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Absorptionskälteanlagen

Die Absorptionstechnik ist die am häufigsten eingesetzte Technik bei thermisch betriebenen Kälteanlagen.

Funktionsprinzip

Kältemitteldampf gelangt aus dem Verdampfer in einen Absorber und wird dort im Sorptionsmittel („arme Lösung“) bei einem bestimmten Druck absorbiert. Dazu muss Wärme abgeführt werden, denn je kälter die Lösung ist umso höher ist die Aufnahme des Kältemittels durch das Sorptionsmittel. Das flüssige Stoffgemisch („reiche Lösung“) wird mittels Pumpe in den Austreiber geleitet, wo es wieder getrennt wird, das heißt, das Kältemittel muss aus der Lösung „ausgetrieben“ werden. Dazu muss die Lösung erhitzt werden, wobei das Kältemittel aufgrund seines niedrigen Siedepunktes zuerst verdampft und anschließend im Kondensator abgekühlt und wieder verflüssigt wird. Durch eine Drossel (Regelventil) wird das Kältemittel wieder auf ein niedrigeres Druckniveau gebracht und gelangt in den Verdampfer, wo es erneut verdampft. Der Kühleffekt kommt zustande, indem das Kältemittel unter Wärmeaufnahme verdampft. Danach wird der Kältemitteldampf wieder in den Absorber geleitet und der Kreislauf ist geschlossen.

Die Absorptionskältemaschine hat also zwei Kreisläufe: einen Kreislauf zwischen Verdampfer, Absorber, Austreiber und Kondensator und einen zweiten zwischen Absorber und Austreiber. Im zweiten Kreislauf „fließt“ vom Absorber zum Austreiber „reiche Lösung“, gleichzeitig wird vom Austreiber zum Absorber „arme Lösung“ über eine Drossel zurückgeführt. Beide Phasen verlaufen zyklisch, das heißt, zur selben Zeit findet sowohl Ab- als auch Desorption statt.

Wärmequellen sind solarthermische Anlagen oder aber Abwärme aus Industrieprozessen. Für beide gilt, dass ein Temperaturbereich von etwa 75 bis 160 °C bereitgestellt werden muss.

Der Vorteil von Absorptionskältemaschinen gegenüber Kompressionsprozessen liegt darin, dass die Pumpe, um ein höheres Druckniveau zu erreichen, nicht den Druck eines Gases, sondern „nur“ den einer Flüssigkeit erhöhen muss, da nicht wie bei Kompressionsanlagen ein Gas verdichtet werden muss, sondern nach der Absorption die Flüssigkeit. Dieser Vorgang benötigt sehr viel weniger Energie, unter anderem weil Flüssigkeiten eine höhere spezifische Wärmespeicherkapazität als Gase haben.

Die verfügbaren Anlagen können entweder unterschieden werden nach den eingesetzten Stoffpaaren oder aber nach der Antriebstemperatur. Die meisten Anlagen arbeiten mit folgenden Arbeits-Stoffpaaren:

  • Wasser/Lithiumbromid
  • Ammoniak/Wasser

Eine weitere Unterscheidung ergibt sich durch die Verwendung von 1-stufigen und 2-stufigen Absorptionskältemaschinen. „Die 1-stufigen Absorptionskältemaschinen mit Wasser/Lithiumbromid können über einen Solarkollektor mit einer Austreibertemperatur (= Antriebstemperatur) von 75 °C bis 95 °C betrieben werden und erreichen dabei einen COP (Coefficient of Performance) von 0,6 bis 0,8. 2-stufige Absorptionskältemaschinen mit Wasser/Lithiumbromid benötigen eine Austreibertemperatur von 140 °C bis 160°C, erreichen aber dafür einen höheren COP von 0,9 bis 1,2. 1-stufige Absorptionskältemaschinen auf Ammoniak/Wasser-Basis brauchen Austreibertemperaturen von 80 °C bis 120 °C und erreichen derzeit einen COP von 0,3 bis 0,7. (Quelle: Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal Ges.m.b.H., 2007)

Anwendungsgebiete für Absorptionskältemaschinen sind überall dort, wo entweder Abwärme oder genügend Kollektorfläche zur Erzeugung von solarer Wärme zur Verfügung steht.

Typische Einsatzgebiete sind auch aufgrund des großen Platzbedarfs Bürobauten, Hotelanlagen, Krankenhäuser, Betriebe mit viel Abwärme (Druckereien) und die Lebensmittelindustrie, die viel Wärme produziert und gleichzeitig Kälte benötigt.

Eine der weltweit größten solaren Kühlungsanlagen steht in Arizona (USA).

Bei dem Projekt in der Wüste Arizonas erzeugen Kollektoren Heißwasser, das wiederum eine Klimaanlage betreibt. Die fast 5.000 m² große solarthermische Anlage erhitzt mit speziellen Großkollektoren Wasser auf bis zu 100 °C und betreibt damit eine Kältemaschine zur Klimatisierung der Schulgebäude für 2.600 Schülerinnen und Schüler. Umgesetzt wurde das 2016 mit dem Intersolar Award ausgezeichnete Projekt von der österreichischen Solartechnikfirma S.O.L.I.D. (energy-innovation-austria).

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