7.2.6 Sorptions

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Sorptions-Wärmepumpen
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Sorptions-Wärmepumpen
7.2.6.1
Gasbetriebene Wärmepumpen
Gaswärmepumpen werden unabhängig von ihrer Bauart hauptsächlich mit Erdgas angetrieben. Zusätzlich
wird durch die Nutzung von Umgebungswärme der
Wirkungsgrad im Vergleich zum kondensierenden
Gaskessel (Brennwertkessel) weiter gesteigert. Es gibt
dabei unterschiedliche Funktionstypen von Gaswärmepumpen:
© Gasmotor-Wärmepumpe
© Absorptions-Wärmepumpe
© Diffusions-Absorptions-Wärmepumpe
Typen von Sorptionswärmepumpen
© Adsorptions-Wärmepumpe
Tab.: 7.2.6-1: Primärenergievergleich von Wärmeerzeugern. (Quelle: AAsuE)
Gasmotor-Wärmepumpe
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Die Gasmotor-Wärmepumpe ist der Elektrowärmepumpe sehr ähnlich. Die Bestandteile Verdampfer,
Kondensator, Verdichter und Expansionsventil sind
hier ebenso vorhanden, allerdings wird der Verdichter
über einen Gasmotor und nicht durch einen Elektromotor angetrieben. Wie bei der Elektrowärmepumpe
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Sorptions-Wärmepumpen
wird die Umgebungswärme mithilfe eines Arbeitsmediums (auch Kältemittel genannt) im Verdampfer vom
tieferen zum höheren Temperaturniveau gepumpt und
auf der Kondensatorseite wieder abgegeben. Dabei
wird zusätzlich die Wärmeabgabe des Gasmotors zum
Heizen genutzt. Eine Gasmotorwärmepumpe kann
daher ohne Effizienznachteil mit höheren Temperaturen betrieben werden als eine Kompressionswärmepumpe.
Sorptions-Wärmepumpen
Besonderheit:
Thermischer
Verdichter
Bei den Sorptions-Wärmepumpen wird das Kältemittel nicht wie bei den Kompressionswärmepumpen
durch einen mechanisch bzw. elektrisch getriebenen
Kompressor verdichtet, sondern diese Funktion übernimmt ein thermischer Verdichter, welcher neben
dem Kältemittel einen zweiten Arbeitsstoff enthält.
7.2.6.2
Prinzip der Sorptions-Wärmepumpen
Genau wie beim Kompressionsprinzip funktionieren
auch Sorptionswärmepumpen und -kältemaschinen
nach einem Kreisprozess-Prinzip. Allerdings nutzen
sie als Antriebsenergie nicht Strom, sondern Wärme. Sorptionswärmepumpen und -kältemaschinen
können nach den Grundprinzipien Absorption und
Adsorption arbeiten.
Bei der Absorption wird eine Flüssigkeit oder ein
Gas von einer anderen Flüssigkeit aufgenommen.
Ein Beispiel für dieses Prinzip ist in Mineralwasser
absorbierte (gelöste) Kohlensäure. Absorptionswärmepumpen haben wie Kompressionswärmepumpen
die Hauptbauteile Verdampfer, Kondensator und Expansionsventil. Die Verdichtung erfolgt jedoch über
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Absorptionswärmepumpe
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Sorptions-Wärmepumpen
einen sogenannten thermischen Verdichter, welcher
mit Wärme als Antriebsenergie arbeitet. Absorptionswärmepumpen arbeiten immer mit zwei Stoffpaaren,
Lithiumbromid/Wasser (Lösungsmittel LiBr, Kältemittel Wasser) oder Wasser/Ammoniak (Lösemittel
Wasser, Kältemittel Ammoniak).
Als Antriebsenergie können verschiedene Arten von
Wärme genutzt werden, sofern sie eine bestimmte
Temperatur erzeugen (i. d. R. mind. 75 °C). Diese Antriebsenergie kann z. B. aus Abwärme, Fernwärme
oder Solarenergie erzeugt werden.
Abb. 7.2.6-1: Gas-Absorptions-Wärmepumpe. (Quelle: Fa. Robur)
Das Kältemittel wird im Verdampfer verdampft und
geht dann mit dem Lösungsmittel eine Verbindung
ein (Absorption). Durch Wärmezufuhr wird es auf
höherem Druckniveau wieder ausgetrieben und gibt
danach die Wärme im Kondensator als Heizenergie
wieder ab. Nur wenig Strom wird für die Lösemittelpumpe benötigt, welche das Gemisch vom Verdampfer in den Austreiber transportiert und für die
Regelung der Anlage.
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Eine Sonderform ist die Diffusions-Absorptions-Wärmepumpe. Bei dieser Wärmepumpe handelt es sich
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Sorptions-Wärmepumpen
Bei Wärmezufuhr
Diffusion von Ammoniak in Heliumatmosphäre
Nach Verlassen des Verdampfers strömt das Ammoniak-Helium-Dampfgemisch in den Absorber, wo Ammoniak und Helium wieder getrennt werden, indem
eine wässrige Lösung in den Absorber geleitet wird.
Das Kältemittel Ammoniak ist sehr gut wasserlöslich
und wird daher vom Wasser absorbiert (aufgenommen). Die dabei frei werdende Energie wird dem
Heizsystem zur Verfügung gestellt.
Das vom Kältemittel gereinigte Helium wird wieder in
den Verdampfer geleitet, wo es erneut Kältemittel aufnimmt. Die im Absorber mit Kältemittel angereicherte
wässrige Lösung fließt in einen Austreiber. Dort wird
Wärme über einen Gasgebläsebrenner in den Austreiber eingebracht, wodurch das Kältemittel verdampft
und die verbleibende wässrige Lösung wird in den
Absorber zurückgeleitet. Im Absorber wird die wässrige Lösung erneut mit Kältemittel angereichert. Der
aus dem Austreiber aufsteigende Kältemitteldampf
wird im Kondensator verflüssigt und die Kondensationswärme an das Heizsystem abgegeben. Danach
gelangt das Kondensat wieder in den Verdampfer, wo
der Kreisprozess erneut beginnt.
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Keine mechanische
Pumpe oder Kompressoren
um eine Maschine mit Ammoniak, Wasser und Helium als Arbeitsmedien. Das Wärmepumpenaggregat
benötigt keine mechanische Pumpe oder Kompressoren. Der Diffusions-Absorptions-Prozess setzt sich
bei Wärmezufuhr selbstständig in Bewegung. Durch
Wärmezufuhr kommt es zu Dichte- und Konzentrationsunterschieden und die Arbeitsmedien zirkulieren
in der Wärmepumpe. Das Kältemittel Ammoniak verdunstet im Verdampfer und diffundiert in eine Heliumatmosphäre. Dabei nimmt das Kältemittel gleichzeitig
Energie aus der Umwelt mit auf.
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Sorptions-Wärmepumpen
Abb. 7.2.6-2: Gas-Zeolith-Adsorptions-Wärmepumpe zeotherm.
(Quelle: Fa. Vaillant)
Bei der Adsorption wird eine Flüssigkeit an der Oberfläche eines Festkörpers adsorbiert (aufgesaugt), in
Abhängigkeit bestimmter physikalischer Bedingungen wie Druck oder Temperatur. Beispiele dafür sind
z. B. das Aufnehmen von Feuchtigkeit durch Salze
oder das Filtern von Gerüchen und Schadstoffen aus
der Atemluft durch Aktivkohle. Beide Arten von Sorptionsvorgängen sind reversibel (umkehrbar).
Die Wärme- und Kälteerzeugung bei der AdsorptionsWärmepumpe bzw. -kältemaschine beruht hier auf der
Wechselwirkung zwischen Adsorption und Desorption an porösen Feststoffen, wie z. B. Silikagel oder Zeolith. Dabei wird in einer Kammer mit Wasser angereichertes Adsorbens (z. B. Silikagel oder Zeolith) durch
Wärmezufuhr (Verbrennung von Gas, Solarenergie,
Abwärme) getrocknet, dabei wird Wasserdampf freigesetzt, welcher in den Kondensator strömt, dessen
Wärmeenergie dann an das Heizsystem abgegeben
wird (Desorption).
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Analog der Kompressions-Wärmepumpe wird auch
bei der Sorptions-Wärmepumpe eine Energiemenge
(Wärme) von einem niedrigen Temperaturniveau auf
ein höheres Temperaturniveau angehoben und der
Prinzip der Adsorptions-Wärmepumpe
Adsorption und
Desorption