Stratisorp-Systementwicklung: Schichtspeicher-Adsorptionswärmepumpe für Heiz- und Kühlanwendungen in Gebäuden

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1 Zukunftsoffensive III Zwischenbericht anlässlich des Statuskolloquiums Umweltforschung Baden-Württemberg 2013 am 20. und 21. Februar 2013 im KIT-Campus Nord Stratisorp-Systementwicklung: Schichtspeicher-Adsorptionswärmepumpe für Heiz- und Kühlanwendungen in Gebäuden Ferdinand Schmidt, Chirag Joshi, Valentin Schwamberger, Hadi Taheri Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Campus Süd Fachgebiet Strömungsmaschinen FSM Shared Research Group Energie- und Gebäudetechnologie Förderkennzeichen: ZO3E Laufzeit: Die Arbeiten dieses Projekts werden mit Mitteln aus der Zukunftsoffensive III des Landes Baden-Württemberg gefördert

2 Kurzfassung zum Forschungsvorhaben English Summary Das Vorhaben dient der Entwicklung und Demonstration eines Adsorptionswärmepumpen-Systems, das einen thermischen Schichtspeicher zur Wärmerückgewinnung zwischen Adsorptions- und Desorptionsphase nutzt. Es knüpft direkt an die Ergebnisse des BWPlus-Vorhabens Stratisorp (BWE 27005) an, in dem die Modellbildung und dynamische Simulation zu diesem System bearbeitet wurden. Die besonderen Anforderungen an den Schichtspeicher betreffen vor allem die temperaturgesteuerte Be- und Entladung bei relativ zur Speichergröße hohen Volumenströmen (Umwälzung des Speichervolumens in ca Minuten). Hier müssen besondere Maßnahmen zur Unterdrückung großräumiger Wirbel getroffen werden, die sonst die Speicherschichtung stark beeinträchtigen würden. Hierzu werden in diesem Vorhaben poröse Medien wie z.b. grobporige retikulierte Schwämme in bestimmte Speicherzonen eingebracht. Die Effektivität verschiedener Maßnahmen zur Verminderung von Mischungseffekten im Speicher wird experimentell untersucht durch Tintenversuche, Schlierenverfahren sowie kombinierte PIV- und LIF-Messungen (particle image velocimetry und laser induced fluorescence). Im zweiten Teil des Vorhabens wird ein Schichtspeicher mit allen benötigten Einbauten, Steuerungs- und Regelungseinrichtungen mit einem Adsorptionsmodul (Adsorber, Verdampfer, Kondensator) zusammengekoppelt und dieses Demonstrator- System als Adsorptionswärmepumpe vermessen. Ziel ist der experimentelle Nachweis einer deutlichen Steigerung der Leistungszahl gegenüber einem Vergleichssystem mit gleichen Adsorberdaten. Begleitend werden Systemsimulationen durchgeführt, um die Systemperformance in bestimmten Referenzanwendungen (Gaswärmepumpe, Solare Kühlung, KWKK) zu untersuchen. The proposed project serves the development and demonstration of an adsorption heat pump system utilising a stratified thermal storage for heat recovery between the adsorption and desorption half cycles. The project starts from the results of the previous BWPlus project Stratisorp (BWE 27005) in which the modelling and dynamic simulation of such systems have been performed. The special requirements regarding the stratified storage are related to the temperature controlled loading and unloading at high volume flow rates relative to storage size completely exchanging the storage volume within 8 15 minutes. Here, dedicated measures for suppressing large eddies have to be taken, since those eddies would otherwise strongly deteriorate stratification. To this end, porous media such as reticulated foams will be inserted into distinct zones of the storage. The effectiveness of different measures aiming at a reduction of mixing effects will be analysed experimentally through flow visualisations using ink, through the background oriented schlieren method and through PIV and LIF measurements. In the second part of the project, the stratified storage with all required fixtures and control equipment will be coupled to an adsorption module (adsorber, evaporator, condenser) for characterisation as an adsorption heat pump. The goal is to provide experimental proof of a strong enhancement of the coefficient of performance (COP) of the Stratisorp system compared to a reference system using a standard adsorption cycle and identical adsorbers. In a complementary work package, system ZO3-Projekt Stratisorp-Systementwicklung (ZO3E 11001) 2

3 simulations are performed to evaluate system performance in reference applications such as gas heat pump, solar cooling system and CCHP system (combined cooling, heating and power). Arbeiten im Berichtszeitraum Der Arbeitsplan des Vorhabens ist in Abb. 1 dargestellt. Die Arbeiten im Berichtszeitraum ( ) haben sich auf die Arbeitspakete 1 und 2 konzentriert. Berichtszeitraum Abbildung 1: Arbeitsplan mit Meilensteinen Im Arbeitspaket 1.6 (Strömungsuntersuchungen am Versuchsspeicher) kam es aufgrund von Schwierigkeiten mit der Vergabe des vorgesehenen Unterauftrags zu deutlichen Verzögerungen, so dass diese Arbeiten erst im Dezember 2012 (Monat 16) begonnen werden konnten. Infolgedessen konnten die Arbeiten in AP 3 noch nicht begonnen werden. Der Mittelabfluss entspricht weitgehend der ursprünglichen Planung, so dass sich zwischen Mittelabfluss und Bearbeitungsstand derzeit eine Lücke von ca. 5 Personenmonaten (E 13) ergibt. Diese Lücke soll durch eine Kürzung der Arbeiten zur Modellierung und Simulation (AP 2) sowie eine Neuorganisation von AP 3 wieder geschlossen werden. ZO3-Projekt Stratisorp-Systementwicklung (ZO3E 11001) 3

4 Untersuchungen zur Konvektionsdämpfung in Schichtspeichern (AP 1) Arbeitspaket 1.3 / 1.4: Versuchstand zur Strömungsvisualisierung / poröse Medien Im vorangegangenen Zwischenbericht wurde vom Aufbau des Versuchsstandes zur Strömungsvisualisierung (AP 1.3) berichtet, der aus einem zylindrischen Plexiglas- Speicher (V = 10 Liter) besteht, in den in vier verschiedenen Höhen Fluid ein- oder ausgeschichtet werden kann (siehe Skizze am Seitenrand). An diesem kleinen Versuchsspeicher wurden sowohl Tintenversuche durchgeführt als auch Aufnahmen nach der BOS-Methode (Background Oriented Schlieren) aufgenommen. Bei den Tintenversuchen zeigte sich, dass die zunächst gewählte Einströmgeometrie der Plexiglasplatten für die Fluidverteilung noch nicht geeignet war, um eine rotationssymmetrische Einströmung zu erreichen. Da diese jedoch als wichtig erachtet wurde, um CFD-Simulationen an einem rotationssymmetrischen 2D-Modell validieren zu können, wurden neue Platten ausgelegt und angefertigt, die ein im Strömungskanal umlaufendes Edelstahl-Drahtnetz enthalten und über vier äußere Schlauchanschlüsse verfügen. Mit diesen Platten wurde eine zufriedenstellende Strömungssymmetrie erreicht. Um den Einfluss poröser Medien auf das Einschichtverhalten in einen thermisch geschichteten Speicher zu untersuchen, wurde eine zylindrische Schicht aus retikuliertem Polymerschwamm (10 ppi) in den Versuchsspeicher eingebracht. Es zeigte sich, dass eine 4 cm starke Schwammschicht ausreichte, um eine turbulente, schnelle radiale Einströmung (v = 9 cm/s) in eine langsame laminare, nahezu ideale axiale Pfropfenströmung umzuwandeln (v = 0,2 cm/s). Eine detaillierte Diskussion und Dimensionsanalyse der hierbei vorliegenden Strömungsverhältnisse soll dem Abschlussbericht vorbehalten bleiben. Für die Schlierenaufnahmen nach der BOS-Methode wurden zwei digitale Spiegelreflexkameras vom Typ Canon EOS 600D beschafft (Sensorauflösung: 18 Megapixel, RAW-Format unterstützt). Es zeigte sich jedoch, dass es im eigentlich vorgesehenen kontinuierlichen RAW-Aufnahmemodus mit 3,7 Bildern/s schneller als erwartet zu Pufferüberläufen kam, die zu Unterbrechungen der kontinuierlichen Aufnahme führten. Im Videomodus kann die Kamera kontinuierlich 25 Bilder/s in einer Auflösung von 2 Megapixel (HD-Video) aufnehmen, die allerdings in einem verlustbehafteten, komprimierten Format (H.264) gespeichert werden. Durch Verwendung eines gröberen BOS-Hintergrundmusters konnten jedoch Videobilder erreicht werden, die durch den Kreuzkorrelations-Algorithmus artefaktfrei ausgewertet werden konnten und eine für den Untersuchungszweck immer noch völlig ausreichende räumliche Auflösung des Untersuchungsgebiets boten. Für die weiteren BOS- Untersuchungen wurde daher immer der Videomodus der Kameras verwendet. Die BOS-Methode erwies sich als sehr gut geeignet zur Visualisierung der Vermischungsvorgänge in thermisch geschichteten Speichern (vgl. Abb. 1). Unter den oben beschriebenen Bedingungen lassen sich Temperaturunterschiede von ca. 1 K (bei 20 C) visualisieren. Bei höheren Temperaturen sollten sich aufgrund des Temperaturverlaufs von Dichte und Brechzahl noch kleinere Temperaturdifferenzen darstellen lassen. ZO3-Projekt Stratisorp-Systementwicklung (ZO3E 11001) 4

5 Abb. 1: BOS-Aufnahme zur Visualisierung der Gradienten der optischen Dichte für eine Strömung im Versuchsspeicher oberhalb einer Schwamm-Platte bei Einströmung mit 3 Liter/min und 20 C in einen 25 C warmen Tank. Dargestellt ist die scheinbare Verschiebung der Punkte des Hintergrundmusters gegenüber einer Referenzaufnahme ohne Temperaturgradienten im Tank (vor Beginn der Einströmung). Arbeitspaket 1.5: Konzeption Speichereinbauten Die Auslegung der Be- und Entladeeinrichtungen für den Speicher des Stratisorp- Demonstrationssystems (AP 1.5) konnte im Berichtszeitraum abgeschlossen werden. Aufgrund der Ergebnisse der CFD-Simulationen zu den Beladelanzen (siehe unten) wurde eine experimentelle Realisierung einer Beladelanze nicht weiter verfolgt. Stattdessen wurde das Konzept verfolgt, die Einschichtung über dieselben Ringe vorzunehmen, die auch für die Entnahme genutzt werden (siehe Abb. 2, entnommen aus dem vorangegangenen Zwischenbericht). Abb. 2: Stratisorp-System während der Adsorptionsphase mit Ein- und Ausschichtung über benachbarte Beladeringe (schematisch). Zwischen den selektierten Ringen wird eine Pfropfenströmung im Speicher (über den gesamten Querschnitt) angestrebt, d.h. direkte Jets zwischen den Ringen sind zu vermeiden. In der Systemsimulation wurde der Schwerpunkt ebenfalls auf dieses Fluidführungs- Konzept gelegt (siehe unten). Die Beladeringe haben im Stratisorp-System die Aufgabe, die turbulente Strömung aus den Zuleitungen in eine möglichst langsame, laminare Strömung im Speicher umzuwandeln. Die Temperaturschichtung zwischen den benachbarten für die Ein- und Ausschichtung verwendeten Ringen darf dabei nicht zerstört werden. Insbesondere muss ein hydraulischer Kurzschluss zwischen ZO3-Projekt Stratisorp-Systementwicklung (ZO3E 11001) 5

6 den Ringen vermieden werden. Dies wäre ein vertikaler Jet anstatt der gewünschten Verteilung über den gesamten Speicherquerschnitt. Aufgrund der positiven Ergebnisse mit retikulierten Schwammstrukturen in AP 1.4 (am kleinen Versuchsspeicher) wurde auch für die Be- und Entladeringe eine Umhüllung mit einer Schwammschicht vorgesehen. Da der 500-Liter-Versuchsspeicher mit optischem Zugang noch nicht zur Verfügung stand, wurde für diese Untersuchungen eine planare Geometrie mit zwei parallelen Rohrstücken (à 20 cm Länge) in einem planparallelen Plexiglastank ( Aquarium ) gewählt. Für das Innenrohr der Beladeringe wurde aufgrund der guten Biegsamkeit und Bearbeitbarkeit ein Alpex- Verbundrohr ausgewählt (Innendurchmesser 42 mm). Der Stratisorp- Systemvolumenstrom wurde auf die Rohrlänge der Testgeometrie heruntergerechnet, was zu einem Test-Volumenstrom von 10 Liter/min führte. Abb. 3 zeigt die Ergebnisse der Design-Variation der Beladerohre im Tintenversuch für den Fall ohne Temperaturgradienten. In der oberen Bildreihe wurde nur das Alpex-Rohr mit einer oder mehreren Reihen 5 mm großer Löcher (auf der Innenseite, dem anderen Rohr zugewandt) verwendet. In der mittleren Bildreihe war das Rohr mit einem 3 cm starken Schwammstreifen (20 ppi) umwickelt. In der unteren Bildreihe war außen zusätzlich ein feines Edelstahldrahtnetz um den Schwamm gewickelt. In der linken Bildspalte war eine Lochreihe in die Alpex-Rohre gebohrt, in der mittleren Bildspalte waren es drei Lochreihen, und in der rechten Bildspalte waren die Alpex-Rohre rundum mit Löchern versehen worden. Abb. 3: Tintenversuche zu verschiedenen Design-Varianten für die Beladeringe (Erläuterungen im Text) Im Fall ohne poröses Medium (obere Zeile) bildete sich aus jedem Loch ein Strahl aus, was für alle betrachteten Loch-Anordnungen zu einer großräumigen Vermischung führte. Mit dem Schwamm (mittlere Zeile) bildeten sich keine einzelnen Jets mehr aus, und im Fall einer Lochreihe (Mitte links) konnte bereits eine erhebliche vertikale Aufweitung der Ausströmzone festgestellt werden. Das zusätzliche Edelstahl-Drahtnetz (untere Reihe) brachte keine wesentliche Verbesserung mehr, so dass für die Beladeringe die Varianten mit Schwamm und mindestens drei Lochreihen ausgewählt wurden. ZO3-Projekt Stratisorp-Systementwicklung (ZO3E 11001) 6

7 Die Umschaltung zwischen den Ringen im Verlauf des Zyklus soll durch außerhalb des Speichertanks befindliche Ventile erfolgen. Die Durchführung von Messungen an einem 500-Liter-Speicher mit optischem Zugang und den fertigen Laderingen (AP 1.6) war ursprünglich bei einem externen Auftragnehmer vorgesehen. Da wir kein Angebot für eine zeitnahe externe Durchführung dieser Arbeiten bekommen konnten, wurde (mit Zustimmung des Projektträgers) mit dem ITW der Universität Stuttgart eine Vereinbarung getroffen, die eine Durchführung der Arbeiten am KIT mit vom ITW zur Verfügung gestellten Messaufbauten (Versuchsspeicher, Heizund Kühlmodul) vorsieht. Der Speichertank wurde bereits am KIT aufgestellt, die Heiz- und Kühlmodule werden noch im Januar 2013 folgen. Modellierung und Simulation (AP 2) Arbeitspaket 2.1: CFD-Modellierung Speicher Wie im vorangegangenen Zwischenbericht dargestellt, wurden in CFD-Simulationen starke Ansaugeffekte der untersuchten Schichtbeladelanze festgestellt. Im aktuellen Berichtszeitraum wurde daher im Rahmen der CFD-Modellierung eine Variation der Lanzengeometrie durchgeführt, um den Einfluss des Profils der rotationssymmetrischen Hütchen, aus denen die Lanze aufgebaut ist, auf den Ansaugeffekt zu untersuchen. Eine grundsätzliche Schwierigkeit bezüglich der CFD-Simulation zum Stratisorp-Zyklus besteht darin, dass die Zielgrößen des Systemdesigns (wie COP und Leistung) nur über einen eingeschwungenen, stationären Zyklus des gesamten Systems einschließlich des Speichers (cyclic steady state) ausgewertet werden können. Der zeitliche Verlauf der Einströmbedingungen am Speicher für diesen stationären Zyklus ist aber a priori in der CFD-Simulation nicht bekannt, d.h. das gesamte System müsste in der CFD-Simulation über mehrere Zyklen instationär mitgerechnet werden, um sich dem eingeschwungenen Speicherzustand anzunähern. Da die hierfür benötigte Simulatorkopplung (zwischen ANSYS Fluent und dem MATLAB- Systemmodell) in der Arbeitsgruppe bisher nicht vollständig implementiert ist und der CFD-Berechnungsaufwand ohnehin deutlich zu groß wäre für eine Variation von Designparametern der Schichtladeeinrichtung, bietet sich eine andere Herangehensweise an: Es wird ersatzweise eine stationäre Strömungssituation betrachtet, die einige strukturelle Ähnlichkeiten mit den im Verlauf des Zyklus erwarteten Strömungssituationen aufweist (siehe Abb.4 links). Um die Ergebnisse später experimentell validieren zu können, wurde für das Strömungsgebiet die Geometrie des in AP 1 aufgebauten kleinen Versuchsspeichers gewählt. Das Lanzenprofil wurde durch ein Polynom parametrisiert, wobei als Designparameter der Lanze die Steigung auf der Profilinnenseite (a), die Steigung in der Profilmitte (b) und der vertikale Abstand der Hütchen (c) definiert wurden. Im Rahmen einer Diplomarbeit [Ribas 2012] wurde die Aufgabe bearbeitet, die CFD-Simulation in einen Optimierungsalgorithmus für die Lanzengeometrie einzubinden. Hierzu wurde zunächst eine automatisierte (skriptgesteuerte) Vernetzung des Strömungsgebietes in Abhängigkeit von den gewählten Lanzenparametern implementiert. Weiterhin wurden zwei Zielfunktionen definiert, die ein Funktionieren der Lanze ohne Ansaugeffekt und einen Fluidaustritt in einem engen Höhenbereich begünstigen. Bezüglich. jeder dieser beiden Zielfunktionen wurde eine Optimierung der Lanzenparameter berechnet, wobei als Optimierungsalgorithmus eine direkte Koordinatensuche mit fester Schrittweite [Torczon 1997] eingesetzt wurde. ZO3-Projekt Stratisorp-Systementwicklung (ZO3E 11001) 7

8 Einlass warmes Fluid (40 C) Symmetrieachse Auslass Einlass kaltes Fluid (20 C) Einlass Beladelanze (30 C) Abb. 4: Geometrie und Einströmtemperaturen (links) für CFD-Simulation zur Untersuchung des Einflusses des Lanzenprofils auf Ansaugeffekte und Fluidaustrittshöhe. Illustration der Geometrieparameter des Lanzenprofils (rechts). Aus [Ribas 2012] Obwohl der Optimierungsalgorithmus konvergierte, zeigte das Ergebnis unerwartete Effekte aufgrund von Randeinflüssen der gewählten Geometrie (z.b. Ansaugeffekt des Fluidauslasses). Da der Ansaugeffekt im Inneren der Lanze zudem nicht in der ursprünglich erwarteten Weise von der Steigung der Hütchen an ihrer Innenseite abhing, konnte in der Gesamtbewertung keine Geometrie gefunden werden, von der eine gute Funktionsfähigkeit bei Übertragbarkeit auf einen wesentlich größeren Tank zu erwarten gewesen wäre. Von einer experimentellen Realisierung der mittels CFD optimierten Lanze durch Vakuum-Tiefziehen der Hütchen wurde daher abgesehen. Aufgrund der weiterhin bestehenden Unsicherheit bezüglich der Ansaugproblematik der Lanze wurde für das laufende Vorhaben das Lanzen-Konzept verworfen zugunsten des oben bereits dargestellten Konzepts der Be- und Entladeringe. Arbeitspaket 2.4: Erweiterung Systemmodell / Systemsimulationen Neue Einschichtvorrichtung Ein wesentlicher Schritt in Arbeitspaket 2.4 war die Anpassung des Systemmodells an den geplanten experimentellen Versuchsaufbau. Primär ist hier eine veränderte Ein- und Ausschichtung in und aus dem Schichtspeicher zu nennen: Bisher erfolgte die Einschichtung über eine Schichtladelanze, die Ausschichtung über eine feste Anzahl von Entnahmeringen. Bei dem Prototypen soll jedoch auch die Einschichtung über Ringe durchgeführt werden, um zunächst auf die aufwändigere Schichtladelanze verzichten zu können: Die Entnahmeringe dienen dabei gleichzeitig auch zur Beladung. Diese Änderung wurde im Systemmodell umgesetzt. Die Abbildung der konvektiven Vermischungsvorgänge im (eindimensional modellierten) Speicher ZO3-Projekt Stratisorp-Systementwicklung (ZO3E 11001) 8

9 wird wie bisher auf Basis einer erhöhten effektiven Wärmeleitfähigkeit modelliert. Da insbesondere durch das ein- und ausströmende Fluid Vermischungsvorgänge verursacht werden, muss die effektive Wärmeleitfähigkeit an die neue Einschichtsituation angepasst werden. Grundlegende Arbeiten, verbesserte Konsistenz, Entropieanalyse In diesem Arbeitspaket wurden weiterhin noch grundlegende Arbeiten durchgeführt, um eine bessere Validierung der Teilmodelle zu ermöglichen. Dazu wurden die energetischen und entropischen Bilanzen der einzelnen Komponenten berechnet und überprüft. Die korrespondierenden Residuen konnten dann durch eine verbesserte Modellierung der physikalischen Größen (Wärmekapazität des Adsorbats) und eine verbesserte Numerik (extrahiertes Fluid, numerische Vermischung) deutlich verringert werden; das Residuum der Energiebilanz des Gesamtmodells (Adsorber, Speicher, Verdampfer, Kondensator, Verrohrung) sogar um einige Größenordnungen. Relativ reduzierte es sich typischerweise von 10 2 auf weniger als 10 4, jeweils bezogen auf die vom Heizer über einen Zyklus ins System eingebrachte Wärme. Um die Ventilschaltzeiten zu Ende der isosteren Phase abschätzen zu können und Umlagerung von Beladung zwischen den Adsorberknoten während der isosteren Phase abbilden zu können, wurde eine Gaskammer eingeführt und zunächst nur in der isosteren Phase simuliert. Das Wegfallen der Kammer innerhalb des Zyklus erfordert Korrekturen, die physikalisch nicht einfach interpretiert werden können und das Ergebnis verfälschen. Daher wurde das Adsorbermodell durch eine dauerhaft vorhandene Kammer erweitert. Damit lassen sich die Kammerkorrekturen für Energie und Entropie vermeiden. Diese Änderung geht jedoch auf Kosten von Rechenzeit und Stabilität des Systems: Der Gasraum in der Kammer ist im Verhältnis zu den auftretenden Stoffströmen klein und führt zu einem steiferen Differentialgleichungssystem. Mittels der Entropieanalyse können für einen stationären Zyklus des Stratisorp- Systems die einzelnen Verluste bzw. die zu den ablaufenden Prozessen korrespondierenden Entropieproduktionen (Irreversibilitäten) bestimmt und verglichen werden. Bisher erfolgt die Berechnung auf Basis des äußeren (groberen) externen Zeitschritts, der zur Synchronisation zwischen Speicher- und Adsorptionsmodell verwendet wird. An Irreversibilitäten wurden die Erhitzung des Arbeitsfluids von Verdampfer auf Adsorbertemperatur während der Adsorption, die Abkühlung des Fluids von Adsorbertemperatur auf Kondensatortemperatur, der isenthalpe Rückfluss des Kondensats vom Kondensator in den Verdampfer und die Verluste in den isosteren Phasen berücksichtigt. Weiterhin wurden die Verluste in den Wärmeübertragern (Adsorber, Verdampfer, Kondensator) beim Wärmeübergang vom und auf das Wärmeträgerfluid und parallel zur Strömungsrichtung im Metall und im Adsorbens (nur Adsorber) sowie die Entropieproduktion bei der Vermischung des Fluids beim Durchströmen des Adsorbers (numerische Vermischung) bestimmt. Schließlich wird noch die Vermischung im Speicher, die mittels der effektiven Wärmeleitfähigkeit berechnet wird, angegeben werden. Die (ungewollte) numerische Vermischung im Speicher basiert auf den Massenströmen im Speicher(von und zum Heizer, Kühler, Adsorber). ZO3-Projekt Stratisorp-Systementwicklung (ZO3E 11001) 9

10 Stoff- und Wärmetransport senkrecht zu den Fluidkanälen, Anpassung an eindimensionales Modell bzw. experimentelle Daten Im Adsorptionsmodul werden der Stofftransport des Adsorptivs bzw. des Arbeitsfluids sowie der Wärmetransport durch das Adsorbens und die Aluminiumfaserstruktur senkrecht zu den extrudierten Fluidkanälen mittels eines nulldimensionalen Knotenmodells abgebildet: Ein Knoten umfasst Wärmetauscher, Aluminiumfaserstruktur und Adsorbens (Adsorberknoten), der mit einem Fluidknoten im Wärmekontakt steht (Wärmeträger). Ein dritter Knoten repräsentiert die Gasphase innerhalb des Adsorbers, der ebenfalls mit dem Adsorberknoten in Kontakt steht. Bei geöffnetem Ventil ist ein vierter Knoten mit dem Gasknoten in Kontakt, dieser repräsentiert das gesättigte Gas im Verdampfer (Adsorptionsphase) bzw. im Kondensator (Desorptionsphase). Parallel zu den Fluidkanälen ist das Modell eindimensional aufgelöst, da die Temperaturgradienten in dieser Richtung aufgrund des thermisch langen Adsorbers relativ groß sind (z. B. verglichen mit den sehr kleinen Temperaturgradienten über den Adsorberknoten, die im Systemmodell auch nicht abgebildet werden können). Die zugehörigen Stofftransportkoeffizienten während Adsorption und Desorption waren bisher derart gewählt, dass die Prozessgeschwindigkeit nur durch den Wärmetransport, nicht jedoch durch den Stofftransport limitiert war. Dies basiert auf der Annahme, dass der Wärmetransport der begrenzende physikalische Vorgang ist. Der Wärmetransportkoeffizient wurde mittels experimenteller Daten und geometrischer Abmessungen des Adsorbers bestimmt. Mittlerweile stehen am Fraunhofer ISE auch zur Adsorptionskinetik von SAPO-34 experimentelle Daten zur Verfügung. An diese Daten wurde dort weiterhin ein bidisperses Modell angepasst. Bidispersität bedeutet hier die gleichzeitige und gekoppelte Simulation der physikalischen Vorgänge in den Makroporen (Knudsen- und viskose Strömung, Wärmetransport) als auch der in den Mikroporen (Adsorption). Dieses in der Simulationsumgebung COMSOL erstellte Modell löst die Adsorptionsvorgänge senkrecht zu den Fluidkanälen eindimensional auf (siehe Abb. 6). An dieses Modell wurde nun die im oben beschriebenen Knotenmodell verwendeten Stoff- und Wärmetransportkoeffizienten angepasst und dann in der Systemsimulation verwendet. Aufgrund der geringen Schichtdicke (Metallkanäle, Aluminiumfasern, Adsorbens) ist die Abbildung in das nulldimensionale Knotenmodell ohne große Einschränkungen möglich, und das Knotenmodell gibt die Ergebnisse des eindimensionalen COMSOL-Modells sehr genau wieder. Damit basiert das Systemmodell nun auf weiteren experimentellen Daten. Abb. 6: COMSOL-Modell zur eindimensionalen Auflösung der Schicht zwischen Wärmeträgerfluid, Wärmeübertrager und Adsorbens sowie Gasraum und Verdampfer/Kondensator ZO3-Projekt Stratisorp-Systementwicklung (ZO3E 11001) 10

11 Ergebnistransfer (AP 6) Das Stratisorp-Systemkonzept für eine Gaswärmepumpe wurde in der Fachzeitschrift Energiewirtschaftliche Tagesfragen vorgestellt [Schwamberger 2012]. Literatur [Torczon 1997] [Ribas 2012] V. Torczon, S. Pii: On the Convergence of Pattern Search Algorithms. SIAM Journal on Optimization, 7:1 25, C. Ribas Tugores: Analysis of design variations of an inlet stratification pipe for application in thermal storage tanks. Diplomarbeit FSM, KIT Fakultät für Maschinenbau, [Schwamberger 2012] V. Schwamberger und F. P. Schmidt: Effizienzsteigerung bei Gaswärmepumpen. et Energiewirtschaftliche Tagesfragen, 01-02/2012. ZO3-Projekt Stratisorp-Systementwicklung (ZO3E 11001) 11