Ammonia absorption chiller for combined heat, power and cooling (CHP)

What is an absorption chiller?

An absorption chiller, AKM for short, is - in contrast to the electrically driven compression chiller - a chiller driven by thermal energy. In combined heat and power plants, the heat from the combined heat and power plant (CHP) is used as a heat source at around +90 °C. Alternatively, the AKM could also be operated with solar thermal energy, geothermal energy, district heating and waste heat.

In practice, absorption refrigeration distinguishes between two technologies. One works with water-lithium bromide and is used for cooling applications above +6 °C, for example for air conditioning. The other uses ammonia water and is mainly used in the food industry. With high temperatures of the heating medium up to +180 °C, cooling temperatures down to -60 °C are possible. When using low-temperature CHP heat, cooling temperatures down to -10 °C can be achieved in practice. In the AKM, thermal energy is introduced into the machine by the heating and cooling medium, recognizable by a falling temperature in the range of 5 to 15 Kelvin. The energy supplied must be technically dissipated again.

This happens via the third cycle. Cooling water is usually used here, which heats up by 3 to 6 Kelvin as it flows through the AKM and dissipates the heat energy at temperatures between +15 °C and +30 °C to the environment with the help of a recooling system. In principle, this thermal energy could also be used for heating applications. The following diagram shows an example of the incoming and outgoing energy flows in an AKM.

In addition to the heat exchangers shown in the diagram, an AKM consists of other heat exchangers and components such as pumps, containers, pipes and valves. The figure below shows an example of how an AKM is run.

Reliable.

Während in den vergangenen Jahrzehnten überwiegend Rohrbündelwärmetauscher eingesetzt worden sind, werden heute innovative Plattenwärmeübertrager eingesetzt. Diese bieten wesentliche Vorteile. Die extrem kompakte Bauweise führt zu einem geringen Platzverbrauch. Die Verwendung von Edelstahl vermeidet den Einsatz von umweltschädlichen Korrosionsschutzinhibitoren und bietet Sicherheit für Mensch und Maschine. Mit vollverschweißten Apparaten und bei entsprechender Auslegung führt dies zu thermodynamischen Höchstleistungen bzw. praktisch zu beachtlichen Wirkungsgraden bei der Umwandlung von Wärme in Kälte. Komponenten in Industriequalität sorgen für eine Lebenszeit von Jahrzehnten. Somit kann eine AKM zu einer rationellen Energieversorgung und damit zu hohen Energieeinsparungen beitragen.

Umweltfreundlich.

Das natürliche Kältemittel Ammoniak ist umweltfreundlich, weil es keinen Beitrag zur Erderwärmung leistet: Global Warming Potential GWP = 0 und weil es unschädlich für die Ozonschicht ist: Ozone Depletion Potential ODP = 0.
Angetrieben mit Solarthermie, Geothermie oder der Abwärme von Biomasseprozessen kann eine AKM nachhaltig ohne die Verwendung von fossilen Energieträgern betrieben werden, so dass keine Kohlendioxid bzw. CO2 Emissionen freigesetzt werden.
Die Emissionen von Geräuschen werden mit einer AKM deutlich reduziert, weil eine Pumpe im Vergleich zu einem Verdichter eine drastisch geringere Geräuschquelle darstellt.

Wirtschaftlich.

Eine hier beschriebene Ammoniak AKM ist eine Maschine für die Grundlast Kälteversorgung. Die Kompressionskälte wird dadurch entlastet und nur für die Deckung der Spitzenlasten benötigt. Bei entsprechender Auslegung sorgt die AKM durch die Wärmeabnahme für den Ganzjahresbetrieb des BHKWs und somit für eine kurzfristige Amortisation. Die Reduktion der elektrischen Arbeit und Leistung führt zu hohen Energieeinsparungen. Zusätzlich wird die Wirtschaftlichkeit unterstützt durch die vernachlässigbaren Wartungskosten im Vergleich zu einer Kompressionskältemaschine und der langen Lebenszeit einer AKM.

Anwendung.

Eine AKM wird heute überwiegend bei der Herstellung von Lebensmitteln eingesetzt, z.B. in der Fleischindustrie, in Molkereien, in der Getränkeindustrie bzw. in Brauereien und in der Kühl- und Tiefkühllagerung. Grundsätzlich kann sie überall eingesetzt werden, wo elektrische Energie gebraucht, Wärme verfügbar und Kälte benötigt wird. Beispiele:

• Kühlen von Medikamenten, Produkten und Prozessen auch unter 0 °C
• Klimatisieren von Krankenhäusern, Hotels, Industrie- und Verwaltungs­gebäuden, Produktionshallen und Tierställen mithilfe von Eisspeichern, z.B. in Kombination mit Photovoltaik und Solarthermie als solar angetriebene Kälteanlage. In sonnenreichen abgelegenen Regionen könnten Hotels und Ferienanlagen autark mit Kälte und Kühlung versorgt werden
• Kühlung von Serverräumen und Eissportanlagen
• Kühlung von Flüssigkeitskreisläufen aller Art
• Conversion of biogas into biomethane as a system component of gas processing
• Hot gas condensation of refrigerant from deep-freeze compression chillers
• Cold vapor refrigerant condensation in refrigeration systems with separators in the range -15 °C to +5 °C

Authors: Dr. Wolfgang Stürzebecher and Christoph Heyse, B.Sc., Managing Directors of AKM Industrieanlagen GmbH, 
www.akm-industrieanlagen.de

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