Untersuchungen zur Effizienzsteigerung von Adsorptionskältemaschinen auf Basis zeotypischer Adsorbentien
Moritz Hinze
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. 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.
