Absorption und Adsorption

Forschung & Technik 11. Juli 2013

Zeolith wird häufig in Adsorptions-Wärmepumpen eingesetzt (Quelle: Vaillant)
Zeolith wird häufig in Adsorptions-Wärmepumpen eingesetzt (Quelle: Vaillant)

Absorption

Ähnlich wie bei einer Kompressionswärmepumpe wird auch in einer Absorptions-Wärmepumpe zunächst ein Kältemittel durch Aufnahme von Wärmeenergie aus der Umgebung verdampft. Das nun gasförmige Kältemittel wird nun in einen sogenannten „thermischen Kompressor“ (bestehend aus Absorber, Lösungspumpe, Austreiber und Expansionsventil) weitergeleitet. Dort findet die Absorption statt, die dem Gerät seinen Namen gibt: Das Kältemittelgas wird in einer Flüssigkeit (z.B. einem Ammoniak/Wasser-Gemisch) aufgelöst. Damit dies geschieht, müssen das Kältemittel und das Absorptionsmittel aufeinander abgestimmt sein, da sie sich sonst nicht lösen. Bei diesem Prozess wird die sog. Absorptions- oder Lösungswärme frei, die an den Heizkreis abgegeben wird, und es entsteht die sog. „reiche Lösung“. Eine Lösungspumpe setzt diese Mischung anschließend unter Druck. Diese unter Druck stehende reiche Lösung gelangt nun in den sog. Austreiber. Dort wird ihr Wärme zugeführt (z.B. durch einen Gasbrenner). Das gelöste Kältemittel trennt sich dadurch wieder von dem Absorptionsmittel – es wird „ausgetrieben“ – und zu einem Kondensator geleitet, wo es wieder verflüssigt wird und dabei Wärme an den Heizkreis abgibt. Das Absorptionsmittel wird zum Absorber zurückgeleitet und der Kreislauf beginnt von vorne.

Adsorption

Bei der Adsorption werden nicht zwei Stoffe ineinander gelöst, sondern ein Stoff lagert sich an der Oberfläche eines anderen ab, also z.B. Gas oder Dampf an einem Festkörper. Eine Adsorptionswärmepumpe funktioniert ähnlich wie eine Absorptionswärmepumpe, aber mit einigen wichtigen Unterschieden: Als Kältemittel kommt hier Wasser zum Einsatz. Dieses nimmt in einem Verdampfer unter Vakuumbedingungen die Umweltwärme auf und verdampft dadurch bereits bei niedrigen Temperaturen. Der Wasserdampf wird nun an einem anderen Stoff, dem sog. Adsorptionsmittel, adsorbiert. Dafür eigenen sich besonders wasserunlösliche poröse Stoffe (z.B. Aktivkohle oder Zeolith), die auf kleinem Raum eine große Oberfläche bieten, an der sich viel Wasser ablagern kann. So kann zum Beispiel 1g Zeolith ca. 1km² Oberfläche bieten.

Die Wasserteilchen bleiben an dieser Oberfläche haften. Ihre Bewegungsenergie wird durch diesen plötzlichen „Stopp“ in Wärme umgewandelt, die an den Heizkreis abgegeben wird. Auch hier wird das Kältemittel anschließend durch die Zufuhr von Wärme aus einem Gasbrenner wieder ausgetrieben und anschließend kondensiert. Da das Adorptionsmittel ein Feststoff ist und nicht in einem Kreislauf umgewälzt werden kann, laufen diese Prozesse nicht wie bei Kompressions- oder Absorptionswärmepumpen parallel ab - Adorptionswärmepumpen arbeiten phasenweise. Das bedeutet, zuerst wird das gesamte Kältemittel verdampft und adorbiert, bevor es wieder ausgetrieben und kondensiert.


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