Experimentelle Untersuchung von Adsorptionswärmeübertragern für Adsorptionskälteanlagen

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Nutzung von Abwärme, die mithilfe einer Adsorptionskältemaschine in nutzbare Kälte umgewandelt wird. Die Abwärme stammt beispielsweise aus einer High-Temperature-Polymer-Electrolyte-Membrane-Fuel-Cell (HT-PEMFC) und weist einen Temperaturbereich von 120 - 200 °C auf. Als geeignetes Arbeitspaar für diesen Zweck wird Wasser und bindermittelfreies Y-Zeolith verwendet.
Diese Arbeit ist die Weiterführung einer früheren Arbeit (Wärmetransformation durch Adsorption: Entwicklung eines neuen Messverfahrens zur Untersuchung der Adsorptionskinetik und Weiterentwicklung der Potentialtheorie zur Berechnung von Adsorptionsgleichgewichten von Dr.-Ing. Christian Teicht), in der kleine Proben auf einer ebenen Platte mit einem Gewicht von bis zu 2 g gemessen wurden. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Adsorptionskinetikversuchsstand so modifiziert, dass damit Temperatursprungversuche an großen Probenmassen von bindemittelfreiem Y-Zeolith durchgeführt werden können. Ziel ist es, diese zu charakterisieren, sodass in späteren Anwendungen eine Kälteleistung von 10 kW erreicht wird.
Das Ziel dieser Arbeit ist die experimentelle Untersuchung der Adsorptionskinetik von Adsorptionswärmeübertragern (AdWÜ) sowie die Anpassung des Messverfahrens zur Bestimmung der Beladungskurve unter Verwendung von Temperatursprungmessungen. Hierfür wird eine Vakuumkammer entwickelt, in der AdWÜ modular integrierbar sind. Die Verdampfungs- mit Dosiereinheit wird für größere Wasserdampfmassenströme umgebaut. Untersucht werden AdWÜ, die mehr als 50 g aktive Sorbensmasse enthalten und eine komplexere Geometrie aufweisen, auf der die Proben aufgetragen werden. Als Trägermaterial für das Zeolith wird ein beripptes Rohr verwendet, um die Wärme gleichmäßig zu verteilen und Strahlungsverluste zu minimieren. Die Adsorptions- und Kälteleistung sowie die Stofftransportwiderstände der aufgebauten AdWÜ werden analysiert, charakterisiert und mit anderen verglichen und bewertet.
Es hat sich gezeigt, dass die AdWÜ-Konfiguration mit Rippenrohren eine geeignete Lösung zur Anpassung und Variabilität der Messungen darstellt im Vergleich zu den anderen Konzepten. Für die Inbetriebnahme und Validierung des Messverfahrens wurden die kleinen Zwischenräume zwischen den Rippen mit 56,38 g TAPSO-34 gefüllt und durch ein Drahtgeflecht fixiert, um das Herausfallen des Zeoliths zu verhindern, ohne den Einsatz von Klebstoffen. Somit wird die Messung nicht durch Fremdstoffe beeinflusst. Die modifizierte volumetrische große Temperatursprung-Messmethode (V-LTJ) wurde verwendet, um den AdWÜ zu untersuchen. Mit der AdWÜ-Konfiguration wurde ein Zeolithmassenanteil von 11,1 % erreicht. Die experimentellen Ergebnisse zeigen bei einem großen Temperatursprung von 85 auf 25 °C eine SCP50% von 0,759 W/g (Specific Cooling Power bei 0 bis 50 % Beladung) und einen maximalen Peak bei SCPmax = 1,137 W/g. Der AdWÜ erreicht somit einen Kälteleistungspeak von 64,1 W. Im Vergleich zu den Referenzen aus anderen Arbeiten hat der AdWÜ eine deutlich schnellere Adsorptionskinetik. Das Rippenrohr im AdWÜ weist eine deutlich bessere Wärmeübertragung in das Zeolith auf als der Plattenwärmeübertrager bei der Referenz. Die Stofftransportwiderstände durch die dicken Zeolithschichten haben dabei einen geringeren Einfluss als die verbesserte Wärmeübertragung. Erst bei einer Beladung von 92 % weisen die Stofftransportwiderstände einen erheblichen Einfluss auf. Damit wurde die spezifische Kälteleistung um 23,8 bis 42,6 % verbessert, bei einer Beladung bis zu 50 %, wobei ein 27 % höherer SCP-Peak erreicht wird.

This thesis explores the utilisation of waste heat, which is converted into useful cold using an adsorption cooling machine. The waste heat comes, for example, from a High-Temperature-Polymer-Electrolyte-Membrane-Fuel-Cell (HT-PEMFC) and has a temperature range of 120 - 200 °C. To achieve this, water and binder-free Y-zeolite are used as a suitable working pair. This work examines adsorbers equipped with binder-free Y-zeolite as an adsorbent. To conduct the investigation, adsorption heat exchangers are constructed and characterised for their adsorp-tion and cooling performance.
This work is a continuation of a previous study titled 'Heat transformation through adsorption: Development of a new measurement method to investigate adsorption kinetics and advancement of potential theory for calculating adsorption equilibria' by Dr.-Ing. Christian Teicht. The previous study involved measuring small samples weighing up to 2 g on a flat plate. In this work, an adsorption kinetics test rig is modified to enable temperature jump experiments on large samples of binder-free Y-zeolite. The aim is to characterise these samples to achieve a cooling capacity of 10 kW in future applications.
The aim of this study is to experimentally investigate the adsorption kinetics of adsorption heat exchangers (AdHE) and to adapt the measurement method for determining the loading curve using temperature jump measurements. To achieve this, a vacuum chamber was developed, which allows for the modular integration of AdHE. The evaporation and dosing unit was modified to accommodate larger water vapor mass flows. The study analyses AdHEs that con-tain over 50g of active sorbent material and have a more complex geometry for sample application. It evaluates the adsorption and cooling performance, as well as substance transport resistances of the constructed AdHEs.
It has been demonstrated that the AdHE configuration with finned tubes is a suitable solution for adapting and varying measurements compared to other concepts. To commission and vali-date the measurement method, 56.38 g of TAPSO-34 was used to fill the small gaps between the fins, which were then fixed with wire mesh to prevent the zeolite from falling out, without the use of adhesives. The AdHE was investigated and characterised using the modified volu-metric large temperature jump (V-LTJ) method. The AdHE configuration achieved a zeolite mass fraction of 11.1 %. The experimental results indicate a SCP50% of 0.759 W/g (specific cooling power at 50 % loading) and a maximum peak of SCPmax = 1.137 W/g when there is a large temperature jump (LTJ) from 85 to 25 °C. This results in a cooling power peak of 64.1 W for the AdHE. The AdHE demonstrated significantly faster adsorption kinetics compared to references from other studies. Therefore, the finned tube in the AdHE exhibits significantly better heat transfer into the zeolite compared to the plate heat exchanger in the reference. The resistance to material transport through the thick zeolite layers has less influence than the improved heat transfer. Material transport resistances only have a significant impact at a loading of 92 %. The experimental investigation shows that the specific cooling capacity improves by 23.8 % to 42.6 % at a loading of up to 50 %, with a 27 % higher SCP peak achieved.