Eine Absorptionskältemaschine (kurz AKM) ist eine Kältemaschine, bei der im Gegensatz zur Kompressionskältemaschine die Verdichtung durch eine temperaturbeeinflusste Lösung des Kältemittels erfolgt. Man bezeichnet dies auch als thermischen Verdichter. Das Kältemittel wird in einem Lösungsmittelkreislauf bei geringer Temperatur in einem zweiten Stoff absorbiert und bei höheren Temperaturen desorbiert. Bei dem Prozess wird die Temperaturabhängigkeit der physikalischen Löslichkeit zweier Stoffe genutzt. Voraussetzung für den Prozess ist, dass die beiden Stoffe in dem verwendeten Temperaturintervall in jedem Verhältnis ineinander löslich sind. mini|Absorptionskältemaschine mit 1,4 MW Kälteleistung auf einem LKW-Auflieger
Grundlegende Prozesse
mini|Prinzipschaltbild einer Absorptionskältemaschine
Wie jede Kältemaschine ist eine Absorptionskältemaschine eine Wärmepumpe, also eine Vorrichtung, die Wärme von einem (inneren) Bereich mit der Temperatur zu einem (äußeren) Bereich mit der Temperatur transportiert, wobei gilt. Der Zweck der Kältemaschine ist es, im inneren Bereich (z. B. im Inneren eines Kühlschranks oder eines zu kühlenden Gebäudes) die niedrige Temperatur aufrechtzuerhalten oder noch weiter abzusenken. Nach dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ist das nur durch Energiezufuhr von außen möglich.
In der Kältemaschine zirkuliert ein Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf zwischen dem inneren und dem äußeren Bereich. Im inneren Bereich wird im sogenannten Verdampfer Kältemittel verdampft und dadurch der Umgebung Wärme entzogen und die Temperatur gesenkt. Das gasförmige Kältemittel wird in den äußeren Bereich geleitet und dort wieder verflüssigt. Bei Kompressionskältemaschinen geschieht die Verflüssigung durch Erhöhung des Drucks, bei Absorptionskältemaschinen hingegen durch Salzlösungen, die die Fähigkeit haben, Kältemitteldampf zu binden, also zu absorbieren.
Die Lithiumbromid-Absorptionskältemaschine ist eine der am weitesten verbreiteten Arten von Absorptionskältemaschinen. Sie nutzt Wasser (flüssig und gasförmig) als Kältemittel und das Salz Lithiumbromid LiBr in wässriger Lösung einer bestimmten Konzentration als Absorptionsmittel. In einem nahezu evakuierten Verdampfer wird es auf eine Rohrschlange gesprüht und bei ca. 3 °C verdampft. Dabei macht man sich zu Nutze, dass die Verdampfungstemperatur mit sinkendem Druck ebenfalls abnimmt.
Der Wasserdampf wird im sogenannten Absorber von einer LiBr-Lösung absorbiert. Der Absorptionsprozess würde stoppen, sobald die Salzlösung mit Kältemittel gesättigt wäre. Daher muss im dritten Schritt der Salzlösung permanent das Kältemittel entzogen werden. Dazu wird die mit Kältemittel angereicherte Salzlösung in den sogenannten Generator oder Austreiber gepumpt, in dem das Kältemittel durch Hitzeeinwirkung (ca. 80 bis 120 °C) ausgekocht und dabei wieder verdampft wird – allerdings auf deutlich höherem Temperatur- und Druckniveau. Die dabei entstehenden Fluide (die konzentrierte Salzlösung und der Kältemitteldampf) werden anschließend voneinander getrennt.
Das verdampfte Kältemittel wird im Kondensator abgekühlt. Dadurch kondensiert es und kann anschließend wieder dem Verdampfer zugeführt werden. Damit ist der Kreislauf des Kältemittels geschlossen. Die konzentrierte Salzlösung wird in einem zweiten separaten Kreislauf wieder zurück zum Absorber geführt.
Bei Kompressionskältemaschinen erfolgt die zur Erhöhung des Temperaturgefälles notwendige Energiezufuhr üblicherweise durch elektrische Energie, d. h. die mechanische Energie zur Kompression wird durch elektrisch betriebene Kompressoren zugeführt. Bei Absorptionskältemaschinen wird hingegen hauptsächlich thermische Energie zugeführt. Absorptionskältemaschinen haben meistens einen schlechteren Wirkungsgrad als Kompressionskältemaschinen, sind aber dort von Vorteil, wo Wärme günstig oder kostenlos zur Verfügung steht, etwa in Form von Abwärme.
Entwicklung
Der Absorptions-Kältekreislauf gilt als der älteste bekannte technische Prozess zur Kälteerzeugung. Ursprünglich war der Wunsch nach Tiefkühlung der ausschlaggebende Grund dafür, sich im Jahre 1755 mit der Entwicklung von Wärmepumpen zu befassen. Bei den ersten Versuchen von William Cullen, einem Mediziner und Chemiker, wurde Wasser unter Zuhilfenahme von Vakuum gefroren. Ein kontinuierlich arbeitender Gesamtprozess wurde nicht entwickelt.
Erst 22 Jahre später, im Jahr 1777, wurden die Prinzipien der Absorption entdeckt und verstanden. John Leslie entwickelte 1810 eine Absorptionskälteanlage mit dem Kältemittel Wasser und dem Absorptionsmittel Schwefelsäure. Der erste zuverlässig arbeitende Kühlschrank, mit wesentlichen Teilen der Kaltdampfmaschine, wurde 1834 von Jacob Perkins (1766–1849) mit einem mechanisch arbeitenden Kompressor gebaut. Diese Fortschritte wurden am 14. August 1834 in seinem britischen Patent Nr. 6662 Apparatus for Producing Cold and Cooling Fluids eingereicht. Das hochentzündliche Kältemittel Diethylether behinderte die Weiterentwicklung, sodass erst nach seinem Tod das wirtschaftliche Interesse an dieser Erfindung stark anstieg.
1840 wurde von John Leslie eine auf Perkins Patentschrift basierende funktionierende Eismaschine gebaut. Daraufhin wurde 1850 von Edmond Carré eine auf Schwefelsäure und Wasser als Arbeitsmittel basierende Eismaschine industriell hergestellt. In der Weiterentwicklung wurde von Carré das Arbeitsmittelpaar durch Ammoniak und Wasser ersetzt und in seinem Patent 1859 niedergeschrieben. In diesem und den folgenden Patenten beschrieb Ferdinand Carré zum einen periodisch arbeitende Maschinen für sehr kleine Leistungen und zum anderen Maschinen mit großen Leistungen. Diese Patente legten den Grundstein für weitere Entwicklungen und waren die ersten industriell bedeutsamen.
William Thomson konnte 1852 nachweisen, dass Kältemaschinen eher zum Heizen als zum Kühlen eingesetzt werden können. In seiner Veröffentlichung Heating Machine wies er nach, dass bei einer motorbetriebenen Wärmepumpe weniger Primärenergie aufzuwenden ist als bei einer direkten Heizung. Ein weiterer Pionier im Bereich der Absorptionsmaschinen war Charles Tellier, der 1864 seine Anlage mit Dimethylether baute. Diese Entwicklungen wurden bis 1927 weitergeführt, bis der erste Kühlschrank in Deutschland auf den Markt kam.
Die Firma Carrier Corporation begann 1940 mit der Forschung an einer Lithiumbromid/Wasser-Absorptionskälteanlage und führte 1945 die erste große Anlage ein. Diese Einheiten wurden auf 100 bis 700 Tonnen Kapazität ausgelegt und arbeiteten mit Niederdruckwasserdampf als Wärmequelle.
Heutzutage ist in nahezu jedem Wohnmobil und Wohnwagen ein Absorptionskühlschrank verbaut, um unabhängig von elektrischer Versorgung zu sein. Bei diesen Kühlschränken wird die erforderliche Erwärmung durch Verbrennung von Brennstoffen, üblicherweise Propan- oder Butangas erzeugt. Die meisten Geräte erlauben darüber hinaus den wahlweisen Betrieb mit elektrischen Heizpatronen, die sowohl für Netzstrom als auch Bordstrom vorhanden sind. Des Weiteren werden diese Kühlschränke auch in Hotelzimmern eingesetzt, hier allerdings ausschließlich mit elektrischer Energie versorgt, und garantieren die gewünschte Geräuschlosigkeit bei kontinuierlicher Kühlung.
Seit wenigen Jahren sind Absorptionswärmepumpen für den häuslichen und industriellen Gebrauch im Bereich von wenigen Kilowatt bis zu mehreren Megawatt verfügbar. Diese gibt es in unterschiedlicher Ausführung für verschiedene Einsatzbereiche. Reine Wärmepumpen dienen dem Heizen, Kühlen oder einer Kombination von beidem.
Wärmeverhältnis Bei Kälteanlagen wird die Kälteleistung im Verhältnis zur aufgewendeten Energie bewertet. Bei einer AKM wird das Wärmeverhältnis verwendet, das als Quotient der Kälteleistung am Verdampfer zur Heizleistung am Austreiber definiert ist:
Bei Kompressionskälteanlagen (kurz KKM) wird die Leistungszahl EER (energy efficiency ratio), früher C.O.P. (coefficient of performance) verwendet.
Eine alleinige Gegenüberstellung von Wärmeverhältnis der AKM und Leistungszahl EER einer KKM ist nicht sinnvoll, wenn bei der AKM Abwärme genutzt wird und bei der KKM exergiereicher Strom oder Gas. Die unterschiedliche Wertigkeit der in den Prozess eingebrachten Energien (Exergie) muss berücksichtigt werden.
Die Leistungszahl EER bezieht sich auf die aufgewendete elektrische Leistung in einem bestimmten Arbeitspunkt meist 100 %. Ihr Wert verändert sich bei einer Verschiebung des Arbeitspunktes, z. B. der äußeren Temperatur. Deshalb werden bei KKM auch aussagekräftigere Leistungsziffern, die auch die Teillast und sinkende Außentemperaturen berücksichtigen, verwendet (Integrated Part Load Value (kurz IPLV) und Non-Standard Part Load Value (kurz NPLV) nach AHRI Standard 550/590 (Air Conditioning, Heating and Refrigeration Institute (kurz AHRI)); European Seasonal Energy Efficiency Ratio (kurz ESEER) nach Eurovent).
Ammoniak-Wasser-Absorptionskälteanlage In der Ammoniak-Wasser-Absorptionskälteanlage (Diffusionsabsorptionskältemaschine) bildet Ammoniak das Kältemittel, und Wasser wird als Lösungsmittel eingesetzt. Der Vorteil dieser Kombination ist der Einsatz natürlicher Stoffe, die sehr preiswert sind. Es wird je nach Ausführung der Anlage mit oder ohne Inhibitor (bspw. Natriumdichromat) im Lösungsmittelkreislauf konzipiert, um Korrosionen zu vermeiden. Das Wärmeverhältnis der Anlagen ist abhängig von der Verdampfungstemperatur und liegt bei einstufig ausgeführten Apparaten im Bereich von 0,65 (Verdampfungstemperatur = 0 °C) und 0,3 (Verdampfungstemperatur = −50 °C).
Einsatzbereiche Zahlenmäßig am verbreitetsten sind kleine Ammoniak-Wasser-Absorptionskälteanlagen als Kühlschrank im Campingbereich oder Hotelkühlschränke. Großanlagen finden sich traditionell in der Gefriertrocknung und in der chemischen Industrie. Die Anlagen sind vorwiegend als Einzelanlagen kundenspezifisch konzipiert, und die Kälteleistungen liegen im MW-Bereich. Durch Nutzung der Abwärme z. B. von Gasmotoren zur Kälteerzeugung mittels einer Absorptionskälteanlage wurde mit der Kraft-Kälte-Kopplung ein neuer Einsatzbereich für die Anlagen erschlossen. Die Kälteleistung liegt deutlich niedriger als bei den Großanlagen. Es werden daher vorgefertigte Anlagenmodule errichtet, die anschlussfertig in einem oder mehreren Einbaurahmen geliefert werden.
Industrielle Absorptionskälteanlagen mini|Industrielle direkt beheizte Absorptionskälteanlage mit Verdampfungstemperaturen bis −60 °C (Beschreibung siehe Text)