Experimental and numerical analysis of water vapour adsorption kinetics on adsorbent composite structures

Gegenstand der Dissertation ist die experimentelle und numerische Untersuchung von Adsorbens-Metallverbundstrukturen, die exemplarisch die Aufbringung von Adsorptionsmaterial auf Wärmeübertrageroberflächen darstellen. Aktuelle Entwicklungen zeigen hierfür unterschiedliche Möglichkeiten des Materialverbunds auf. Die einfachste und bisher häufigste Form ist die der Granulatschüttung, die in einen Wärmeübertrager eingefüllt wird. Bisher nur im Labormaßstab realisiert sind direkt auf den Metallträger aufkristallisierte Zeolithe sowie durch Tauch- oder Klebeverfahren aufgebrachte Adsorbenspartikel. Da sowohl Diffusion in der Adsorbensschicht als auch der Wärmeübergang zwischen Adsorbens und Wärmeübertrager die Adsorptionsdynamik limitieren können, ist für die weitere Optimierung von Adsorber-Wärmeübertragerstrukturen die Kenntnis dieser Transportgrößen erforderlich. Im Rahmen dieser Dissertation wurde deshalb eine Methode entwickelt, die die Identifikation eines effektiven Diffusionskoeffizienten und Wärmeübergangskoeffizienten auf der Basis von experimenteller und numerischer Proben-Charakterisierung erlaubt. Der erste Teil der Arbeit beschreibt die zum Verständnis der Adsorptionsvorgänge erforderlichen Grundlagen sowie das Gleichungssystem zur mathematisch-physikalischen Beschreibung des Adsorptionsvorgangs in kompakten Adsorbensschichten. Im zweiten Teil der Arbeit stehen die experimentellen Arbeiten im Mittelpunkt. Die Versuchsanlage zur experimentellen Charakterisierung der Adsorbensstrukturen wird detailliert vorgestellt. Verwendet wird ein Messaufbau, in dem mit Messbeginn eine zuvor getrocknete Probe einer definierten Wasserdampfmenge ausgesetzt wird. Über die Vermessung der Druckabsenkung, die sich aufgrund der Adsorption einstellt, lässt sich die zeitliche Beladungsänderung im Adsorbens bestimmen. Zusätzlich zum Druck werden die Probenoberflächentemperatur und der Wärmefluss zwischen der Probe und einer thermostatisierten Grundfläche vermessen. Als Verbundstrukturen wurden zwei Granulatproben unterschiedlicher Partikelgröße, verschiedene auf Metallträger aufgeklebte Adsorbens-Polymerverbundproben mit dem Material UOP DDZ-70, mittels Suspensionsbeschichtung aus AlPO-18 Zeolith hergestellte Proben sowie eine direkt auf den Metallträger aufkristallisierte Zeolith X-Probe vermessen und mit ihren Ergebnissen diskutiert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die beschriebene Messmethode grundsätzlich gut geeignet ist, die Dynamik der Wasserdampfbeladung in einer Adsorbens-Metall-Verbundprobe wiederzugeben und qualitativ unterschiedliche Proben zu vergleichen. Aufgrund der Überlagerung der Wärme- und Stofftransportvorgänge ist aber eine eindeutige Identifizierung von Transportparametern wie Diffusionskoeffizient, Wärmeleitfähigkeit oder Wärmeübergangskoeffizient nicht möglich. Im dritten Teil der Arbeit wird das aufgestellte Gleichungssystem genutzt, um die experimentellen wiederzugeben. Verwendet wird die kommerziell verfügbare Software COMSOL. Zum Verständnis des Einflusses der unterschiedlichen Transport- und Materialparameter werden diese zunächst einzeln in ihrem Einfluss untersucht. Dabei zeigt sich, dass insbesondere die Wärmeleitfähigkeit der Adsorbensschicht, der effektive Diffusionskoeffizient sowie die im Probenaufbau vorhandenen Wärmeübergangswiderstände einen deutlichen Einfluss auf den Verlauf von Druck-, Beladungs-, Temperatur- und Wärmeflusssignal nehmen. Durch den Vergleich von Simulations- und Messergebnissen an drei Proben unterschiedlicher Schichtdicke des Materials DDZ-70 lassen sich ein vergleichbarer Wärmeübergangskoeffizient zwischen Adsorbensschicht und Metallträger sowie effektive Diffusionskoeffizienten identifizieren. Das beschriebene Modell und die beschriebene Methodik der Parameteridentifikation bieten so die Möglichkeit für unterschiedliche Adsorbens-Metall-Verbundproben die genannten Transportparameter zu identifizieren und diese für weiterführende Optimierungsrechnungen von Adsorptionssystemen zu nutzen.This thesis presents an experimental and numerical analysis of adsorbent composite structures, consisting of an adsorbent layer and a metal plate. Compared to pure adsorbent materials, those composite structures are a more realistic sample of adsorbent heat exchangers since they are also used in adsorption cooling machines. Actual developments in this field show different methods of connecting the adsorbent with the metal layer. Commonly and most often applied is the approach using an unfixed bed of granules. More sophisticated samples, like coated adsorbent layers and directly crystallized layers, are realized on a laboratory scale. Focusing on the optimisation of adsorbent heat exchangers, knowledge of heat and mass transfer coefficients are unevitable. Therefore, this work introduces a method for experimental and numerical analysis of adsorbent composite structures. The first part of the thesis describes the knowledge, which is necessary to understand the principles of adsorption materials and processes. Furthermore, the mathematical model for the description of the adsorption is derived. Then, secondly, the experimental part of this thesis elaborates on the test rig used for adsorptions kinetics measurements. The main idea of these measurements is a constant volume filled with water vapour. Before starting the adsorption process in a different vessel, the sample is dried and kept on a constant temperature. Measurement starts by connecting both volumes. The adsorbent material instantaneously starts to adsorb, and, the water loading can be detected by measuring the decrease in pressure. Besides pressure, the surface temperature of the sample and the heat flux is measured. In the experimental part different samples were characterized by that kind of measurement. The idea of the chosen samples was to show the variety of developments. Therefore two different kinds of unfixed silica gel granules were chosen, different thicknesses of the zeolite structure DDZ-70 fixed by gluing, different thicknesses of a AlPO-18 zeolite fixed by dip-coating and one zeolite X sample directly crystallized on the metal support. For all these samples the time depending pressure, loading, temperature and heat flux signal is shown and discussed. The results show that the described experimental method is very useful for qualitative comparisons between different materials and sample structures, but, due to the strongly interfering heat and mass transfer processes, the identification of transport properties is not possible. The third, numerical part, of this work formulates the differential equations for heat and mass transfer with the commercially available software COMSOL. The analysis of the influence of the different transport properties proves, that the specific heat capacity of the adsorbent and the loading dependency of the thermal conductivity of the adsorbent layer is nearly not influencing the shape of the calculated curves. On the contrary, the total value of the thermal conductivity, the effective diffusion coefficient and the different heat transfer coefficients, caused by the sample support, are strongly influencing the curve shapes for the loading, temperature and heat flux signals. Comparing the numerical to the experimental results of the three different DDZ-70 samples, an identical heat transfer coefficient between the adsorbent and the metal layer could be identified. The diffusion coefficient for the same samples was also carried out, the value is differing due to different material properties. The high consistency between simulation and measurement data shows the suitability of the developed mathematical model. Furthermore, the way of parameter identification shows, that at least two independent measurement signals are necessary for determining two different transport parameters. Generally, the developed method can be used to identify transport properties with measurements and simulations on a laboratory scale; in a next step the identified properties can be used for optimizing whole heat exchanger elements