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Autoren
OldBo
20.08.2021
Bei einer Adsorptionskältemaschine ad- bzw. desorbiert das Kältemittel an einem festen Lösungsmittel (Adsorbens). Dabei wird Wärme bei der Desorption zugeführt und bei der Adsorption entnommen. Das Adsorbens kann im Kreislauf nicht umgewälzt werden, deshalb kann der Prozess nur mit Unterbrechungen ablaufen, es wird ständig zwischen Ad- und Desorption gewechselt.
Adsorptionskältemaschine - Adsorptionswärmepumpe
Adsorptionskältemaschine
 Adsorptionskältemaschine
Quelle: Nishiyodo Mfg
Bei einer Adsorptionskältemaschine ad- bzw. desorbiert  das Kältemittel an einem festen Lösungsmittel (Adsorbens). Dabei wird Wärme bei der Desorption zugeführt und bei der Adsorption entnommen. Das Adsorbens kann im Kreislauf nicht umgewälzt werden, deshalb kann der Prozess nur mit Unterbrechungen ablaufen, es wird ständig zwischen Ad- und Desorption gewechselt.

Die Adsorptionskältemaschine besteht aus einem unter Vakuum stehenden Behälter, der in vier untereinander verbundene Kammern unterteilt ist:
  • der Verdampfer
  • der Austreiber
  • der Sammler
  • der Verflüssiger
Im Verdampfer verdampft Wasser bei niedriger Temperatur im Vakuum. Dem Kaltwasser wird die benötigte Verdampfungswärme entzogen und kühlt damit ab. Der Wasserdampf wird im Sammler aufgenommen. Dabei wird Adsorptionswärme frei, die über einen Kühlturm abgeführt wird. Gleichzeitig zu dem Ablauf wird im Austreiber Wasserdampf ausgetrieben. Dieser Wasserdampf wird dann im Kondensator mit Hilfe von Kühlturmwasser kondensiert und steht zur erneuten Verdampfung zur Verfügung. Bei diesem Kreislaufprozess werden der Austreiber und der Sammler wechselweise in ihrer Funktion betrieben. So kann die Anlage dauerhaft arbeiten.
Funktionsprinzip einer Adsorptionskältemaschine
Schema einer Adsorptionswärmepumpe
 Schema einer Adsorptionswärmepumpe
Quelle: Bosy
Adsorbtionskältemaschine
 Adsorbtionskältemaschine
Quelle: GBU - Glaser
Eine Adsorptionskältemaschine besteht aus zwei mit Sorptionsmittel (Zeolithe, Silikagel, Aktivkohle) gefüllten Arbeitskammern, einem Kondensator und einem Verdampfer. Als Sorptionsmittel wird Silicagel und als Kältemittel Wasser eingesetzt. Der Prozeß arbeitet mit Unterbrechungen und geschlossen.

Ein Arbeitszeitraum hat folgende Arbeitstakte:
1. Das an das Silicagel angelagerte Wasser wird im Wärmeübertrager unter Wärmezufuhr ausgetrieben.
2. Das Wasser wird im Kondensator verflüssigt und Wärme an das Kühlwasser abgeführt.
3. Das Kondensat wird in den Verdampfer eingesprüht und bei starkem Unterdruck verdampft. Dabei wird Wärme aus dem Kaltwasser entnommen und dieses dabei auf die für die Anlage erforderliche Temperatur abgekühlt.
4. Im Wärmeübertrager wird der Wasserdampf adsorbiert und die entstehende Wärme an das Kühlwasser abgeführt.
Durch einfaches Umkehren des Heiz- und Kühlwasserkreislaufs zwischen den Wärmeübertragern werden die Funktionen Austreiber und Adsorber am Ende eines Arbeitszeitraumes vertauscht und der Prozess beginnt von neuem. Im Auslegungszustand dauert ein Arbeitszeitraum 400 Sekunden.

Zwischen zwei Arbeitszeiträumen liegt noch eine Umschaltphase von 20 Sekunden, so dass der Gesamtzeitraum sieben Minuten dauert. Während der Umschaltphase werden beide Kammmern in Reihe durchströmt, so dass auch noch Wärme zurückgewonnen wird.

Im Normalfall wird hierbei nur die sensible Wärme für die Kammeraufheizung zurückgewonnen. Wenn jedoch nur ein geringer Temperaturhub erforderlich ist, beginnt die Adsorption bereits in der Umschaltphase, so daß nicht nur sensible Wärme, sondern auch Adsorptionsenthalpie zurückgewonnen werden kann.
Zeolith-Heizgerät

Eine neue Wärmepumpentechnik verheißt eine sehr hohe Effizienz der Heiztechnik (Anlagenaufwandszahl) ohne auf kostenintensive Erdsonden angewiesen zu sein. Sie ist damit insbesondere für die Gebäudesanierung nach EnEV interessant. In dem Forschungs- und Entwicklungszentrum der Firma Vaillant wurde eine Adsorptionswärmepumpe auf Basis des Stoffsystems Zeolith und Wasser entwickelt. Damit sollen künftig höhere Wirkungsgrade erreicht werden als mit Niedertemperatur- und Brennwertgeräten.

Vaillant bietet seit Anfang 2018 keine Zeolith-Heizgeräte mehr an, da uns die Teile nicht mehr in der gewünschten Qualität zur Verfügung stehen und die generelle Nachfrage nach Zeolith-Heizgeräten eine Produktüberarbeitung nicht rechtfertigt.

SorTech-Kältemaschine
Prinzip - SorTech-Adsorptionskältemaschine
 Prinzip - SorTech-Adsorptionskältemaschine
Quelle: SorTech AG
Aufbau - Adsorptionswärmepumpe
 Aufbau - Adsorptionswärmepumpe
Quelle: Viessman Climate Solution A. S.

Diese Kältemaschine nutzt die Wärme aus Solaranlagen, Kraft-Wärme-Kopplungen, Fernwärme und die Abwärme aus allen möglichen Prozessen als Antriebsenernergie. Sie arbeitet mit festen Materialien (Silikagel oder Zeolith), an die Wasserdampf ad- bzw. desorbiert,  und Wasser als Kältemittel. Sie erzeugen Kälte durch die Adsorption von Wasserdampf an porösen Feststoffen.

Durch die geräuscharme Betriebsweise eigneen sich diese Kältemaschinen besonders gut für die Klimatisierung und Kühlung von Ein- und Mehrfamilienhäusern. Man spricht hier auch von der "solaren und thermischen Klimatisierung".

Funktionsweise

Schritt 1: Desorption – Trocknen des AdsorbensDas Adsorbens (Silikagel oder Zeolith) wird über Wärmetauscher (Verdampfer) mit heißem Wasser getrocknet. Dadurch wird Wasserdampf freigesetzt, strömt in den Kondensator und verflüssigt, wobei Wärme abgegeben wird. Ist das Material ausreichend getrocknet, wird die Wärmezufuhr in den Adsorber gestoppt und die obere Rückschlagklappe schließt sich.

Schritt 2: Adsorption – Anlagerung von Wasserdampf an der Oberfläche des Adsorbens
Nach einer Abkühlungsphase erfolgen die Rückreaktion und die Verdampfung des flüssigen Kondensats. Die untere Rückschlagklappe zum Verdampfer öffnet sich und das getrocknete Adsorbens saugt Wasserdampf an. Durch die Verdampfung wird Kaltwasser erzeugt, das für die Klimatisierung genutzt wird. Während des Adsorptionsprozesses wird Wärme freigesetzt, die abgeführt werden muss.

Schritt 3: Das Kondensat wird wieder dem Verdampfer zugeführt und der Kreislauf ist geschlossen.

Damit ständig Kälte erzeugt werden kann, werden zwei Adsorber antizyklisch betrieben, das bedeutet, während der Desorption eines Adsorbers adsorbiert der andere Adsorber und erzeugt Kälte.

Zuständigkeiten

Das Arbeiten an kältemittelführenden Klimaanlagen darf nach der ChemKlimaschutzV § 5 nur durch zertifierte Personen (Sachkundebescheinigung), die in einem nach nach ChemKlimaschutzV § 6 zertifizierten Betrieb beschäftigt sind, durchgeführt werden.

Arbeiten an und in elektrotechnischen Anlagen dürfen nur von Installationsbetrieben durchgeführt werden, die in das Installateurverzeichnis eines Energieversorgerunternehmens (EVU) bzw. Verteilungsnetzbetreibers (VNB) eingetragen sind. Eine Elektrofachkraft (EFK) darf im eingeschränktem fachbezogenen Bereich Bauteile anschließen.

Die Errichtung einer Trinkwasserinstallation und wesentliche Änderungen an diesen dürfen nur von Installationsbetrieben durchgeführt werden, die in das Installateurverzeichnis eines WVU eingetragen sind.

Alle Arbeiten an Gasinstallationen dürfen nur von Vertrags-Installationsunternehmen (VIU) gemäß § 13 der NDAV (Verordnung über Allgemeine Bedingungen für den Netzanschluss und dessen Nutzung für die Gasversorgung in Niederdruck) durchgeführt werden.

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