Optimal design of small-scale experiments for model-based scale-up of adsorption chillers

Henninger, Matthias Roland Wolfgang; Bardow, André; Pitz-Paal, Robert

doi:43992

Optimal design of small-scale experiments for model-based scale-up of adsorption chillers = Optimale Versuchsplanung kleinskaliger Experimente für modellbasiertes Scale-Up von Adsorptionskältemaschinen

Henninger, Matthias Roland Wolfgang^RWTH*

2024 & 2025

VerantwortlichkeitsangabeMatthias Roland Wolfgang Henninger

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Wissenschaftsverlag Mainz GmbH 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-95886-539-6

ReiheAachener Beiträge zur Technischen Thermodynamik ; 53

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Druckausgabe: 2024. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Bardow, André (Thesis advisor) ; Pitz-Paal, Robert (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-11-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-01170
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1003621/files/1003621.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Aufgrund des Klimawandels wird sich der Kältebedarf bis 2050 mehr als verdoppeln. Der Großteil des Kältebedarfs wird heute energieintensive Kompressionskältemaschinen gedeckt. Eine energiesparende Alternative bieten Adsorptionskältemaschinen, die mit Solar- oder Abwärme als Antriebsenergie für die Kälte erzeugen können. Adsorptionskältemaschinen sind durch geringe Wirkungsgrade und Leistungsdichten begrenzt. Aktuelle Forschung versucht, diese Nachteile durch neue Arbeitspaare mit verbesserten Gleichgewichts- und Kinetikeigenschaften zu überwinden. Viele Studien berücksichtigen nur die Arbeitspaare oder die Gleichgewichtseigenschaften und vernachlässigen die Kinetik. Hier wird hingegen eine Studie zu Arbeitspaaren präsentiert, in der kleinskalige Gleichgewichts- und Kinetikexperimente zu einem dynamischen Modell einer vollständigen Adsorptionskältemaschine hochskaliert werden. Zunächst wurden gravimetrische Gleichgewichtsexperimente mit einer neuen Magnetschwebewaage durchgeführt. Da die Experimente zeitaufwendig sind, wurde ein Algorithmus zur optimalen Versuchsplanung entwickelt, um Isothermenmodelle iterativ zu kalibrieren. Der Algorithmus sparte zwischen 70%-81% der Experimente, während die Modellgenauigkeit nur zwischen 2,3 bis 13,6 Prozentpunkte abnahm. Für die Kinetikexperimente wurden neue Leistungsindikatoren eingeführt, die einen Vergleich der Arbeitspaare anhand des Trade-offs zwischen Energie- und Leistungsdichte ermöglichen. Jedes Arbeitspaar schnitt bei anderen charakteristischen Zeitkonstanten optimal ab. Insgesamt erzielten Beschichtungen aus metallorganischen Gerüstverbindungen die höchste volumen- und massenspezifische Leistungsdichte, während granulare Silikagele die höchste flächenspezifische Leistungsdichte erreichten. Schließlich wurden die Ergebnisse der Gleichgewichts- und Kinetikexperimente auf Adsorptionskältemaschinen hochskaliert, um physikalische Effekte abzubilden, die experimentell nicht bestimmt werden konnten. Die Kältemittel Wasser, Ethanol und Methanol wurden mit geeigneten Adsorbentien gepaart und anhand von Paretokurven unterhalb und oberhalb von 0°C verglichen. Oberhalb von 0°C bleibt Wasser/Silikagel das Benchmarkmaterial, während unterhalb von 0°C Aktivkohle/Methanol ähnliche Wirkungsgrade wie Wasser liefert, jedoch mit geringerer Leistungsdichte. Insgesamt stellt diese Arbeit die erste vergleichende Studie von Adsorptionsarbeitspaaren zwischen Wasser, Ethanol und Methanol einschließlich deren Kinetik dar.

Cooling demand will more than double due to climate change by 2050. Today, most of the cooling demand is covered by energy-intensive compression chillers. A low-energy alternative is offered by adsorption chillers, which can use solar or waste heat as driving energy to provide chilling. The performance of adsorption chillers is currently limited by low efficiency and power density. Recently, research has tried to overcome these drawbacks by employing novel working pairs with improved equilibrium and kinetic properties. However, most studies incorporate only the working pairs or their equilibrium properties and often neglect adsorption kinetics. Hence, this work presents a comparative study of working pairs for adsorption chillers by scaling-up small-scale equilibrium and kinetic experiments to a dynamic full-scale adsorption chiller model. Gravimetric equilibrium experiments were performed with a new magnetic suspension balance. Since the experiments are time consuming, a model-based design of experiments algorithm was developed to iteratively calibrate adsorption isotherm models. The algorithm saved 70%-81% of the experimental effort while model accuracy only decreased between 2.3 and 13.6 percentage points. For the kinetic experiments, new performance indicators were introduced that allowed to compare the working pairs at an early development stage based on the trade-off between energy and power density. The results showed each working pair to perform optimally at different characteristic time constants. Coatings of metal-organic frameworks achieved the highest volume- and mass-specific power density, while classic granular silica gels achieved the highest area-specific power density. Finally, the results of equilibrium and kinetic experiments were scaled-up to two-bed adsorption chillers to capture physical effects, which could not be determined experimentally. The refrigerants water, ethanol, and methanol were paired with suitable adsorbents and compared by means of Pareto fronts below and above 0°C. Above 0°C, water/silica gel remains the benchmark material. Below 0°C, activated carbon/methanol provided similar efficiencies as water albeit at lower power density. Overall, this thesis presents the first comparative study of working pairs for adsorption chillers between water, ethanol, and methanol including adsorption kinetic data.

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