Abgas- und Erdgasabsorptionskältemaschine

2.1 Funktionsprinzip
Im Alltag ist uns allen bekannt, dass sich ein Tropfen Alkohol auf der Haut kühl anfühlt, da die Verdunstung Wärme von der Haut aufnimmt. Nicht nur Alkohol, sondern alle Flüssigkeiten absorbieren beim Verdunsten Wärme aus der Umgebung. Je niedriger der Luftdruck, desto niedriger die Verdunstungstemperatur. Beispielsweise liegt der Siedepunkt von Wasser bei 100 °C unter Normaldruck (1 atm). Sinkt der Luftdruck jedoch auf 0,00891 atm, sinkt der Siedepunkt auf 5 °C. Deshalb verdampft Wasser im Vakuum bereits bei sehr niedrigen Temperaturen.
Das ist das grundlegende Funktionsprinzip einer LiBr-Absorptionskältemaschine. Wasser (Kältemittel) verdampft im Hochvakuum-Absorber und entzieht dem zu kühlenden Wasser Wärme. Der Kältemitteldampf wird anschließend von der LiBr-Lösung (Absorptionsmittel) aufgenommen und mittels Pumpen umgewälzt. Dieser Vorgang wiederholt sich.
2.2 Flussdiagramm
Das Funktionsprinzip der Kältemaschine ist in Abbildung 2-1 dargestellt. Die verdünnte Lösung aus dem Absorber wird von der Lösungspumpe gefördert, durchläuft den Niedertemperatur-Wärmetauscher (LTHE) und den Hochtemperatur-Wärmetauscher (HTHE) und gelangt anschließend in den Hochtemperaturgenerator (HTG). Dort wird sie durch das heiße Rauchgas und Erdgas verdampft, wodurch Hochdruck- und Hochtemperatur-Kältemitteldampf entsteht. Die verdünnte Lösung wandelt sich in eine Zwischenlösung um.
Die Zwischenlösung fließt über den Hochtemperaturwärmetauscher (HTHE) in den Niedertemperaturgenerator (LTG), wo sie durch den Kältemitteldampf aus dem HTG erhitzt wird, um Kältemitteldampf zu erzeugen. Die Zwischenlösung wird dadurch zu einer konzentrierten Lösung.
Der im HTG erzeugte Hochdruck- und Hochtemperatur-Kältemitteldampf kondensiert nach dem Erhitzen der Zwischenlösung im LTG zu Kältemittelwasser. Dieses Wasser gelangt nach der Drosselung zusammen mit dem im LTG erzeugten Kältemitteldampf in den Kondensator, wird durch das Kühlwasser abgekühlt und kondensiert ebenfalls zu Kältemittelwasser.
Das im Kondensator erzeugte Kältemittelwasser durchströmt ein U-Rohr und gelangt in den Verdampfer. Aufgrund des sehr niedrigen Drucks im Verdampfer verdampft ein Teil des Kältemittelwassers, während der Großteil von der Kältemittelpumpe gefördert und auf das Verdampferrohrbündel gesprüht wird. Das auf das Rohrbündel gesprühte Kältemittelwasser nimmt dann die Wärme des im Rohrbündel fließenden Wassers auf und verdampft ebenfalls.
Die konzentrierte Lösung aus dem LTG strömt über den LTHE in den Absorber und wird auf das Rohrbündel gesprüht. Dort wird sie durch das im Rohrbündel strömende Wasser gekühlt, absorbiert den Kältemitteldampf aus dem Verdampfer und wird verdünnt. So absorbiert die konzentrierte Lösung kontinuierlich den im Verdampfer entstehenden Kältemitteldampf und hält den Verdampfungsprozess aufrecht. Gleichzeitig wird die verdünnte Lösung mittels der Lösungspumpe zum HTG gefördert, wo sie erneut verdampft und konzentriert wird. Damit ist ein Kühlzyklus abgeschlossen und der Zyklus beginnt von Neuem.

Abb. 2-1 Prozessablaufdiagramm

2.3 Hauptkomponenten und Funktionen
1. Generator
Funktion des HTG: Die Lösung wird mit dem Hochtemperatur-Rauchgas oder der Wärme des Brenners zum Sieden gebracht, um den primären Kältemitteldampf zu erzeugen, der in den LTG eintritt und die Lösung zu einer Zwischenlösung konzentriert, die zum HTHE fließt.
Funktion der LTG: Konzentriert die Zwischenlösung zu einer konzentrierten Lösung mit dem primären Kältemitteldampf, der zu Kältemittelwasser wird, welches wiederum den sekundären Kältemitteldampf erzeugt.

2. Kondensator
Kondensatorfunktion: Kondensiert den sekundären Kältemitteldampf aus dem LTG zu Wasser und kühlt das primäre Kältemittelwasser aus dem HTG ab, wobei die Wärme vom Kühlwasser abgeführt wird.

3. Verdampfer
Funktion des Verdampfers: Durch Verdampfung des Kältemittelwassers wird dem durch das Klimaanlagensystem fließenden Wasser Wärme entzogen.

4. Absorber
Absorberfunktion: Die konzentrierte Lösung absorbiert den Kältemitteldampf aus dem Verdampfer, wobei die Wärme vom Kühlwasser abgeführt wird.

5. Wärmetauscher
Hochtemperatur-Wärmetauscherfunktion: Gewinnt Wärme aus der Zwischenlösung des HTG zurück.
Niedertemperatur-Wärmetauscherfunktion: Gewinnt Wärme aus konzentrierter Lösung aus der LTG zurück.

6. Automatisches Luftspülsystem
Systemfunktion: Das Entlüftungssystem pumpt die nicht kondensierbare Luft aus der Wärmepumpe und hält ein Hochvakuum aufrecht. Im Betrieb strömt die verdünnte Lösung mit hoher Geschwindigkeit und erzeugt so eine lokale Unterdruckzone um die Ejektordüse. Dadurch wird die nicht kondensierbare Luft aus der Wärmepumpe entfernt. Das System arbeitet parallel zur Wärmepumpe. Während des Betriebs der Wärmepumpe trägt das automatische System zur Aufrechterhaltung des Hochvakuums im Inneren bei und gewährleistet so die optimale Systemleistung und eine maximale Lebensdauer.
Das Luftspülsystem ist ein System, das aus Ejektor, Kühler, Ölabscheider, Luftzylinder und Ventil besteht.

7. Lösungspumpe
Die Lösungspumpe dient dazu, die LiBr-Lösung zuzuführen und den normalen Fluss der flüssigen Arbeitsmedien innerhalb der Wärmepumpe sicherzustellen.
Die Lösungspumpe ist eine vollständig gekapselte Kreiselpumpe, die sich durch absolute Dichtheit, geringe Geräuschentwicklung, hohe Explosionsschutzleistung, minimalen Wartungsaufwand und eine lange Lebensdauer auszeichnet.

8. Kältemittelpumpe
Die Kältemittelpumpe dient dazu, Kältemittelwasser zuzuführen und die normale Besprühung des Verdampfers mit Kältemittelwasser sicherzustellen.
Die Kältemittelpumpe ist eine vollständig gekapselte Kreiselpumpe, die sich durch absolute Dichtheit, geringe Geräuschentwicklung, hohe Explosionsschutzleistung, minimalen Wartungsaufwand und eine lange Lebensdauer auszeichnet.

9. Vakuumpumpe
Die Vakuumpumpe wird zur Vakuumspülung in der Anfahrphase und zur Luftspülung in der Betriebsphase verwendet.
Die Vakuumpumpe verfügt über ein Drehschieberrad. Entscheidend für ihre Leistungsfähigkeit ist das Vakuumölmanagement. Die Verhinderung der Ölemulgierung wirkt sich deutlich positiv auf die Entlüftungsleistung aus und trägt zur Verlängerung der Lebensdauer bei.

10. Elektroschrank
Als Steuerzentrale der LiBr-Wärmepumpe beherbergt der Schaltschrank die wichtigsten Steuerungselemente und elektrischen Komponenten.