Entwicklung und Simulation einer mobilen, trockenen Absorptionskälteanlage unter Nutzung von Motorabwärme

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung und Simulation einer trockenen Absorptionskälteanlage zum Einsatz in der Transportkühlung beschrieben. Da zum Antrieb die bisher ungenutzte Abgaswärme des Motors verwendet wird, kann Primärenergie eingespart und damit der Schadstoffausstoß des Fahrzeugs verringert werden. Diese Art der Kälteerzeugung erfolgt diskontinuierlich in zwei Schritten. Im ersten Schritt wird flüssiges Kältemittel verdampft, wobei dem Kühlraum Wärme entzogen wird. Der Kältemitteldampf wird anschließend von einem Salz, dem sogenannten Absorbens, unter Abgabe von Wärme chemisch gebunden (absorbiert). Im zweiten Schritt wird das Absorbens durch das Abgas beheizt und das Kältemittel ausgetrieben (desorbiert). Das gasförmig ausgetriebene Kältemittel wird unter Abgabe von Wärme an die Umgebung wieder verflüssigt. Derartige Anlagen zeichnen sich durch ihre Robustheit und einen einfachen Anlagenaufbau mit wenigen bewegten Teilen aus. Es wird die Eignung verschiedener Arbeitsstoffpaare diskutiert. Für das ausgewählte Arbeitsstoffpaar Manganchlorid/Ammoniak (MnCl2/NH3) werden eigene Messergebnisse der Temperaturleitfähigkeit und des Wärmeeindringkoeffizienten der Ammoniakate dargestellt. Da keine Angaben über die Abgastemperaturen von LKW's im normalen Fahrbetrieb vorlagen, wurden von einem LKW-Hersteller Messfahrten zur Bestimmung der Abgastemperatur durchgeführt. Daraus wurde die zum Antrieb der Kälteanlage zur Verfügung stehende Abgaswärme ermittelt. Es wird festgestellt, dass die Abgaswärme nur im Langstreckenverkehr zum Antrieb einer trockenen Absorptionskälteanlage ausreicht. Verschiedene Anlagen- und Antriebskonzepte werden unter Berücksichtigung der besonderen Bedingungen im Fahrzeug und der begrenzten zur Verfügung stehenden Abgaswärme erarbeitet und näher betrachtet. Für die ausgewählte Variante mit direkter Beheizung der Reaktionsbehälter (Reaktoren) durch das Abgas werden unterschiedliche Reaktorbauformen entworfen. Ein Programm zur Simulation des stark instationären Verhaltens der Reaktoren der Absorptionskälteanlage wird vorgestellt. Grundlage bildet die numerische Berechnung eines quasi-dreidimensionalen Temperaturfeldes mit Wärmequellen und –senken mit Hilfe des Finite-Differenzen-Verfahrens. Es wird ein Verfahren zur dynamischen Steuerung der Zeitschrittweite beschrieben, das die Zeitschrittweite auf den größten Wert einstellt, bei dem gerade keine Instabilität der Berechnung auftritt. Die Simulationsergebnisse zur Bewertung der unterschiedlichen Reaktorbauformen werden ausführlich dargestellt. In einer Versuchsanlage wurden Modellreaktoren auf ihre Effektivität und Zeitstandfestigkeit hin untersucht. Es wurden über 1000 Absorptions-/Desorptionszyklen durchgeführt, ohne dass eine nennenswerte Verschlechterung der Eigenschaften des Arbeitsstoffpaares festgestellt werden konnte. Die Überprüfung des Simulationsprogramms mit den Messwerten der Modellreaktoren zeigt eine gute Übereinstimmung.