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Absorptionswärmepumpe Eine AWP ist ein verfahrenstechnischer Apparat zur Erhöhung des Temperaturniveaus von Wärmeströmen

Absorptionswärmepumpe

Eine Absorptionswärmepumpe (AWP) ist ein verfahrenstechnischer Apparat zur Erhöhung des Temperaturniveaus von Wärmeströmen, wobei als Antriebsleistung (anders als bei der Kompressionswärmepumpe) keine mechanische Energie, sondern eine Wärmequelle eingesetzt wird, um die Erhöhung des Temperaturniveaus zu erreichen. Der Vorteil besteht darin, dass beispielsweise Abwärme (sofern ihr Temperaturniveau ausreicht) genutzt werden kann, um den Prozess anzutreiben. Aus energetischer Sicht ist dies oftmals günstiger als der Einsatz hochwertiger (oft aus elektrischer Energie gewonnener) mechanischer Arbeit. Um einen stärkeren Temperaturhub zu realisieren, lassen sich AWPs nicht nur in Form eines im Folgenden skizzierten einstufigen Prozesses realisieren. Durch mehrstufige Prozesse lässt sich der Temperaturbereich erweitern.

Veranschaulichung der Funktion von Absorptionswärmepumpen von Typ I und II

Absorptionswärmepumpen sind mit den Absorptionskältemaschinen verwandt. Im Gegensatz zu diesen ist das Ziel jedoch nicht der Entzug einer Wärme bei Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur aus einem System, sondern die Zufuhr einer Wärme in ein System oberhalb der Umgebungstemperatur unter Nutzung von Wärme, deren Temperaturniveau erhöht wird. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass sich Absorptionswärmepumpen in zwei grundsätzliche Betriebsweisen unterscheiden lassen:

  1. Bei Absorptionswärmepumpen vom Typ I wird eine Wärme auf niedrigem Temperaturniveau (Umgebungstemperatur oder auch darüber) mit einer zweiten Wärme auf deutlich höherem Temperaturniveau „gemischt“, so dass eine Wärme mit einer mittleren Temperatur bereitgestellt wird.
  2. Bei Wärmepumpen vom Typ II, auch Wärmetransformator genannt, wird eine Wärme bei einer mittleren Temperatur in zwei Wärmen mit hoher und niedriger Temperatur „aufgeteilt“. In der industriellen Praxis spielen AWPs vom Typ II gegenwärtig allerdings keine nennenswerte Rolle.

Absorptionswärmepumpe vom Typ I Bearbeiten

Schematische Darstellung der Arbeitsweise einer Absorptionswärmepumpe vom Typ I

Bei einer Absorptionswärmepumpe von Typ I wird der Kältemittelkreislauf einer Kompressionswärmepumpe (KWP) mit einem zweiten Kreislauf, dem Lösungsmittelkreislauf, gekoppelt. Der Lösungsmittelkreislauf ersetzt den Kompressor der KWP. Dies hat den Vorteil, dass statt der energieaufwendigen Kompression des Dampfes nur eine Pumpe benötigt wird, um die flüssige Mischung aus Lösungs- und Kältemittel auf einen höheren Druck zu bringen. Infolge der vernachlässigbaren Kompressibilität von Flüssigkeiten ist der Energieaufwand der Druckerhöhung deutlich geringer.

Zunächst wird eine Wärme bei vergleichsweise niedriger Temperatur (Umgebung oder niederwertige Abwärme) im Verdampfer aufgenommen. Dort wird das Kältemittel bei niedrigem Druck verdampft. Dieser Dampf wird dann im Absorber vom Lösungsmittel absorbiert. Dabei wird Wärme auf einem höheren Temperaturniveau frei. Die entstehende flüssige Mischung wird mit einer Pumpe in den Generator (auch Austreiber genannt) gefördert. Dabei wird der Druck deutlich erhöht. Beim erhöhten Druck wird das Kältemittel desorbiert (d. h. aus dem Lösungsmittel ausgetrieben). Dazu wird die Antriebswärme, die eine noch höhere Temperatur aufweist, zugeführt. Das Lösungsmittel wird nun über eine Drossel entspannt und wieder dem Absorber zugeführt. Ein Teil des thermischen Energieinhalts des Lösungsmittels wird mitunter genutzt, um über einen Wärmeübertrager den in den Generator eintretenden Mischstrom vorzuwärmen. Unterdessen strömt das ausgetriebene Kältemittel in den Kondensator. Die dort freiwerdende Kondensationsenthalpie wird als Wärme auf einem ähnlichen Temperaturniveau frei wie im Absorber. Der Druck des nun flüssigen Kältemittels wird anschließend über eine weitere Drossel reduziert, wobei es bereits teilweise wieder verdampft, bevor es dem Verdampfer zugeführt wird.

Als nutzbare Wärme stehen die in Absorber und Kondensator freiwerdenden Wärmemengen zur Verfügung. Diese beiden Wärmemengen entsprechen in Summe den beiden Wärmemengen, die in Verdampfer und Generator zugeführt wurden. Das Temperaturniveau liegt zwischen denen der beiden zugeführten Wärmen. Angetrieben durch die Hochtemperaturwärme wurde also die Niedertemperaturwärme auf eine höhere Temperatur „gepumpt“ und dabei mit dieser „gemischt“.

Die Leistungszahl (COP; von englisch: coefficient of performance) einer Absorptionswärmepumpe (Typ I), die bei Wärmepumpen als Maßzahl für den Wirkungsgrad dient, ist definiert als das Verhältnis der nutzbaren Wärme zur eingesetzten Antriebswärmeleistung (ohne die dem Verdampfer zugeführte Niedertemperaturwärme):

Der (verhältnismäßig kleine) mechanische Energieaufwand für die Pumpe wird dabei nicht berücksichtigt. Der COP einer Absorptionswärmepumpe kann dabei größer 1 (bzw. 100 %) sein. Dies stellt keinen Verstoß gegen den Ersten Hauptsatz der Thermodynamik dar, da die Definition des COP die Energiezufuhr im Verdampfer ignoriert.

Wärmetransformator (Absorptionswärmepumpe vom Typ II) Bearbeiten

Ein Wärmetransformator ist eine verfahrenstechnische Anlage, die einen Wärmestrom mittlerer Temperatur in zwei Wärmeströme aufteilt. Einer der beiden erzeugten Teilwärmeströme verfügt dabei über ein höheres Temperaturniveau als der Ausgangswärmestrom, der andere Teilwärmestrom über ein niedrigeres Temperaturniveau. Er kann damit zur Nutzbarmachung von Abwärme mit unzureichendem Temperaturniveau eingesetzt werden. Im Idealfall wird ein Wärmetransformator nur mit Wärme betrieben, in der Realität wird trotzdem mechanische Energie (Strom) als Hilfsenergie für den Prozess benötigt. Technisch realisieren lässt sich ein Wärmetransformator beispielsweise durch einen Absorptionswärmetransformator, also einem rückwärtslaufenden Absorptionskältemaschinen-Prozess.

Thermodynamische Grundlagen Bearbeiten

Ein Wärmetransformator unterliegt den Gesetzen der Thermodynamik. Entsprechend muss der 1. Hauptsatz der Thermodynamik – die Energieerhaltung – erfüllt sein:

1. Hauptsatz der Thermodynamik - Energieerhaltung

2. Hauptsatz der Thermodynamik - Entropiesteigerung
Außerdem gilt der 2. Hauptsatz der Thermodynamik, wonach die Entropie der Produkte gleich oder größer der Entropie der Edukte sein muss.

Im Folgenden sei TK die Umgebungstemperatur des Systems. Thermodynamisch kann ein Wärmetransformator durch ein System beschrieben werden, in dem eine Wärmekraftmaschine eine Kraftwärmemaschine antreibt. Die Wärmekraftmaschine stellt Arbeit W bereit, die sie aus der Abspaltung des Wärmeteilstrom QK vom Wärmestrom QM auf mittleren Temperaturniveau TM und Umwandlung auf das niedrigere Temperaturniveau TK gewinnt. Die Kraftwärmemaschine verwendet die bereitgestellte Arbeit W, um die von der Wärmemenge QM abgespaltene Wärmemenge QH vom mittleren Temperaturniveau TM auf das hohe Temperaturniveau TH anzuheben. Die Wärme, die die Kraftwärmemaschine von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau anheben kann, wird somit limitiert durch die Arbeit, die die Wärmekraftmaschine der Kraftwärmemaschine bereitstellt. Außerdem gilt, je höher das Temperaturniveau TH der Nutzwärme ist, desto weniger Nutzwärme QH kann bereitgestellt werden.

Eleganter lässt sich die Herleitung durch die Exergie ausrücken: Die Wärme QH auf dem hohen Temperaturniveau TH kann nur maximal so viel Exergie Ex(QH) enthalten, wie der Wärmestrom QM an Exergie Ex(QM) auf mittlerem Temperaturniveau TM bereitstellt:

Mit Niedertemperatur-Wärmesenke als Umgebungswärme gilt

und somit

Mit der Definition der Exergie als

und Einsetzen der Temperaturen ergibt sich:

Mit Definition einer Arbeitszahl bzw. ( = Coefficient of Performance) als Quotient aus Nutzwärme zu Antriebswärme gilt:

Mit der Definition des Schubs als Temperaturdifferenz zwischen dem Antriebstemperaturniveau TM und dem Umgebungstemperaturniveau TK

und des Hubs als Temperaturdifferenz zwischen dem Nutztemperaturniveau TH und dem Antriebstemperaturniveau TM

gilt:

Je niedriger die Temperatur des Niedertemperaturwärmestroms ist, desto höher kann die Temperatur der Hochtemperaturwärme sein beziehungsweise desto größer kann deren Anteil am Ausgangswärmestrom sein. Für die Abgabe der Niedertemperaturwärme ist aber zu beachten, dass diese stets oberhalb der Umgebungstemperatur zu erfolgen hat. Anders als die Absorptionswärmepumpe vom Typ I haben solche vom Typ II keine direkte Entsprechung in Absorptionskältemaschinen beziehungsweise Kompressionswärmepumpen.

Absorptionswärmetransformator Bearbeiten

Schematische Darstellung der Arbeitsweise eines Absorptionswärmetransformators

Absorpionswärmetransformatoren sind Wärmetransformatoren, die einen rückwärtslaufenden Absorptionskältemaschinenprozess verwenden. Für die Realisierung einer solchen Anlage auf Basis einer Absorptions-Kältemaschine müssen die Drosseln im starken Lösungsmittel-Kreislauf und Kältemittel-Kreislauf durch Pumpen ersetzt werden, wohingegen die Pumpe im schwachen Lösungsmittelkreislauf durch eine Drossel ersetzt werden muss.

Der Antriebswärmestrom wird in Generator und Verdampfer aufgenommen. Das im Verdampfer bei erhöhtem Druck verdampfte Kältemittel wird dem Absorber zugeführt, wo es vom Lösungsmittel absorbiert wird. Die entstehende Mischung wird über eine Drossel entspannt und dem Generator zugeführt. Dort wird das Lösungsmittel bei niedrigerem Druck durch die Antriebswärme ausgetrieben. Das Lösungsmittel wird über eine Pumpe wieder auf erhöhten Druck gebracht und dem Absorber zugeführt. Dabei wird es vielfach über einen Wärmeübertrager durch die Wärme des aus dem Absorber austretenden Mischungsstrom vorgewärmt. Das ausgetriebene Kältemittel wird dem Kondensator zugeführt. Dort kondensiert es aufgrund des niedrigen Drucks bei einer deutlich niedrigeren Temperatur. Die dabei freiwerdende Wärme ist in der Praxis zumeist als wertlose Abwärme zu bewerten. Anschließend wird das flüssige Kältemittel wieder über eine zweite Pumpe auf höheren Druck gebracht und dem Verdampfer zugeführt. Die vom Wärmetransformator gelieferte nutzbare Wärme ist die im Absorber freigesetzte Lösungswärme des Kältemittels im Lösungsmittel. Die Antriebswärme muss aufgeteilt dem Generator und dem Verdampfer zugeführt werden.

Für den Absorptions-Wärmetransformator gilt, dass der Schub höher sein muss als der Hub, denn sonst funktioniert der Prozess technisch nicht.

Außerdem ist aufgrund der technischen Anwendung wesentlich kleiner als TM. Mit

eingesetzt in die oben stehende Gleichung zur Beschreibung des COP eines Wärmetransformators, lässt sich abschätzen, dass der maximale COP eines Absorptionswärmetransformators 0,5 nicht wesentlich überschreiten wird. Aus einer Einheit Wärme auf mittleren Temperaturniveau kann somit nicht wesentlich mehr als eine halbe Einheit Nutzwärme auf hohem Temperaturniveau bereitgestellt werden.

Der Einsatz von Wärmetransformatoren gilt nur als zweckmäßig, wenn Abwärmen bei mindestens 40 Kelvin oberhalb der Umgebungstemperatur zur Verfügung steht und zugleich ein Bedarf für die daraus erzeugbare Hochtemperaturwärme besteht. Einige Absorptionswärmetransformatoren mit Nutzwärmeleistungen zwischen 1 und 10 MW wurden in den 1980er Jahren kommerziell gebaut. Aktuell gibt es jedoch keine kommerzielle Nutzung dieser Technologie.

Arbeitsstoffpaare Bearbeiten

Absorptionswärmepumpen arbeiten, anders als Kompressionswärmepumpen, nicht mit einem einzelnen Einsatzstoff, sondern stets mit einem Arbeitsstoffpaar. Dabei fungiert einer der beiden Stoffe als Kältemittel, der andere als Lösungsmittel. Das Kältemittel muss dabei stets den höheren Dampfdruck aufweisen, da das Lösungsmittel beim Austreiben des Kältemittels im Generator in der flüssigen Phase bleiben soll. Wichtige Arbeitsstoffpaare sind vor allem:

Weitere mögliche Arbeitsstoffpaare sind beispielsweise:

Sollte die Umgebung als Senke für den Wärmestrom QK dienen, so kommen wegen der Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser im Winter Wasser-Lithiumbromid-Absorptionswärmetransformatoren nicht in Frage. Stattdessen könnten Ammoniak-Wasser-Absorptionswärmetransformatoren genutzt werden. Wegen der bisher seltenen Anwendungsfälle liegen wenig Erfahrungen zu dieser Technologie vor.

Variante: Adsorptionswärmepumpen Bearbeiten

Eine Variante der Absorptionswärmepumpe ist die Adsorptionswärmepumpe (mit „d“ statt mit „b“). Dabei wird das Kältemittel nicht in einer Flüssigkeit gelöst, sondern an der Oberfläche eines porösen Feststoffes angelagert (Adsorption). Beispiele für solche Feststoffe, die durch eine Struktur aus kleinen Poren eine große, innere Oberfläche besitzen, sind Aktivkohlen und Zeolithe.

Variante: Kältetransformator Bearbeiten

Die oben beschriebenen Ausführungen beruhen auf der Annahme, dass die Umgebungstemperatur des Systems der Temperatur TK entspricht und der Wärmestrom auf mittlerem Temperaturniveau genutzt werden soll, um Wärme auf hohem Temperaturniveau bereitzustellen. Theoretisch wäre es auch denkbar, dass das Temperaturniveau TH dem Umgebungstemperaturniveau entspricht. Dann würde der Zweck des Wärmetransformators dazu dienen, eine kleine Kältemenge QK (Aufwand) auf niedrigem Temperaturniveau TK zu nutzen, um eine größere Menge Kälte QM (Nutzen) auf mittlerem Temperaturniveau TM bereitzustellen. Eine solche Anlage könnte dann Kältetransformator genannt werden. Eine technische Realisierung einer solchen Anlage ist jedoch bisher nicht bekannt.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Jincan Chen: Optimal choice of the performance parameters of an absorption heat transformer. In: Heat Recovery Systems and CHP, 1995, Volume 15, Issue 6, 249–256. doi:10.1016/0890-4332(95)90009-8.
  2. ↑ Falk Cudok, Nikolai Kononenko, Felix Ziegler, Absorptionswärmetransformator und Absorptionswärmewandler, KI Kälte - Luft - Klimatechnik, 11, 2014, 26–31
  3. ↑ Karl Stephan: Der Wärmetransformator – Grundlagen und Anwendungen. In: Chemie Ingenieur Technik, 60, 1988, 335–348. doi:10.1002/cite.330600503
  4. Wei Wu, Xiaoling Zhang, Xianting Li, Wenxing Shi, Baolong Wang: Comparisons of different working pairs and cycles on the performance of absorption heat pump for heating and domestic hot water in cold regions. In: Applied Thermal Engineering, 48, 2012, 349–358 doi:10.1016/j.applthermaleng.2012.04.047.
  5. Meng Wang, Carlos A. Infante Ferreira: Absorption heat pump cycles with NH3 – ionic liquid working pairs. In: Applied Energy, 204, 2017, 819–830. doi:10.1016/j.apenergy.2017.07.074.
  6. Sabine Popp, Andreas Bösmann, René Wölfel, Peter Wasserscheid: Screening of Ionic Liquid/H2O Working Pairs for Application in Low Temperature Driven Sorption Heat Pump Systems. In: ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2015, 3, 4, 750–757. doi:10.1021/acssuschemeng.5b00062.
  7. Zongbao He, Zongchang Zhao, Xiaodong Zhang, Hao Feng: Thermodynamic properties of new heat pump working pairs: 1,3-Dimethylimidazolium dimethylphosphate and water, ethanol and methanol. In: Fluid Phase Equilibria, 298, 1, 2010, 83–91. doi:10.1016/j.fluid.2010.07.005.
  8. M. Medrano, M. Bourouis, A. Coronas: Double-lift absorption refrigeration cycles driven by low–temperature heat sources using organic fluid mixtures as working pairs. In: Applied Energy, 68, 2, 2001, 173–185. doi:10.1016/S0306-2619(00)00048-9
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Eine Absorptionswarmepumpe AWP ist ein verfahrenstechnischer Apparat zur Erhohung des Temperaturniveaus von Warmestromen wobei als Antriebsleistung anders als bei der Kompressionswarmepumpe keine mechanische Energie sondern eine Warmequelle eingesetzt wird um die Erhohung des Temperaturniveaus zu erreichen Der Vorteil besteht darin dass beispielsweise Abwarme sofern ihr Temperaturniveau ausreicht genutzt werden kann um den Prozess anzutreiben Aus energetischer Sicht ist dies oftmals gunstiger als der Einsatz hochwertiger oft aus elektrischer Energie gewonnener mechanischer Arbeit Um einen starkeren Temperaturhub zu realisieren lassen sich AWPs nicht nur in Form eines im Folgenden skizzierten einstufigen Prozesses realisieren Durch mehrstufige Prozesse lasst sich der Temperaturbereich erweitern Veranschaulichung der Funktion von Absorptionswarmepumpen von Typ I und IIAbsorptionswarmepumpen sind mit den Absorptionskaltemaschinen verwandt Im Gegensatz zu diesen ist das Ziel jedoch nicht der Entzug einer Warme bei Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur aus einem System sondern die Zufuhr einer Warme in ein System oberhalb der Umgebungstemperatur unter Nutzung von Warme deren Temperaturniveau erhoht wird Ein weiterer Unterschied besteht darin dass sich Absorptionswarmepumpen in zwei grundsatzliche Betriebsweisen unterscheiden lassen Bei Absorptionswarmepumpen vom Typ I wird eine Warme auf niedrigem Temperaturniveau Umgebungstemperatur oder auch daruber mit einer zweiten Warme auf deutlich hoherem Temperaturniveau gemischt so dass eine Warme mit einer mittleren Temperatur bereitgestellt wird Bei Warmepumpen vom Typ II auch Warmetransformator genannt wird eine Warme bei einer mittleren Temperatur in zwei Warmen mit hoher und niedriger Temperatur aufgeteilt 1 In der industriellen Praxis spielen AWPs vom Typ II gegenwartig allerdings keine nennenswerte Rolle Inhaltsverzeichnis 1 Absorptionswarmepumpe vom Typ I 2 Warmetransformator Absorptionswarmepumpe vom Typ II 2 1 Thermodynamische Grundlagen 2 2 Absorptionswarmetransformator 3 Arbeitsstoffpaare 4 Variante Adsorptionswarmepumpen 5 Variante Kaltetransformator 6 EinzelnachweiseAbsorptionswarmepumpe vom Typ I Bearbeiten nbsp Schematische Darstellung der Arbeitsweise einer Absorptionswarmepumpe vom Typ IBei einer Absorptionswarmepumpe von Typ I wird der Kaltemittelkreislauf einer Kompressionswarmepumpe KWP mit einem zweiten Kreislauf dem Losungsmittelkreislauf gekoppelt Der Losungsmittelkreislauf ersetzt den Kompressor der KWP Dies hat den Vorteil dass statt der energieaufwendigen Kompression des Dampfes nur eine Pumpe benotigt wird um die flussige Mischung aus Losungs und Kaltemittel auf einen hoheren Druck zu bringen Infolge der vernachlassigbaren Kompressibilitat von Flussigkeiten ist der Energieaufwand der Druckerhohung deutlich geringer Zunachst wird eine Warme bei vergleichsweise niedriger Temperatur Umgebung oder niederwertige Abwarme im Verdampfer aufgenommen Dort wird das Kaltemittel bei niedrigem Druck verdampft Dieser Dampf wird dann im Absorber vom Losungsmittel absorbiert Dabei wird Warme auf einem hoheren Temperaturniveau frei Die entstehende flussige Mischung wird mit einer Pumpe in den Generator auch Austreiber genannt gefordert Dabei wird der Druck deutlich erhoht Beim erhohten Druck wird das Kaltemittel desorbiert d h aus dem Losungsmittel ausgetrieben Dazu wird die Antriebswarme die eine noch hohere Temperatur aufweist zugefuhrt Das Losungsmittel wird nun uber eine Drossel entspannt und wieder dem Absorber zugefuhrt Ein Teil des thermischen Energieinhalts des Losungsmittels wird mitunter genutzt um uber einen Warmeubertrager den in den Generator eintretenden Mischstrom vorzuwarmen Unterdessen stromt das ausgetriebene Kaltemittel in den Kondensator Die dort freiwerdende Kondensationsenthalpie wird als Warme auf einem ahnlichen Temperaturniveau frei wie im Absorber Der Druck des nun flussigen Kaltemittels wird anschliessend uber eine weitere Drossel reduziert wobei es bereits teilweise wieder verdampft bevor es dem Verdampfer zugefuhrt wird Als nutzbare Warme stehen die in Absorber und Kondensator freiwerdenden Warmemengen zur Verfugung Diese beiden Warmemengen entsprechen in Summe den beiden Warmemengen die in Verdampfer und Generator zugefuhrt wurden Das Temperaturniveau liegt zwischen denen der beiden zugefuhrten Warmen Angetrieben durch die Hochtemperaturwarme wurde also die Niedertemperaturwarme auf eine hohere Temperatur gepumpt und dabei mit dieser gemischt Die Leistungszahl COP von englisch coefficient of performance einer Absorptionswarmepumpe Typ I die bei Warmepumpen als Masszahl fur den Wirkungsgrad dient ist definiert als das Verhaltnis der nutzbaren Warme zur eingesetzten Antriebswarmeleistung ohne die dem Verdampfer zugefuhrte Niedertemperaturwarme C O P th Q Absorber Q Kondensator Q Generator displaystyle COP text th frac dot Q text Absorber Q text Kondensator dot Q text Generator nbsp Der verhaltnismassig kleine mechanische Energieaufwand fur die Pumpe wird dabei nicht berucksichtigt Der COP einer Absorptionswarmepumpe kann dabei grosser 1 bzw 100 sein Dies stellt keinen Verstoss gegen den Ersten Hauptsatz der Thermodynamik dar da die Definition des COP die Energiezufuhr im Verdampfer ignoriert Warmetransformator Absorptionswarmepumpe vom Typ II BearbeitenEin Warmetransformator ist eine verfahrenstechnische Anlage die einen Warmestrom mittlerer Temperatur in zwei Warmestrome aufteilt Einer der beiden erzeugten Teilwarmestrome verfugt dabei uber ein hoheres Temperaturniveau als der Ausgangswarmestrom der andere Teilwarmestrom uber ein niedrigeres Temperaturniveau Er kann damit zur Nutzbarmachung von Abwarme mit unzureichendem Temperaturniveau eingesetzt werden Im Idealfall wird ein Warmetransformator nur mit Warme betrieben in der Realitat wird trotzdem mechanische Energie Strom als Hilfsenergie fur den Prozess benotigt Technisch realisieren lasst sich ein Warmetransformator beispielsweise durch einen Absorptionswarmetransformator also einem ruckwartslaufenden Absorptionskaltemaschinen Prozess Thermodynamische Grundlagen Bearbeiten Ein Warmetransformator unterliegt den Gesetzen der Thermodynamik Entsprechend muss der 1 Hauptsatz der Thermodynamik die Energieerhaltung erfullt sein 1 Hauptsatz der Thermodynamik Energieerhaltung Q M Q H Q K displaystyle Q M Q H Q K nbsp 2 Hauptsatz der Thermodynamik Entropiesteigerung Ausserdem gilt der 2 Hauptsatz der Thermodynamik wonach die Entropie der Produkte gleich oder grosser der Entropie der Edukte sein muss Im Folgenden sei TK die Umgebungstemperatur des Systems Thermodynamisch kann ein Warmetransformator durch ein System beschrieben werden in dem eine Warmekraftmaschine eine Kraftwarmemaschine antreibt Die Warmekraftmaschine stellt Arbeit W bereit die sie aus der Abspaltung des Warmeteilstrom QK vom Warmestrom QM auf mittleren Temperaturniveau TM und Umwandlung auf das niedrigere Temperaturniveau TK gewinnt Die Kraftwarmemaschine verwendet die bereitgestellte Arbeit W um die von der Warmemenge QM abgespaltene Warmemenge QH vom mittleren Temperaturniveau TM auf das hohe Temperaturniveau TH anzuheben Die Warme die die Kraftwarmemaschine von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein hoheres Temperaturniveau anheben kann wird somit limitiert durch die Arbeit die die Warmekraftmaschine der Kraftwarmemaschine bereitstellt Ausserdem gilt je hoher das Temperaturniveau TH der Nutzwarme ist desto weniger Nutzwarme QH kann bereitgestellt werden Eleganter lasst sich die Herleitung durch die Exergie ausrucken Die Warme QH auf dem hohen Temperaturniveau TH kann nur maximal so viel Exergie Ex QH enthalten wie der Warmestrom QM an Exergie Ex QM auf mittlerem Temperaturniveau TM bereitstellt E x Q M E x Q H E x Q K displaystyle Ex Q M geq Ex Q H Ex Q K nbsp Mit Niedertemperatur Warmesenke als Umgebungswarme gilt E x Q K 0 displaystyle Ex Q K 0 nbsp und somit E x Q M E x Q H displaystyle Ex Q M geq Ex Q H nbsp Mit der Definition der Exergie als E x Q 1 T Umgebung T Q displaystyle Ex Q left 1 frac T text Umgebung T right cdot Q nbsp und Einsetzen der Temperaturen ergibt sich 1 T K T M Q M 1 T K T H Q H displaystyle left 1 frac T K T M right cdot Q M geq left 1 frac T K T H right cdot Q H nbsp Mit Definition einer Arbeitszahl h displaystyle eta nbsp bzw C O P displaystyle COP nbsp Coefficient of Performance als Quotient aus Nutzwarme Q H displaystyle Q H nbsp zu Antriebswarme Q M displaystyle Q M nbsp gilt h C O P Q H Q M displaystyle eta COP frac Q H Q M nbsp C O P Q H Q M 1 T K T M 1 T K T H T H T M T K T M T H T K displaystyle COP frac Q H Q M leq frac 1 T K T M 1 T K T H frac T H cdot T M T K T M cdot T H T K nbsp Mit der Definition des Schubs D T Schub displaystyle Delta T text Schub nbsp als Temperaturdifferenz zwischen dem Antriebstemperaturniveau TM und dem Umgebungstemperaturniveau TK D T S c h u b T M T K displaystyle Delta T Schub T M T K nbsp und des Hubs D T Hub displaystyle Delta T text Hub nbsp als Temperaturdifferenz zwischen dem Nutztemperaturniveau TH und dem Antriebstemperaturniveau TMD T Hub T H T M displaystyle Delta T text Hub T H T M nbsp gilt C O P T H D T Schub T M D T Hub D T Schub displaystyle COP leq frac T H cdot Delta T text Schub T M cdot Delta T text Hub Delta T text Schub nbsp 1 D T Hub T M 1 D T Hub D T Schub displaystyle frac 1 frac Delta T text Hub T M 1 frac Delta T text Hub Delta T text Schub nbsp Je niedriger die Temperatur des Niedertemperaturwarmestroms ist desto hoher kann die Temperatur der Hochtemperaturwarme sein beziehungsweise desto grosser kann deren Anteil am Ausgangswarmestrom sein Fur die Abgabe der Niedertemperaturwarme ist aber zu beachten dass diese stets oberhalb der Umgebungstemperatur zu erfolgen hat Anders als die Absorptionswarmepumpe vom Typ I haben solche vom Typ II keine direkte Entsprechung in Absorptionskaltemaschinen beziehungsweise Kompressionswarmepumpen Absorptionswarmetransformator Bearbeiten nbsp Schematische Darstellung der Arbeitsweise eines AbsorptionswarmetransformatorsAbsorpionswarmetransformatoren sind Warmetransformatoren die einen ruckwartslaufenden Absorptionskaltemaschinenprozess verwenden Fur die Realisierung einer solchen Anlage auf Basis einer Absorptions Kaltemaschine mussen die Drosseln im starken Losungsmittel Kreislauf und Kaltemittel Kreislauf durch Pumpen ersetzt werden wohingegen die Pumpe im schwachen Losungsmittelkreislauf durch eine Drossel ersetzt werden muss Der Antriebswarmestrom wird in Generator und Verdampfer aufgenommen Das im Verdampfer bei erhohtem Druck verdampfte Kaltemittel wird dem Absorber zugefuhrt wo es vom Losungsmittel absorbiert wird Die entstehende Mischung wird uber eine Drossel entspannt und dem Generator zugefuhrt Dort wird das Losungsmittel bei niedrigerem Druck durch die Antriebswarme ausgetrieben Das Losungsmittel wird uber eine Pumpe wieder auf erhohten Druck gebracht und dem Absorber zugefuhrt Dabei wird es vielfach uber einen Warmeubertrager durch die Warme des aus dem Absorber austretenden Mischungsstrom vorgewarmt Das ausgetriebene Kaltemittel wird dem Kondensator zugefuhrt Dort kondensiert es aufgrund des niedrigen Drucks bei einer deutlich niedrigeren Temperatur Die dabei freiwerdende Warme ist in der Praxis zumeist als wertlose Abwarme zu bewerten Anschliessend wird das flussige Kaltemittel wieder uber eine zweite Pumpe auf hoheren Druck gebracht und dem Verdampfer zugefuhrt 2 Die vom Warmetransformator gelieferte nutzbare Warme ist die im Absorber freigesetzte Losungswarme des Kaltemittels im Losungsmittel Die Antriebswarme muss aufgeteilt dem Generator und dem Verdampfer zugefuhrt werden Fur den Absorptions Warmetransformator gilt dass der Schub hoher sein muss als der Hub denn sonst funktioniert der Prozess technisch nicht D T Schub D T Hub displaystyle Delta T text Schub geq Delta T text Hub nbsp Ausserdem ist aufgrund der technischen Anwendung D T Hub displaystyle Delta T text Hub nbsp wesentlich kleiner als TM Mit D T Hub D T Schub 1 displaystyle frac Delta T text Hub Delta T text Schub approx 1 nbsp und D T Hub T M 1 displaystyle frac Delta T text Hub T M ll 1 nbsp eingesetzt in die oben stehende Gleichung zur Beschreibung des COP eines Warmetransformators lasst sich abschatzen dass der maximale COP eines Absorptionswarmetransformators 0 5 nicht wesentlich uberschreiten wird Aus einer Einheit Warme auf mittleren Temperaturniveau kann somit nicht wesentlich mehr als eine halbe Einheit Nutzwarme auf hohem Temperaturniveau bereitgestellt werden C O P max AbsorptionsWT 1 2 displaystyle COP text max AbsorptionsWT approx 1 2 nbsp Der Einsatz von Warmetransformatoren gilt nur als zweckmassig wenn Abwarmen bei mindestens 40 Kelvin oberhalb der Umgebungstemperatur zur Verfugung steht und zugleich ein Bedarf fur die daraus erzeugbare Hochtemperaturwarme besteht 3 Einige Absorptionswarmetransformatoren mit Nutzwarmeleistungen zwischen 1 und 10 MW wurden in den 1980er Jahren kommerziell gebaut 3 Aktuell gibt es jedoch keine kommerzielle Nutzung dieser Technologie 2 Arbeitsstoffpaare BearbeitenAbsorptionswarmepumpen arbeiten anders als Kompressionswarmepumpen nicht mit einem einzelnen Einsatzstoff sondern stets mit einem Arbeitsstoffpaar Dabei fungiert einer der beiden Stoffe als Kaltemittel der andere als Losungsmittel Das Kaltemittel muss dabei stets den hoheren Dampfdruck aufweisen da das Losungsmittel beim Austreiben des Kaltemittels im Generator in der flussigen Phase bleiben soll Wichtige Arbeitsstoffpaare sind vor allem Wasser Lithiumbromid Wasser als Kaltemittel Ammoniak Wasser Ammoniak als Kaltemittel Weitere mogliche Arbeitsstoffpaare sind beispielsweise Ammoniak Lithiumnitrat und Ammoniak Natriumthiocyanat 4 Ammoniak Ionische Flussigkeiten 5 Wasser Ionische Flussigkeiten 6 Methanol oder Ethanol Ionische Flussigkeit 7 Trifluorethanol Tetraethylenglycoldimethylether 8 Sollte die Umgebung als Senke fur den Warmestrom QK dienen so kommen wegen der Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser im Winter Wasser Lithiumbromid Absorptionswarmetransformatoren nicht in Frage Stattdessen konnten Ammoniak Wasser Absorptionswarmetransformatoren genutzt werden Wegen der bisher seltenen Anwendungsfalle liegen wenig Erfahrungen zu dieser Technologie vor Variante Adsorptionswarmepumpen BearbeitenEine Variante der Absorptionswarmepumpe ist die Adsorptionswarmepumpe mit d statt mit b Dabei wird das Kaltemittel nicht in einer Flussigkeit gelost sondern an der Oberflache eines porosen Feststoffes angelagert Adsorption Beispiele fur solche Feststoffe die durch eine Struktur aus kleinen Poren eine grosse innere Oberflache besitzen sind Aktivkohlen und Zeolithe Variante Kaltetransformator BearbeitenDie oben beschriebenen Ausfuhrungen beruhen auf der Annahme dass die Umgebungstemperatur des Systems der Temperatur TK entspricht und der Warmestrom auf mittlerem Temperaturniveau genutzt werden soll um Warme auf hohem Temperaturniveau bereitzustellen Theoretisch ware es auch denkbar dass das Temperaturniveau TH dem Umgebungstemperaturniveau entspricht Dann wurde der Zweck des Warmetransformators dazu dienen eine kleine Kaltemenge QK Aufwand auf niedrigem Temperaturniveau TK zu nutzen um eine grossere Menge Kalte QM Nutzen auf mittlerem Temperaturniveau TM bereitzustellen Eine solche Anlage konnte dann Kaltetransformator genannt werden Eine technische Realisierung einer solchen Anlage ist jedoch bisher nicht bekannt Einzelnachweise Bearbeiten Jincan Chen Optimal choice of the performance parameters of an absorption heat transformer In Heat Recovery Systems and CHP 1995 Volume 15 Issue 6 249 256 doi 10 1016 0890 4332 95 90009 8 a b Falk Cudok Nikolai Kononenko Felix Ziegler Absorptionswarmetransformator und Absorptionswarmewandler KI Kalte Luft Klimatechnik 11 2014 26 31 a b Karl Stephan Der Warmetransformator Grundlagen und Anwendungen In Chemie Ingenieur Technik 60 1988 335 348 doi 10 1002 cite 330600503 Wei Wu Xiaoling Zhang Xianting Li Wenxing Shi Baolong Wang Comparisons of different working pairs and cycles on the performance of absorption heat pump for heating and domestic hot water in cold regions In Applied Thermal Engineering 48 2012 349 358 doi 10 1016 j applthermaleng 2012 04 047 Meng Wang Carlos A Infante Ferreira Absorption heat pump cycles with NH3 ionic liquid working pairs In Applied Energy 204 2017 819 830 doi 10 1016 j apenergy 2017 07 074 Sabine Popp Andreas Bosmann Rene Wolfel Peter Wasserscheid Screening of Ionic Liquid H2O Working Pairs for Application in Low Temperature Driven Sorption Heat Pump Systems In ACS Sustainable Chemistry amp Engineering 2015 3 4 750 757 doi 10 1021 acssuschemeng 5b00062 Zongbao He Zongchang Zhao Xiaodong Zhang Hao Feng Thermodynamic properties of new heat pump working pairs 1 3 Dimethylimidazolium dimethylphosphate and water ethanol and methanol In Fluid Phase Equilibria 298 1 2010 83 91 doi 10 1016 j fluid 2010 07 005 M Medrano M Bourouis A Coronas Double lift absorption refrigeration cycles driven by low temperature heat sources using organic fluid mixtures as working pairs In Applied Energy 68 2 2001 173 185 doi 10 1016 S0306 2619 00 00048 9 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Absorptionswarmepumpe amp oldid 232105479