Kombinierte Material- und Verfahrensentwicklung für effiziente Adsorptionswärmepumpen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des Projektes war es, eine kombinierte Material- und Verfahrensentwicklung am Beispiel der adsorptiven Kühlung zu entwickelt, wofür das Stoffpaar karbid-abgeleiteter Kohlenstoff/ Methanol eingesetzt wurde. Durch Variation der strukturellen Eigenschaften des Adsorbens (Binder und Wärmeleitadditiv) und experimentelle Charakterisierung konnte ein empirisches Materialmodell erstellt werden, welches den Zusammenhang zwischen der Materialstruktur und den effektiven Transporteigenschaften, sowie der Kapazität herstellt. Es wurde ein linearer Zusammenhang zwischen Additivanteil und Adsorptionskapazität identifiziert. Die Stofftransportfähigkeit steigt mit zunehmender Porosität und der Größe der verwendeten Primärpartikeln. Das Materialmodell wurde in Prozesssimulationen genutzt, um für gegebene Prozessspezifikationen die optimale Zusammensetzung des Adsorbens und die optimalen Prozessbedingungen zu ermitteln. Das methodische Vorgehen wurde für ein Zweibett- Prozess durchgeführt. Die Methode ermöglichte die Identifikation einer nicht-trivialen, optimalen Zusammensetzung, Schichtdicke und der zugehörigen, optimalen Prozesszykluszeit. Die Ergebnisse der Optimierung können in einer einfachen charakteristischen Beziehung zwischen COP und SCP dargestellt werden. Die Darstellung kann auch zum Vergleich von Prozessvarianten und Adsorbens/Sorbens Paaren genutzt werden. Die Übertragung der Methode auf adsorptive Mehrbettprozesse ist noch nicht abgeschlossen. Des Weiteren wird aktuell der Einfluss komplexerer Materialmodelle auf die Prozessperformance untersucht. Es zeichnet sich ab, dass die Prozessgüte durch eine gezielte lokale Variation der Wärmeleitfähigkeit und der Porosität weiter verbessert werden kann. Ziel weiterführender Arbeiten ist das Design optimaler Materialien. Dies kann zunächst virtuell erfolgen und im zweiten Schritt experimentell validiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Adsorption refrigeration process – Influence of competing material parameters on process performance". Jahrestreffen Reaktionstechnik (2018), Würzburg, Deutschland
M. Scherle, L. Träger, B. J. M. Etzold, U. Nieken
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„Development of Carbon Composites for Adsorption Heat Pumps”. Jahrestreffen Reaktionstechnik (2018), Würzburg, Deutschland
L. Träger, J. Gläsel, M. Scherle, U. Nieken, B. Etzold
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Carbon‐Methanol Based Adsorption Heat Pumps: Identifying Accessible Parameter Space with Carbide‐Derived Carbon Model Materials. Chemical Engineering & Technology
Lisa Träger, Jan Gläsel, Marc Scherle, Julian Hartmann, Prof. Dr.-Ing. Ulrich Nieken, Prof. Dr.-Ing. Bastian JM Etzold
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Simultaneous Optimization of Process Operational and Material Parameters for a 2-Bed Adsorption Refrigeration Process. ChemEngineering 2020, 4(2), 31
Marc Scherle, Ulrich Nieken
