4.3 Entladung des Radialstromadsorbers – Adsorption
4.3.1 Experimentelle Untersuchung der Adsorption am Prototyp 1
dargestellt. In der gesamten Zeolithschüttung wird eine Temperaturerhöhung um etwa 37 K erreicht, die während der Adsorptionsdauer konstant bleibt. Die Adsorptionsfront entspricht annähernd der abfallenden Temperaturfront. Diese durchläuft den Speicher von innen nach außen. Ist in einem Bereich die Gleichgewichtsbeladung erreicht, sinkt die Temperatur dort steil ab. Daraus lässt sich auf eine scharfe Adsorptionsfront schließen.
Dieses Adsorptionsverhalten ist für den Anwendungszweck günstig, da so die Lufttempe-ratur am Austritt des Festbetts lange auf hohem Niveau bleibt und nicht vorzeitig absinkt.
Dadurch wird eine große Temperaturdifferenz zum Warmwasserspeicher aufrechterhalten und so die Wärmeübertragung begünstigt. Durch den großen Strömungsquerschnitt des Radialstromadsorbers kann es allerdings zu dem Effekt kommen, dass die Adsorptions-front nicht auf jeder Höhe gleich schnell durch das Festbett wandert, bzw. das Festbett nicht gleichmäßig oder nicht ganz horizontal durchströmt wird. In Abbildung 34 ist zu erkennen, dass die Temperatur an der äußeren Messstelle der unteren EbeneUAl später abfällt, als an den anderen beiden äußeren Messstellen. Durch dieses Verhalten kommt es zu einem gewissen Verschleifen der Temperaturfront der Luft am Austritt.
Dennoch wird über einen Großteil der Versuchsdauer eine konstante Austrittstemperatur aufrechterhalten.
Die maximale Temperaturerhöhung im Warmwasserspeicher, siehe Abbildung 34 rechts, ist mit 13,5 K eher gering. Der über den Sorptionswärmespeichermantel übertragene Wärmestrom lässt sich abschätzen als Summe aus der Erhöhung der inneren Energie des Wassers und der Stahlhülle des Wasserspeichers sowie aus den Wärmeverlusten über Mantel und Deckel des Warmwasserspeichers an die Umgebung. Nach 3 Versuchsstunden, nachdem sich das Festbett bis in die äußere Schicht auf die Temperatur des Adsorp-tionsprozesses erwärmt hat beträgt der übertragene Wärmestrom etwa 300 W, nach 10 Versuchsstunden noch etwa 230 W. Die treibende Temperaturdifferenz während der Adsorption liegt zu Beginn bei 40 K und sinkt aufgrund der steigenden Wassertemperatur auf 30 K.
Das Kernrohr, durch das die Luft aus dem Speicher austritt, bietet nur eine kleine Wärmeübertragungsfläche zur Rückgewinnung der nicht an das Wasser übertragenen Energie aus dem Luftstrom. In der Folge ist auch die in Abbildung 34 links gezeigte Lufttemperatur am Speicheraustritt hoch, wodurch rund zwei Drittel der durch die Adsorption frei gewordenen Energie an die Umgebung verloren gehen.
In Abbildung 34 unten ist der Wassergehalt der Luft an Ein- und Austritt des Sorp-tionswärmespeichers aufgetragen. Der Wassergehalt am Eintritt bleibt während des Experiments weitgehend konstant. Am Austritt beträgt der Wassergehalt der Luft zu Beginn des Experiments 0,6 g/kg, verweilt dann für etwa 13 Stunden auf einem Wert um 2–3 g/kg und steigt dann auf den Eintrittswert an. Dieses Verhalten ist nicht ganz ideal.
Sofern die Adsorptionskinetik schnell genug ist, sollte der Wassergehalt der austretenden
4.3. ENTLADUNG DES RADIALSTROMADSORBERS – ADSORPTION 67
Abbildung 34: Temperaturen im Festbett und am Speicherein-/-austritt (links), Tempe-raturen im Warmwasserspeicher (rechts), Wassergehalt der Luft (unten);
V˙N,Luft = 60 m3/h (Messstellenpositionen siehe Abbildung 17)
Luft bis zum Durchbrechen der Adsorptionsfront annähernd null bleiben, um dann steil auf den Eintrittswert anzusteigen, wie aus Labormessungen mit Zeolithmaterialien bekannt. Die Ursache für das abweichende Verhalten im Hinblick auf den nicht ganz trocken austretenden Luftstrom können Bypassströme sein, etwa durch ein Setzen des Festbetts im oberen Bereich des Sorptionswärmespeichers und einen daraus entstehenden Hohlraum. Dass der Austrittswassergehalt nicht in einer senkrechten Flanke ansteigt kann in der bereits oben erwähnten nicht ganz gleichmäßigen Durchströmung des Fest-betts begründet liegen. Trockene Luft aus noch nicht durchgebrochenen, d.h. noch nicht vollständig adsorbierten, Bereichen des Festbetts mischt sich dann mit Luft aus bereits durchgebrochenen Bereichen.
4.3.1.3 Fazit zur Adsorption mit Prototyp 1
Der Adsorptionsbetrieb mit dem ersten Prototypspeicher zeigt, dass sich eine konstante Temperaturerhöhung während des gesamten Adsorptionsvorgangs ergibt und damit eine hohe Austrittstemperatur aus dem Festbett bis zum Ende des Prozesses aufrechterhalten wird. Der Wärmeeintrag in den Warmwasserspeicher ist eher gering, das Wasser erwärmt sich nur mäßig und die hohe Luftaustrittstemperatur führt zu hohen Wärmeverlusten.
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.