Untersuchungen zur Effizienzsteigerung von Adsorptionskältemaschinen auf Basis zeotypischer Adsorbentien

Possibilities for the application-oriented optimization of adsorption chillers.

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-102927
  • Die vorliegende Arbeit untersucht neue Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung von Adsorptionskältemaschinen. Dazu werden Aspekte zur Reduktion der thermischen Masse des Wärmeübertragers im Adsorber, zu verschiedenen Arten der Adsorbensimplementierung, sowie zur Auswahl eines geeigneten Adsorbens betrachtet. Durch die Fixierung der thermodynamischen Randbedingungen, also der Verdampfungs-, Adsorptions- und Desorptionstemperatur mit den sich ergebenden Drücken, für den Betrieb einer Adsorptionskältemaschine ist der Arbeitsbereich eines Adsorbens festgelegt. Aus einer Vielzahl möglicher Adsorbens/ Adsorptiv-Arbeitspaare beschränkt sich diese Arbeit auf das Adsorptiv Wasser. WasserDie vorliegende Arbeit untersucht neue Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung von Adsorptionskältemaschinen. Dazu werden Aspekte zur Reduktion der thermischen Masse des Wärmeübertragers im Adsorber, zu verschiedenen Arten der Adsorbensimplementierung, sowie zur Auswahl eines geeigneten Adsorbens betrachtet. Durch die Fixierung der thermodynamischen Randbedingungen, also der Verdampfungs-, Adsorptions- und Desorptionstemperatur mit den sich ergebenden Drücken, für den Betrieb einer Adsorptionskältemaschine ist der Arbeitsbereich eines Adsorbens festgelegt. Aus einer Vielzahl möglicher Adsorbens/ Adsorptiv-Arbeitspaare beschränkt sich diese Arbeit auf das Adsorptiv Wasser. Wasser bietet neben seiner chemischen Unbedenklichkeit eine hohe Verdampfungsenthalpie und stellt damit ein sehr gutes Kältemittel dar. Aus der Festlegung zum Einsatz von Antriebsenergien auf einem Temperaturniveau unter 100 °C aus regenerativen Energiequellen wie der Solarthermie oder aus Industrieprozessen in Form von Niedertemperaturabwärme, bietet sich somit die Möglichkeit zum Einsatz wärmeleitender Polymere als Werkstoff für die Konstruktion von Wärmeübertragern. Die um bis zu 30 % geringeren Wärmekapazitäten der untersuchten wärmeleitenden Polymerwerkstoffe haben dabei einen direkten Einfluss auf die Effizienz (COP) einer Adsorptionskältemaschine. Um den Einfluss der geringeren Wärmeleitfähigkeit der Polymerwerkstoffe im Vergleich zu Aluminium auf die Adsorptionskinetik und damit auf die spezifische Kühlleistung (SCP) einer Adsorbereinheit zu beurteilen, wurde im Rahmen der Arbeit eine Testanlage zur Bestimmung von Sorptionskinetiken repräsentativer Probekörper konstruiert und aufgebaut. Mit Hilfe der Testanlage wurden Plattenprobekörper, welche einen Wärmeübertrager simulieren, bei unterschiedlicher Implementierung verschiedener Adsorbentien bewertet und gezeigt, dass Polyamid 6 mit 20 Gew.-% expandiertem Graphit als wärmeleitender Füllstoff sowohl für einfache Kugelschüttungen als auch bei Sprühbeschichtungen eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit hat, um den Adsorptionsprozess nicht kinetisch zu limitieren. In einem weiteren Abschnitt betrachtet die Arbeit offenporige Bauteile aus Zeotyp/Polymer-Verbundwerkstoffen und untersucht die Zugänglichkeit der Adsorbenspartikel in der Polymermatrix. Aus drei unterschiedlichen Verfahrensweisen zur Schaffung einer hinreichenden Porosität der Bauteile haben sich für dünne Bauteile das biaxiale Verstrecken gefüllter Polymerfolien und für komplexe dreidimensionale Strukturen das selektive Lasersintern einer feinpulvrigen Polymer-Adsorbens Mischung als vielversprechende Verfahren herausgestellt. Die Nutzung einer Antriebsenergie auf einem Temperaturniveau unter 100 °C führt im letzten Teil der Arbeit zu Untersuchungen zur Synthese von SAPO-18 mit dem Ziel eines Scaleups und dem Vergleich der anwendungsrelevanten Eigenschaften mit dem kommerziell erhältlichen TAPSO-34 von der Clariant Produkte (Deutschland) GmbH, welches im Rahmen dieser Arbeit als Benchmark-Material verwendet wird.show moreshow less
  • The present study investigates new possibilities for the application-oriented optimization of adsorption chillers. Aspects for increasing the efficiency by reducing the heat capacity of the heat exchanger in the adsorber, for various types of adsorbent implementation, as well as for the selection of a suitable adsorbent are considered. The definition of the thermodynamic boundary conditions for the operation of an adsorption chiller determines the working area by the adsorption and desorption temperature and the corresponding evaporating pressures of the refrigerant. From a large number of possible adsorbent/adsorptive working pairs, this work restricts to water as adsorptive. In additionThe present study investigates new possibilities for the application-oriented optimization of adsorption chillers. Aspects for increasing the efficiency by reducing the heat capacity of the heat exchanger in the adsorber, for various types of adsorbent implementation, as well as for the selection of a suitable adsorbent are considered. The definition of the thermodynamic boundary conditions for the operation of an adsorption chiller determines the working area by the adsorption and desorption temperature and the corresponding evaporating pressures of the refrigerant. From a large number of possible adsorbent/adsorptive working pairs, this work restricts to water as adsorptive. In addition to its chemical safety, water offers a high evaporation enthalpy and therefore is a very good refrigerant. Due to the application of a driving energy at a temperature level below 100 °C from regenerative energy sources such as solar thermal energy or from industrial processes in the form of low temperature waste heat, this work considers the possibilities for the use of thermally conductive polymers as a material for the design of heat exchangers. Compared to classically used aluminum, the heat capacity of the polymers is 30 % lower and therefore could directly increase the efficiency of an adsorption chiller. In order to ensure that the specific cooling power of an adsorber unit is not influenced by the use of thermally conductive polymers, a test system for the determination of sorption kinetics of representative samples was planned and constructed within the scope of the work. The test system enables the evaluation of plate specimens which simulate a heat exchanger surface with differently implemented adsorbents. It is shown that Polyamide 6 with 20 wt.-% of expanded graphite has a sufficient thermal conductivity in order to perform the adsorption process with no kinetic limitation for an adsorbent implementation as a monolayer of loose grains and as a spray coated layer. Further, the work considers porous zeotype/polymer composite materials and investigates the accessibility of the adsorbent particles in the polymer matrix. Three different approaches to the creation of a sufficient porosity of the composites are discussed. For thin parts, the biaxial stretching of filled polymer films is the most promising process, while for complex structures the selective laser sintering of a finely powdered polymer-adsorbent mixture is a promising approach. According to the application of a driving energy at a temperature level below 100 °C, the final part of this study deals with the synthesis scale-up of SAPO-18 and compares the relevant product properties with a commercially available TAPSO-34 from Clariant Produkte (Deutschland) GmbH concerning the demands of the application.show moreshow less

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Metadaten
Author:Moritz Hinze
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-102927
DOI:https://doi.org/10.25593/978-3-96147-150-8
ISBN:978-3-96147-150-8
Publisher:FAU University Press
Place of publication:Erlangen
Referee:Wilhelm Schwieger, Martin Hartmann
Advisor:Wilhelm Schwieger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2018
Embargo Date:2019/01/09
Publishing Institution:FAU University Press
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2018/07/02
Release Date:2019/01/14
Tag:Adsorption; Kältemaschine; Polymer; SAPO-18; Silizumaluminiumphosphat; Verbundwerkstoff; Zeolith; Zeotyp
SWD-Keyword:Adsorptionskältemaschine; Polymermatrix-Verbundwerkstoff; Wärmerückgewinnung; Zeolith
Pagenumber:x, 265 S.
Note:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-149-2
Institutes:Technische Fakultät / Department Chemie- und Bioingenieurwesen
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 66 Chemische Verfahrenstechnik / 660 Chemische Verfahrenstechnik
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International