Experimentelle Untersuchung der Adsorption am Prototyp 2

Aus den Versuchsergebnissen werden die Grenzen des ersten Prototyps aufgezeigt. Die Er-gebnisse machen deutlich, dass ein guter Wärmetransport für die Effizienz des Prozesses bedeutend ist. Der limitierende Prozessschritt ist der Wärmeübergang auf der Luftseite, der sich durch kleine Werte des Wärmeübergangskoeffizienten ausdrückt. Die Strömung im Luftspalt ist bei den Bedingungen der exemplarischen Adsorption laminar. Eine Erhöhung des Volumenstroms im Luftspalt kann zu Turbulenz und damit einhergehend zu höheren Wärmeübergangskoeffizienten führen. Eine weitere Möglichkeit, um zum einen die wärmeübertragende Fläche und zum anderen den Wärmeübergangskoeffizien-ten zu erhöhen, bietet der Einsatz von strukturierWärmeübergangskoeffizien-ten Oberflächen. Da experimentelle Untersuchungen zur Überprüfung diesbezüglicher Optimierungsmaßnahmen sehr auf-wendig sind, werden CFD-Methoden als Mittel eingesetzt, um veränderte Geometrien des Sorptionswärmespeichermantels sowie Strömungsverhältnisse zu untersuchen. Diese werden in Kapitel 5.2 vorgestellt.

Selbst bei sehr gutem Wärmeübergang kann der Luftstrom im Luftspalt jedoch nur bis auf die Wassertemperatur gekühlt werden. Die Wassertemperatur im oberen Speicherbereich ist im realen Anwendungsfall in der Regel höher als die Temperatur der eintretenden Raumluft. Die Übertragungsfläche im koaxialen Abluftrohr ist für eine nachfolgende ausreichende Wärmerückgewinnung zu klein. Dadurch wird selbst bei idealem Wärme-übergang Energie aus dem System abgeführt, da die Luft am Austritt des Speichers wärmer ist als am Eintritt. Die Rückgewinnung dieser Energie ist insbesondere bei der Adsorption unverzichtbar, um eine möglichst vollständige Nutzung der gespeicherten Energie zu gewährleisten. Um dies zu erreichen wurde der Prototypspeicher um den bereits bei der Desorption beschriebenen externen Luft/Luft-Wärmeübertrager erweitert.

Damit soll erreicht werden, dass die Austrittstemperatur nur unwesentlich über der Eintrittstemperatur liegt.

4.3.2 Experimentelle Untersuchung der Adsorption am

4.3. ENTLADUNG DES RADIALSTROMADSORBERS – ADSORPTION 69

4.3.2.1 Versuchsbedingungen

Die Vorgehensweise während der Versuche entspricht im Wesentlichen der der ersten Prototypversuche, die im Kapitel 4.3.1.1 beschrieben ist. Der Sorptionswärmespeicher ist mit 73,6 kg trockenem Zeolith 13Xbfbefüllt.

4.3.2.2 Gegenüberstellung der Versuchsergebnisse beider Prototypspeicher Wie im Kapitel zur Desorption werden auch für die Adsorption die Ergebnisse eines Versuchs mit Prototyp 1, siehe Abbildung 35, einem Versuch mit Prototyp 2, siehe Abbildung 36, gegenübergestellt.

Mit dem Prototyp 1 wird im Festbett eine Temperaturerhöhung von etwa 40 K durch die Adsorption erreicht. Der mittlere Wassergehalt der Zuluft beträgt 10,3 g/kg. Auch im Prototyp 2 liegt die Temperaturerhöhung, die sich aufgrund der Adsorption ergibt, bei etwa 30–35 K, bei einem mittleren Wassergehalt von 9,8 g/kg. Durch den Einsatz des externen Luft/Luft-Wärmeübertragers bei Prototyp 2 tritt die Luft bereits vorgewärmt in den Sorptionswärmespeicher ein. Dadurch verschiebt sich das Temperaturniveau im Prototyp 2 insgesamt nach oben und es werden im Festbett Temperaturen bis zu 87 °C erreicht. Dies hat zur Folge, dass sich ein höheres treibendes Temperaturgefälle zum Warmwasserspeicher einstellt, wodurch sich der Wärmestrom an den Warmwasserspeicher erhöht.

Die Temperaturen an der mittleren und äußeren Position in der oberen Messebene (grün) fallen etwas früher ab, als an den entsprechenden Positionen der mittleren (blau) und unteren Ebene (rot). Die Ursache hierfür kann darin begründet liegen, dass diese Mess-stellen beim Befüllen des Sorptionswärmespeichers etwas nach innen verschoben wurden, dass die Durchströmung des Festbetts nicht ganz horizontal ist oder sich der Luftstrom nicht gleichmäßig über die Höhe verteilt, d.h. dass mehr Luft den oberen Speicherbereich passiert und die Adsorptionsfront dadurch dort schneller durchbricht. Da sich das Verhal-ten auch bei höheren Volumenströmen kaum ändert (vergleiche Kapitel 4.3.2.3) ist eine verschobene Messstelle oder eine stärkere Durchströmung des oberen Speicherbereichs wahrscheinlicher. Die Temperaturen in der unteren Messebene (rot) sind um ca. 10 K geringer als in der mittleren und oberen Messebene. Da die Temperaturerhöhung prinzi-piell nicht vom Volumenstrom abhängt, scheidet die Vermutung, dass eine inhomogene Durchströmung auftritt und weniger Luft durch den unteren Speicherbereich strömt als Erklärung aus. Auch das Passieren der Front erfolgt in der unteren Ebene (rot) jeweils zur gleichen Zeit wie an den entsprechenden Stellen in der mittleren Ebene (blau). Bei der vorangehenden Desorption wurden an allen Messstellen, abgesehen von ^UAlund ^UMl, ähnlich hohe Temperaturen erreicht. Es ist demnach davon auszugehen, dass an diesen beiden Messstellen zu Beginn der Adsorption eine höhere Beladung vorlag. Je höher

Abbildung 35: Prototyp 1: Temperaturen im Festbett und am Speicherein-/-austritt (links), Temperaturen im Warmwasserspeicher (rechts), Wassergehalt

der Luft (unten); ˙V_N,Luft = 60 m³/h (Messstellenpos. siehe Abb. 17)

Abbildung 36: Prototyp 2: Temperaturen im Festbett und am Speicherein-/-austritt (links), Temperaturen im Warmwasserspeicher (rechts), Wassergehalt

der Luft (unten); ˙V_N,Luft = 60 m³/h (Messstellenpos. siehe Abb. 17)

4.3. ENTLADUNG DES RADIALSTROMADSORBERS – ADSORPTION 71 die Beladung ist, desto kleiner ist die Adsorptionsenthalpie und desto geringer ist die Temperaturerhöhung. Der daraus resultierende Unterschied in der Temperaturerhöhung ist jedoch kleiner als 1,5 K. Die niedrigere Temperatur in der unteren Ebene ist damit am wahrscheinlichsten durch die Wärmeverluste über den ungedämmten Speicherboden zu erklären.

Neben den Festbetttemperaturen sind in den oberen linken Diagrammen der Abbildun-gen 35 und 36 die Temperaturen von Zu- und Abluft des Speichers sowie für Prototyp 2 zusätzlich die Temperaturen von Frisch- und Fortluft aufgetragen. Die Fortlufttemperatur ist bei Prototyp 2 durch den Luft/Luft-Wärmeübertrager niedriger und liegt bei etwa 30 °C im Vergleich zu 45 °C bei dem gezeigten Adsorptionsexperiment mit Prototyp 1.

Die Wärmeverluste durch den Luftstrom werden dadurch verringert und liegen nur noch in der Größenordnung von 170–200 W.

Dadurch, dass die Frischluft beim Prototyp 2 im Wärmeübertrager vorgewärmt wird, wird der Speicher, nachdem die Adsorption das Festbett durchlaufen hat, noch mit knapp 50 °C warmer Luft angeströmt. Die erreichbare Beladung mit Wassermolekülen ist dadurch niedriger, als bei einer Anströmung mit Luft bei Raumtemperatur. Bei weiterer Durchströmung sinkt die Zuluftemperatur und damit die Temperatur im Festbett zwar nach und nach auf die Temperatur der Frischluft ab, so dass weitere Wassermoleküle adsorbiert werden. Eine Fortsetzung der Durchströmung über 20 Stunden hinaus ist für dieses Experiment jedoch nicht sinnvoll, da nach 20 Stunden, wenn die Adsorptionsfront das Festbett durchlaufen hat, die mittlere Temperatur im Warmwasserspeicher zu sinken beginnt. Es wird zu diesem Zeitpunkt nur noch soviel Wärme an den Wasserspeicher übertragen wie als Wärmeverluste an die Umgebung verloren gehen. Durch den Ein-satz des Luft/Luft-Wärmeübertragers wird demnach die erreichbare Beladungsdifferenz zwischen beladenem und entladenem Zustand kleiner und damit auch die aus dem Adsorptionsprozess verfügbare Energie. Im realen Betrieb strömt in einen Warmwasser-speicher für Trinkwasseranlagen während einer Warmwasserentnahme in den unteren Speicherbereich Wasser mit ca. 10 °C nach. Insofern sind die Bedingungen günstiger als bei den Laborversuchen und es kann gegebenenfalls, einen schichtenden Speicher vorausgesetzt, nach einer Wasserentnahme weiter Wärme übertragen werden und damit die Speicherkapazität des Adsorbens besser ausgenutzt werden. Ob und zu welchem Grad diese Wärme noch genutzt werden kann, ist somit stark vom dynamischen Betrieb des Speichers und vom Nutzerverhalten abhängig.

In den Abbildungen 35 und 36 rechts sind die Temperaturen im Warmwasserspeicher dargestellt. Beim ersten Prototypspeicher beträgt die mittlere Temperaturerhöhung ausgehend von 21,5 °C nach 20 Stunden 13,5 K. Beim zweiten Speicher ist in dieser Zeit eine Temperaturerhöhung im Wasser von 13 K zu erkennen. Die Anfangstemperatur ist mit knapp 42,8 °C deutlich höher als bei dem Versuch mit Prototyp 1. Der Speicher erreicht

nach 20 Stunden eine mittlere Wassertemperatur von 55,8 °C. Nach 4 Versuchsstunden wird ein Wärmestrom von etwa 365 W übertragen, nach 10 Versuchsstunden 310 W.

Durch die Übertragung von Wärme mit geringer Leistung über längere Zeit kann im Warmwasserspeicher ein für die Trinkwassererwärmung nutzbares Temperaturniveau erreicht werden.

Wie in Abbildung 37 dargestellt werden bei dem Experiment mit Prototyp 2 durch Adsorption in 20 Stunden 10,1 kWh frei. 3,73 kWh beträgt die Energiezunahme im Warmwasserspeicher. In 20 Stunden gehen 3,65 kWh durch den Luftstrom verloren. Die Wärmeverluste durch den Luftstrom wurden im Vergleich zum Experiment mit Prototyp 1 nahezu halbiert.

4.3.2.3 Untersuchung verschiedener Einflussgrößen auf das Adsorptionsverhalten

Parameter, die die Adsorption beeinflussen, sind die über den Luftstrom zugeführte Wassermenge, die von der Luftfeuchtigkeit und dem Luftvolumenstrom abhängt sowie die zu Beginn der Adsorption vorhandene Beladung des Adsorbens, d.h. der bei der vorange-gangenen Desorption erreichte Beladungszustand, der von der Desorptionstemperatur, sowie vom Luftvolumenstrom und der Luftfeuchte bei der Desorption abhängt.

Abbildung 37: Wärmeströme während des Adsorptionsversuchs (links) und Energiean-teile nach 20 Versuchsstunden (rechts) (Senken: thermische Kapazität von trockenem Zeolith und Adsorbat sowie von Wasser und Stahlhülle des Warmwasserspeichers, Wärmeverluste durch den Luftstrom, Wär-meverluste des Speichers an die Umgebung, Summe der Senken; Quelle:

Adsorptionsenthalpie)

4.3. ENTLADUNG DES RADIALSTROMADSORBERS – ADSORPTION 73 Variation des Luftvolumenstroms bei der Adsorption

Der Luftvolumenstrom hat, bei gleichem Wassergehalt der Luft, einen Einfluss auf die pro Zeit eingebrachte Menge an Wasserdampf. In Abbildung 38 sind drei Adsorpti-onsversuche mit Luftvolumenströmen von 60, 80 und 95 m³/h dargestellt. Die jeweils vorausgehende Desorption wurde mit einem Luftvolumenstrom von ˙V_N,Luft = 95 m³/h, einer Desorptionstemperatur von T_Des = 180 °C und einem mittleren Wassergehalt der Zuluft von 12,2 g/kg, 11,5 g/kg bzw. 12,5 g/kg durchgeführt.

Bei den drei Adsorptionsversuchen beträgt der Wassergehalt der Luft im Mittel 10,9 g/kg, 11,7 g/kg und 10,7 g/kg. Die Temperaturerhöhung ist weitgehend unabhängig vom Volu-menstrom und liegt bei allen Versuchen in der Größenordnung von 40 K. Die Tempera-turerhöhung lässt sich, unter Vernachlässigung der Wärmekapazität des Festbetts, über ΔT = ^Δx_c^Δhads

pLuft berechnen. Der damit berechnete theoretische Temperaturhub stimmt gut mit dem experimentell ermittelten Temperaturhub überein.

(a) ˙V_N,Luft = 60 m³/h (b) ˙V_N,Luft = 80 m³/h (c) ˙V_N,Luft = 95 m³/h Abbildung 38: Temperaturen im Festbett und am Speicherein-/-austritt (oben),

Was-sergehalt der Luft am Speicherein-/-austritt (Mitte), Temperaturen im Warmwasserspeicher (unten); (vorangehende Desorption jeweils mit V˙_N,Luft = 95 m³/h, T_Des = 180 °C)

Je höher der Luftvolumenstrom ist, desto mehr Wasser pro Zeit wird in den Speicher eingebracht. Die Adsorptionsdauer, d.h. die Zeit bis die Adsorptionsfront durchbricht und das gesamte Adsorbens bis zum Gleichgewichtszustand beladen ist, verkürzt sich mit steigendem Volumenstrom.

Die Temperatur im Warmwasserspeicher erhöht sich bei allen drei Versuchen um ma-ximal etwa 15 K. Die Erwärmung benötigt weniger Zeit je größer der Volumenstrom ist. Der übertragene Wärmestrom ist bei den beiden höheren Volumenströmen größer.

Dies resultiert eher aus der über der Gesamtfläche im Mittel etwas größeren treibenden Temperaturdifferenz als aus dem besseren Wärmeübergang durch die größere Strö-mungsgeschwindigkeit im Ringspalt, da auch bei ˙V_N,Luft = 95 m³/h mit Re = 1820 die Strömungsform noch laminar ist und damit nur ein geringer Anstieg des Wärmeübergangs zu erwarten ist (αlam ∼v^0,3−0,5).

Variation des Wassergehalts der Zuluft

Während, wie im vorangegangenen Abschnitt gezeigt, der Volumenstrom kaum Auswir-kung auf die Temperaturerhöhung hat (adiabate Temperaturerhöhung ΔT = ^Δx_c^Δhads

pLuft ), wird aus Abbildung 39 ersichtlich, wie sich bei gleichem Volumenstrom, aber unterschied-lichem Wassergehalt der Zuluft von im Mittel 10,7 g/kg und 11,8 g/kg die Temperaturer-höhung im Festbett ändert.

Noch deutlicher wird die unterschiedliche Temperaturerhöhung in Abbildung 40 bei Versuchen, bei denen sich der Wassergehalt der eintretenden Luft deutlicher unterschei-det. Der Volumenstrom dieser Adsorptionsversuche beträgt 60, 80 und 95 m³/h. Die

(a) x= 10,7 g/kg (b) x= 11,8 g/kg

Abbildung 39: Temperaturen im Festbett und am Speicherein-/-austritt (oben), Was-sergehalt der Luft am Speicherein-/-austritt (unten), ˙V_N,Luft = 95 m³/h;

(vorangehende Desorption mit ˙V_N,Luft = 95 bzw. 80 m³/h,T_Des = 180 °C)

4.3. ENTLADUNG DES RADIALSTROMADSORBERS – ADSORPTION 75

(a) x= 8,1 g/kg V˙_N,Luft= 60 m³/h

(b) x= 9,2 g/kg V˙_N,Luft = 80 m³/h

(c) x= 11,8 g/kg V˙_N,Luft= 95 m³/h Abbildung 40: Temperaturen im Festbett und am Speicherein-/-austritt (oben),

Was-sergehalt der Luft am Speicherein-/-austritt (Mitte), Temperaturen im Warmwasserspeicher (unten); (vorangehende Desorption jeweils mit V˙_N,Luft = 80 m³/h, T_Des = 180 °C)

jeweils vorausgehende Desorption erfolgte mit einem Luftvolumenstrom von 80 m³/h und einer Desorptionstemperatur von 180 °C. Der Temperaturhub bei der Adsorption hängt, wie bereits erläutert, kaum vom Volumenstrom ab. Aufgrund des unterschiedlichen Wassergehalts der angesaugten Laborluft von 8,1 g/kg, 9,2 g/kg und 11,8 g/kg beträgt die Temperaturerhöhung im Festbett bezogen auf die Zulufttemperatur ca. 28 K, 32 K und 40 K. Die Adsorptionsdauer sinkt mit zunehmendem Wassergehalt der Luft und mit zunehmendem Volumenstrom.

Der Wärmestrom an den Warmwasserspeicher nimmt mit steigendem Wassergehalt der Luft zu, hauptsächlich durch die größere treibende Temperaturdifferenz. Die maximal erreichte Temperaturerhöhung im Warmwasserspeicher ist größer und wird in kürzerer Zeit erreicht. In Abbildung 41 sind die Energieanteile jeweils nach der Versuchsdauer

(a) x= 8,1 g/kg V˙_N,Luft= 60 m³/h

(b) x= 9,2 g/kg V˙_N,Luft = 80 m³/h

(c) x= 11,8 g/kg V˙_N,Luft= 95 m³/h Abbildung 41: Energieanteile nach (a) t = 23,5 h, (b) t = 16 h und (c) t = 10,5 h

Adsorption mit t =t(TWasser,max)

aufgetragen nach der die maximale Wassertemperatur erreicht ist. Während der Energie-eintrag in den Warmwasserspeicher mit steigendem Wassergehalt der Luft steigt, sinken die Wärmeverluste durch den Luftstrom und die Wärmeverluste des Speichers an die Umgebung aufgrund der kürzeren Versuchsdauer.

Variation der Anfangsbeladung

Die Beladung zu Beginn einer Adsorption hängt von der Desorptionstemperatur und indirekt auch vom Luftvolumenstrom der vorausgehenden Desorption ab.

Je höher die Desorptionstemperatur war, gleicher Wassergehalt der Luft vorausgesetzt, desto geringer ist die Beladung mit Wassermolekülen zu Beginn der Adsorption und desto mehr Energie kann bei der Adsorption wieder freigesetzt werden. In Abbildung 42 sind Adsorptionsexperimente bei Variation der Temperatur der vorausgehenden Desorption gezeigt. Die Adsorption schließt sich jeweils unmittelbar an die Desorption an, d. h. die Wärmezufuhr an den Desorptionswärmeübertrager wird durch Abschalten der Pumpe und des elektrischen Heizstabs nach ca. 10 Stunden beendet, während der Ventilator weiter läuft. Je höher die Desorptionstemperatur war, desto niedriger ist die Anfangsbeladung des Adsorbens und desto länger dauert der Adsorptionsprozess im Radialstromadsorber an. Im Warmwasserspeicher wird dadurch eine höhere Temperatur erreicht. Zu beachten bleibt, dass sich der Wassergehalt der eintretenden Luft, insbesondere beim Experiment in Abbildung 42 c, unterscheidet.

Die Energieanteile nach je 16 Stunden Adsorption sind in Abbildung 43 dargestellt.

Bei Versuch b kann, aufgrund der höheren Desorptionstemperatur von 160 °C, mehr Energie durch Adsorption bereitgestellt werden, als bei Versuch a, bei dem nur mit 140 °C desorbiert wurde. Bei Versuch b wird mehr Energie an den Warmwasserspeicher übertragen. Bei Versuch c ist der Adsorptionsanteil höher, weil die Beladung als Folge der

4.3. ENTLADUNG DES RADIALSTROMADSORBERS – ADSORPTION 77

(a) TDes = 140 °C xAds = 8,1 g/kg

(b)TDes = 160 °C xAds = 7,5 g/kg

(c) TDes = 180 °C xAds= 11,7 g/kg Abbildung 42: Temperaturen im Festbett und am Speicherein-/-austritt (oben),

Was-sergehalt der Luft am Speicherein-/-austritt (Mitte), Temperaturen im Warmwasserspeicher (unten); Adsorption mit ˙V_N,Luft = 60 m³/h, (vorausgehende Desorption mit ˙V_N,Luft = 60 m³/h)

(a) TDes = 140 °C x= 8,1 g/kg

(b)TDes = 160 °C x= 7,5 g/kg

(c) TDes = 180 °C x= 11,7 g/kg Abbildung 43: Energieanteile nach je 16 h Adsorption

höheren Desorptionstemperatur zu Beginn der Adsorption niedriger ist und zudem, weil durch den höheren Wassergehalt der eintretenden Luft auch eine höhere Endbeladung erreicht werden kann.

Der Luftvolumenstrom während einer Desorption beeinflusst das Desorptionsergebnis insofern, dass mit steigendem Volumenstrom zwar die mittlere Temperatur im Festbett etwas sinkt, insgesamt aber eine einheitlichere Temperatur und damit auch ein einheitli-cherer Beladungszustand erreicht wird (vergleiche Kapitel 4.2.2.3). Der Beladungszustand wirkt sich auf die nachfolgende Adsorption aus. In Abbildung 44 werden zwei Adsorp-tionsexperimente verglichen, beide mit einem Luftvolumenstrom von 60 m³/h, die sich jeweils direkt an eine Desorption anschließen. Bei der Adsorption beträgt die Tempera-turerhöhung im Festbett bezogen auf die Lufttemperatur am Speichereintritt bei beiden Versuchen jeweils ca. 40 K. Die jeweils vorangehende Desorption weist unterschiedliche Volumenströme von 60 und 95 m³/h auf, was zu lokal unterschiedlichen Temperaturen im Festbett führt. Bei der Desorption mit 95 m³/h wird an der roten Messstelle ^UAl eine Temperatur von 130 °C erreicht, bei 60 m³/h wird an der selben Stelle nur 110 °C erreicht. Je höher die Temperatur an einer Stelle im Festbett, desto niedriger ist die Wasserbeladung des Adsorbens an dieser Stelle zu Beginn der Adsorption. Als Folge der unterschiedlichen Startbeladung fällt die Temperatur an der roten Messstelle ^UAlbei der Adsorption, die auf die Desorption mit 60 m³/h folgt früher ab als bei der Adsorption die auf die Desorption mit 95 m³/h folgt (Temperaturabfall zeitlich versetzt zur blauen Messstelle ^MAlin Abbildung 44).

(a) ˙V_N,Des = 60 m³/h T_Des = 180 °C x_Des = 11,6 g/kg

(b) ˙V_N,Des = 95 m³/h T_Des = 180 °C x_Des = 11,6 g/kg

Abbildung 44: Temperaturen im Festbett und am Speicherein-/-austritt (oben), Was-sergehalt der Luft am Speicherein-/-austritt (unten); ˙V_N,Ads = 60 m³/h, x_Ads = 11,6 g/kg (links) und 10,3 g/kg (rechts)

4.3. ENTLADUNG DES RADIALSTROMADSORBERS – ADSORPTION 79 Das Verhalten findet sich auch bei den vorangehend gezeigten Versuchen: die Temperatur an der Messstelle ^UAlfällt bei einer Adsorption umso später ab, je höher der Volumenstrom bei der vorangegangenen Desorption war.

4.3.2.4 Leistungsentnahme aus dem Warmwasserspeicher

Das thermische Verhalten des Warmwasserspeichers wurde unter dynamischen Entla-debedingungen experimentell untersucht. Dem Warmwasserspeicher wurde dazu ein definiertes Trinkwasserlastprofil aufgeprägt. Die Wasserentnahme erfolgt in Anlehnung an die Prüfnorm ISO 9459-5 [33]. Die verwendete Testsequenz wird im Anhang B.4 erläutert.

In Abbildung 45 werden die Ergebnisse zweier Experimente verglichen. Im ersten Fall, dem Referenzversuch, wurde das in der Testsequenz definierte Lastprofil dem Warm-wasserspeicher aufgeprägt, ohne dass dieser gleichzeitig einen Energieeintrag durch Adsorption erfährt. Im zweiten Fall wurde das Lastprofil aufgeprägt, während im Sorp-tionswärmespeicher ein Adsorptionsvorgang stattfindet. Der Versuchsablauf verläuft bei beiden Experimenten gleich: Nach einer Konditionierung des Warmwasserspeichers auf 45 °C erfolgen 5 Entnahmen von Warmwasser im Abstand von 2 Stunden. Danach wird der Warmwasserspeicher erneut auf 45 °C konditioniert.

Der zeitliche Verlauf der Temperaturen im Warmwasserspeicher in verschiedenen Höhen ist in Abbildung 45 dargestellt. Bei der Testsequenz ohne Adsorption kühlt sich der Speicher mit jeder Warmwasserentnahme von unten her weiter ab, da im unteren Bereich kaltes Wasser nachströmt. So entsteht eine Schichtung von warmem und kaltem Wasser über die Höhe des Speichers. Die Nutztemperatur im oberen Speicherbereich wird bereits unterschritten, bevor das gesamte Wasservolumen ausgetauscht ist. Die Temperatur des entnommenen Wassers sinkt im Laufe der 5. Entnahme unter die Grenztemperatur von 40 °C, wodurch die Wasserentnahme vorzeitig beendet wird. Bei der Testsequenz mit Adsorption erwärmt sich das Wasser nach jeder Wasserentnahme durch den Wärmeeintrag aus dem Sorptionswärmespeicher und der Bereitschaftsteil weist am Ende der Testsequenz noch Nutztemperatur auf. Dem Speicher wurden dabei etwa 20 % mehr Warmwasser oberhalb der Nutztemperatur entnommen als beim Test ohne Adsorption. In Abbildung 45 ist jeweils die mittlere Temperatur im Warmwasserspeicher dargestellt. Die innere Energie des Speichers nach der fünften Wasserentnahme bei der Testsequenz mit Adsorption war im Vergleich zur Testsequenz ohne Adsorption um 26 % höher.

Der Versuch veranschaulicht das Verhalten des Speichers unter Trinkwasserlast und stellt heraus, dass die mit kleiner Leistung freiwerdende Adsorptionsenthalpie für hohe Lei-stungsentnahmen nutzbar gemacht werden kann. Anzumerken bleibt, dass das Potential des Sorptionswärmespeichers mit den in diesem Experiment vorliegenden

Randbedin-(a) Zapfung ohne Adsorption (b) Zapfung mit Adsorption

Abbildung 45: Temperaturen in verschiedenen Höhen im Warmwasserspeicher (oben), mittlere Wassertemperatur (unten)

gungen nicht voll ausgeschöpft wird, da zum einen das Sorptionsmaterial zu Beginn des Leistungstests nicht vollständig trocken und zum anderen die Adsorption nach der 5.

Wasserentnahme noch nicht abgeschlossen war.

Im realen Anwendungsfall treten größere Zeitintervalle zwischen den Wasserentnahmen auf, etwa über Nacht. Innerhalb des längeren Zeitraums kann, wie in den vorange-gangenen Kapiteln gezeigt, ausreichend Energie vom Sorptionswärmespeicher an den Warmwasserspeicher übertragen werden und damit zur Deckung des Wärmebedarfs für Trinkwasser beitragen.

Mit den durchgeführten Testsequenzen stehen Versuchsergebnisse mit hoher Dynamik zur Verfügung, die für einen Vergleich mit einem Rechenmodell des kombinierten Speichers herangezogen werden. Der Vergleich wird in Kapitel 6.2 gezeigt.

4.3. ENTLADUNG DES RADIALSTROMADSORBERS – ADSORPTION 81 4.3.2.5 Fazit zur Adsorption mit Prototyp 2

Durch die Wärmerückgewinnung im externen Luft/Luft-Wärmeübertrager wird das Temperaturniveau im Speicher angehoben. Dadurch ergibt sich im Vergleich zu Pro-totyp 1 eine größere treibende Temperaturdifferenz und ein größerer Wärmestrom an den Warmwasserspeicher. Die erreichbare Beladungsdifferenz, und damit die aus der Adsorption verfügbare Energie, wird dagegen aufgrund der vorgewärmten Zuluft etwas verringert.

Die Wärmeverluste durch den Luftstrom wurden im Vergleich zum Prototyp 1 reduziert.

Dennoch gehen trotz des Luft/Luft-Wärmeübertragers bis zum Erreichen der maxima-len Wassertemperatur je nach Versuchsbedingungen zwischen 34,3 % und 43,1 % der frei gewordenen Adsorptionswärme mit dem Luftstrom verloren. Höhere Verluste von 47,6 % bis 60,4 % treten nur auf, wenn sich die Adsorption direkt an eine Desorption anschließt und die Temperatur im Warmwasserspeicher bei Adsorptionsbeginn hoch war.

Die Verluste steigen dabei zudem mit abnehmender Temperatur der vorangegangenen Desorption. Obwohl die eigentliche Speicherphase als verlustfrei angesehen werden kann treten demnach bei der Entnahme doch nennenswerte Verluste auf.

Der Temperaturwirkungsgrad des Luft/Luft-Wärmeübertragers lag während der Ad-sorptionsversuche zwischen 86,0 % und 87,2 %. Der Wärmeübertrager weist damit gute Übertragungseigenschaften auf. Insbesondere bei der Adsorption ist für das Konzept des kombinierten Warmwasser-Sorptionswärmespeichers ein sehr guter Wirkungsgrad des Wärmeübertragers wichtig, um die durch den Sorptionsprozess gespeicherte Energie zu einem möglichst großen Anteil nutzbar zu machen.

Je höher der Luftvolumenstrom ist, desto schneller durchläuft die Adsorptionsfront den Radialstromadsorber. Die Beladung des Adsorbens mit Wasser erfolgt damit in kürzerer Zeit. Die thermische Beladung des Warmwasserspeichers erfolgt ebenfalls in kürzerer Zeit, je höher der Luftvolumenstrom ist. Die Temperaturerhöhung im Warmwasserspeicher war bei den drei untersuchten Volumenströmen mit ca. 15 K ähnlich. Die Verluste durch den Luftstrom liegen bei diesen drei Versuchen, bis zum Erreichen der maximalen Was-sertemperatur, bei 34,8 % bis 37,8 % der freigesetzten Adsorptionsenergie. Insgesamt ist ein höherer Volumenstrom für den Adsorptionsbetrieb vorteilhaft: die Adsorptionsdauer verkürzt sich, während die an den Warmwasserspeicher übertragene Energie und die Verluste durch den Luftstrom ähnlich groß sind.

Je höher der Wassergehalt der Zuluft ist, desto größer ist der Temperaturhub der Luft und damit die treibende Temperaturdifferenz zum Warmwasserspeicher, was die Wärmeübertragung begünstigt. Im realen Anwendungsfall ist die Luftfeuchte allerdings nicht beeinflussbar.

Die größte Energiezufuhr von 4,63 kWh erfuhr der Warmwasserspeicher innerhalb von 11 Stunden bei einem Versuch mit einem Volumenstrom von 95 m³/h und einem mittleren Wassergehalt der Zuluft von 11,8 g/kg. Von der während dieser Zeit frei gewordenen Adsorptionsenthalpie von 10,31 kWh wurden damit 44,9 % für die Wassererwärmung aufgewendet, 34,5 % dieser Energie gingen mit dem Luftstrom verloren. Der Rest verteilt sich auf die die Erwärmung der Stahlhülle des Warmwasserspeichers mit 3,5 % und die Wärmeverluste an die Umgebung mit 11,7 %.¹

Bei den durchgeführten Versuchen treten, je nach Randbedingungen, Wärmeströme an den Warmwasserspeicher von ca. 150–700 W auf. Durch die Übertragung von Wär-me mit geringer Leistung über längere Zeit wird im Warmwasserspeicher ein für die Trinkwassererwärmung nutzbares Temperaturniveau erreicht. Durch die Kombination von Sorptionswärme- und Warmwasserspeicher kann die während der Speicherphase verlustfrei bevorratete Energie mit geringer Leistung an den Wasserspeicher übertragen und dort mit hoher Leistung entnommen werden.

Ein Ansatz, um den Wärmeübergang an den Warmwasserspeicher weiter zu erhöhen, besteht in der Erhöhung des luftseitigen Wärmeübergangs in dem ringspaltförmigen Luftkanal zwischen Sorptionsmaterial und Wasserbereich. Das hier noch erschließbare Po-tential durch eine neue Wandgeometrie wurde mithilfe von CFD-Simulationen untersucht, die in Kapitel 5.2 aufgeführt sind.

1An 100 fehlende Prozent ergeben sich aus der Differenz in der Energiebilanz.

5 Numerische Untersuchung des Wärmetransports im

Radialstromadsorber

In Kapitel 4 wurde die experimentelle Untersuchung des kombinierten Warmwasser-Sorptionswärmespeichers behandelt. Dort hat sich gezeigt, dass die Experimente nicht in allen Bereichen detailliert Aufschluss über die Prozesse und Vorgänge im Speicher geben können. Gründe dafür sind etwa die in begrenztem Umfang, d. h. nicht an allen Speicherpositionen, vorhandene Messtechnik oder nicht konstant einstellbare oder nicht vollständig reproduzierbare Randbedingungen für die Versuche. Ein vertieftes Verständ-nis versprechen hier numerische Untersuchungen, mit denen Randbedingungen genau vorgegeben werden können und eine Auswertung an jedem Punkt der Speichergeometrie möglich ist. CFD (Computational Fluid Dynamics) Methoden bieten eine Möglichkeit, den kombinierten Speicher genauer zu untersuchen, ein detailliertes Verständnis für das Prozessverhalten zu erlangen, den Einfluss verschiedener Parameter auf das Prozessver-halten zu erarbeiten und damit die Grundlage für eine Prozessoptimierung zu schaffen.

Für die Berechnungen wurde die kommerzielle Software Ansys^® Fluent^® verwendet.

Als Grundlage für die Validierung der Modelle dienen die experimentellen Daten aus Kapitel 4.

Von zentraler Bedeutung für die Funktionsfähigkeit und für die Effizienz des kombinierten Warmwasser-Sorptionswärmespeichers sind die Wärmetransporvorgänge im Sorptions-wärmespeicher. In diesem Kapitel werden zwei Wärmetransportvorgänge im Speicher betrachtet. Zunächst wird die Temperaturverteilung im Festbett bei der Desorption untersucht. Im Anschluss folgt ein Kapitel welches den Wärmeübergang vom Sorp-tionswärmespeicher an den Warmwasserspeicher während der Adsorption behandelt (Wärmeübergang im quer angeströmten Kanal mit Strömungshindernissen).¹

1Teile des Kapitels wurden bereits in [77] veröffentlicht

Im Dokument Experimentelle und numerische Untersuchung eines kombinierten Warmwasser-Sorptionswärmespeichers für thermische Solaranlagen (Seite 86-102)