Zyklische Wasserverdampfer für Adsorptionskälteanlagen - Herausforderungen eines vereisenden Betriebs

Wasser ist ein attraktives Kältemittel, unter anderem aufgrund seiner hohen Verdampfungsenthalpie und seiner klimafreundlichen Eigenschaften. Für Absorptions- und Adsorptionskältemaschinen und -wärmepumpen ist es ein Standard-Kältemittel. Neben vielen Vorteilen bringen die physikalischen Eigenschaften des Wassers jedoch auch einige Einschränkungen mit sich. Die vergleichsweise hohe Gefriertemperatur von Wasser verhindert beispielsweise bisher, Temperaturanforderungen unterhalb von 5-10°C bedienen zu können; jedoch existiert für die industrielle Kühlung im Temperaturbereich nahe und unter 0°C ein beträchtlicher Markt. Ausgehend von diesem Sachverhalt beschäftigt sich der vorliegende Beitrag mit der Frage, ob und wie der Temperaturbereich nahe und unter 0°C auch für Sorptionskälteanlagen mit Kältemittel Wasser erschlossen werden könnte. Konkret wird dabei die Technologie einer Adsorptionskältemaschine mit zyklisch betriebenem Verdampfer-Kondensator betrachtet. Der Verdampfer soll dabei in einem vereisenden Betrieb gefahren werden. Vorüberlegungen zeigen auf, wie sich ein vereisender Betrieb auf die Funktionalitäten von Verdampfer, Adsorptionsmodul und Kälteanlage auswirkt und welche Anforderungen er an deren Konstruktion und Betriebsweise stellt. So muss z.B. gewährleistet werden, dass der Verdampfer einen ausreichenden mechanischen und thermischen Kontakt zum gefrorenen Kältemittel behält und dass mechanische Beschädigungen durch die Eisbildung vermieden werden. Aufgrund des geringen Druckniveaus müssen dampfseitige Druckverluste minimiert werden und das Adsorbens muss mit besonderem Bedacht ausgewählt werden. Weiterhin wurde ausgearbeitet, welche Anforderungen ein vereisender Betrieb an Messaufbau, Messablauf und Auswertungsmethodik eines bestehenden Teststands für Verdampfervermessungen stellt. So kann beispielsweise die Sekundärkammer mit teilgeflutetem Wärmeübertrager nicht als Dampfsenke für den Verdampfungsprozess verwendet werden; stattdessen wurde die Nutzung einer Vakuumpumpe ohne bzw. mit einer zwischengeschalteten Kühlfalle als alternative Dampfsenkekonzepte evaluiert. Testmessungen zeigten, dass die Vakuumpumpe allein angesichts des niedrigen Druckniveaus nicht in der Lage ist, einen nennenswerten Druckgradienten zu erzeugen. Unter Verwendung der Kühlfalle konnte hingegen eine treibende Kraft aufgebaut werden, die eine vollständige Auswertung der Messungen ermöglichte. Dabei wurde mit einem Rippenrohrverdampfer im vereisenden Betrieb ein maximaler kA-Wert von etwa 90 W/K erreicht; bei Bezug auf die Hüllfläche um die Rippenspitzen der Rohre ergibt sich ein Maximalwert von ca. 270 W/(m2 K).