Debottelnecking the Evaporator in Water-Based Adsorption Chillers
Jan Michael Seiler
Der weltweite Kältebedarf steigt kontinuierlich. Um daraus resultierende Umweltauswirkungen zu verringern, ist nachhaltige Kältetechnik notwendig. Adsorptionskältemaschinen können Kälte nachhaltig bereitstellen, da sie sowohl umweltfreundliche Abwärme oder Sonnenenergie nutzen als auch mit dem natürlichen Kältemittel Wasser betrieben werden können.
Wasser vereint als Kältemittel viele Vorteile: Es hat kein Treibhauspotential, ist absolut sicher, günstig, gut verfügbar und hat eine hohe Verdampfungsenthalpie. Allerdings gibt es auch technische Hürden bei der Nutzung als Kältemittel: Einerseits ist die effiziente Niederdruckverdampfung von Wasser anspruchsvoll. Anderseits limitiert der Gefrierpunkt von Wasser den Anwendungsbereich auf Temperaturen über 0 ◦C, weshalb viele Kühlanwendungen nicht bedient werden können. Beide Nachteile des Kältemittels Wasser werden in dieser Arbeit adressiert: (I) Die Dünnfilmverdampfung im Niederdruck ermöglicht einen effizienten Wärmeübergang und wird in dieser Arbeit experimentell untersucht. (II) Die Limitierung auf Temperaturen über den Gefrierpunkt kann aufgehoben werden, indem ein Frostschutzmittel in den Verdampfer gegeben wird. Experimente mit einer Adsorptionskältemaschine zeigen die Machbarkeit.
Die Experimente zur Niederdruckverdampfung von Wasser zielen darauf ab, kapillargestützte Verdampfer besser zu verstehen und dadurch den Wärmeübergang beim Phasenwechsel steigern zu können. Zuerst wird der Versuchsaufbau validiert, indem identische Experimente an zwei Versuchsaufbauten verglichen werden. Der Vergleich liefert zusätzlich Einsichten zu grundsätzlichen Einflussfaktoren auf die Dünnfilmverdampfung im Niederdruck. Ebenfalls validiert wird eine spezielle Versuchsdurchführung mit kontinuierlich sinkenden Füllständen, bei der Wärmeübertrager anhand eines einzelnen Experiments schnell bewertet werden können. Der validierte Versuchsaufbau wird genutzt, um den Wärmeübergang bei der Dünnfilmverdampfung von 7 kapillaraktiven Beschichtungen zu charakterisieren. Durch Korrelation der Oberflächeneigenschaften der unterschiedlichen Beschichtungen zum Wärmeübergang können vorteilhafte Oberflächeneigenschaften identifiziert werden.
Der Betrieb einer wasserbasierten Adsorptionskältemaschine unterhalb von 0 ◦C wird durch die Zugabe von Ethylenglykol ermöglicht. Die Auswirkungen des Frostschutzmittels werden bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen im Experiment analysiert und bewertet. Sich ergebende Herausforderungen für eine kommerzielle Nutzung werden identifiziert und Möglichkeiten zur Prozessverbesserung diskutiert. Die Arbeit liefert somit einen Beitrag, um die hervorragenden Eigenschaften des natürlichen Kältemittels Wasser für die Kältebereitstellung besser nutzbar zu machen.
