Thermochemische Kälteerzeugung und

Thermochemische Kälteerzeugung
und Energiespeicherung
FAKULTÄT III
Prozesswissenschaften
Das System Zeolith-Wasser – ein Model für die Zukunft?
PIW Projekt 10/11
Ventil
1
Temperaturfühler
Adsorptiv Wasserdampf
Evakuierungsöffnung
Versuchsaufbau
der Projektgruppe
2
3
Evakuierungsöffnung
Adsorbens Zeolith
Wasser
Temperaturfühler
4
Temperaturmessgerät
Temperaturmessgerät
Adsorptionsprozess
Durch Wärmeübertragung zwischen Umgebung und Wasser kann z.B. mit
einem Wärmetauscher eine Klimaanlage betrieben werden.
Temperatur-Zeit-Diagramm des Wassers
aus eigenem Versuch und eigener Simulation
21
19
Temperatur [°C]
Die Adsorption beschreibt den Vorgang der Anlagerung von Gasen oder
Flüssigkeiten an der Oberfläche fester Körper. In diesem Versuch werden
hierzu Wasser und Zeolith verwendet. Nach dem Evakuieren der Kammern
und Öffnen des Ventils, strömt Adsorptiv 1 , aufgrund der unterschiedlichen Druckverhältnisse, in die Zeolithkammer. Das Adsorptiv entsteht durch
das Verdampfen des Wassers 2 bei geringem Druck, das dadurch stark
abkühlt. Im Zeolithbehälter lagert sich Wasserdampf an der Oberfläche des
Adsorbens 3 an. Bei dieser Anlagerung wird Wärmeenergie frei (Adsorptionsenthalpie ∆Hads≈ 4-40 kJ/mol), die vom Adsorbens aufgenommen
wird. Die Aufnahmefähigkeit des Zeoliths hängt hauptsächlich von Druck,
Temperatur und Beladung ab. Das entstehende Adsorbat 4 kann durch
Wärmezufuhr aus dem Adsorbens ausgetrieben (Desorption) werden, um
den Prozess von Neuem starten zu können.
Adsorbat adsorbiertes H2O
17
Versuch
15
Simulation
13
11
9
7
5
3
1
-1
-3
Zu den Parametern des Diagramms bzgl. Simulation:
MZeolith = 0,8 kg | M Wasser(t0 ) = 0,15 kg | Diffusionskoeffizient = 1,32 · 10-6 kg/Pa · s | Anfangsbeladung Zeolith = 0,1 %
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100 110 120
Zeit [s]
Technikperspektiven
Adsorptions- und Absorptionsverfahren werden hauptsächlich zur Gebäudeklimatisierung verwendet. Es existieren bereits marktreife Anlagen, die
mit diesem Verfahren arbeiten. Diese nutzen zur Kälteerzeugung Wärme
statt, wie herkömmliche Anlagen, Strom. Die Wärme kann durch thermische Solaranlagen, Kraft-Wärme-Kopplung (BHKW) oder Abwärme
(Fernwärme) von anderen technischen Prozessen bereitgestellt werden.
Bei den genannten Beispielen wird gerade im Sommer sehr viel Wärme
erzeugt, die ansonsten ungenutzt in die Atmosphäre entweichen würde.
Hierbei liegt das große Potential der Adsorptions- und Absorptionsanlagen: Sie nutzen die überschüssige Wärme, um Kälte zu erzeugen. Mit
einem speziellen Absorptionsverfahren, dem Honigmann-Prozess, kann
auch Wärme in mechanische Arbeit umgewandelt werden und z.B. elektrischen Strom erzeugen.
Bei den genannten Prozessen besteht noch erheblicher Entwicklungsbedarf, um mit konventionellen Anlagen konkurrieren zu können. Die
Leistungswerte sind im Vergleich geringer und Investitionskosten höher.
Aus wirtschaftlicher Sicht sind sie daher häufig noch unattraktiv.
Adsorptions- und Absorptionsanlagen sind zukunftsträchtige Modelle
für umweltfreundliche Energieerzeugung und -speicherung.
Quelle: modifiziert aus Mähr, C.: Vergessene Erfindungen, DuMont Literatur und Kunst Verlag 2003
Der Honigmann-Prozess nutzt die unterschiedlichen Drücke und
Siedetemperaturen von Flüssigkeiten, um mechanische Arbeit (z.B.
elektrischer Strom) zu produzieren. Der Prozess eignet sich hervorragend zum Speichern von überschüssigem Strom erneuerbarer
Energien oder Abwärme.
PIW Projekt 2010/2011 | 31b
Joris Weigert, Jens-Christian Gantert, Stephan Mrusek, Jasmin Garten, Albert Dietrich, Friedrich Horn, Mechthild Siegler, Erik Stimm, Slavi Terziev, Mirko Stienen