Untersuchung adiabater Druckausgleichsmodule (DAM) auf Basis von Phasenwechselprozessen

Druckluftbehälter werden in industriellen Druckluftsystemen (engl. compressed air systems, nachfolgend kurz CAS) eingesetzt, um zusätzliches Speichervolumen bereitzustellen, wodurch sie die Regelung und Energieeffizienz der Drucklufterzeugung wesentlich beeinflussen. Isobare Druckluftbehälter stellen im Vergleich zu isochoren Druckluftbehältern ein deutlich größeres Speichervolumen zur Verfügung. Durch den Einsatz von isobaren Druckluftbehältern ist es möglich, den Leerlaufbetrieb und die Zyklenanzahl von drehzahlstarren Kompressoren nochmals deutlich zu reduzieren und die Energieeffizienz zu steigern. In dieser Arbeit wird ein isobares Fluidspeicherkonzept auf Basis von Druckausgleichsmodulen (DAM) und Phasenwechselmaterialien (engl. phase change materials, nachfolgend kurz PCM) untersucht. Die im Rahmen der Arbeit entwickelten DAM können in bestehende isochore Druckluftbehälter nachgerüstet werden. Die DAM besitzen eine flexible Membran und werden mit zwei PCM gefüllt: PCMl/g für einen konstanten Gegendruck und PCMs/l als Latentwärmespeicher. Ziel dieser Arbeit ist es, die Forschungsfrage zu beantworten, wie ein Druckausgleichsmodul auf der Basis eines kondensierenden Gases für einen Behälter gestaltet sein muss, um ein umgebendes Fluid isobar bzw. nahezu isobar zu speichern. Hierzu werden drei DAM-Varianten entwickelt und experimentell untersucht. Diese unterscheiden sich unter anderem in der Form und den charakteristischen Volumen. Zunächst wird eine dreistufige Auswahlmethodik zur Identifizierung geeigneter Substanzen für den Einsatz als PCMl/g entwickelt und angewendet, an dessen Ende eine einzelne Kennzahl, der Material-Performance-Index (MPI), die Eignung als PCMl/g ausdrückt. Für die Untersuchungen wird die Substanz R-1234ze(E) ausgewählt, die einen Dampfdruck von 8,0 bara bei einer Temperatur von 41,5 °C aufweist. Für die Untersuchungen werden die DAM lediglich mit PCMl/g befüllt. Durch Druck- und Temperaturmessungen im DAM wird der Phasenwechsel während des Speicherprozesses beobachtet und analysiert. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass im kombiniert isobar-isochoren Speicherprozess das Verhältnis aus dem Aktivvolumen und dem Gesamtvolumen DAM aktiv/gesamt die Kapazitätsänderung stärker beeinflusst als der Volumennutzungsgrad V NGgesamt eines Behälters. Daher sollte zuerst das DAM aktiv/gesamt gesteigert werden, sodass das DAM ein möglichst geringes Passivvolumen aufweist. Aufgrund der benötigten/freigesetzten Wärme beim Phasenwechsel kommt es zu einer Temperatur- und somit Dampfdruckänderung des PCMl/g, die eine vollständig isobare Speicherung verhindert. Darüber hinaus werden verschiedene Einflüsse auf die Temperaturänderungen (z. B. Speichergeschwindigkeit des Arbeitsgases, die PCMl/g-Füllmenge) untersucht. Trotz der Druck- und Temperaturänderung wird die Speicherkapazität bei Verwendung der DAM gegenüber einem isochoren Speicherprozess um 37,9 % gesteigert. Übertragen auf industrielle Druckluftsysteme lässt sich, basierend auf diesen Ergebnissen, eine Kapazitätssteigerung um 176,0 % und Energieeinsparungen bei der Drucklufterzeugung von 18,5 % vorausberechnen.

Compressed air receivers are used in industrial compressed air systems (CAS) to provide additional storage capacity and influence the control of the compressor. Therefore, they have a significant influence on the energy efficiency of compressed air production. Isobaric compressed air receivers provide a significantly larger storage capacity compared to isochoric compressed air receivers. Utilizing isobaric compressed air receivers in CAS can reduce the idle time and the number of cyles of fixed speed compressors, thus improving their energy efficiency. In this work, the concept of an isobaric compressed air receiver based on pressure equalizing modules (PEQM) and phase change materials (PCM) is introduced and investigated. The PEQM are placed inside existing isochoric compressed air receivers, which allows isobaric storing of compressed air. The PEQM are equipped with a flexible membrane and are filled with two different PCM: PCMl/g for ensuring a constant counter pressure and PCMs/l as latent heat storage. The aim of this work is to answer the following research question: How should a pressure equalizing module based on a condensable gas be designed for a storage vessel to store a surrounding fluid isobarically or near isobarically. Three PEQM variants are developed and investigated experimentally. They differ from each other by their shape and characteristic volumes. A three-step selection process has been developed to identify suitable substances for the use as PCMl/g. At the end of the selection process a material performance index (MPI) indicates the most suitable substances. The refrigerant R-1234ze(E) is chosen, which owns a vapor pressure of 8.0 bara at a temperature of 41.5 °C. In this work, the PEQM for the investigations are filled with PCMl/g only. The phase change taking place during the storing process is observed by measuring the pressure and temperature inside the PEQM. The results show that in a combined isobaric-isochoric storing process the ratio between the active volume and the total volume PEQM active/total affects the capacity change more than the factor for utilization of the storage volume V NGtotal (ger. Volumennutzungsgrad, short VNG). Therefore, PEQM active/total should be increased first so that the PEQM has the lowest possible passive volume. Due to the required/released heat during the phase change, the temperature of PCMl/g changes continuously which prevents a complete isobaric storing. Different factors influencing the temperature are investigated (e. g. flow rate of the working fluid, the filling quantity of PCMl/g). However, the storage capacity could be increased by the PEQM besides the continuous temperature and pressure changes. In the experiments with PEQM, a 37.9 % increase in storage capacity is achieved compared to an isochoric storing process. In a CAS, a possible increase of the storage capacity by 176.0 % has been calculated, allowing energy savings of up to 18.5 % in compressed air generation.