Sogenannte Absorptionskühlschränke, wie sie etwa häufig in Camping-Vans zum Einsatz kommen, verwenden Wärmeenergie, um daraus Kälte zu erzeugen. Das funktioniert, gilt aber als vergleichsweise ineffizient. Dies könnte sich nun ändern. Forscher des Technischen Instituts für Physik und Chemie (TIPC) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben einen innovativen hitzegesteuerten Thermoakustik-Kühlschrank (HDTR) entwickelt, der eine neuartige Bypass-Konfiguration aufweist, die die Effizienz dieser Technologie signifikant verbessert. Die Studie wurde am 1. Februar 2024 im Fachmagazin Cell Reports Physical Science veröffentlicht.
Bislang zuverlässig, aber ineffizient
HDTR gilt als vielversprechende Kältetechnologie. So sind keine beweglichen Teile notwendig, es kommen überwiegend umweltfreundliche Substanzen wie Helium und Stickstoff zum Einsatz und überdies funktioniert das System äußerst zuverlässig. Einer Marktreife stand bislang allerdings die vergleichsweise niedrige Effizienz im Wege, die mittels Leistungskoeffizienten (COP) gemessen werden kann. Dieser Koeffizient drückt das Verhältnis von abgegebener Kühlleistung zur zugeführten Heizleistung aus.
Bei bestehenden fortschrittlichen, direkt gekoppelten HDTRs stellten die Forscher einen unerwarteten Rückgang des COP mit steigender Heiztemperatur fest. Der Grund: Offenbar gibt es eine Beschränkung der Temperaturanpassung in diesen Systemen, die eine COP-Verbesserung bei höheren Temperaturen verhindert. Um dieses Hindernis zu überwinden, schlugen die Forscher eine kreative Bypass-Konfiguration vor, um die Einschränkung der Temperaturanpassung zu beseitigen. „Diese neuartige Konfiguration ermöglicht es, einen Teil der Schallleistung zu umgehen und so eine effiziente Anpassung der Schallleistung zwischen der Motoreinheit und der Kühleinheit bei hohen Heiztemperaturen zu erreichen“, so die Forscher in einer Pressemitteilung. „Dadurch erreicht das System eine Energieflussfeldsynergie, die den Wirkungsgrad erheblich verbessert“.
Prototyp übertrifft bisherige Modelle deutlich
Anschließend bauten die Forscher einen ersten Prototyp im Kilowatt-Maßstab. Mithilfe der neuen Bypass-Konfiguration gelang es ihnen tatsächlich, die Kühlleistung deutlich zu verbessern. Unter Verwendung von Helium als Arbeitsgas erzielten sie einen rekordverdächtigen COP von 1,12 bei einer Kühlleistung von 2,53 kW, und zwar bei Heiz-, Umgebungs- und Kühltemperaturen von 450 °C, 35 °C bzw. 7 °C. Dieser COP ist 2,7-mal höher als das beste Ergebnis, das jemals für bestehende HDTRs erzielt wurde.
Nun hoffen die Ingenieure, dass schon in absehbarer Zukunft ein COP erreicht werden kann, der auch doppeltwirkenden Absorptionskühlschränken überlegen ist.
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