Hallo SBZ-Monteur,
mein Berufsschullehrer hat letzte Woche irgendetwas von einer Adsorptionswärmepumpe erzählt. Dabei hat er auch den Unterschied zwischen Adsorption und Desorption versucht zu erklären. Nur verstanden habe ich davon nichts. Könnt ihr mal weiterhelfen?
Sven Jung
Iserlohn
Nach Rücksprache mit Herrn Jung möchten wir die Antwort auf seine Frage hier veröffentlichen:
Der Adsorptionsprozess wird mit dem Stoff Zeolit betrieben. Im Jahre 1756 machte der schwedische Mineraloge Baron Axel F. Cronstedt eine interessante Entdeckung:
Bestimmte Minerale beginnen zu brodeln, wenn man sie stark genug erhitzt. Er nannte diese Substanzen Zeolithe von griechisch „zeo“ (sieden) und „lithos“ (Stein). Forschungen und Weiterentwicklungen haben Zeolithe in unterschiedlichsten Einsatzgebieten als umweltfreundliche Alternativen etabliert. Darunter ist auch die Entwicklung einer Gas-Wärmepumpe. Es handelt sich dabei um eine gasbetriebene Adsorptionswärmepumpe, die mit Wasser als Kältemittel und mit Zeolith als Sorptionsmittel völlig umweltverträglich arbeitet.
Zeolithe sind kristalline Alumosilikate, die Wasser oder andere niedermolekulare Stoffe aufnehmen und bei Erhitzung wieder abgeben. Ihre Kristallstruktur bleibt bei diesen Prozessen erhalten.
Die eingesetzten Arbeitsstoffe Zeolith und Wasser sind ungiftig, nicht brennbar und in jeder Hinsicht umweltverträglich.
Die Eigenschaften des Zeoliths werden bereits seit Jahrzehnten in der Gastrennung / Gasreinigung als sogenannte Molekularsiebe genutzt. Seit Beginn der achtziger Jahre haben sie in Haushaltswaschmitteln die Polyphosphate ersetzt. Sie dienen hier zur umweltschonenden Wasserenthärtung. Zeolithe kommen in der Natur in zahlreichen Modifikationen vor, können
aber auch synthetisch hergestellt werden.
Die Aluminiumdioxid- (AlO2) und Siliciumdioxid- (SiO2) Atome bilden sogenannte Sodalithkäfige. Sehr viele von diesen Sodalithkäfigen bilden zusammen eine Makroporenstruktur.
Durch diese Makroporenstruktur erhält der Zeolith eine extreme Porösität und somit eine sehr große innere Oberfläche. Die Porengröße des Zeolithen entspricht der Größe eines Wassermoleküls.
Freie Wassermoleküle vollziehen im Raum eine Eigenbewegung die sogenannte Brownsche Molekularbewegung. Da der Zeolith sehr stark hygroskopisch ist, zieht er die Wassermoleküle an. Er lagert die Wassermoleküle in den Poren an seiner Oberfläche an (er adsorbiert die Wassermoleküle) und das Wassermolekül kann seine Eigenbewegung nicht mehr vollziehen, es wird
„abgebremst“.
Die Bewegungsenergie des Wassermoleküls wird in Wärme umgewandelt. Diese sogenannte Adsorptionswärme wird dem Heizsystem als Nutzwärme zur Verfügung gestellt. Dies ist ein vollkommen reversibler physikalischer Prozess. Bei der Aufnahme von Wasser entwickelt das Zeolith in einem thermodynamischen Prozess Wärme von bis zu 80 °C, die im Heizprozess genutzt werden kann.
Mit hoher Temperatur kann das Wasser wieder als Wasserdampf aus dem Zeolith ausgetrieben und die entstehende Kondensationswärme genutzt werden.
Der Gleichgewichtsprozess zwischen Aufnahme und Abgabe eines Stoffes wird Sorption genannt. In der Sorptionstechnik hat sich der Einsatz von Zeolith als Granulat bewährt. Die Zeolith-Kugeln werden in einen Sorber-Wärmeaustauscher als Lamellenwärmetauscher, einlagig lose in die Zwischenräume eingebracht. Diese Adsorber- / Desorber-Einheit befindet sich in einem Vakuum-
Edelstahlbehälter, dem sogenannten Zeolith Modul. Im unteren Teil des Moduls befindet sich ein weiterer Wärmetauscher, der Verdampfer / Kondensator. Eine definierte Menge Wasser, das
als Kältemittel dient, befindet sich, abhängig vom Betriebszustand des Moduls, entweder adsorbiert im Zeolith oder in flüssiger Phase im unteren Teil des Behälters. Das Vakuum-Zeolith-Modul ist hermetisch verschlossen, es arbeitet wartungsfrei über die komplette Lebensdauer des Gerätes. Desorption und Adsorption Grundsätzlich verläuft der Sorptions-Prozess in zwei Phasen, die
Desorptions- und die Adsorptionsphase.
Das Funktionsprinzip der Zeolith- Gas-Wärmepumpe stellt sich auf den ersten Blick einfach dar:
Desorptionsphase (Trocknung):
Zunächst wird der im Zeolith, durch seine große innere Oberfläche, enthaltene Wasserdampf ausgetrieben. Durch den Adsorber / Desorber strömt dafür der Wärmeträger Wasser, der durch das Brennwertmodul auf ca. 120 °C erhitzt wurde und über einen internen Wasserkreislauf übertragen wird. Der dadurch erwärmte Zeolith gibt das gespeicherte Wasser ab - er desorbiert. Der so entstandene heiße Dampf strömt in den unteren Teil des Zeolith-Moduls, kühlt hier ab und kondensiert. Die freigesetzte Energie wird als Nutzwärme abgeführt. Dieser Schritt ist dann beendet,
wenn der Zeolith einen bestimmten Trocknungsgrad erreicht hat und sich das Wasser im unteren Teil des Zeolith-Moduls befindet.
Adsorptionsphase (Befeuchtung):
Der Gasbrenner wird abgeschaltet, das Zeolith-Modul kühlt ab, der Druck im Modul sinkt und die Adsorptionsphase beginnt. Sobald die Temperatur des Verdampfers unter das Temperaturniveau der Umgebungswärmequelle gesunken ist, wird die Solarpumpe eingeschaltet. Damit wird dem Verdampfer "kalte" Energie aus der Umwelt zugeführt. Das Wasser im unteren Teil des Zeolith-Moduls verdampft, der Kaltdampf strömt nach oben und wird durch den Zeolith adsorbiert. Hierbei erzeugt der Zeolith erhebliche Wärme, die ebenfalls als Nutzwärme eingebracht wird. Die
Verdampfungswärme für das Kältemittel wird durch die Solarkollektoren zur Verfügung gestellt. Dieses funktioniert selbst dann noch wenn die Außentemperatur bei -10°C liegt. Entscheidend dafür ob der Adsorptionsprozess mit Hilfe von solarer Energie gestartet werden kann ist der Kollektorfühler. Am Fühler müssen mind. 3-5°C herschen.
