Verwendung von Zeolith/CaCl2 Kompositmaterial für die

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VerwendungvonZeolith/CaCl2
Kompositmaterialfürdie
Langzeitspeicherungvon
thermischerEnergie
Dipl.-Ing.DanielaMeitner
LukasvonBerg,BSc
Univ.-Prof. HaraldRaupenstrauch
FA Anlagentechnik
Wien, 5. Dez. 2012
12.02.2016
MontanuniversitätLeoben
LehrstuhlfürThermoprozesstechnik
Franz-Josef-Straße18,8700Leoben
[email protected]
Inhaltverzeichnis
• StatusQuo:
– EinsatzvonLangzeitspeicherimSektor„Private
Haushalte“
• GrundlegendeszudenMaterialienundzum
Sorptionsvorgang
– Zeolith,Calciumchlorid(CaCl2),
Kompositmaterial ausZeolithundCaCl2
• VermessungderMaterialienimLabormaßstab
• Conclusio
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Statusquo:Langzeitspeicher
• HoherEnergieverbrauchdesSektors„Private
Haushalte“(30%desGesamtenergiebedarfs
Österreichs,ÖsterreichischesUmweltbundesamt,2015)
• Wärmespeicherung
Wärmeüberdirekteundinspeicher
nieder
hoch
direkteSpeicher
Sensible
Latent
Sorption
hoch
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nieder
3
Material:
Eigenschaften,Aufbauund
Verwendung
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4
Sorptionsmaterial
• NatürlicherZeolith
– Klinoptiolith- Heulanditstruktur
– natürlichesAlumosilicatmineral miteinerReinheitvon90%
ChemischeStruktur:Na6[Al6Si30O72]*24H2O(Dyer,1988)
dreidimensionaleStrukturaus
4
5
[SiO4] und[AlO4]
– Verwendung
• Abwasserreinigung
• inFuttermittel
• alternativeArzneimittel
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Klinoptiolith/ Heulanditstruktur (Dyer, 1988)
5
Sorptionsmaterial
• Calciumchlorid
– Eigenschaften
• hygroskopischesSalz
• 4Hydratstufen ausgehendvon[Ca(H2O)6]Cl2
• bei29°C,45°Cund175°CwirdKristallwasserabgeben;
Anhydridbei260°C(Wiberg,2007)
– Verwendung
• Trocknungsmittel
• Frostschutzmittel
• Lebensmittelindustrie
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6
Sorptionsmaterial
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7
Sorptionsmaterial
NovelSORP
8
Sorptionsmaterial
• HerstellungdesKompositmaterials(Aristov,2007)
– TrocknungdesZeolithenbei120-180°C
– ImprägnierungderMatrixmitderSalzlösung
– TrocknungdesMaterialsbei120-150°Cumdas
Wasserauszutreiben
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9
Sorptionsmaterial
• Kompositmaterial
Paltentaler Minerals GmbH & Co KG
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10
Beschreibungder
Sorptionsvorgängean
porösenMaterialien
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11
Sorption
Luft
FeuchteLuft
>100°C,trocken
Beladung
Desortpion
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12
Sorption
Luft
FeuchteLuft
>100°C,trocken
Beladung
Desortpion
Speicherung
trockenes
Gestein
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13
Sorption
Luft
FeuchteLuft
>100°C,trocken
Beladung
Desortpion
Speicherung
trockenes
Gestein
Entladung
Adsorption
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14
ExperimentellerAufbau
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15
LaboraufbaudesSorptionsreaktor
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16
Sorptionsmaterialien
1 mm
1 mm
13 XBF
Zeolith
1 mm
1 mm
Zeolith mit 5% CaCl2
Zeolith mit 20% CaCl2
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17
Sorptionsmaterialien
Zeolith
Zeolithmit20%CaCl2
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18
Ergebnisseaus
Experimentenim
Sorptionsreaktor
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Temperaturverlaufunterschiedlicher
Materialien
Temperaturverlauf
70
13XBF
65
Mono
Temperatur[°C]
60
Multi_MPV
55
Multi_SH
50
45
40
35
30
25
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Time[h]
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20
Temperaturhubunterschiedlicher
Materialien
Temperaturdifferenz[K]
30
Temperaturhub
25
20
15
∆TPos.1
10
∆TPos.3
5
0
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21
Energiedichteunterschiedlicher
Materialien
Energiedichte
Temperaturverlauf
70
65
400000
60
350000
55
300000
50
250000
45
200000
40
Temperatur[°C]
450000
150000
100000
50000
0
13XBF
Mono
Multi_MPV
Multi_SH
13XBF
Mono
Multi_MPV
35
Multi_SH
30
25
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Time[h]
1
𝜌𝑄𝑉 =
𝑐𝑝 𝐿𝑢𝑓𝑡
𝑉𝑆𝑜𝑟𝑏
𝑡1
∗ 𝑚̇𝐿𝑢𝑓𝑡 ∗ 3 ∆𝑇(𝑡) ∗ 𝑑𝑡
𝑡0
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NutzbareWärmederunterschiedlichen
Materialien
Temperaturverlauf
70
13XBF
65
Mono
Temperatur[°C]
60
Multi_MPV
55
Multi_SH
50
45
40
35
30
25
0
2
4
6
8
10
12
14
Zeit[h]
𝑄𝑁𝑢𝑡𝑧 =
𝑐𝑝 𝐿𝑢𝑓𝑡
𝑚𝑆𝑜𝑟𝑏
𝑡1
∗ 𝑚̇𝐿𝑢𝑓𝑡 ∗ 3 ∆𝑇(𝑡) ∗ 𝑑𝑡
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𝑡0
23
NutzbareWärmederunterschiedlichen
Materialien
NutzbareWärmebei35°C
2000
1500
13XBF_35
Mono_35
1000
Multi_MPV_35
Multi_SH_35
500
0
NutzbareWärmebei40°C
1
600
500
13XBF_40
400
Mono_40
300
Multi_MPV_40
200
Multi_SH_40
100
0
1
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24
Simulation
• 1Dund2DModell
• Gleichgewichtsbeladung
nachDubinin
• Matlab – 1D(im
Diagrammdargestellt)
• Fluent – 2D
• 13XBFmiteiner
relativenEintrittsfeuchte
von55%
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Conclusio
• TemperaturerhöhungwährendderAdsorption
<10KfürdasKomposit
• Energiedichte
Material
13XBF
Multi_MPV Mono
Energiedichte[MJ/kg]
421,189
378,54
165,09
• NutzbareWärme
Material
13XBF
Multi_MPV Mono
NutzbareWärmebei35°C [kJ/kg] 586,44
333,11
NutzbareWärmebei40°C [kJ/kg] 519,345
264,267
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VerwendungvonZeolith/CaCl2
Kompositmaterialfürdie
Langzeitspeicherungvon
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