Adsorptionskältemaschine
Eine Adsorptionskältemaschine bzw. adsorptionsgetriebene Kältemaschine (engl. adsorption driven chiller, ADC) dient der Kälteerzeugung und beruht auf der reversiblen Adsorption eines Aktivstoffes in eine Wirtstruktur.[1][2] Dabei verdampft der Aktivstoff (z. B. Wasser, Methanol und Ethanol) durch Energieaufnahme aus der Umgebung, die dadurch abkühlt, und wird von der Wirtsstrukturen (prinzipiell alle porösen Materialien, häufig Zeolithe, MOFs, Aktivkohlen oder Silikagele) aufgenommen, die Wirtsstruktur erwärmt sich dabei.[2]
Adsorption und Desorption
Die Anlagerung an einen Feststoff wird in der Verfahrenstechnik als Adsorption bezeichnet und die Desorption dementsprechend als Lösen von einem Feststoff. In einer Adsorptionskältemaschine wird das Kältemittel so gewählt, dass mit der Ad- bzw. Desorption eine Aggregatzustandsänderung einhergeht.
Da die Adsorption des Kältemittels eine Kondensation beinhaltet, wird sie von niedriger Temperatur und hohem Druck begünstigt, verringert das Volumen des Kältemittels und setzt Energie in Form von Wärme frei. Die Desorption beinhaltet das Gegenteil der Kondensation (Verdampfen) und hat den gegenteiligen Effekt. Dies führt bei gleichbleibendem Druck dazu, dass die Temperatur immer dem Siedepunkt des Kältemittels entspricht, vorausgesetzt, es ist noch Kältemittel in beiden Aggregatzuständen vorhanden. Damit ist die Grundvoraussetzung für eine Kältemaschine und für einen Wärmespeicher gegeben.
Da sich das Kühlmittel an das Sorptionsmittel anlagern soll, eignen sich vor allem Stoffe, die sehr feinporös sind und demzufolge eine sehr große innere Oberfläche besitzen. Diese Bedingung erfüllen unter anderem folgende Stoffe:[1]
- Zeolithe
- Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs, z. B. CAU-10-H, Al-MIL-53-FUM oder MIL-160)[2][3][4]
- Siliziumaluminiumphosphate (SAPOs, z. B. SAPO-34)[5]
- Aktivkohle
- Silikagel
Die Aktivstoffe werden dem Einsatzzweck entsprechend gewählt, dabei können unter anderem folgende Substanzen Anwendung finden:[1]
Aufbau
Die Adsorptionskältemaschine besteht aus einem Ad- bzw. Desorber und einem Verdampfer bzw. Kondensator, die in einem gemeinsamen Behälter untergebracht oder mit einem Rohr miteinander verbunden sind. Der Vorteil der Sorption liegt darin, dass der 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- bzw. Desorber und Verdampfer bzw. Kondensator nur jeweils ein Apparat erforderlich ist.
Funktionsweise
Der wesentliche Unterschied zu einer Kältemaschine üblicher Art besteht darin, dass das Sorptionsmittel in fester Form nicht umgewälzt werden kann. Deshalb müssen sowohl Ad- als auch Desorber als auch Verdampfer bzw. Kondensator jeweils dasselbe Material im selben Behälter sein, aber ihre jeweilige Funktion in einem Behälter nicht gleichzeitig, sondern nacheinander erfüllen. Infolgedessen ist die Adsorptionskältemaschine eine diskontinuierlich arbeitende Kältemaschine, bei welcher einer Phase Adsorption mit der Verdampfung, in der anderen die Desorption mit der Kondensation einhergeht. Wegen dieser zeitlichen Trennung der Phasen eignet sich dieser Prozess auch zur Kältespeicherung.
Das Kältemittel im Verdampfer bzw. Kondensator wird erhitzt, verdampft und kühlt dadurch denselben und führt die zugeführte Wärme somit ab. Das verdampfte Kältemittel wird nun vom Sorptionsmittel adsorbiert und gibt die Wärme, welche dort entnommen wird, wieder ab. Da sich das Kältemittel dort sammelt, ist ein Rücktransport notwendig.
Zum Transport des Kältemittels ist lediglich eine entsprechende Temperierung des Sorptionsmittels erforderlich. Führt man diesem Wärme zu, so findet eine Desorption statt, d. h. das Kältemittel verlässt im flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand das Sorptionsmittel und kondensiert anschließend im Verdampfer bzw. Kondensator, der als Kondensator fungiert, indem die Kondensationsenthalpie abgeführt wird. Danach wird die Temperatur im Sorptionsmittel und damit auch der Druck wieder abgesenkt.
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 Verdampfungsenthalpie. 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.
Einsatz in Entwicklungsländern
Da Adsorption und Desorption nicht zwingend elektrische Energie benötigen, können Adsorptionskältemaschinen in unterentwickelten Gegenden ohne Stromnetz verwendet werden, um verderbliche Lebensmittel, Arzneimittel oder Impfstoffe zu kühlen. Dazu wird der Sorptionsmittelbehälter bei Bedarf an den Verdampfer mit Wasser als Kühlmittel angeschlossen und das System mit einer Handpumpe unter Unterdruck gesetzt.
Wenn der Behälter mit Kühlmittel gesättigt ist, kann er durch Erhitzung mit einem Solarkocher wieder regeneriert werden. In der Zwischenzeit können der Reihe nach weitere Sorptionsmittelbehälter angeschlossen werden, um die Kühlung aufrechtzuerhalten.
Mit mehreren, bei Sonneneinstrahlung regenerierten Behältern lassen sich auch Nacht- und Bewölkungszeiten überbrücken.
Einzelnachweise
- ↑ a b c Lenzen, Dirk: Erzeugung von Kälte mittels Wärme: Entwicklung neuer Adsorbentien und Anwendungsbeispiele auf Basis von 3D-Koordinationspolymeren. 21. August 2019 (nbn-resolving.org [abgerufen am 23. Juni 2022]).
- ↑ a b c Dirk Lenzen, Phillip Bendix, Helge Reinsch, Dominik Fröhlich, Harry Kummer: Scalable Green Synthesis and Full-Scale Test of the Metal-Organic Framework CAU-10-H for Use in Adsorption-Driven Chillers. In: Advanced Materials. Band 30, Nr. 6, Februar 2018, S. 1705869, doi:10.1002/adma.201705869 (wiley.com [abgerufen am 23. Juni 2022]).
- ↑ Amandine Cadiau, Ji Sun Lee, Daiane Damasceno Borges, Paul Fabry, Thomas Devic: Design of Hydrophilic Metal Organic Framework Water Adsorbents for Heat Reallocation. In: Advanced Materials. Band 27, Nr. 32, August 2015, S. 4775–4780, doi:10.1002/adma.201502418 (wiley.com [abgerufen am 23. Juni 2022]).
- ↑ Harry Kummer, Felix Jeremias, Alexander Warlo, Gerrit Füldner, Dominik Fröhlich: A Functional Full-Scale Heat Exchanger Coated with Aluminum Fumarate Metal–Organic Framework for Adsorption Heat Transformation. In: Industrial & Engineering Chemistry Research. Band 56, Nr. 29, 26. Juli 2017, ISSN 0888-5885, S. 8393–8398, doi:10.1021/acs.iecr.7b00106 (acs.org [abgerufen am 23. Juni 2022]).
- ↑ Angelo Freni, Lucio Bonaccorsi, Luigi Calabrese, Angela Caprì, Andrea Frazzica: SAPO-34 coated adsorbent heat exchanger for adsorption chillers. In: Applied Thermal Engineering. Band 82, 5. Mai 2015, ISSN 1359-4311, S. 1–7, doi:10.1016/j.applthermaleng.2015.02.052 (sciencedirect.com [abgerufen am 23. Juni 2022]).
