Obwohl derzeit daran gearbeitet wird, alternative Kältemittel zu entwickeln und Strategien für das Kältemittelmanagement zu verbessern, wird der schrittweise Verzicht auf HFCs Einschränkungen für Dampfkompressionsgeräte mit sich bringen, die Kompromisse zwischen Kosten, Effizienz und Sicherheit erfordern. Diese Beschränkungen könnten Marktchancen für alternative Raumkonditionierungstechnologien bieten. Alternative Technologien basierend auf ihrem Entwicklungsstand (einige Technologien befinden sich in einem sehr frühen Entwicklungsstadium), Potenzial für Energieeinsparungen und anderen Faktoren, die ihre Wettbewerbsfähigkeit mit Dampfkompressionssystemen beeinträchtigen können.
Die folgende Abbildung gruppiert 22 dampffreie Kompressionstechnologien, die in der DOE-Studie analysiert wurden, klassifiziert nach Energiequelle und primärem Arbeitsmedium oder -material. Obwohl Dampfkompressionssysteme auch in Kühl-, Transport- und Prozesskühlungsanwendungen eingesetzt werden, konzentriert sich die DOE-Studie ausschließlich auf Gebäude-HLK-Anwendungen.
Einige alternative Technologien sind aufgrund geringer Wirkungsgrade und Kapazitäten für Raumfahrtanwendungen unpraktisch, und einige befinden sich zu früh in ihrem Entwicklungszyklus, um vollständig bewertet zu werden (z. B. Bernoulli-Wärmepumpe, kritischer Strömungszyklus und elektrokalorische Wärmepumpe).
In diesem Abschnitt werden einige Alternativen zu Dampfkompressionszyklen erläutert.
Transkritischer Kohlendioxidkreislauf
Die niedrige kritische Temperatur für Kohlendioxid ist im Druck-Enthalpie-Diagramm zu sehen (Abbildung unten). Ein Kreislauf mit Wärmeabgabe bei 31°C hätte einen viel geringeren Kühleffekt als einer, der bei beispielsweise 27°C kondensiert. Oberhalb des kritischen Punktes kann das Gas nicht kondensieren, und es ist notwendig, sich in diesen Bereich zu bewegen, wenn sich die Temperatur der Wärmeabgabe 30°C nähert. Wenn das Gas gekühlt werden kann, beispielsweise auf 40 °C, wie in der Abbildung gezeigt, ist der Kühleffekt ähnlich wie bei einer Wärmeabgabe bei 30 °C. In dem dargestellten Kreislauf wird das Gas in einem als Gaskühler bezeichneten Wärmetauscher bei einem konstanten Druck von 100 bar von 120°C auf 40°C abgekühlt.
Die Flüssigkeitsbildung findet erst bei der Entspannung auf das niedrigere Druckniveau statt. Es kann möglich sein, ein System, das für einen transkritischen Betrieb ausgelegt ist, im unterkritischen Modus, dh als Dampfkompressionskreislauf, bei niedrigen Umgebungsbedingungen zu betreiben, wobei in diesem Fall der Gaskühler ein Kondensator wird.
Für den transkritischen Kreislauf ist eine Regulierung des Hochdrucks notwendig. Der optimale Druck wird in Abhängigkeit von der Austrittstemperatur des Gaskühlers bestimmt und ist eine Balance zwischen möglichst hoher Kälteleistung und geringster Verdichterenergie.
Totalverlust Kältemittel
Einige flüchtige Flüssigkeiten werden nur einmal verwendet und entweichen dann in die Atmosphäre. Zwei davon sind allgemein gebräuchlich: Kohlendioxid und Stickstoff. Beide werden als Flüssigkeiten unter einer Kombination aus Druck und niedriger Temperatur gespeichert und dann wieder freigesetzt, wenn die Kühlwirkung benötigt wird.
Kohlendioxid liegt unter seinem Tripelpunkt bei atmosphärischem Druck und kann nur als „Schnee“ oder als Gas existieren. Am Tripelpunkt koexistieren feste, flüssige und dampfförmige Phasen. Unterhalb dieses Drucks sublimiert ein Feststoff direkt in den gasförmigen Zustand. Da beide Gase aus der Atmosphäre stammen, besteht keine Verschmutzungsgefahr. Die Temperatur des freigesetzten Kohlendioxids beträgt 78,4 °C. Stickstoff liegt bei 198,8 °C. Auch Wassereis kann als Totalverlust-Kältemittel klassifiziert werden.
Absorptionszyklus
Dampf kann einem Verdampfer durch Absorption in eine Flüssigkeit entzogen werden (Abbildung unten). Es werden zwei Kombinationen verwendet, die Absorption von Ammoniakgas in Wasser und die Absorption von Wasserdampf in Lithiumbromid. Letzteres ist ungiftig und kann daher zur Klimatisierung verwendet werden. Die Verwendung von Wasser als Kältemittel in dieser Kombination beschränkt es auf Systeme oberhalb seines Gefrierpunkts. Kältemitteldampf aus dem Verdampfer wird durch das flüssige Absorptionsmittel, das in die Kammer gesprüht wird, in den Absorber gezogen. Die resultierende Lösung (oder Flüssigkeit) wird dann auf Kondensatordruck gepumpt und der Dampf wird im Generator durch direktes Erhitzen ausgetrieben.
Das abgegebene Hochdruck-Kältemittelgas kann dann in üblicher Weise kondensiert und über das Expansionsventil wieder in den Verdampfer geleitet werden. Schwachlauge aus dem Generator wird durch ein weiteres Druckreduzierventil zum Absorber geleitet. Der thermische Gesamtwirkungsgrad wird durch einen Wärmetauscher zwischen den beiden Flüssigkeitspfaden und einen Saug-zu-Flüssigkeit-Wärmetauscher für das Kältemittel verbessert. Der Strom für die Laugenpumpe ist normalerweise elektrisch, aber die Wärmeenergie für den Generator kann jede Form von minderwertiger Energie wie Öl, Gas, Heißwasser oder Dampf sein. Auch Sonnenstrahlung kann genutzt werden. Der Gesamtenergieverbrauch ist höher als beim Kompressionszyklus, daher ist der COP niedriger. Typische Zahlen sind in der Tabelle gezeigt.
Luftkreislauf
Die Luftkreislaufkühlung arbeitet nach dem umgekehrten Brayton- oder Joule-Zyklus. Luft wird komprimiert und dann Wärme entzogen; Diese Luft wird dann auf eine niedrigere Temperatur expandiert als vor der Komprimierung. Wärme kann dann entzogen werden, um eine nützliche Kühlung bereitzustellen, wodurch die Luft in ihren ursprünglichen Zustand zurückversetzt wird (siehe Abbildung unten). Während der Expansion wird der Luft durch eine Expansionsturbine Arbeit entzogen, die Energie entzieht, wenn die Schaufeln von der expandierenden Luft herumgetrieben werden. Diese Arbeit kann sinnvoll genutzt werden, um andere Geräte wie Generatoren oder Ventilatoren zu betreiben. Oft wird es verwendet, um den Kompressor anzutreiben, wie gezeigt. Manchmal wird ein separater Kompressor, der als „Bootstrap“-Kompressor bezeichnet wird, vom Expander angetrieben, wodurch zwei Kompressionsstufen erzielt werden. Der Druckanstieg auf der heißen Seite erhöht die Temperatur weiter und bringt das Luftkreislaufsystem dazu, mehr nutzbare Wärme (bei einer höheren Temperatur) zu erzeugen. Die kalte Luft nach der Turbine kann entweder direkt in einem offenen System wie gezeigt oder indirekt über einen Wärmetauscher in einem geschlossenen System als Kältemittel verwendet werden. Der Wirkungsgrad solcher Systeme wird stark durch die Wirkungsgrade der Verdichtung und Expansion sowie der eingesetzten Wärmetauscher begrenzt.
Ursprünglich wurden langsam laufende Kolbenkompressoren und Expander verwendet. Die geringe Effizienz und Zuverlässigkeit solcher Maschinen waren Hauptgründe für den Ersatz solcher Systeme durch Dampfkompressionsgeräte. Die Entwicklung von Rotationskompressoren und Expandern (z. B. in Autoturboladern) hat jedoch die isentropische Effizienz und Zuverlässigkeit des Luftkreislaufs erheblich verbessert. Fortschritte in der Turbinentechnologie zusammen mit der Entwicklung von Luftlagern und Keramikkomponenten bieten weitere Effizienzsteigerungen.
Die Hauptanwendung für diesen Kreislauf ist die Klimatisierung und Druckbeaufschlagung von Flugzeugen. Die zur Kompression und Expansion verwendeten Turbinen drehen mit sehr hohen Drehzahlen, um die erforderlichen Druckverhältnisse zu erreichen, und sind dementsprechend laut. Der COP ist niedriger als bei anderen Systemen.
Stirling-Zyklus
Der Stirling-Zyklus ist ein ausgeklügelter Gaskreislauf, der die Wärme, die von dem Gas mit fallender Temperatur übertragen wird, nutzt, um die Wärme für das Gas mit steigender Temperatur bereitzustellen. Der Stirling-Kreisprozess wurde erfolgreich in speziellen Anwendungen eingesetzt, die niedrige Temperaturen bei sehr geringer Belastung erfordern.
Thermoelektrische Kühlung
Der Durchgang eines elektrischen Stroms durch Verbindungsstellen unterschiedlicher Metalle verursacht einen Temperaturabfall an einer Verbindungsstelle und einen Temperaturanstieg an der anderen, den Peltier-Effekt. Verbesserungen dieser Kühlmethode wurden in den letzten Jahren durch die Herstellung geeigneter Halbleiter ermöglicht. Die Größe der Anwendungen ist aufgrund der erforderlichen hohen elektrischen Ströme begrenzt, und praktische Anwendungen sind kleine Kühlsysteme für Militär-, Luft- und Raumfahrt- und Laborzwecke.
Magnetische Kühlung
Die magnetische Kühlung hängt vom sogenannten magnetokalorischen Effekt ab, d. h. der Temperaturänderung, die beobachtet wird, wenn bestimmte magnetische Materialien einer Änderung des Magnetfelds ausgesetzt werden. Magnetische Kühlung ist ein Forschungsthema und wurde in der Vergangenheit bei ultraniedrigen Temperaturen verwendet. Erst kürzlich wurde es als mögliches Mittel zur Kühlung bei nahe Raumtemperatur angesehen.
Kälte- und Klimatechnik GF Hundy, AR Trott, TC Welch und TC Welch
