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.
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.
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.
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.