Adsorptionskältemaschine

Eine Adsorptionskältemaschine ist eine Sorptions-Kältemaschine, die mit einem festen Sorptionsmittel arbeitet. Solche Sorptionsmittel sind z.B. bekannt als Aktivkohle, Zeolith, Silikagel u. ä., also Stoffe, die sehr feinporös sind und demzufolge eine sehr große innere Oberfläche besitzen, an der sich ein gasförmiges Fluid in nur wenigen Moleküllagen anlagert. Diese Anlagerung an einen Feststoff wird in der Verfahrenstechnik als Adsorption bezeichnet. Physikalisch-energetisch gesehen entspricht sie einer Kondensation, weshalb bei diesem Vorgang Kondensationswärme frei wird. Den umgekehrten Vorgang bezeichnet man dementsprechend als Desorption, für den Verdampfungswärme aufgebracht werden muss.

Die Adsorptionskältemaschine besteht aus einem Ad-/Desorber und einem Verdampfer/Kondensator, die in einem gemeinsamen Behälter untergebracht oder mit einem Rohr miteinander verbunden sind.

Der wesentliche Unterschied zu einer Kältemaschine allgemeiner Art besteht darin, dass das feste Sorptionsmittel nicht umgewälzt werden kann und deshalb sowohl Ad- und Desorber als auch Verdampfer/Kondensator jeweils aus demselben Apparat bestehen, ihre jeweilige Funktion jedoch zeitversetzt erfüllen. Infolgedessen ist die Adsorptionskältemaschine eine diskontinuierlich arbeitende Kältemaschine, die in einer Phase die Adsorption mit der Verdampfung, in der anderen die Desorption mit der Kondensation verknüpft. Wegen dieser zeitlichen Trennung der Phasen eignet sich dieser Prozess auch zur Kältespeicherung (siehe unten).

Bei der Adsorption wird infolge der Aufnahme des Kältemittels im Sorptionsmittel der Druck im Behälter abgesenkt und entsprechend bei der Desorption wieder angehoben, wodurch der Siedepunkt zwischen zwei Werten hin und her wandert. Damit ist die Grundvoraussetzung für eine Kältemaschine gegeben.

Das Bild zeigt das Funktionsprinzip einer diskontinuierlich arbeitenden Adsorptionskältemaschine.

Zum Transport des Kältemittels ist lediglich eine entsprechende Temperierung des Sorptionsmittels erforderlich. Führt man diesem Wärme geeigneter Temperatur zu, so findet eine Desorption statt, d.h. das Kältemittel wird aus den Poren ausgetrieben und kondensiert im Verdampfer/Kondensator, der als Kondensator fungiert, indem die Kondensationswärme bei hoher Temperatur abgeführt wird. Wird danach die Temperatur im Sorptionsmittel und damit der Druck abgesenkt, so fungiert es als Adsorber, indem es das Kältemittel als Dampf "ansaugt". Dieser entsteht im Verdampfer/Kondensator, indem diesem bei niedriger Temperatur Wärme zugeführt wird. Die Sorptionswärme muss dann bei niedriger Temperatur aus dem Sorptionsmittel abgeführt werden. Die externen Wärmetransportmedien werden dazu sowohl auf der Ad-/Desorberseite als auch der Verdampfer-/Kondensatorseite synchron umgeschaltet.

Der Vorteil dieses Prozesses liegt darin, dass sein Ablauf allein durch die Temperierung des Sorptionsmittels erfolgt. Deshalb kann der Behälter hermetisch und gasdicht abgeschlossen sein. Bei Verwendung von z.B. Wasser als Kältemittel arbeitet die Adsorptionskältemaschine immer im Unterdruckbereich. Der apparative Aufbau ist relativ einfach, weil für Ad-/Desorber und Verdampfer/Kondensator nur jeweils ein Apparat erforderlich ist.

Alternativ dazu kann die Leistung auch durch Regelung des Kältemittelstroms eingestellt werden, wenn Ad-/Desorber und Verdampfer/Kondensator in mit einem Rohr verbundenen getrennten Behältern untergebracht sind, indem in diesem Rohr ein Gasmengenregelventil sitzt. Das desorbierte Adsorbens "saugt" dann die am Regelventil eingestellte Kältemittelmenge bis zur Sättigung an und entzieht damit dem Verdampfer die Verdampfungswärme. In dieser Form kann der Apparat auch als Kältespeicher, z.B. transportabel, fungieren, der wiederaufladbar ist, indem das Sorptionsmittel an einer Ladestation bei Bedarf desorbiert wird.

Der Nachteil liegt vor allem darin, dass wegen der Umschaltung der Apparate "Totwärme" hin und her verschoben wird. Deshalb muss die apparative Konstruktion sorgfältig mit minimalen Wärmekapazitäten ausgeführt werden. Es ist auch vorgeschlagen worden, die Adsorptionskältemaschine mehrstufig auszuführen, was den Prozesswirkungsgrad deutlich verbessert, den apparativen Aufwand allerdings auch erhöht.

Siehe auch: Zeolith-Kühltechnik