Techniklexikon

Absorptionskältemaschine

Sorptionskältemaschine, eine Kältemaschine, die auf dem Prinzip der periodischen Austreibung eines Kältemittels aus einer Trägerflüssigkeit (Lösungsmittel) und anschliessender Absorption des nunmehr gasförmigen Kältemittels im Träger beruht. Das Funktionsprinzip ist in Abb. 1 illustriert: Das Kältemittel (z.B. Ammoniak), das zunächst in der Trägerflüssigkeit (z.B. Wasser) gelöst ist (Behälter A) wird bei der gewünschten niedrigen Temperatur zur Verdampfung gebracht, wobei die hierfür benötigte Verdampfungswärme aus der Umgebung (Luft, Kühlgut/ Behälter B) entnommen wird, die sich dadurch abkühlt. Damit die Verdampfung des Kühlmittels nicht zum Erliegen kommt, muss der Kühlmitteldampf kontinuierlich abgeführt werden (Leitung C). Damit letzterer erneut zum Kühlen verwendet werden kann, wird er in einem weiteren Gefäss (D) wieder kondensiert, was durch den Prozess der Absorption des Kältemittels in der Trägerflüssigkeit geschieht. Die bei der Absorption freiwerdende Wärme wird mittels einer Wasserkühlung abgeführt (Behälter E). Zur Rückführung des Kältemittels in den Ausgangsbehälter wird nun Gefäss D mit Hilfe einer zusätzlichen Wärmequelle (F) geheizt, wodurch das Kältemittel erneut aus dem Träger ausgetrieben und verdampft wird. Eine Verflüssigung in A stellt sich ein, wenn der Druck dort grösser als der Verflüssigungsdruck bei der dortigen Temperatur ist.

Während nach dem beschriebenen Prinzip die Gefässe A und B jeweils Doppelfunktionen als Verflüssiger/Verdampfer bzw. Kocher/Absorber erfüllen, was eine Aufteilung des Prozesses in eine Kühl- und eine Heizperiode erforderlich macht, lässt sich bei Trennung der Funktionen (Abb. 2) ein kontinuierlicher Betrieb der Kältemaschine erreichen. Das Kältemittel wird hierbei im Kocher K bei hoher Temperatur (T_H) und hohem Druck (p_C) verdampft. Der Kältemitteldampf strömt über die Trennsäule R, wo mitausgetriebener Lösungsmitteldampf abgetrennt wird, zum wassergekühlten Verflüssiger C (Temperatur T_M), wo er kondensiert und sich dabei abkühlt. Das kondensierte Kältemittel fliesst nun zum Verdampfer V, wobei es im Regelventil auf den der gewünschten Kühltemperatur (T_K) entsprechenden Verdampfungsdruck p₀ entspannt wird. Das Kältemittel verdampft im Verdampfer V, wo es die gewünschte Kälte erzeugt. Der Kreislauf wird im wassergekühlten Absorber A geschlossen, wo der Kältemitteldampf und die vom Kocher kommende, an Kältemittel abgereicherte Träger/Kühlmittelflüssigkeit zusammenkommen. Die Lösung wird auf ihrem Weg vom Kocher zum Absorber über das Lösungsregelventil LV auf den Absorberdruck p₀ entspannt. Zum Schliessen des Kreisprozesses wird die Lösung mittels der Lösungspumpe LP wieder zurück in den Kocher befördert. Unter Annahme idealer Prozessführung (Kreisprozesse in der Kältetechnik) lässt sich nun die Arbeitszahl der Kältemaschine in Abhängigkeit der genannten Temperaturen T_K (Verdampfer), T_H (Austreiber) und T_M (Verflüssiger sowie Absorber) bestimmen. Hierzu stellt man sich die Kältemaschine als eine Kombination aus einer Wärmekraftmaschine WK und einer Wärmepumpe WP vor (Abb. 3). Arbeiten sowohl WK als auch WP als Carnot-Maschinen, so erhält man für die Arbeitszahl . Praktisch gilt stets e < 1. Eine Diskussion realer Absorptionskältemaschinen lässt sich mit Hilfe eines lg-p-1/T-Diagrammes durchführen.  [OP]

Absorptionskältemaschine 1: Prinzipielles Funktionsschema einer Absorptionskältemaschine, A: Verflüssiger/Verdampfer, B: zu kühlendes Volumen, C: Verbindungsleitung, D: Kocher/Absorber, E: Wasserkühlung, F: Heizquelle. In der Kühlperiode (a) wird der zu kühlenden Umgebung durch Verdampfung des Kältemittels Wärme entzogen; der über die Verbindungsleitung zum Absorber abgeführte Kältemitteldampf wird dort absorbiert. In der Heizperiode (b) wird das Kühlmittel im Absorber/Kocher ausgekocht und auf diese Weise erneut dem Verdampfer/Verflüssiger zugeführt.

Absorptionskältemaschine 2: Schema einer kontinuierlich arbeitenden Absorptionskältemaschine, eingezeichnet in ein Druck-Temperatur-Diagramm. Die Trennung der Funktionen Verdampfer/Verflüssiger bzw. Absorber/Kocher ermöglicht den kontinuierlichen Betrieb. Man beachte, dass drei Temperaturniveaus erforderlich sind.

Absorptionskältemaschine 3: Illustration der theoretisch maximal möglichen Arbeitszahl einer Kältemaschine auf der Basis dreier Temperaturniveaus. Die eigentliche Wärmepumpe WP wird von einer Wärmekraftmaschine WK angetrieben.