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Zeolith |
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Der Solarkühlschrank arbeitet auf Basis der Adsorption von Wasser durch Zeolith. Zeolith ist chemisch gewöhnlichem Sand ähnlich, bildet jedoch keine kompakten Moleküle, sondern
besitzt eine Kristallstruktur mit sehr großer innerer Oberfläche. In der Natur kommen ca. 40 verschiedene Zeolith-Arten vor. Diese sind meist durch vulkanische Aktivitäten entstanden und weisen starke
Verunreinigungen auf, was dazu führt, daß sie für kältetechnische Anwendungen ungeeignet sind. Die chemische Industrie stellt verschiedene Zeolithtypen künstlich her. Die synthetischen Zeolithe werden hauptsächlich
als Phosphatersatz im Waschmittel oder beispielsweise als Trockenmittel in Doppelglasfenstern verwendet. Der Einsatz großer Mengen Zeolith in Waschmitteln führte zu umfangreichen Untersuchungen der
Umweltverträglichkeit. Dabei erwies sich, daß von Zeolithen keinerlei Umweltgefährdung ausgeht und sie keine toxische Wirkung haben.
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Grundlagen der Kühltechnik mit Zeolih
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Grundlegend für die Verwendung des Zeoliths ist seine sehr große innere Oberfläche von 800 bis 1200 m²/g. Innerhalb der Hohlräume wirken starke elektrostatische Kräfte. Dadurch werden polare Moleküle
wie z. B. Wasser heftig angesaugt und unter Wärmeabgabe in die Kristallstruktur eingebunden (Adsorption). Erfolgt der Prozeß in luftleeren Behältern, geschieht das Ansaugen des Dampfes mit solcher Heftigkeit, daß
sich auf Grund der hohen Verdunstungskälte der Rest des Wassers stark abkühlt und zu Eis gefriert. Dieser Prozeß vollzieht sich so lange, bis der Zeolith mit Wasser gesättigt ist. Zeolith kann je nach Typ bis zu 25
% des Eigengewichts an Wasser aufnehmen. Zur weiteren Verwendung muß der Zeolith wieder getrocknet werden und erhält dabei seine volle Funktionsfähigkeit zurück. Diese Regeneration erfolgt durch Zufuhr von Heizwärme
hoher Temperatur. Dabei wird Wasser als Dampf aus dem Zeolith ausgetrieben (Desorption). Dies kann durch elektrische Energie, fossile Brennstoffe oder - was energetisch besonders günstig ist - durch Sonnenenergie
erfolgen. Nach einer Abkühlphase kann der nächste Adsorptionsprozeß folgen. Da sich dabei der Zeolith nicht verbraucht, können beliebig viele Zyklen durchgeführt werden.
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Solares Kühlsystem
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Das solar angetriebene Kühlsystem besteht aus einem Kühlbehälter mit einem im Deckel integrierten Verdampfer, in dem sich Wasser als Kühlmittel befindet. Dazu kommen ein oder mehrere Zeolithbehälter,
eine Handvakuumpumpe und ein Parabolkollektor. Um den Zeolith ausreichend zu trocknen, werden Temperaturen über 250 °C benötigt. Es ist ein konzentrierendes System nötig, da Flachkollektoren diese hohen Temperaturen
nicht erreichen können. Beim beschriebenen Kühlsystem wird ein von der EG Solar e.V. als Solarkocher entwickelter Parabol-Kollektor verwendet. Bisher wurde der Spiegel vor allem in Entwicklungsländern verbreitet, um
in diesen Ländern eine Alternative zu Brennholz oder Kerosin zu bieten. Neben der Zubereitung von Mahlzeiten eignet sich der Kocher beispielsweise zum Sterilisieren von medizinischen Geräten oder zum Abkochen von
Wasser. Bisher wurden mehr als 10.000 solcher Spiegel gebaut. Der Kollektor mit einem Durchmesser von 1,4 m besteht aus hochglanzpolierten, eloxierten Aluminiumblechen und ist somit witterungsbeständig. Die
Halterung ist drehbar auf einem Flachstahl-Gestell gelagert, so daß der ganze Kollektor durch Drehung des Gestells und Neigung des Spiegels dem "Gang der Sonne" nachgeführt werden kann. Die Leistung
beträgt bei einer Einstrahlung von 1000 W/m² ca. 800 Watt.
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Desorption:
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Zur Trocknung des Zeoliths werden die Zeolithbehälter mit ca. 4 kg Zeolith in den Brennpunkt des Parabolspiegels gestellt. Nach ca. 4 Stunden ist der Zeolith bei Maximal-Temperaturen von ca. 350 °C
regeneriert.
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Adsorption
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Zur Kühlung wird ein Zeolithbehälter mit trockenem Zeolith an den mit Wasser gefüllten Flachverdampfer angeschlossen. Anschließend wird mit der handbetriebenen Vakuumpumpe die Luft aus dem System
entfernt. Nach der Ankopplung des Zeolithbehälters beginnt bei der Evakuierung, ausreichend niedrigen Druck vorausgesetzt, das Wasser heftig zu verdampfen. Durch den bereits beschriebenen Kühlvorgang wird das Wasser
im Verdampfer abgekühlt und friert ein. Von dem entstandenen Eis dampfen weiter Wassermoleküle ab (Sublimation), was dazu führt, daß sich das Eis weiter abkühlt. Mit einer Zeolithpatrone kann die Isolierbox mit 55 l
Nutzvolumen bei 22 °C Umgebungstemperatur abgekühlt und etwa drei Tage lang auf einem Temperaturniveau von 0 °C bis 6 °C gehalten werden. Nach dieser Zeit muß wieder Wasser in den Verdampfer gefüllt, eine
regenerierte Zeolithpatrone angeschlossen und erneut die Luft aus dem System abgepumpt werden. Um längere Zeit durchgehend kühlen zu können und Schlechtwetterperioden überbrücken zu können, werden mehrere
regenerierte Zeolithpatronen auf Vorrat bereitgehalten.
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Resümee
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Der vorgestellte Prototyp eines solaren Adsorptionskühlschranks bietet eine vielversprechende Möglichkeit zur Kühlung in Entwicklungsländern. Die großen Vorteile dieses Systems sind:
- Stromloser Betrieb mit Sonnenenergie
- Es entstehen weder bei der Herstellung noch bei der Anwendung noch bei einer späteren Entsorgung Umweltprobleme, da das Sorptionspaar Wasser/Zeolith umweltneutral ist.
- Der Preis liegt im Vergleich zu photovoltaisch betriebenen Kühlaggregaten vergleichsweise niedrig.
- Geeignet für den mobilen Einsatz.
- Der Solarkollektor kann auch zum Kochen, Sterilisieren usw. verwendet werden.
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