Adsorptive Coatings based on Siloxane Binders for Heat Transformation Applications

The usage of waste or low exergy heat as driving force for adsorption processes delivers an energy efficient way for heating and cooling. Adsorptive coatings are one possibility to enhance the heat transfer and improve the specific heating or cooling power (SCP/SHP). This work presents coatings based on a poly-dimethyl-diphenyl-siloxane (PDMDPS) binder, with a variation of different adsorbents from the group of metal-organic frameworks (Al-FUM, CAU-10-H, HKUST-1, MIL101-(Cr)), zeolites (Na-Y) and related microporous materials (SAPO-34, TiAPSO) for adsorption of water and methanol on 2D-substrates (plates and fins of a full scale tube-fin heat exchanger (HX)). Equilibrium adsorption loading X(tief)coat(p,T), coating thickness and density (d(tief)coat, (tief)coat), adsorption dynamic (t(tief)cycle) and influence through long term hydrothermal cycles are investigated as coating properties. A deeper understanding and more precise prediction of the adsorption process will be possible based on the acquired results, regarding efficiency (COP), storage density and power/power density (SCP/SHP, VSCP/VSHP).

Im Abkommen von Paris wurde eine Limitierung des Temperaturanstiegs weltweit auf unter 2 °C festgesetzt, um die Auswirkungen des Klimawandels zu begrenzen. Die Nutzung von Ab- oder Niedertemperaturwärme als Antriebskraft für Adsorptionsprozesse ist eine Möglichkeit den Wirkungsgrad der eingesetzten Primärenergie zu verbessern. Adsorptive Beschichtungen sind hierbei eine Möglichkeit den Wärmetransport während des Adsorptionsprozesses zu verbessern, um dadurch die spezifische Kälte- oder Wärmeleistung der Anlagen zu erhöhen. Diese Arbeit untersucht adsorptive Beschichtungen basierend auf einem Poly-dimethyldiphenyl-Siloxan (PDMDPS) als Binder. Verschiedene Adsorbentien werden dabei beschichtet, aus den Materialklassen der Metall-organischen Gerüstmaterialien (MOFs) (Al-Fum, CAU-10-H, HKUST-1, MIL-101(Cr)), Zeolithe (Na-Y) und zeolithartigen Materialien (SAPO-34, TiAPSO) und mit Wasser und Methanol als Adsorptiv untersucht. Für den Wärmetransformationsprozess relevante Beschichtungseigenschaften werden auf 2D Substraten (Alu-Platten, Legierung AlMg3) untersucht. Dies sind hauptsächlich die Adsorptionseigenschaften als Beladung Xcoat(p,T), Beschichtungsdicke und -dichte (delta coat, pi coat) und die Adsorptionsdynamik (dX/dt, tcycle). Insbesondere der Einfluss des Binders wird charakterisiert, durch einen direkten Vergleich zwischen den Adsorptionseigenschaften des reinen Adsorbens XS (p,T) mit denen des beschichteten Adsorbens XS,coat(p,T). Dadurch wird ein breiteres Verständnis über den Einfluss verschiedener Adsorbentien auf die Beschichtungseigenschaften gewonnen. Diese Erkenntnisse werden weiterhin zur Vorhersage von Leistungsdaten für geschlossene Adsorptionsprozesse verwendet, insbesondere Effizienz (COP), Speicherdichte (Qcst / Qhst) und Leistung (SCP/SHP). Durch Adaption der Beschichtungstechnik wurde ein funktionsfähiger Wärmeübertrager per Tauchbeschichtung beschichtet, um Leistungsdaten des Adsorbers direkt messen und verifizieren zu können.