Ammoniak/Wasser-Absorptionskältemaschine AKM

Das Ammoniak/Wasser Absorptionsprinzip in der Kältetechnik

Das Ammoniak/Wasser-System

Ammoniak ist das Kälte- und Wasser das Absorptions­mittel.  An der linken Seite des umrandeten Feldes im Bild ist ein Kreislauf mit einem inneren Wärmeübertrager zur Kondensatunterkühlung/Dampfüberhitzung zu sehen. Er sendet verdampftes Niederdruckkältemittel - in diesem Fall Ammoniak - in das System im umrandeten Feld und erhält unter hohem Druck stehenden Ammoniakdampf zurück. Wenn die im Feld dargestellten Einrichtungen durch einen Verdichter (und einen Enthitzer) ersetzt werden, wird der Prozess zum normalen Kompressionskältemaschinenprozess.

Anstelle mechanischer Energie nutzt das Absorptionssystem hauptsächlich Wärme, um eine Drucksteigerung zu er­ reichen. Ammoniak ist extrem wasserlöslich und wird somit ständig im Absorber auflöst. Da der Prozess exotherm verläuft, muss der Absorber gekühlt werden .Nach dem Absorber erhöht eine Pumpe den Flüssig­keitsdruck bis auf den Kondensationsdruck. Bei diesem höheren Druck werden Ammoniakdampf und flüssiges Was­ser wiedergewonnen. Dies wird dadurch erschwert, daß so­ wohl Ammoniak als auch Wasser flüchtige Substanzen sind. Eine Destillation ist daher notwendig. Ein Chemieingenieur würde die Ausrüstung als eine Destillationssäule mit einem Austreiber, einem Rücklaufverflüssiger und einen Einlauf­ / Sumpf-Wärmeübertrager erkennen - ein sehr gebräuchlicher Aufbau in der chemischen Industrie.

Auf diesem Weg ist es möglich, Ammoniakdampf mit einer Reinheit von mehr als 99,5 % zu erhalten. Wegen der Affinität von Ammoniak zu Wasser ist es praktisch nicht möglich (und auch nicht nötig), reines Wasser als Sumpfprodukt zu gewinnen. Das Sumpfprodukt - die arme Lösung - enthält etwa 20 - 40 % Ammoniak . Nach der Absorption enthält die reiche Lösung 5 - 30 % mehr Ammoniak, etwa 40 bis 50 %. Schließlich sollte die reiche Lösung im Einlaufvorheizer bis zur Destillationstemperatur erhitzt und die arme Lösung gekühlt werden, um die Absorption zu erleichtern.

Alle Aufgaben in einer Ammoniak-Absorptionsanlage können von PHEs erledigt werden. Diese reichen von nickelgelöteten Einheiten in kleinen Heim-Klimageräten bis zu geschweißten oder kassettengeschweißten PHEs in großen industriellen oder kommerziellen Anlagen. Die thermischen Probleme sind fast überall gleich und größenunabhängig.  Die meisten Positionen sind unkritisch und können, einige Besonderheiten ausgenommen, als normale Ein- oder Zwei-Phasen-Wärmeübertrager behandelt werden.

Der Rücklaufverflüssiger

Im Bild ist ein Rücklaufverflüs­siger dargestellt. Dieser verflüssigt einen Teil des Dampfes und führt ihn als Rücklauf in die Kolonne zurück. Ein Rücklauf wird benötigt, um den Teil oberhalb des Einlaufs - die Verstärkungssäule - mit Flüssigkeit zu versorgen. Der Dampf steigt im Verflüssiger auf und trifft im Gegenstrom auf den herabfließenden Kondensatstrom. Dafür wird ein Verflüssiger mit einem sehr geringen Druckverlust benötigt. Hier kann ein Plattenwärmeüber­trager verwendet werden, aber nur, wenn die Dampf­geschwindigkeit / der Druckverlust gering ist, da sonst die Gefahr besteht, den Verflüssiger zu überfluten.

Ein geringer Druckverlust ist fast automatisch sicher­ gestellt, wenn der Verflüssiger mit hoher Wärmerückge­winnung ausgelegt ist, d. h. nur für wenige Grad Tem­peraturdifferenz. Falls der Verflüssiger für Kühlwasser ausgelegt ist  - was normalerweise eine größere Temperaturdifferenz bedeutet - so nimmt die Anzahl der Platten ab und der Druckverlust zu, wodurch Bedingungen für die Über­flutung geschaffen werden.

Es ist schwer, exakte Auslegungsbedingungen anzugeben. Ein berechneter Druckverlust von 0,05 - 0,1 kPa/(m Strömungsweg), was einem Strom von 20 kg/(m h) eines 20 bar Ammoniakdampfes in einem 2 mm Kanal entspricht, scheint sicher zu sein. Es ist ebenfalls möglich, den Rücklaufverflüssiger mit abwärts gerichteter Strömung des Dampfes und des Kondensats zu betreiben. Diese Ausführung ist jedoch kritisch, weil eine Flüssigkeitssäule notwendig wird, um den Druckabfall zu überwinden und das Kondensat zu­rück in die Säule zu zwingen, oder es muss eine zusätz­liche Pumpe eingesetzt werden. Thermodynamisch ist das weniger günstig als ein aufwärtsführender Strom, da dieser Wasser und Ammoniak wirkungsvoller trennt.

Der Ammoniakverdampfer

Er arbeitet wie ein normaler, einfacher Ammoniakverdampfer. Jedoch ist in manchen Fällen, besonders wenn ein Thermosiphon­verdampfer verwendet wird, der Wassergehalt des ver­dampften Gases geringer als im einströmenden Kon­densat. Das Wasser reichert sich dann im Verdampfer­abscheider an und die Verdampfungstemperatur steigt.

Ein zusätzlicher Verdampfer ist dann notwendig - ähnlich dem Ölverdampfer in einem Freon-Thermosiphon (vgl. Abschnitt 16 oder 8. Öle und Kältemittel).

Ein DX-Verdampfer ist dann eine bessere Wahl, besonders wenn er so angeordnet werden kann, daß alle den Verdampfer verlassenden Flüssigkeitströpfchen sich direkt zum Absorber bewegen, ohne auf irgendwelche Taschen zu stoßen, wo sie sich absetzen können. Das beste wäre eine Flüssigkeitseinspritzung am Kopf des NBPHE. Aber bis jetzt haben alle Verdampferausführungen mit oberer Flüssigkeitseinspritzung eindeutig um 25 bis 30 % geringere Leistung gezeigt. 

Bild 1: Der Ammoniak/Wasser-Absorptionskältemaschinenprozess

Der Kälteabschnitt:

1.  Der Verflüssiger kondensiert den Ammoniakdampf .

2.  Der Flüssigkeitssammler gleicht Schwankungen in der effektiven Kältemittelfüllung aus.

3.  Der innere Wärmeübertrager unterkühlt das Kondensat mit Kältemitteldampf; erhöht Prozeßeffizienz.

4.  Das Expansionsventil: thermostatisches DX-Ventil.

5.  Der Verdampfer ist hier ein normaler DX-Verdampfer.

Der Absorptionsteil:

6.  Der Absorber besteht aus zwei Teilen, der lnjektionsstufe, wo die gekühlte arme Lösung in den Ammoniakdampf gesprüht wird, und dem restlichen Kühler. Das Ammoniak löst sich leicht in der armen Lösung, unterstützt durch intensive Verwirbelung in den gekühlten, gewellten Kanälen. Die so entstandene reiche Lösung verläßt den Absorber und tritt ein in:

7.  Die Pumpe, die den Druck vom Verdampfungs- auf den Kondensationsdruck anhebt und Lösung einspeist in:

8.  Den Einlaufvorheizer. Die arme Lösung erwärmt die reiche Lösung bis auf Destillationstemperatur, wobei sie sich abkühlt. Eine kalte arme Lösung erleichtert den Absorptionsprozess in 1.

9.  Die Destlllationssäule kann einfach oder auch komplizierter sein als hier dargestellt. Die reiche Lösung läuft herab und trifft auf den aufsteigenden Dampfstrom. Die höhersiedende Komponente - Wasser - kondensiert und die niedriger siedende Komponente der Flüssigkeit - Ammoniak - verdampft. Das Ergebnis ist eine Flüssigkeit, die auf dem Wege vom Kopf zum Sumpf allmählich an Ammoniak verarmt, und ein Dampf, der vom Boden zum Kopf mit Ammoniak angereichert wird. Der Teil unterhalb des Einlaufs wird genutzt, um die flüchtige Komponente aus der Flüssigkeit zu entfernen (Abtrieb). Im oberen Teil reichert sie sich im Dampf an (Verstärkung).

10.  Der Generator versorgt die Kolonne mit Dampf.

11.  Der Rücklautverflüssiger (Dephlegmator) liefert der Säule den Rücklauf.

12.  Das Ventil reduziert den Druck der reichen Lösung.

Der Absorber

Dieser ist das Herzstück einer Absorp­tionsanlage. Ein PHE kann aufgrund seiner Fähigkeit, Flüssigkeiten gleichzeitig zu mischen und zu kühlen, einen exzellenten Absorber abgeben. Ein Absorber besteht aus zwei Sektionen: In der einen wird die absorbierende Flüssigkeit in den Ammo­niakdampf eingespritzt, und in der anderen wird das Gemisch dann absorbiert und gekühlt.

Das Problem liegt in der Verteilung des Dampfes auf die Kanäle. Jeder Kanal sollte mit einem bestimmten Anteil von Dampf und Flüssigkeit gespeist werden. Unglücklicher­ weise kann es passieren, dass Dampf und Flüssigkeit nach der Einspritzung getrennt werden und die Flüssigkeit über­wiegend in die ersten Kanäle eintritt, während der Dampf in die letzten Kanäle gelangt. Das Problem ist ähnlich der Verteilung eines Zwei-Phasen-Gemisches, das aus einem TEV in einen Verdampfer kommt. Verschiedene Methoden für eine gute Verteilung wurden vorgeschlagen. Die meisten sind rechtlich geschützt. Einige allgemeine Regeln können hier jedoch genannt werden:

Es gibt keine vollständig verlässlichen Auslegungs­methoden. Aber ein PHE kann wie ein Verflüssiger ent­worfen werden, bei dem ein Teil des Dampfes bereits am Einlass verflüssigt wird. Das Ammoniak-Wasser-Gemisch ist ein Kältemittel mit einem sehr großen Gleit. Die Wärmefreisetzung bei der gleichzeitigen Verflüssigung beider Dämpfe wird nicht nur von der latenten Wärme, sondern auch durch die hohe Mischungswärme verursacht. Krümmungen (d. h. Fliehkräfte) und große Distanzen zwischen der Einspritzstelle und dem Eingang zum BPHE sind zu vermeiden. Die Flüssigkeit setzt sich dann ab und wird abgeschieden.

Die arme Lösung wird in das Rohr mit dem Ammoniak­ dampf eingespritzt. Mehrere Einspritzpunkte entlang des Einlassrohres wurden für größere Rohre (2100 mm) mit guten Resultaten erprobt (siehe Bild 2).

Im Bild 2 ist ein Verteilerrohr für kleinere Rohre gezeigt , das mit gutem Resultat erprobt wurde.

Bild 2: lnjektionssystem für den Ammoniakabsorber

Die Einspritzung mit einer Art Ejektor ist vielleicht eine gute Lösung, wurde aber noch nicht erprobt. Die hohe Geschwindigkeit in der Düse zerstäubt die Flüssigkeit in kleine Tröpfchen.

Es ist eine unbeantwortete Frage, ob der Einlaß unten oder oben angeordnet sein sollte. Meist ist er oben an­ gebracht. Es ist allerdings leichter, eine gute Verteilung , speziell der Flüssigkeit , von unten her sicherzustellen. Aber die Strömung dürfte zumindest bei geringer Leistung instabil sein.

Der Generator

Dessen Ausführung ist abhängig von der Art der verfügbaren Wärmequelle. In Industriean­ lagen, wo Dampf verfügbar ist, ist der geschweißte PHE eine gute Wahl. Von den Betriebsbedingungen her ist er unkritisch. Er arbeitet wie ein normaler Dampfgenerator.

Hauswärmepumpen/-klimaanlagen haben normaler­ weise Erdgas als Wärmequelle und der Generator ist mit dem Brenner verbunden.

Der innere Wärrneübertrager

In einer Kompres­sionskältemaschine wäre er aufgrund der Verminderung des Ammoniakumlaufs eine fragliche Einheit. Ein Absorber wird durch die Dampfdichte aber wenig be­einflusst. Der geringfügig höhere Kühlbedarf kann leicht im Kühlteil des Absorbers ausgeglichen werden, eventuell durch eine geringfügig größere Kühlfläche und/oder höheren Kühlwasserdurchsatz. Außerdem hilft die größere Ammoniaküberhitzung, das letzte Ammoniak im Dampf zu verdampfen. Wasser führt zu einer deutlichen Erhöhung der Taupunkttemperatur 

 Quelle: Alfa Laval