Effizienzsprung fur dieuabsorptive Kalteerzeugungazwischen 0 und –30 oC

Schlusselwou ¨rter: Absorptionskao lte, Effizienz,aAuskuhlung Wau rmetraa ¨ger, totale Abwaa rme-anutzung, dezentrale Energieerzeugung

Der Verfasser schlagt einenmodifiziertenaAbsorptionskalteprozess fua r das be-uwahrte Arbeitsstoffpaar Ammoniak-aWasser vor, mit dem eine Auskuhlunguder flussigen Wau rmetraa ¨ger bis auf 70a �Cgelingt. Kalte zwischen 0 und –30a �C (beiVakuum auch darunter) kann damiterstmals unter Einsatz der Abgas- undMotorwarme eines BHKW erfolgen. Fua rudie dezentrale Energieerzeugung istdamit die perfekte Kraft-Warme-Kaa ¨lte-aKopplung gegeben. Durch das bewahrteaArbeitsstoffpaar werden Risiken derKorrosion, Kristallisation und ungunsti-uger Warmeua ¨bertragungsbedingungenuausgeschlossen.

High increment of economy withmodified absorption coolingprocess between 0 and –30�CKeywords: absorption chiller, new process,ammoniak/water, total utilization of heats,motor-power generation

With a new absorption cooling processfor ammoniak-water as working sub-stance it is able to use the heat offsmokegas and at the same time thewaste heat of motors for generation ofchilling/freezing energy. The modifiednew process is very importend for theecnomy in the decentralized energy-supply industry to utilization of wasteheat.

Autor

Dr.-Ing. Hans Forster,oIFM IngenieurburouDr.-Ing. H. Forster,oMagdeburg

Beschreibung der AusgangslageBlockheizkraftwerke (BHKW) erzeugenelektrische Energie undWarme durch anfal-alende Rauchgase bei ca. 425 �C sowie Mo-torwarme, die mit 90a �C-Wassertemperaturzur Verfugung steht und auf 70u �C zuruck-ugekuhlt werden muss.uAus dem Rauchgas lassen sich Warme-astrome uo ¨ber 100u �C gewinnen, die im Ge-werbebereich vielseitig nutzbar sind. War-amestrome zwischen 90 und 70o �C sind zurZeit nur als Heizwarme oder zur Erzeugungavon Klimakalte mit LiBr-Wasser-Absorpti-aonskalte-Anlagen verwertbar. Klimakaa ¨lteaist fur die hau ¨ufig in der Landwirtschaft ar-abeitenden BHKW nur bedingt einsetzbar.Absorptionskalteanlagen mit dem Arbeits-astoffpaar Ammoniak-Wasser eignen sichzur Erzeugung von Kalte zwischen 0 unda� 30 �C. Dabei sind aber Warmen zwischena90 und 70 �C derzeit nicht nutzbar.Das Problem besteht weltweit. Wurde esugelost, dann wao ¨re das ein enormer Fort-aschritt fur die Kraft-Wau ¨rme-Kopplung,aalso fur die Energieeffizienz im eigenenuund besonders auch in Entwicklungslan-adern. Das wurde fuu ¨r den Anlagen- unduApparatebau Umsatze und Arbeitsplaa tzeaschaffen. Contractoren hatten ein breitesaBetatigungsfeld und koa nnten sich in deroFolge der Errichtung von dezentralen Ener-gieerzeugungsanlagen mit dem Bau vonKuhlhau ¨usern anschließen.aDie Kuhlhausbetreiber sind durch enormugestiegene Strompreise an der Grenze derWirtschaftlichkeit ihrer Kompressionskalte-aanlagen angelangt. Durch Absorptionskalteaunter Nutzung der Motorwarme koa nntenoKuhlhau ¨user mit denkbar niedrigen Betriebs-akosten arbeiten, wenn das Problem losbaroware. Das Problem ist loa ¨sbar. Es sind aberozwei Dinge gleichzeitig erforderlich:l Es ist ein technisches Problem zu losen.ol Die neuen Kuhlhauskapazitau ¨ten sinda

ortlich den BHKW-Anlagen zuzuordnen,owobei die Kuhlhau ¨user den BHKW-Stand-aorten oder die BHKW den Kuhlhaus-ustandorten folgen mussen.u

Wenn Biogaserzeugungsanlagen errichtetwerden, dann ist der Standort zumeist imlandlichen Bereich gegeben und dann istadort auch ein Kuhlbetrieb mit Satelliten-u

kuhlhaus wirtschaftlich. Die Kau lteerzeu-agung ist in der Energieeffizienz der Erzeu-gung von elektrischer Energie weit uberle-ugen zumal mit Warmen zwischen 70 unda90 �C die Energieeffizienz fur die Stromer-uzeugung besonders ineffektiv ist.Mit der Errichtung solcher Satellitenkuhl-uhauser haben Contractoren und Investorenaein lukratives Arbeitsgebiet.

Neues Absorptionskalteverfahrenzur Nutzung der Gesamtwarmeeines BHKWEine einfache Absorptionskalteanlage fua rudas Arbeitsstoffpaar Ammoniak-Wasserenthalt die in Abb.a 1 dargestellten Kompo-nenten bzw. Verfahrensschritte.Der Kalteteil besteht aus dem VerdampferaV, dem Kaltemittelsammler KS, dem Nach-akuhler NK und dem Entgaser E. Dieser Teilubleibt bei einer Modifikation des Verfahrensungeandert.aDer Losungsteil der Anlage zur thermischenoRuckverdichtung der im Verdampfer er-uzeugten Dampfe besteht bei einer einstufi-agen Absorptionskalteanlage aus dem Ab-asorber A, der Losungspumpe P, dem Dampf-okonzentrierer DK, dem TemperaturwechslerTW fur dieWau rmeua ¨bertragung zwischen ar-umer und reicher Losung und den Desorber-oeinheiten D1, D2. Der Dampf wird im Absor-ber A aufgesaugt durch arme Losung. DieoAmmoniakkonzentration andert sich. Ausader armen Losung entsteht durch Aufnah-ome von Ammoniak die reiche Losung, d.h.odie an Ammoniak reiche Losung, die durchodie Losungspumpe P auf Desorptionsdruckogebracht wird. ImDesorber D1, D2wird Am-moniakdampf bei hohem Druck freigesetzt(ausgetrieben) und im Dampfkonzentriererdurch Stoffaustausch in einer gekuhltenuSprudelschicht auf hohe Ammoniakkonzen-tration gebracht. Der Dampfkonzentriererist eine erprobte Innovation von IFM und er-setzt einen stehenden Rektifikator mit au-aßerer Warmeabfuhr und Rua ¨cklaufpumpe.uDer beschriebene Verfahrensverlauf lasstasich darstellen im Nesselmann-lgp/-1/T-Diagramm. Nesselmann [1, 2, 3] hatte her-ausgefunden, dass die Linien konstanterKonzentration auf einer Gerade liegen,wenn man den Druck logarithmisch uberu

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der negativen, reziproken Temperaturskalaauftragt. Man kann damit die Vorgaa nge imaLosungsteil einer Absorptionskao ¨lteanlageabei der thermischen Verdichtung anschau-lich darstellen.In der Abb. 2 ist ein Beispiel eines thermi-schen Verdichters dargestellt. Die Vorgangeaim Warmeua ¨bertrager der Lou ¨sungen, nachoMerkel als Temperaturwechsler bezeichnet,verlaufen bei konstanter Konzentration,also parallel zu den eingetragenen Konzen-trationslinien. Die Absorption und die De-sorption verlaufen isobar mit sich veran-adernder Konzentration und bilden sich imNesselmann-Diagramm als horizontale Li-nien ab.Man kann aus Abb. 2 entnehmen, dass dasKonzentrations- und das Temperaturinter-vall bei Absorption bzw. Desorption relativklein ist. Das bedeutet, dass auch die Aus-kuhlung des Wau rmetraa ¨gers zu klein ist,aum Warmeangebote durch eine hohe Aus-akuhlung zu nutzen.uWenn man Kalte auch bei einer 2. hoa ¨herenoVerdampfungstemperatur benotigt, lassenosich bekanntlich erhebliche Verbesserungender Auskuhlung des Wau rmetraa ¨gers durchaNachsattigen der reichen Loa ¨sung aus demoNiederdruckabsorber in einem 2. bei hohe-orem Druck der 2. Verdampfungstemperaturarbeitenden Absorber erreichen, was allge-mein bekannt ist (Abb. 3). Das Temperatur-intervall im Desorber erweitert sich be-trachtlich, weil die Desorptionsanfangstem-aperatur reduziert wird. Die Auskuhlung desuWarmetraa ¨gers verbessert sich entspre-achend, reicht aber noch nicht, um auchdie Motorwarme eines BHKW zwischena90 und 70 �C nutzen zu konnen. Außerdemokann auch nicht vorausgesetzt werden,dass ein 2. Kalteverbraucher bei hoa ¨hereroVerdampfungstemperatur immer zur Ver-fugung steht.uDie gewunschte hohe Auskuu ¨hlung des Wau r-ametragers mit einer Verdampfungsstufe er-ahalt man durch die in Abb.a 4 dargestellteModifikation. Die Drucke im Absorber unduDesorber entsprechend denen des Beispielsnach Abb. 2. Der Zwischendruck im 2. Absor-ber ist identisch dem im Prozess mit einer2. Verdampfungsstufe nach Abb. 3. Der Am-moniakdampf fur die 2. Absorptionsstufeuwird aber nicht durch einen 2. Verdampfersondern durch einen 2. Desorber fur reicheuLosung bei einem Zwischendruck erzeugt.oEs treten dann folgende neue Effekte ein,die diesen Prozess so attraktiv machen:l Extrem große Auskuhlung des Wau rme-a

tragers (WT), weil außer der 2. Absorp-ationsstufe auch die 2. Desorptionsstufezum Anwachsen des verfugbaren Tem-uperaturintervalls beitragt. Begrua ¨ndetuist das damit, dass die Desorption im

&1 Einstufige Ab-sorptionskalte-aanlage fur dasuArbeitsstoffpaarAmmoniak-Was-ser mit Dampf-konzentrierer DK

&2 Zustandsande-arungen fur einenueinstufigen ther-mischen Verdich-ter im Nessel-mann-lgp/-1/T-Diagramm

&3 Zustandsande-arungen fur einenuthermischenVerdichter mit2 Verdampfungs-und 2 Absorpti-onsstufen imNesselmann-lgp/-1/T-Dia-gramm

&1

&2

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KI Kaltea � Luft � Klimatechnik � Oktober 2009 25

Mitteldruckdesorber bei einem sehrniedrigen Temperaturniveau erfolgt, sodass die Auskuhlung des Wau rmetraa ¨gersanach dem Hochdruckdesorber im Mittel-druckdesorber fortgesetzt werden kann.Die gesuchte hohe Auskuhlung des WTuwird Realitat. Die Motorwaa ¨rme kannaim Mitteldruckdesorber, also am kaltenProzessende der Desorption, eingekop-pelt werden.

l Es wird zusatzlich arme Loa ¨sung imoMitteldruckdesorber produziert, dieKaltemitteldaa ¨mpfe bei niedrigem Druckaim Niederdruckabsorber absorbiert, d.h.die Kapazitat der Absorption nimmtazu.

l Der Bereich der Konzentration der Lo-osung im Hochdruckdesorber vergroßertosich und verlagert sich im Mittel in Rich-tung hoherer Ammoniakkonzentrationo

l Die zu fordernde Menge der superrei-ochen Losung, des „Resorbates“, das imo2. Absorber, dem Resorber, produziertwird, ist wesentlich kleiner als beimGrundprozess nach Abb. 2. Der Energie-aufwand an elektrischer Energie zurRuckverdichtung der Dau ¨mpfe im Kreis-aprozess nimmt ab.

Interessant ist, dass es in der Darstellung imNesselmann-lgp/-1/T-Diagramm ohne Be-deutung ist, ob der Dampf, der im Resorberverflussigt wird, von einem Verdampferuoder von einem Desorber zur Verfugung ge-ustellt wird. Zwar ist der Vorgang der Desorp-tion bei mittlerem Druck im Nesselmann-Diagramm darstellbar, aber die Vorgange,abei denen Dampfe allein auftreten, sind inadiesemDiagrammnicht sichtbar. Es werdennur Vorgange mit flua ssigen Lou sungen ver-oschiedener Konzentrationen oder reinenKomponenten abgebildet. Die Gestaltungvon Sorptionskreisprozessen bezieht sichgerade auf die flussige Phase von Lou sungen.oDas Diagramm von Nesselmann erweist sichfur die Gestaltung der „thermischen Ver-udichter“1) als eine sehr anschauliche Hilfe.Neuerdings findet man fur das Nesselmann-uDiagramm auch den Namen Raoult-Dia-gramm. Der Unterschied besteht darin,dass von Raoult auch Gleichgewichtskon-zentrationen der Dampfe mit eingetragenasind, wie das von Merkel in seinem h,n-Diagramm bereits in den 20er Jahrendes 20. Jahrhunderts vorweggenommenwurde. Die eigentliche Leistung der Dar-stellung gebuhrt Nesselmann.u

Vereinfachtes Verfahren undBeschreibung der Absorptionskalte-anlage mit MitteldruckteilZum besseren Verstandnis wird der Loa -osungsteil der einfachen Absorptionskalte-aanlage unter dem Begriff „thermischer Ver-dichter“ zusammengefasst und durch Sym-bolisierung vereinfacht (Abb. 5 [6]). Eine ein-fache, einstufige Absorptionskalteanlageamit dem Arbeitsstoffpaar Ammoniak-Was-ser stellt sich dann – wie in Abb. 6 gezeigt– sehr ubersichtlich dar. Um von diesemuVerfahren zur Absorptionskalteanlage mitagroßer Auskuhlung zu gelangen, wird dieureiche Losung aus dem Absorber A mithilfeoder Losungspumpe LP nicht mehr zum Tem-operaturwechsler TW bzw. TW 1 gefordertosondern geregelt aufgeteilt auf einen Teil-strom 1, der zum Resorber R als Absorpti-onsmittel und einen Teilstrom 2, der uberuTW 2 zur Desorption zumMitteldruckdesor-ber DM geleitet wird. Die Aufteilung derreichen Losung erfolgt nach Maßgabe deso

&4 &4 Zustandsande-arungen fur einenuthermischen Ver-dichter mit einem2. Desorber undResorber

&5 SymbolisiertesSchema einesthermischen Ver-dichters zur AKAnach Bild 1

&6 Einfache einstufi-ge AKA mit sym-bolisiertem ther-mischen Verdich-ter

&5

&6

1 nach Merkel [4] gepragter Begriff fua r den Lou -osungsteil von Sorptionskreisprozessen

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Druckes im Mitteldruckdesorber DM bzw.im Resorber R.Die Menge des desorbierten Ammoniaksund der Menge des absorbierten Dampfesmussen beim gewuu ¨nschten Mitteldruckuim Gleichgewicht stehen. Damit ist eine kla-re Fuhrungsgrou ¨ße gegeben und ein stabileroBetrieb moglich. Bei mao ¨ßig großen Leistun-agen konnen Mitteldruckdesorber und Re-osorber in eine gemeinsame Druckhulle ein-ugebracht werden (Abb. 7).Das neue Verfahren ist in Abb. 8 darge-stellt. Die im Mitteldruckdesorber DMproduzierte arme Losung geht getrenntoals arme Losung des HochdruckdesorbersoD zum Absorber A zuruck.uDas Resorbat wird uber die ResorbatpumpeuRP zum Temperaturwechsler der Hoch-druckstufe TW 1 und von dort zum Desor-ber D gefordert. Die konzentrierten Kao ¨lte-amitteldampfe werden vom Dampfkonzen-a

trierer DK zur Verflussigung in den Konden-usator geleitet. Der Kalteteil entspricht dannadem nach Abb. 1. Zur Vereinfachung wurdeder Entgaser in Abb. 8 nicht dargestellt. Da-mit ist der im Abb. 4 dargestellte thermischeVerdichter im Zusammenhang mit der Kal-ateerzeugung verfahrenstechnisch geklart.aDer Prozess arbeitet mit dem gleichen Ar-beitsstoffpaar einschließlich Korrosionsin-hibitor wie das vom klassischen Absorpti-onskalteprozessmit Ammoniak undWasserabekannt ist. Die Erweiterung des Arbeits-stoffpaares zu einem Dreistoffgemisch istuberfluu ¨ssig, weil allein durch die Verfah-urensfuhrung enorm große Konzentrations-uund Temperaturintervalle erreicht werden,die das Experimentieren mit neuen Stoffenuberfluu ¨ssig machen. Damit kann der Bauuvon Absorptionskalteanlagen mit großeraAuskuhlung des Wau rmetraa ¨gers sofort undaohne Risiko begonnen werden.

Anwendungen und Chancen fur eineperfekte Kraft-Warme-KopplungDie neue Verfahrensfuhrung begruu ¨ndetueine neue Generation von Absorptions-kalteanlagen, die in der Energiewirtschaftazur Perfektionierung der Kraft-Warme-aKopplung fuhrt. Fuu ¨r Energiecontractorenuergeben sich durch die enorme Energie-effizienz solcher Systeme gute Gewinn-chancen, auch unter Mitwirkung von Unter-nehmen fur die Errichtung von Kuu ¨hl-uhausern.aAKA, die auch die Motorwarme von BHKWanutzen, sind fur die Energieversorgunguvon Brauereien von großtem Interesse.oHier bestunde zusau ¨tzlich die Moa ¨glichkeit,odie diskontinuierlich anfallende Bruden-uwarme fua ¨r die Desorption der Ammoniak-udampfe der AKA mit einzukoppeln.aAls Ausgangsenergietrager einer Biogas-aerzeugung in Brauereien kommen haupt-sachlich die anfallenden Treber in Betracht.aWeitere Biogrundstoffe aus der Regionkonnen zugespeist werden.oUm die neue Generation von Absorptions-kalteanlagen kostengua ¨nstig fertigen zuukonnen muss eine grobe Leistungsstufungofestgelegt werden. Fur normale BHKWukonnte das zu einer Kao ¨lteleistung von 200abis 300 kW fuhren, die als vorgefertigteuKompaktanlagen in der Werkstatt verrohrt,verkabelt und isoliert werden. Fur Anlagenuim MW-Bereich, also z.B. fur Brauereien,umussen vorgefertigte und vorgepruu ¨fteuModule in der Werkstatt hergestellt wer-den, die auf der Baustelle zusammen-montiert werden.Mit der Einfuhrung einer derart perfektenuForm der Kraft-Warme-Kopplung ist esamoglich, die Energieeffizienz drastisch zuoerhohen, den COo 2-Ausstoss in die Atmo-sphare zu reduzieren und die von staat-alicher Seite eingegangenen Verpflichtun-gen zu den Klimaschutzzielen bis 2020 zuunterstutzen.u

Literatur[1] Nesselmann, K.: Die logarithmische und die re-

ziproke Temperaturskala wiss. Veroff. Siemenso– Konz. Bd XII (1933) 2, S. 89

[2] Nesselmann, K.: Z. ges. Kalteindustrie 41a(1934), S. 73

[3] Nesselmann, K.: Angewandte Thermodyna-mik. Springer Verlag (1950) Kapitel Thermody-namik der Gemische, Das Losungsfeldo

[4] Merkel, F.: Zweistoffgemische in der Dampf-technik. Z. VDI, Bd 72 (1928) 4, S. 109–115

[5] Merkel, F.: Die Berechnung der Absorptionskal-atemaschine, Z. ges. Kalteindustrie 35 Jg. (1928)a7, S. 130–134; 8, S. 154–158

[6] Forster, H., Schmidt, K. P.: Kreisprozesse fuo r dieumaximale Nutzung von Warmeangeboten imaTemperaturbereich von 80 bis 250 �C in Indus-trie, Geothermie und Solarwirtschaft VDI-Be-richte 1924 (2006) S. 289

&7

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&7 Integration vonMitteldruck-desorber undResorber in einergemeinsamenDruckhulleu

&8 Verfahrenssche-ma der modifi-zierten AKA mitMitteldruckteilund symbolisier-tem thermischenVerdichter

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