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A design approach for adsorption energy systems integrating dynamic modeling with small-scale experiments = Eine Entwurfsmethode für adsorptionsbasierte Energiesysteme durch Integration von dynamischen Modellen mit kleinskaligen Experimenten
2018 & 2019
Dissertation, RWTH Aachen University, 2018
Druckausgabe: 2018. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-11-29
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-231813
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/752022/files/752022.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Adsorption Chiller (frei) ; Adsorption Heat Pump (frei) ; Adsorptionskältemaschine (frei) ; Adsorptionswärmepumpe (frei) ; Large-Temperature-Jump (LTJ) (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Adsorptionsbasierte Energiesysteme können als Adsorptionskältemaschinen und Adsorptionswärmepumpen Kälte und Wärme bereitstellen sowie als thermische Adsorptionsspeicher thermische Energie speichern. Sie können Abwärme oder Solarenergie nutzen, dadurch den Bedarf an fossilen Energieträgern senken und Treibhausgasemissionen reduzieren. Allerdings sind sie in ihrer Anschaffung teuer, da sie in ihrer Leistungsfähigkeit beschränkt sind. Die Leistung von adsorptionsbasierten Energiesystemen hängt maßgeblich von den Gleichgewichtseigenschaften des eingesetzten Sorptionsmaterials und des Kältemittels (Stoffpaarung) ab. Daneben wird die Leistung durch Wärme- und Stofftransportmechanismen des verwendeten Sorptionsmaterials stark beeinflusst. Die Bewertung neuer Stoffpaarungen für den Einsatz in adsorptionsbasierten Energiesystemen gestaltet sich schwierig: Während die Gleichgewichtseigenschaften mit standardisierten Messgeräten bestimmt werden können, hängen die Wärme- und Stofftransportmechanismen stark vom großskaligen Energiesystem ab. Der Aufbau und die Durchführung von Experimenten zur Untersuchung von adsorptionsbasierten Energiesystemen ist sehr aufwändig. Außerdem stehen oftmals nur kleine Proben des Sorptionsmaterials zur Verfügung, die keine Untersuchung im großskaligen Energiesystem erlauben. Um neue Stoffpaarungen für adsorptionsbasierte Energiesysteme bewerten zu können, werden in dieser Arbeit einfache, kleinskalige Experimente genutzt. Hierzu wird das "Large-Temperature-Jump" ("Großer-Temperatur-Sprung") Experiment mit einer dynamischen Modellierung der auftretenden Wärme- und Stofftransportmechanismen gekoppelt. Zusätzlich wird das Experiment um eine Infrarot-Kamera erweitert, wodurch Wärme- und Stofftransportkoeffizienten unterschieden und zeitaufgelöst bestimmt werden können. Die Wärme- und Stofftransportkoeffizienten werden genutzt, um ein dynamisches Modell des großskaligen Energiesystems am Beispiel einer Adsorptionskältemaschine zu parametrieren. Das großskalige Modell erlaubt die Bestimmung von Leistungskennzahlen der Stoffpaarungen. Exemplarisch werden ein kommerziell erhältliches Silikagel und die Stoffklasse metall-organischer Gerüstverbindungen mit dem Kältemittel Wasser untersucht. Die vorgeschlagene Methodik wird an einem Experiment einer Adsorptionskältemaschine validiert. Neben der Vorhersage der Leistung von Stoffpaarungen für adsorptionsbasierte Energiesysteme, erlaubt die Methodik auch die Optimierung des Energiesystems und die Identifikation von Verbesserungspotenzialen der Stoffpaarungen. Zusammenfassend schlägt diese Arbeit eine Brücke von kleinskaligen Experimenten hin zur Modellierung großskaliger Energiesysteme und erlaubt eine ganzheitliche Bewertung von Stoffpaarungen.Adsorption energy systems can be driven by thermal energy from waste heat or the sun and thereby allow reducing fossil energy consumption and thus reduce global greenhouse gas emissions. Adsorption heat pumps and chillers can provide heating or cooling, adsorption thermal energy storage allows storing thermal energy. However, adsorption energy systems suffer from high investment costs due to low performance. Performance of adsorption energy systems strongly depends on the equilibrium properties of the working pair as well as heat and mass transfer mechanisms of the adsorption material in the adsorption energy system (adsorbent configuration).Evaluating new working pairs and adsorbent configurations is rather challenging: While the working pair's equilibrium properties can be determined with standardized measurement equipment, heat and mass transfer mechanisms cannot easily be determined, since they strongly depend on the full-scale adsorption energy system. Construction and operation of full-scale experiments requires high effort. Besides, often only small amounts of an adsorbent configuration are available, which are insufficient for full-scale experiments. To resolve these drawbacks, this thesis provides and validates a comprehensive method to determine the performance of working pairs and adsorbent configurations in adsorption energy systems from simple small-scale experiments. As a representative class of adsorption energy systems, adsorption chillers are investigated in this thesis. A small-scale Large-Temperature-Jump experiment is combined with dynamic modeling of the transient heat and mass transfer processes. Additionally, the experiment is extended by an infrared camera. The additional temperature information allows to distinguish and to determine the time-resolved effective heat transfer coefficient and diffusion coefficient in the heat and mass transfer model. The heat transfer and diffusion coefficients are inserted into a full-scale adsorption chiller model to predict the performance. Exemplarily, a commercial available silica gel and the adsorbent class of metal-organic frameworks (MOFs) are evaluated for an adsorption chiller application. The method is validated with experimental data of a full-scale prototype adsorption chiller and shows high accuracy. Furthermore, the method allows optimizing the adsorption chiller for a given working pair or adsorbent configuration and allows identifying bottlenecks and potential for improvement of the working pairs. In summary, this thesis bridges the gap between small-scale experiments and modeling of full-scale adsorption energy systems. The method allows for a comprehensive and reliable evaluation of working pairs and adsorbent configurations for adsorption energy systems.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT019923121
Interne Identnummern
RWTH-2018-231813
Datensatz-ID: 752022
Beteiligte Länder
Germany
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