Neue Generation von Absorptionskälteanlagen*

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1 Schlüsselwörter: Absorptionskälteanlagen (AKA), Ammoniak-Wasser, neue Generation, hohe Kälteausbeute, gleitende Temperatur der Wärmeversorgung, geringe Betriebskosten, Kraft- Wärme-Kälte-Kopplung, umweltverträglich Die Rahmenbedingungen für die Absorptionskältetechnik sind günstig wie lange nicht. Die erreichten und veröffentlichten Fortschritte sowie die Nutzung einer sog. Mitteldruckstufe führen zu einer tieferen Auskühlung der Wärmeträger bis 70 C und zu einer höheren Kälteausbeute von Wärmeangeboten. Die Innovationen begründen eine neue Generation von AKA. A new generation of absorption refrigeration units Keywords: Absorption refrigeration units, ammonia-water, new generation, high efficiency, gliding temperatures before heat providing, small service costs, power-heat-refrigeration-coupling, advantage surrounding world The concomitant conditions before the absorption refrigeration are very good. The get-at-able innovations and the use of the middle-pressure stage imply a deeper cooling of heatsource and to a better use of heat offers till 70 C. The innovations confirm a new generation of absorption refrigeration units. The series mass production will be prepare in this time. Neue Generation von Absorptionskälteanlagen* Kriterien und Rahmenbedingungen Noch vor wenigen Jahren bestimmten die Anschaffungskosten allein den Verkauf von Kälteanlagen. Daher dominiert die Kompressionskältetechnik in Gewerbe und Industrie. Die Klagen über zunehmende Betriebskosten durch hohe Stromtarife werden lauter. Viele Betreiber befinden sich in der Kostenfalle (Tab. 1). In Branchen mit hohem Kältebedarf wie Kühlhäuser, Brauereien, Lebensmittelindustrie und Supermärkte steigt das Interesse an Absorptionskälteanlagen (AKA). Absorptionskälte genießt wieder hohes Ansehen. Es müssen aber nach langer Durststrecke in der Branche neue Kapazitäten im Anlagenbau aufgebaut werden und es muss ein zeitgemäßer Stand der Technik entwickelt und realisiert werden. Die Komponenten für AKA wurden beachtlich weiterentwickelt und müssen nun in Anlagen mit neuer Technik umgesetzt werden, wobei sich diese Technik bereits bewährt haben soll. Der Serienbau für die Baugrößen 40 bis 60 kw Kälte und 250 bis 300 kw Kälte wird zur Zeit vorbereitet und dürfte ab 2013 kommerziell verfügbar sein. (Tab. 2). Tabelle 1: Vergleich der Verfahren zur Kälteerzeugung Insgesamt ist festzustellen, dass die Rahmenbedingungen eine hohe Triebkraft in Richtung Absorptionskälte bewirken, der sich Betreiber mit hohem Anteil an Betriebskosten durch Kältebedarf nicht mehr entziehen können. Absorptionskälte wird künftig unverzichtbar, ob wir es wollen oder nicht! Dezentrale Energieerzeugung mit Wärmeüberschuss braucht Absorptionskälte! Die Renaissance der Absorptionskältetechnik Die Erzeugung von Kälte mit einem um 96 % geringeren Stromverbrauch gegenüber der Kompressionskälte ist eine reizvolle Aufgabe. Kälteanwender, die unter der Last hoher Strompreise bzw. Betriebskosten leiden (Kühlhäuser, Brauereien) und alle, die sich um die Vermeidung von CO 2 -Ausstoß in die Atmosphäre bemühen, werden das begrüßen. Aber diese Hoffnungen werden nur mittel- und langfristig erfüllt. Die Renaissance der Absorptionskältetechnik wird sich durch Entwicklung von Standardanlagen für die Serienfertigung vollziehen, die nach Kälteleistung gestuft sind und die Verdampfungstemperatur als Subparameter enthalten. Vergleich Kompressionskälte Absorptionskälte 1. Rückverdichtung der Kältemitteldämpfe Mechanische Verdichtung 2. Energiebasis 100 % elektrische Energie 3. Kältemittel Große Vielfalt, ständiges Streitthema Thermische Verdichtung über Absorption und Desorption 4 % elektrische Energie Wärme mäßiger Temperatur Arbeitsstoffpaar Ammoniak und Wasser als feste Stoffwertebasis Tabelle 2: Rahmenbedingungen, Kostenentwicklung, Prognose *Deutscher Kältepreis Kategorie 1 (Kälte- oder klimatechnische Innovation) März 2012 Autor Dr.-Ing. Hans Förster, IFM Ingenieurbüro Magdeburg Vortrag, gehalten zur DKV-Tagung 2012 in Würzburg Entwicklungen Ausstieg aus der Kernenergie Erneuerbare Energien werden ausgebaut Kältemitteldiskussion Umweltschutz, Brandgefahr Sicherheitsanforderungen Anschaffung von BHKW für die Eigenstromerzeugung infolge hoher Strompreise Betriebskostenreduzierung durch Absorptionskälte CO 2 -Ausstoß in die Atmosphäre Wirkungen Strompreis steigt, AKA im Aufwind Strompreis steigt, AKA im Aufwind Natürliche Kältemittel wie NH 3 und CO 2 im Vorteil Keine Direktverdampfung sondern Kälteträger Nutzungszwang für Begleitwärmen von BHKW fördert Absorptionskälte Überwindung von Vorurteilen gegenüber Ammoniak und Investition in AKA Geht bei Nutzung der Begleitwärmen aus BHKW von 100 % (Kompressionskälte) auf 4 bis 5 % (Absorptionskälte) zurück 12 KI Kälte Luft Klimatechnik

2 Obwohl AKA gut regelbar sind, wird man diese als Grundlasterzeuger für Kälte einsetzen, weil der Auslastung der BHKW Priorität zukommt. Werden BHKW, die mit AKA zur Kälteerzeugung gekoppelt sind, für den Ausgleich von Defiziten im Stromnetz geschaltet, kann es auch zu Bilanzüberschüssen von Kälte bei Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung kommen. Sind Kältespeicher nicht verfügbar, muss eine zeitweilige Entkopplung und die Zuschaltung der Notkühlung des BHKW erfolgen. Von diesen Sonderfällen abgesehen, wird die Absorptionskältetechnik für die Durchsetzung der Kraft-Wärme-Kälte- Kopplung und für die Energiewende unverzichtbar werden. Die Renaissance der Absorptionskältetechnik kommt. Neue Generation von Absorptionskälteanlagen im Bereich der Verdampfungstemperatur unter 0 C bis -30 C Der anspruchsvolle Begriff einer neuen Generation von AKA muss natürlich begründet sein. Dazu gibt es eine Reihe patentierter Lösungen, über die in früheren Publikationen berichtet wurde. Hinzu kommen Lösungsvorschläge der Klassiker der Absorptionskältetechnik, die weitgehend im Grundschema der einfachen AKA enthalten sind (Abb. 1). Die Merkmale der neuen Generation von Absorptionskälteanlagen sind: Auskreisung von Kältemittel über einen Entgaser mit Kältemittelunterkühlung ohne Energieverluste durch Auskreisung [1, 2] (Abb. 1), Ersatz des stehenden Rektifikators durch einen liegenden gekühlten Dampfkonzentrierer [3], Verwendung der Lösungsrückführung nach Altenkirch im Desorber [4, 5], Verwendung einer Mitteldruckstufe für die Sicherung einer stark verbesserten Kälteausbeute bei gleichem Wärmeangebot und insbesondere für größere Kälteleistungen [6], Überfluteter Rohrbündel-Verdampfer zur Voreindickung der wässrigen Anteile vor der Auskreisung zum Entgaser. Diese Optimierungen erhöhen die Effizienz von AKA und bestimmen den innovativen Inhalt der neuen Generation von AKA. Die Ausführung von AKA nach Abb. 1 ist verbesserungsfähig. Es zeigt sich nach Abb. 2 für den Lösungskreislauf, eingetragen im Nesselmann-lg p/ - 1/T - Diagramm, dass die einfache AKA nach 1 Schema einer einstufigen AKA nach Verfahren IFM 2 DK - Dampfkonzentrierer LP - Lösungspumpe D - Desorber C - Verflüssiger LR - Lösungsrückführung KS - Kältemittelsammler A - Absorber E - Entgaser LS - Lösungssammler V - Verdampfer KW - Kühlwasser WT - Wärmeträger KT - Kälteträger TW - Temperturwechsler für Lösungen N - Nachkühler (Überhitzung Kaltdämpfe) Darstellung des Lösungsumlaufes einer AKA mit zwei Verdampfungs-Stufen oder Booster im lg p, - 1/T- Diagramm nach Nesselmann Tabelle 3: Bewertung und Vergleich zur Auskühlung des Wärmeträgers und zur Kälteausbeute Rechenbeispiel ζ = 0,6 = 143 C T TU = 20 C P D = 14 bar Größe Einheit ohne MD-Teil mit MD-Teil mit MD-Desorber Endtemperatur Wärmeträger C ,5 70 T WTE Auskühlung K 20 48,5 73 T WTE Theoretische Auskühlung K 123 T Wu Auskühlungsgrad T WTE - 0,1626 0,3943 0,5935 T WTu Kälteausbeute α - 0, ,2366 0, KI Kälte Luft Klimatechnik

3 3 Definition des Begriffes Kälteausbeute mit Hilfe des Auskühlungsgrades Wärmeverhältnis einer AKA: ζ = Q O Q W Kälteausbeute α einer Wärmequelle mit gleitenden Temperaturen: α = TWTA - T U. ζ 4 Kälteteil mit Vorverdampfer Abb. 1 zu sehr schmalen Konzentrationsund Temperaturintervallen führt (roter Linienzug in Abb. 2). Entsprechend gering ist die Auskühlung des Wärmeträgers oder anders formuliert die Kälteausbeute bei gleicher Wärmeträgermenge und Vorlauftemperatur. Bewertung der Verbesserungen des Gesamtsystems Es reicht nicht, den Kreisprozess der AKA separat zu bewerten. Die Verfahrensführung hat Auswirkungen auf die nutzbare Wärmeleistung des Wärmeträgers und damit auf die Kälteausbeute bei gleicher Wärmeträgermenge sowie gleicher Vorlauftemperatur des Wärmeträgers. Die Bewertung des Gesamtsystems aus Wärmeversorgung und Energieumwandlung soll mithilfe der folgenden Ansätze ermöglicht werden (Abb. 3): Auskühlung des WT: Theoretische Auskühlung des WT: - T U Auskühlungsgrad: - T U Eine tiefere Auskühlung auf T WTE2 entsteht durch eine 2. Absorptionsstufe bei höherem Druck (grüner Linienzug im Nesselmanndiagramm Abb. 2). Im gezeichneten Beispiel ist der Absorberdruck mit p A = 1,4 bar (abs) vorausgesetzt, das heißt T O1 = -26,7 C Verdampfungstemperatur. Der Druck im 2. Absorber liege bei 3,5 bar (abs) entsprechend einer Verdampfungstemperatur von T O2 = -5,3 C. Bei gleicher Kühlwasservorlauftemperatur ist auch die Temperatur am Ende der beiden Absorptionsstufen gleich. Mit einem vorausgesetzten Desorberdruck von 14 bar (abs) ergibt sich bei nur einer Absorptionsstufe eine Desorptionsanfangstemperatur T DA1 = 113 C. Mit einer Triebkraftdifferenz von 10 K ist die Auskühlung des Wärmeträgers auf T WTE1 = 123 C möglich. Die Nachrüstung einer 2. Absorptionsstufe bei 3,5 bar (abs) ergibt beim Desorberdruck 14 bar (abs) eine Desorptionsanfangstemperatur T DA1 von 84,5 C. Die Auskühlung des Wärmeträgers ist dann bei gleicher Temperaturdifferenz auf T WTE2 = 94,5 C möglich. Die berechneten Werte sind enthalten in Tab. 3. Die Kälteausbeute α ist mit der 2. Absorptionsstufe um das 2,42-fache größer als ohne die 2. Absorptionsstufe bei Mitteldruck von 3,5 bar (abs). Dieses Ergebnis zeigt, dass es bei der Nachrüstung einer 2. Absorptionsstufe um einen hohen Gewinn an Kälte geht, wenn die Wärme mit gleitenden Temperaturen zur Verfügung steht. Alternativen zur Ausführung des Mitteldruckteils Es geht um die Frage, wie man den Dampfbedarf der 2. Absorptionsstufe vorteilhaft decken kann, um deren Vorteile auszuschöpfen und den hohen Zuwachs an Kälteausbeute zu sichern. Bekannt ist die 2. Verdampferstufe zur Kälteerzeugung mit verschiedenen Verdampfertemperaturen und zwei Absorptionsstufen, wenn der Kältebedarf in einem breiten Temperaturbereich besteht (Abb. 4). Dieser Weg ist empfehlenswert 14 KI Kälte Luft Klimatechnik

4 und einfach. Natürlich wird man selten Bedingungen vorfinden, mit denen der Dampfbedarf beider Absorber vollständig gedeckt werden kann. Auch eine teilweise Bedarfsdeckung ist hilfreich. Der fehlende Differenzbetrag der 2. Absorptionsstufe kann mit einem mechanischem Verdichter von p O1 auf p O2 gefördert werden. In diesem Druckbereich sind die mittleren Dichten des Dampfes gering, das Druckverhältnis und die Druckdifferenz zwischen p O1 und p O2 sind es auch. Damit ist der Bedarf an elektrischer Energie eines solchen Boosters gering. Weil ein Teil des Dampfes aus dem Niederdruckverdampfer vom Booster abgesaugt wird, muss die Leistung des Niederdruckabsorbers geringer werden. Der mechanische Verdichter fördert voraussetzungsgemäß ölfrei und ist gut regelbar. Wenn der Kältebedarf bei höheren Verdampfungsdrücken nicht besteht, kann man auf den Niederdruckabsorber ganz verzichten und arbeitet ab Niederdruckverdampfer ausschließlich mit dem Booster auf den Druck des Hochdruckabsorbers. Wegen des Schwankens der Kälteleistung muss der Booster gut regelbar sein. Eine interessante Alternative ist die Erzeugung des Dampfbedarfes für den Hochdruckabsorber durch einen Mitteldruckdesorber, der beim Druck des Hochdruckabsorbers arbeitet, wobei dieser wegen der Resorption der Dämpfe des Mitteldruckdesorbers auch als Resorber bezeichnet wird. Die reiche Lösung des Absorbers wird aufgeteilt auf den Mitteldruckdesorber und zum anderen Teil auf den Resorber für die Resorption des Mitteldruckdampfes [6]. Für die Erzeugung des Mitteldruckdampfes ist Wärme von 90 C ausreichend, wie man nach Abb. 5 (blauer Linienzug) entnehmen kann. Da die Auskühlung des Wärmeträgers im Hochdruckdesorber nur bis 94,5 C möglich ist, wie im Beispiel gezeigt wird, kann die weitere Auskühlung bis 70 C im Mitteldruckdesorber erfolgen. Das wird möglich, weil die Desorptionsanfangstemperatur des Mitteldruckdesorbers nach Abb. 5 bei 61,5 C liegt. Bei Nutzung von BHKW-Abwärmen kann die mit 90 C anfallende Motorkühlwärme auf 70 C durch den Mitteldruckdesorber zurückgekühlt werden. Im Hochdruckdesorber wird mit Rauchgas- Wärme geheizt, die mittels Wärmeträger zur AKA transportiert wird. Auf diese Weise kann dem Wunsch der BHKW- 5 Darstellung des Lösungskreislaufes mit Mitteldruckteil und Mitteldruck- Desorber für Auskühlung des Wärmeträgers auf 70 C 6 Dampfkonzentrierer kleiner Bauart Branche entsprochen werden, die Motorkühlwärme mit 90 C jahreszeitlich uneingeschränkt zu nutzen. Natürlich kann der Begehrlichkeit nach Heizwärme für die Winterperiode durch Abgabe der Motorkühlwärme entsprochen werden. Die Deckung des Dampfbedarfes für den Resorber kann dann ersatzweise mithilfe eines mechanischen Verdichters als Booster mit Entlastung des Absorbers gedeckt werden. Weil der Heizwärmebedarf in der Regel sehr schwankt, muss der Booster auch durch Regelung angepasst werden können. Schraubenverdichter mit Flüssigkeitseinspritzung können das. KI Kälte Luft Klimatechnik

5 7 Vorgänge im Dampfkonzentrierer dargestellt im Merkel-Diagramm Es ist festzustellen, dass die Vorteile einer hohen Kälteausbeute durch eine 2. Absorptions- bzw. Resorberstufe gesichert werden können. AKA werden durch diese Vielseitigkeit auch zum Instrument künftiger Energiewirtschaft mutieren und für die BHKW-Branche eine unverzichtbare Chance für die Kraft- Wärme-Kälte-Kopplung werden [7]. Die dezentrale Energieerzeugung wird davon stark profitieren. Ablösung der adiabaten Rektifikation der Desorberdämpfe durch einen nichtadiabaten horizontalen Dampfkonzentrierer Adiabate Verstärkersäulen sind bei der thermischen Trennung üblich. Ihre Ablösung ist aber für Anlagen in Serienfertigung mit sonst ausschließlich horizontalen Strukturen unverzichtbar. Das Entwicklungsergebnis ist der Dampfkonzentrierer. Kühlung und Stoffaustausch in der gekühlten Sprudelschicht laufen parallel ab. Die Intensivierung des Wärme- und Stoffaustauschs in horizontalen Apparaten mit unterteilten Kontaktzonen führt zu kleineren und kostengünstigen Apparaten. In Abb. 6 ist ein Dampfkonzentrierer für kleine Dampfströme, d.h. kleine Anlagen, dargestellt. Dampf tritt über seitliche Schlitze in ein gekühltes Flüssigkeitsbad ein, in dem Kühlrohre angeordnet sind. Diese liegen damit in einer Sprudelschicht mit sehr guten Wärmeübergangsbedingungen. Das Flüssigkeitsbad wird in Zonen mit abnehmender Flüssigkeitstemperatur und zunehmender Flüssigkeitskonzentration aufgeteilt. An der Stelle mit der geringsten Temperatur und der höchsten Flüssigkeitskonzentration wird der Dampf mit der Gleichgewichtskonzentration der Dampfphase gekühlt abgezogen. Dampfkonzentrierer sind kleiner, kompakter und preiswerter als die klassischen Rektifikatoren und werden auf liegende Desorber aufgesattelt. Durch den gewählten Terminus Dampfkonzentrierer sollen die erheblichen Unterschiede zur klassischen Rektifikation mithilfe einer Verstärkersäule verdeutlicht werden. Auch ein äußerer Rücklauf entfällt. Abb. 7 zeigt grün gestrichelt die Abnahme der Temperatur des Flüssigkeitsbades auf einer Isobaren durch Kühlung, die Zunahme der Konzentration in die- sem Bad und die Gleichgewichts-Dampfkonzentration, gezeichnet bis zum Wert 99 %. Der Sollwert 99,8 % wird mühelos erreicht. Literatur [1] Förster, H.: Abwärmebeheizte Absorptionskälteanlage. HK-Gebäudetechnik (Schweiz). 1 (2003) 6-7, S [2] Förster, H.: Entwicklung und Erprobung einer abwärmebeheizten Absorptionskälteanlage für Verdampfungstemperaturen von -10 bis -25 C im Leistungsbereich 40 kw Kälte. DKV- Tagung Magdeburg (2002) Vortrag AA.II.1.19 [3] Förster, H.: Betriebserfahrungen mit Klein- Absorptionskälteanlagen für das Arbeitsstoffpaar Ammoniak-Wasser. DKV-Tagung Hannover (2007) Vortrag II.1.17 [4] Altenkirch, E. : Absorptionskältemaschinen. VEB Verlag Technik Berlin (1954) [5] Niebergall, W.: Sorptions-Kältemaschinen Handbuch der Kältetechnik, Band 7, (1959) S. 15. Herausgeber R. Plank [6] Förster, H.: Effizienzsprung für die absorptive Kälteerzeugung zwischen 0 und -30 C. KI Kälte, Luft, Klimatechnik 45 (2009) 10, S. 24 [7] Absorptionskälteanlagen der Neuen Generation: Für eine ideale KWKK. KK Die Kälte + Klimatechnik (2012) 5, S KI Kälte Luft Klimatechnik