Experimental and model based characterisation of adsorption heat exchangers

Adsorptionsprozesse können zur Wärme- oder Kälteerzeugung genutzt werden. Dafür kommen thermisch angetriebene Wärmepumpen oder Kältemaschinen zum Einsatz. Zentrale Komponenten dieser Anlagen sind Wärmeübertrager, die mit einem Adsorptionsmaterial befüllt oder beschichtet sind. Da Wärme – und Stofftransport in solchen Adsorptionswärmeübertragern stark gekoppelt sind, ist die gezielte Entwicklung dieser Adsorptionswärmeübertrager aufwändig. Ziel dieser Dissertation ist es, eine messtechnische Methode zur Charakterisierung von Adsorptionswärmeübertragern zu entwickeln. Mit dieser sollen Größen bestimmt werden, aus denen mit Hilfe von numerischen Methoden Empfehlungen für die Entwicklung verbesserter Adsorptionswärmeübertrager abgeleitet werden können. Dafür wird ein Teststand entwickelt, in dem das Verhalten von Adsorptionswärmeübertragern während des Adsorptionsvorgangs zeitlich aufgelöst untersucht wird. Die Aufnahme des Adsorptivs (hier: Wasser) wird dabei mit einer Waage erfasst. Gleichzeitig wird die freigesetzte, über ein Wärmeträgerfluid abtransportierte Wärme bilanziert. Die in Rahmen dieser Arbeit untersuchten Prüflinge sind zwei baugleiche Lamellenwärmeübertrager, die mit unterschiedlichen Mengen des Zeolith verwandten Adsorptionsmaterials SAPO-34 beschichtet sind. Dieses ist unter partieller Auflösung der Aluminium-Lamellen des Wärmeübertragers direkt auf der Oberfläche aufgewachsen und bildet so eine dünne, kompakte Schicht. Die Adsorption wird durch einen Sprung des Dampfdrucks in der Messkammer initiiert und bei für die Anwendung typischen Temperaturen von 30 – 40 °C durchgeführt. Aus diesen Messungen kann mit Hilfe von Gleichgewichtsdaten des Stoffpaars SAPO-34/Wasser die auf dem Wärmeübertragern befindliche Trockenmasse des Adsorbens bestimmt werden. Die Reproduzierbarkeit der Messungen der Wasseraufnahme liegen deutlich unter der Unsicherheit der Wägung von ± 1 g Wasser. Ebenso kann eine mittlere spezifische Adsorptionsenthalpie von 3250 kJ/kg bestimmt werden. Anhand der experimentellen Ergebnisse wird ein numerisches Modell des Adsorptionswärmeübertragers auf Basis der Finiten-Elemente-Methode erstellt und validiert. Die Abbildung gelingt mit Einschränkungen, die insbesondere auf die Beschreibung der Sorptionsgleichgewichte und die Annahme einer konstanten Adsorptionsenthalpie zurückzuführen sind. Für 35 °C gelingt die Beschreibung des Verhaltens gut. Abschließend wird eine wird eine Methode vorgeschlagen, die eine Identifikation derjenigen Transportvorgänge ermöglicht, die den Adsorptionsprozess bestimmen. Die treibende Kraft für den Wärmetransport ist eine Temperaturdifferenz. Für den Stofftransport wird die treibende Kraft mit Hilfe des Zusammenhangs zwischen Temperatur einerseits und Druck und Beladung andererseits ebenfalls in Form einer Temperaturdifferenz dargestellt. Damit gelingt ein quantitativer Vergleich von Stoff- und Wärmetransportvorgängen. Mit der Identifizierung der den Adsorptionsvorgang bestimmenden Transportgröße, lassen sich Empfehlungen hinsichtlich der erfolgreichen Weiterentwicklung des untersuchten Adsorptionswärmeübertragers ableiten: Für die hier untersuchten Adsorptionswärmeübertrager bestimmt der Stofftransport im Adsorbens den Prozess, so dass eine Entwicklung hin zu Wärmeübertragern mit höheren Oberflächen und dünneren Schichten aussichtsreich erscheint.Adsorption processes can be used for the production of heat or cold. For this purpose, thermally driven heat pumps or chillers are used. Among the most important components are heat exchangers filled or coated with adsorption material. Heat and mass transfer are strongly coupled in these adsorption heat exchangers. Therefore, their development is a complex task. This PhD thesis aims at the development of an experimental method to characterise adsorption heat exchangers. This characterisation allows for the identification of parameters from which numerical methods can be used to derive recommendations for the development of improved adsorption heat exchangers. For this purpose, a test stand is being developed in which the behaviour of adsorption heat exchangers during the adsorption process is investigated in a time-resolved manner. The up-take of the adsorbent (here: water) is identified with a balance. At the same time, the heat released and removed via a heat transfer fluid is measured. The adsorption heat exchangers investigated in this study are two identical, fin-tube heat exchangers coated with different amounts of the zeolite-related adsorbent SAPO-34. This material is grown directly onto the heat exchanger surface under partial dissolution of the aluminium fins of the heat exchanger resulting in a thin, compact layer. The adsorption process is initiated by a jump in the vapour pressure inside the measuring chamber and is carried out at temperatures of 30 - 40 °C, which is a typical temperature range for the application. The dry mass of the adsorbent on the heat exchangers can be determined from these measurements with the aid of equilibrium data of the working pair SAPO-34/water. The reproducibility of the water adsorption measurements is significantly lower than the uncertainty of weighing (± 1 g water). An average specific adsorption enthalpy of 3250 kJ/kg can also be determined. Based on the experimental results, a numerical model of the adsorption heat exchanger is developed using the method of finite elements. The model shows some limitations, which can be explained in particular with the description of the sorption equilibria and the assumption of a constant adsorption enthalpy. For an adsorption temperature of 35 °C, the model shows a good agreement with the experimental results. Finally, a method is proposed to identify the transport processes that limit the adsorption process. The driving force for heat transfer is a temperature differences. For mass transfer, the driving force can be described in the form of a temperature difference as well: this is done by using the relationship between temperature, pressure, and loading. Thus, mass and heat transfer processes can be compared qualitatively. With the identification of the transport process that limits the adsorption process, recommendations can be derived regarding the most promising measures for further development: For the adsorption heat exchangers investigated here, the mass transport in the adsorbent determines the process. Therefore, a development towards heat exchangers with higher surfaces and thinner layers of adsorbent appears promising