführt werden muss. Daraufhin absorbiert Silicagel Wasserdampf und die gesamte Beladung steigt auf . Die zur Verdampfung benötigte Phasenänderungswärme des Wassers wird dem Verdampfer von außen zugeführt. Somit ist der Kreislauf geschlossen und der Kreisprozess kann erneut beginnen.

Abbildung 11: Prozesszklus im ln p,1/T-Diagramm für Silicagel und Wasser [7, 19]

 

Thermodynamik des Adsorptionsprozesses

 

• Bei diesem idealen Prozess fallen theoretisch drei nutzbare Wärmeströme auf unterschiedlichen Energieniveaus (Temperaturen) an:
• Kälte im Verdampfer in der Adsorptionsphase,
• Wärme im Adsorber in der Adsorptionsphase,
• Wärme am Kondensator in der Desorptionsphase,
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Der erforderliche Temperaturbereich für die Desorption liegt, je nach Stoffpaar, zwischen 150°C und 300°C [19]. Je höher die Desorptionsendtemperatur ist, desto geringer ist die Restbeladung des Silicagels und umso größer ist die mögliche Wasseraufnahme bei der Adsorption. Daraus ergibt sich der resultierende Beladungshub:

Das Wärmeverhältnis (COP) ergibt sich aus dem Verhältnis der Nutzkälte und der eingebrachten Antriebswärme. Die erzeugte Kälteenergie wird über die Verdampfungsenthalpie von Wasser und Beladungshub berechnet.

Wird die Adsorptionsmaschine als Wärmepumpe betrieben, errechnet sich der COP zu:

Aus der Energie- und Stoffbilanz nach [22] ergeben sich die in Gleichung3-4 und Gleichung 3-5 angegebenen Grenzwerte.

Wegen der aufzuwendenden Bindungswärme bei der Desorption, ist die benötigte Antriebswärme immer größer als die erzeugte Kälteenergie.

Während des Adsorptionsprozesses fällt für die Desorption benötigte, nutzbare Wärme ab.

Wird diese Wärme durch konstruktive Maßnahmen nutzbar gemacht, reduziert sich die zuzuführende Wärme in gleichem Maße.

Um den COP zu erhöhen ist zum einen die Maximierung des Beladungshubes und zum anderen die Minimierung der Antriebswärme zielführend(Gleichung 3‑5).

 

Aufbau und Funktion

 

Bei der Adsorptionsmaschine muss der Kälte- oder Wärmeprozess zyklisch ablaufen. Hierbei werden mindestens zwei physikalisch voneinander getrennte Kammern benötigt. Der Betrieb läuft in drei sich wiederholenden Schritten ab:

1.    Desorption, Trocknen des Adsorbens: Durch Wärmezufuhr der linken Kammer wird das Adsorbens (Aktivkohle, SilicaGel oder Zeolith) getrocknet. Das desorbierte Kältemittel (Wasserdampf) strömt in den Kondensator und wird dort verflüssigt. Bei diesem Vorgang wird Wärme freigegeben. Ist der Feststoff ausreichend trocken, endet dieser Prozess. Während des gesamten Vorgangs befindet sich die rechte Kammer in der Adsorptionsphase.

2.    Adsorption, Anlagerung von Wasserdampf: Kältemittel verdampft im Verdampfer und entnimmt die dafür benötigte Wärme aus dem Kaltwasser, das anschließend für die Klimatisierung genutzt werden kann. Daraufhin wird in der rechten Kammer das verdampfe Kältemittel im Adsorber adsorbiert und gibt dabei Wärme ab. Dieser Prozess ist abgeschlossen, wenn die Adsorptionskapazität der rechten Kammer nichtmehr ausreichend ist.

3.    Wärmerückgewinnung: Die linke Kammer wurde für den Trocknungszyklus stark erhitzt. Diese Wärme wird nun mittels einer geeigneten Wärmerückgewinnung in die kalte, rechte Kammer übertragen. Somit wird die heiße, linke Kammer abgekühlt und die rechte Kammer für den Adsorptionsprozess vorgewärmt.

Kontinuierlicher Betrieb: Um kontinuierlich Kälte / Wärme zu erzeugen, müssen beide Kammern antizyklisch betrieben werden. Das bedeutet, dass die Schritte 1 und 2 immer parallel zueinander ablaufen und nur eine kurze Unterbrechung durch Schritt 3 am Ende eines jeden Zyklus‘ auftritt. Dabei wechseln die beiden Kammern immer zwischen Adsorption und Desorption.

Abbildung 12: Adsorptionskältemaschinenzyklusnach [7, 18, 19]

Der zuvor dargestellte Aufbau (Abbildung 12) hat Konsequenzen auf den Betrieb einer solchen Anlage. Bei der Konstruktion und der Auslegung muss berücksichtigt werden, dass die beiden Prozesse der Adsorption und der Desorption ungefähr in der gleichen Geschwindigkeit ablaufen, um einen kontinuierlichen Betrieb ohne große Ausfallzeiten zu gewährleisten. Bei den bisher ausgeführten Anlagen ist jedoch der Adsorptionsprozess meist langsamer und gibt die Dauer der einzelnen Phasen vor. Bei der Wärmerückgewinnung ist der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung ausschlaggeben für den Gesamtwirkungsgrad der Anlage. Hierbei muss wiederum die Dauer der Wärmerückgewinnung möglichst gering sein, um die Gesamtzyklenzeit nicht unverhältnismäßig zu erhöhen. Durch den zyklischen Betrieb variieren die Leistungen in den einzelnen Heiz- und Kühlsträngen (Abbildung 13). Typische COP-Werte der gängigen und auf dem Markt befindlichen Anlagen für den Kühlbetrieb liegen bei 0,5-0,7. Für den Heizbetrieb ergeben sich COP-Werte von bis zu 1,5.

Abbildung 13: Maschinenzyklus [7, 20]

 

• Vorteile der Absorptions- Kältemaschine:
• Gesundheitlich unbedenkliche, umweltfreundliche Stoffpaare
• Keine Lösungsmittelpumpe notwendig, wenig bewegte Teile und selbstbetätigte Dampfklappen zum Umschalten der Betriebszustände
• Geringer Strombedarf, da Strom nur zur Steuerung benötigt wird
• Keine Kristallisationsgefahr
• Unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen
• Geringe Geräuschentwicklung, da keinerlei Pumpen betrieben werden müssen
• Einfacher Aufbau sollte zukünftig Herstellungskosten reduzieren, Massenproduktion
• Geringe Antriebstemperaturen sind ausreichend>55°C [7]

 

Nachteile der Absorptions- Kältemaschine:

• Kleinerer COP als bei vergleichbaren Absorptionskältemaschinen
•  Hohe Anforderungen an Vakuumdichtigkeit der Behälter. Am Markt erhältliche Lösungen nutzen den Wärmetauscher der Kammern um die Außenkonstruktion zu verstärken und gegen Atmosphärendruck zu schützen.
• Hoher Aufwand zur Vermeidung nicht kondensierbarer Gase
• Bisher nur eine geringe Anzahl an Herstellern und daraus resultierende geringe Auswahl an Maschinen
• Im mittleren und großen Leistungsbereich sind die Adsorptionskältemaschinen im Allgemeinen sehr schwer und teuer·        
• Prozessbedingte zyklische Temperaturschwankungen müssen mit geeigneten Maßnahmen abgefangen und nivelliert werden
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Abbildung 14:Hersteller von Adsorptionsmaschinen [18, 19, 71-74]

 

weiter mit dem Funktionsprinzip

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