Absorptionskälteanlagen

Die Absorptionskälteanlagen unterscheiden sich von den bisher behandelten Kompressionskälteanlagen durch die Art der Energiezufuhr. Die Antriebsenergie wird nicht in Form von mechanischer Energie über Verdichter, sondern unmittelbar als Wärmeenergie in Form von Dampf oder einem anderen Wärmeträger zum Erwärmen und Austreiben des Kältemitteldampfes zugeführt (thermischer Kompressor). Die Absorptionskälteanlagen arbeiten mit Zweistoffgemischen, bestehend aus einem Kältemittel (häufig Ammoniak) und einem Absorptionsmittel (z. B. Wasser). Es ist bekannt, daß die Verdampfungstemperatur bei Zweistoffgcmischen im Gegensatz zu Einstoffsystemen nicht nur vom Druck, sondern auch von der Zusammensetzung abhängig ist. Dampf und Flüssigkeit, die bei gleicher Temperatur im Gleichgewicht stehen, haben eine unterschiedliche Zusammensetzung. Beim Stoffpaar Ammoniak-Wasser ist der Animoniakgehalt der Lösung abhängig von der Temperatur und vom Druck. Die Kältetechnik kennt und verwendet auch andere Kältemittel. Das Absorptionsmittel kann auch ein fester Stoff sein, z. B. Calciumchlorid. Das Stoffpaar Ammoniak-Wasser wird jedoch bevorzugt eingesetzt.

Absorptionskälteanlagen werden in der chemischen Industrie häufig verwendet. Wenn nutzbare Abwärme in den Betrieben anfällt, sind Absorptionskälteanlagen den Kompressionskälteanlagen wirtschaftlich weit überlegen. Hinzu kommt, daß außer einer Lösungspumpe keine beweglichen Anlagenteile vorhanden sind. Damit ist die Störanfälligkeit außerordentlich gering. Wenn man die Funktionsweise der einfachen Absorptionskälteanlage betrachtet, ist zu erkennen, daß sich der Kreislauf von dem einer Kompressionskälteanlage kaum unterscheidet. Auch hier ist ein Verflüssiger, ein Regelventil und ein Verdampfer vorhanden. Anstelle des Kompressors ist der sogenannte thermische Kompressor angeordnet, der aus einem Absorber, einer Lösungspumpe, einem Austreiber und einem Kegelventil besteht. In diesem Nebenkreis strömt das Zweistoffgemisch, beispielsweise Ammoniak-Wasser. Das Absorptions- bzw. Lösungsmittel (Wasser) dient zum Transport des im Absorber aufgenommenen Kaltdampfes (Ammoniak) zum Austreiber. In dem unter Überdruck stehenden Austreiber wird durch Wärmezufuhr - nach Möglichkeit mittels Abdampfs - aus einer etwa 45 %igen Ammoniaklösung Ammoniak ausgetrieben. Das Kältemittel (Ammoniakdampf) wird anschließend in einem Flüssigkeitsabscheider von noch enthaltenen Wasserdampfanteilen befreit. Im Verflüssiger kondensiert der Ammoniakdampf; das Regelventil I bringt das flüssige Ammoniak auf Verdampferdruck. Infolge Wärmeaufnahme aus dem Solekreislauf verdampft wiederum das Ammoniak im nachgeschalteten Verdampfer. Das verarmte Absorptionsmittel {etwa 24 %ig) strömt vom Austreiber über einen Wärmeübertrager und das Regelventil II zum Absorber. Im Wärmeübertrager wird die Temperatur der verarmten Lösung gesenkt, die nach Entspannung in der Lage ist, sich im Absorber erneut mit Ammoniak auf etwa 45 % aufzukonzentrieren. Da bei der Lösung von Ammoniak in Wasser eine positive Lösungswärme frei wird, muß diese durch Kühlung des Absorbers abgeführt werden. Die reiche Lösung im Absorber hat eine niedrige und die arme Lösung eine hohe Temperatur. Um Heizwärme und Kühlwasser zu sparen, ist es zweckmäßig, in einem Gegenstrom-Wärmeübertrager eine Wärmeübertragung zwischen der heißen verarmten und der kalten angereicherten Lösung vorzunehmen. Absorptionskälteanlagen können auch zweistufig betrieben werden.

Dampfstrahlkälteanlagen

Es wurde im Abschnitt Kälteanlagen aufgezeigt, daß das Wasser als Kältemittel ungeeignet sei. Andererseits erfüllt es jedoch weitere an ein Kältemittel gestellte Forderungen nahezu ideal. Es ist billig, ungiftig und ungefährlich, es zeichnet sich durch eine hohe Verdampfungswärme aus. Aus diesen Gründen werden in der Industrie besonders für Temperaturen oberhalb 273 K Dampfstrahlkälteanlagen eingesetzt. Sie sind in der Lage, große Volumina anzusaugen und zu verdichten; auch die Abdichtung gegenüber der Umgebung ist gewährleistet, da keine bewegten Anlagenteile vorhanden sind. Durch eine Treibdüse tritt der Treibdampf in den Darnpfstrahlverdichter ein und expandiert so stark, daß der im Verdampfer benötigte Unterdrück erzeugt und der dort vorhandene Wasserdampf (Kältemittel) abgesaugt wird. Das Dampfgemisch strömt mit hoher Geschwindigkeit in den Diffusor des Dampfstrahlverdichters. Hier wird die Geschwindigkeitsenergie des Dampfgemisches in Druckenergie umgesetzt, um den erforderlichen Verflüssigungsdruck zu erzielen. Im Verflüssiger kondensiert der Wasserdampf. Der Anteil, der aus dem Verdampfer abgesaugt wurde, wird über das Regelventil wieder zurückgeführt, der Rest des Kondensates fließt zum Dampferzeuger. Im Verdampfer kühlt auch das flüssige Kältemittel durch partielle Selbstverdampfung unter Wärmezufuhr ab. Durch eine Pumpe wird das abgekühlte Wasser zum Kühlraum gefördert, nimmt dort die einbrechende Wärmemenge auf und kehrt erwärmt zum Verdampfer zurück. Das warme Wasser wird im Verdampfer versprüht, um eine möglichst große Verdampfungsoberfläche zu erzielen. Mehrstufige Schaltungen und der Einsatz von Abdampf als Treibdampf erhöhen die Wirtschaftlichkeit der Dampfstrahlkälteanlagen. Mehrstufige Dampfstrahlkälteanlagen werden auch als Vakuumkristallisatoren verwendet. Es ist bekannt, daß das Lösungsvermögen der Salze mit sinkender Temperatur stark abnimmt. Die zu kristallisierende Lösung wird in die Verdampfer geführt, das Lösungsmittel verdampft teilweise, und die gekühlte Lösung kristallisiert. Die Dampfstrahlkälteanlagen eignen sich hauptsächlich für Temperaturen oberhalb 273 K. Sollen tiefere Temperaturen erzeugt werden, so kann dem Wasser zur Gefrierpunkterniedrigung ein Salz zugesetzt werden. Es besteht jedoch die Gefahr, daß Salzkristalle in den Verflüssiger mitgerissen werden. Aus diesem Grund kann das Verfahren nur dort angewendet werden, wo das Kondensat nicht zurück in den Dampferzeuger fließt.

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