Die Effizienz wunder wirker Der wärmeangetriebene Kaltwassersatz.
Mit Wärme kühlen Adsorptionskälteaggregate von SorTech sind wie Kaltwassersätze aufgebaut. Beim stromangetriebenen Kaltwassersatz wird die Wärme aus dem Kaltwasserkreislauf durch das Kältemittel aufgenommen. Dadurch wird das Kältemittel verdampft. Dieser Kältemitteldampf wird über einen elektrisch betriebenen Kompressor verdichtet. Der Kältemitteldampf mit nun hoher Dichte und hoher Temperatur gibt über einen Wärmetauscher die Wärme an den kälteren Rückkühlkreislauf ab. Dabei kondensiert der Kältemitteldampf und das verflüssigte Kältemittel kann durch erneute Wärmeaufnahme aus dem Kaltwasserkreislauf wieder verdampft werden. Über den Rückkühlkreislauf wird die Wärme über einen Wärmetauscher an die Umgebung oder die Wärmesenke abgegeben. Stromangetriebener Kaltwassersatz Rückkühler Verflüssiger Expansionsventil Antriebsquelle Strom Verdampfer Heißwasserkreislauf (HT) Zu kühlendes Objekt Kaltwasserkreislauf (LT) Rückkühlwasserkreislauf (MT)
Der wärmeangetriebene Kaltwassersatz hingegen nutzt Wärme anstatt Strom, um den Kältemitteldampf mit hoher Dichte und hoher Temperatur über den Rückkühlkreislauf zum Kondensieren zu bringen. Dabei kommt das Adsorptionsverfahren* zur Anwendung. *Als Adsorption (von lat. adsorptio, von adsorbere = (an)saugen) bezeichnet man die Anreicherung von Stoffen aus Gasen oder Flüssigkeiten an der Oberfläche eines Festkörpers oder allgemeiner: an der Grenzfläche zwischen zwei Phasen. Davon unterscheidet sich die Absorption, bei der die Stoffe in das Innere des Festkörpers oder der Flüssigkeit eindringen. Der Oberbegriff für beide Verfahren lautet Sorption. Wärmeangetriebener Kaltwassersatz Rückkühler Wärmequelle Verflüssiger Expansionsventil Verdampfer Heißwasserkreislauf (HT) Zu kühlendes Objekt Kaltwasserkreislauf (LT) Rückkühlwasserkreislauf (MT)
Der Systemaufbau Typische Wärmequellen Typische Rückkühler bzw. Wärmesenken Gängige Kälteverteilsysteme für Heißwassertemperaturen zwischen zur Erreichung von Rückkühlwassertem- für Kaltwassertemperaturen zwischen 55 C und 95 C: peraturen zwischen 20 C und 40 C: 6 C und 20 C: Blockheizkraftwerke Trockene Rückkühler Kühldecken Solarthermieanlagen Hybride Rückkühler Umluftsysteme Brennstoffzellen Nasskühltürme Fancoils Nah- und Fernwärme Adiabate Kühlsysteme Kühlsegel Prozesswärme Erdsonden Fußbodenheizung Wärmespeicher Direktkühlsysteme Swimmingpools Wärmetauscher Brunnen Gewässer Systemdarstellung Wärmequelle 55 95 C Heißwasserspeicher Adsorptionskälteaggregat Pumpengruppe Heißwasserkreislauf (HT) Kaltwasserkreislauf (LT) Rückkühlwasserkreislauf (MT) Rückkühler 20 40 C Kälteverteilung 6 20 C
Beispiele Privathaus mit Solarthermieanlage mit Pelletofen als Wärmequelle, Fan-Coil-System zur Kälteverteilung sowie Erdsonde zur Rückkühlung Bäckerei mit Bäckereiofen als Wärmequelle, Fan-Coil-System zur Kälteverteilung und trockener Rückkühler
Bürogebäude mit Blockheizkraftwerk als Wärmequelle, Fußbodenheizung und -kühlung sowie trockener Rückkühler Rechenzentrum mit Blockheizkraftwerk als Wärmequelle, Rackkühlung (Wärmetauscher) zur Kälteverteilung und Nasskühlturm zur Rückkühlung Industriehalle mit Blockheizkraftwerk als Wärmequelle und Wärme-Kälte-Strahler zur Kälteverteilung sowie Nasskühlturm zur Rückkühlung
Hotel mit Fernwärme als Wärmequelle, Kühldecken zur Kälteverteilung sowie Swimming-Pool zur Rückkühlung Industriehalle mit Prozesswärme als Wärmequelle, Kältespeicher und trockener Rückkühler
Kühlraum mit Blockheizkraftwerk als Wärmequelle, Fan-Coil-System zur Kälteverteilung und Erdsonde zur Rückkühlung Mobiler Container mit Blockheizkraftwerk als Wärmequelle, Fan-Coil-System zur Kälteverteilung und trockener Rückkühler Heißwasserkreislauf (HT) Kaltwasserkreislauf (LT) Rückkühlwasserkreislauf (MT)
Kühlen mit Adsorption Das Adsorptionskälteaggregat besteht aus: Verdampfer mit Kältemittel Kondensator Adsorber 1 Adsorber 2 Der im Adsorptionskälteaggregat ablaufende Prozess kann vereinfacht wie folgt beschrieben werden: Dem zu kühlenden Raum oder Prozess wird über einen Wärmetauscher die Wärme entzogen. Dazu wird der Wärmetauscher mit Kaltwasser durchströmt, das die Raumwärme aufnimmt. Dadurch kühlt sich der Raum ab. Adsorptionskälteaggregat Das erwärmte Kaltwasser wird im Kälteaggregat durch einen Wärmetauscher geleitet und gibt Wärme an das Kältemittel im Verdampfer ab, das dadurch erwärmt wird. Durch die MT Wärmeabgabe des Kaltwassers an das Kältemittel wird das MT Kaltwasser abgekühlt und kann erneut zur Raum- oder Prozesskühlung genutzt werden. Kondensator Das Kältemittel im Verdampfer verdampft aufgrund des Unterdrucks im Adsorptionsaggregat bereits bei sehr niedrigen Temperaturen (6 C 20 C). Die Wärme, die während der Verdampfung dem warmen Kaltwasser und dem flüssigen Kältemittel entzogen wurde, HT Adsorber 1 Adsorber 2 MT ist nun im Kältemitteldampf enthalten. Der Kältemitteldampf strömt in einen Adsorber. HT MT Im Adsorber befindet sich ein mit einem Adsorbens (Silikagel, Zeolith) beschichteter Wärmetauscher. An dem Adsorbens werden der Kältemitteldampf und das flüssige Kältemittel angereichert (adsorbiert). Verdampfer mit Kältemittel (Wasser) Die durch die Anreicherung des Kältemitteldampfs freigesetzte Wärme wird über das Rückkühlwasser aus dem Adsorber abgeführt. LT LT
Dazu durchströmt Rückkühlwasser mit einer Temperatur von 20 C bis 40 C den Wärmetauscher und nimmt die freigesetzte Wärme auf, wodurch sich das Rückkühlwasser erwärmt. Zur Abkühlung des Rückkühlwassers wird die Wärme außerhalb des Kälteaggregates an die Umgebung abgegeben. Ist der Adsorber mit Kältemittel gesättigt, wird der Wärmetauscher mit heißem Wasser (55 C 95 C) aus dem Heißwasserkreislauf durchströmt und das Adsorbens getrocknet. Dabei wird das im Adsorbens gebundene Kältemittel verdampft (desorbiert). Der freigesetzte Kältemitteldampf strömt mit einer Temperatur von 55 C bis 95 C in den Kondensator. Durch die Wärmeabgabe des Heißwassers an das zu trocknende Adsorbens kühlt sich das Heißwasser ab. Zur Adsorptionskälteaggregat Erwärmung des Heißwassers wird diesem außerhalb des Kälteaggregates wieder Wärme zugeführt. Der Wärmeeintrag über das Heißwasser in den Adsorber für MT den Desorptionsvorgang wird auch als thermische Verdich- MT tung bezeichnet. Im Kondensator wird der Kältemitteldampf verflüssigt, in- Kondensator dem die Wärme des Kältemitteldampfes über einen Wärmetauscher aus dem Kondensator abgeführt wird. Dazu durchströmt Wasser aus dem Rückkühlkreislauf mit einer Temperatur von 20 C bis 40 C den Wärmetauscher und MT Adsorber 1 Adsorber 2 HT entzieht dem Kältemitteldampf im Kondensator die Wärme, was eine Erwärmung des Rückkühlwassers bewirkt. Zur Abkühlung des Rückkühlwassers wird die Wärme außerhalb des Kälteaggregates an die Umgebung abgegeben. MT HT Das durch den Wärmeentzug auf 20 C bis 40 C abgekühlte und verflüssigte Kältemittel wird über einen Siphon (Expansionsventil) zurück in den Verdampfer geleitet. Verdampfer mit Kältemittel (Wasser) Um dem Kaltwasser kontinuierlich Wärme zu entziehen und damit kontinuierlich Kälte zu erzeugen, werden zwei Adsorber antizyklisch betrieben: Während ein Adsorber Kältemitteldampf aus dem Verdampfer aufnimmt (Adsorption), gibt der andere Adsorber Kältemitteldampf an den Kondensator ab (Desorption). LT LT
Durch den antizyklischen Betrieb der zwei Adsorber befin- Der Druck im Kälteaggregat beträgt, je nach Zone, zwi- det sich immer genügend Kältemittel im Verdampfer, um die schen 10 mbar und 100 mbar. durch das Kühlwasser zugeführte Wärme aufnehmen zu können. Zwischen Kondensator und Verdampfer sichert ein Siphon (Expansionsventil) den Druckunterschied: Durch eine lokale Durch die Dauer des Adsorptions- und Desorptionsvorgangs Verengung des Strömungsquerschnitts der Leitung zwischen (Zyklen) werden die Wärmeaufnahme aus dem Verdampfer Kondensator und Verdampfer wird der Druck des durchflie- und damit der Wärmeentzug des Wassers im Kaltwasserkreis- ßenden Kältemittels vermindert und damit unter Umständen lauf (Kälteleistung) beeinflusst. eine Volumenzunahme (Expansion) bewirkt. Die Zyklusdauer wird durch die Ventilstellung zur Beaufschla- Der Wirkungsgrad eines Adsorptionskälteaggregates wird gung der Adsorber für Heißwasser oder Rückkühlwasser be- als Thermischer COP (Coefficient Of Performance) bezeichnet stimmt. und definiert das Verhältnis zwischen erzeugter Kälteleis- Die Ventilumschaltung wird über eine Steuerung, in Abhän- tung und eingesetzter Wärmeleistung. gigkeit von einstellbaren Parametern (Kaltwassertemperatur, Kälteleistung und Thermischer COP des Kälteaggregates wer- Kälteleistung, Wirkungsgrad, elektrische Leistungsaufnahme den somit direkt von den Temperaturen, Volumenströmen etc.), geregelt. Ergänzend kann durch die Steuerung Einfluss und Medien (z. B. Wasser, Wasser/Glykol) der drei Wasser- auf die Volumenströme der drei Kreisläufe genommen wer- kreisläufe beeinflusst. Über den Heißwasserkreislauf wird der den. Desorptionsvorgang beeinflusst, über den Rückkühlwasser- Der Kältemitteldampf strömt über Dampfventile (Rückschlagklappen) in die Adsorber bzw. in den Kondensator. Das Öffnen und Schließen der Dampfventile erfolgt durch Druckunterschiede. Die Druckunterschiede entstehen durch unterschiedliche Temperaturniveaus zwischen Verdampfer/ Adsorber und Adsorber/Kondensator. kreislauf der Adsorptions- und Kondensationsvorgang und durch den Kaltwasserkreislauf der Verdampfungsprozess.
Günstige Auslegungstemperaturen Günstige Auslegungstemperaturen für max. Kälteleistung Günstige Auslegungstemperaturen für max. thermischen Wirkungsgrad bei definierten Volumenströmen und Medien sind: bei definierten Volumenströmen und Medien sind: Heißwassertemperatur: möglichst hoch Heißwassertemperatur: möglichst niedrig Kaltwassertemperatur: möglichst hoch Kaltwassertemperatur: möglichst hoch Rückkühlwassertemperatur: möglichst niedrig Rückkühlwassertemperatur: möglichst niedrig Die im Vergleich zur erzeugten Kälteleistung sehr geringe Adsorptionskälteaggregate Stromaufnahme des Kälteaggregates sorgt für eine sehr gute von bis zu 1.700 werden sie in Gesamtsysteme mit typischen Effizienz und sehr geringe Betriebskosten. Das Verhältnis zwi- Pumpengruppen und Rückkühlern integriert, können übli- schen erzeugter Kälteleistung und eingesetzter elektrischer cherweise Jahresarbeitszahlen zwischen 10 und 15 erreicht Energie wird als Jahresarbeitszahl (JAZ) bezeichnet und ist die werden (zum Vergleich: Die JAZ strombetriebener Kaltwas- Kennzahl zur Ermittlung der elektrischen Effizienz. sersätze liegt zwischen 1,5 und 6). erreichen Jahresarbeitszahlen
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