19.01.2018

Vortrag von Prof. Schaber am 22.01.2018

Herr Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Schaber vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) - Institut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik (ITTK) spricht zum Thema "Absorptionskreisläufe mit ionischen Flüssigkeiten zur Klimatisierung und Wärmerückgewinnung"

Ort:   Hörsaal 212, Walter-Pauer-Bau
Zeit:  15:30 Uhr

Seit Anfang des letzten Jahrhunderts sucht man nach geeigneten Arbeitsstoffpaaren für Absorptionskreisläufe zur Kälteerzeugung. Absorptionskreisläufe bieten den Vorteil, dass im Vergleich zu den umgesetzten Wärmemengen nur ein geringer Einsatz elektrischer Energie vonnöten ist. Sie werden eingesetzt in Absorptionskältemaschinen (AKM) zur Erzeugung von Kälte (meist Klimakälte), in Absorptionswärmepumpen (AWP) und in sog. Absorptionswärmetransformatoren (AWT) zur Anhebung des Temperaturniveaus von Abwärme. In dem Vortrag wird nach einem kurzen historischen Rückblick und einer allgemeinen Einführung in die prozesstechnischen Grundlagen die Problematik der Auswahl geeigneter Arbeitsstoffpaare näher beleuchtet.

Klassische Arbeitsstoffpaare sind NH3 – Wasser sowie LiBr – Wasser. Diese weisen aber eine Reihe von Nachteilen auf, wie z.B. Toxizität und ein nicht vernachlässigbarer Dampfdruck des Absorptionsmittels im Falle von NH3 oder Mischungslücken und hohe Korrosivität im Falle von LiBr – Wasser. Aus diesen Gründen konnten sich Absorptionskreisläufe in der industriellen Praxis bei der Rückgewinnung von Niedertemperaturwärme oder in der Klimatechnik von einigen Ausnahmen abgesehen nicht entscheidend durchsetzen. Auch eine Vielzahl von Untersuchungen über alternative Arbeitsstoffpaare brachte letztendlich nicht den entscheidenden Erfolg.

Anfang der Jahrtausendwende kam die Stoffklasse der vielfach verwendbaren ionischen Flüssigkeiten (Ionic Liquids, ILs) auf den Markt. Darunter gibt es eine Reihe von hygroskopischen Vertretern, die sich als Absorptionsmittel für Wasser und somit in Absorptionskreisläufen im Prinzip bestens eignen. Der Vorteil dieser Flüssigkeiten besteht darin, dass sie in dem für Absorptionskreisläufe üblichen Temperaturbereich praktisch keinen eigenen Dampfdruck aufweisen und darüber hinaus vollständig mit Wasser mischbar sowie allenfalls schwach korrosiv sind. So wurde zunächst von verschiedenen Arbeitsgruppen in theoretischen Studien auf der Basis von thermodynamischen Gleichgewichtsbetrachtungen sowie Energie- und Massenbilanzen gezeigt, dass Arbeitsstoffpaare mit ILs eine vielversprechende Alternative zu den klassischen Arbeitsstoffpaaren darstellen.

Am ITTK wurden im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte neben den thermodynamischen auch die prozesstechnischen Aspekte von Absorptionskreisläufen mit ionischen Flüssigkeiten untersucht. Hierzu wurden Anlagen im Leistungsbereich 5 kW aufgebaut und betrieben. Im Falle der AKM konnten wohl theoretisch vorhergesagte COP-Werte (Coefficient of performance = Kälteleistung / zugeführte Wärme) erreicht werden, die denjenigen klassischer Arbeitsstoffpaare entsprechen. Allerdings lag die erzeugte Kälteleistung weit unter den Erwartungen, da aufgrund der hohen Viskosität der IL Wärme- und Stofftransportprozesse in den Austauschapparaten erheblich behindert wurden.
Bei Absorptionswärmetransformatoren spielt im Gegensatz zur AKM die Viskosität der verwendeten IL keine entscheidende Rolle, da die zirkulierende IL nur Temperaturen über ca. 80°C ausgesetzt ist. Dagegen ist hier die Temperaturbeständigkeit entscheidend. Es wurde ein im Temperaturbereich bis 140°C geeignetes Arbeitsstoffpaar gefunden und erstmals der Nachweis erbracht, dass Arbeitsstoffpaare Wasser – IL für Absorptionswärmetransformatoren geeignet sind.

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Christian Andreas Ullmann
Letzte Änderung: 19.01.2018