Experimentelle Untersuchung der Desorption am Prototyp 2

Vergleich der Versuche daher gerechtfertigt ist. Die gespeicherte Energie pro Kubikmeter ist in Abbildung 23 rechts dargestellt. In der Tendenz zeigt sich eine Abnahme mit zunehmendem Volumenstrom. Dieses Verhalten ist auf die bei höherem Volumenstrom niedrigere mittlere Temperatur zurückzuführen, die im Speicher erreicht wird.

4.2.1.4 Fazit zur Desorption mit Prototyp 1

Zusammenfassend zeigt sich bei der Desorption am Prototyp 1 folgendes Verhalten:

• Das gesamte Festbett erwärmt sich zunächst auf eine etwa einheitliche Temperatur (Temperaturplateau). Ausgehend davon steigt die Temperatur von innen nach

außen weiter an.

• Ein Großteil der Wassermoleküle wird bereits in den ersten Versuchsstunden ausgetragen (Nach 4 Stunden ist beim exemplarischen Versuch bereits nahezu die Hälfte des insgesamt desorbierten Wassers ausgetragen).

• Die Versuchsdauer, d.h. die Zeit, bis der Wassergehalt der austretenden Luft auf den Wert am Eintritt abgefallen ist, sinkt mit zunehmendem Volumenstrom.

• Am Ende der Desorptionsversuche entsteht im Festbett eine inhomogene Tempera-turverteilung (Temperatur innerhalb einer Messebene meist gleich, Temperaturen der drei Ebenen unterscheiden sich).

• Insbesondere in der mittleren (blauen) Ebene wird bei höheren Volumenströmen nur eine niedrige Temperatur erreicht.

• Im unteren Speicherbereich kommt es bei niedrigen Volumenströmen zu niedri-gen Temperaturen, die an dieser Stelle auf eine schräge, d.h. nicht horizontale Durchströmung schließen lassen.

• Durch die ungleichmäßige Temperaturverteilung ergibt sich ein ungleichmäßiger Be-ladungszustand innerhalb des Speichers und die Kapazität des Speichers wird nicht optimal ausgenutzt. Die erreichte Beladungsdifferenz, und damit die gespeicherte Energie, bleibt damit hinter den Erwartungen zurück.

• Durch die hohe Temperatur der Luft am Speicheraustritt kommt es zu hohen Wärmeverlusten, die mit steigendem Luftvolumenstrom zunehmen.

4.2.2 Experimentelle Untersuchung der Desorption am

4.2. BELADUNG DES RADIALSTROMADSORBERS – DESORPTION 51 Erfahrungen wurde der erste Prototyp erweitert und umgebaut. Damit entstand eine zweite Version des Prototypspeichers. Nach der Beschreibung der Neuerungen folgt in diesem Kapitel eine Gegenüberstellung der Ergebnisse der beiden Prototypversionen, die die erzielten Verbesserungen verdeutlicht. Im Anschluss wird der Einfluss verschiedener Parameter auf das Verhalten des zweiten Prototypen aufgezeigt. Schließlich werden Ergebnisse von solaren Desorptionen mit dem Sonnenkollektor als Wärmequelle gezeigt.

4.2.2.1 Neuerungen und Randbedingungen/Versuchsbedingungen

Die zweite Version des Prototypspeichers beinhaltet im Vergleich zur ersten Version folgenden Neuerungen:

• Sorptionsmaterial

Das Sorptionsmaterial Zeolith 4A wird durch Zeolith 13Xbf ersetzt. Mit dem Wechsel zu Zeolith 13Xbf kommt der für diesen Einsatzzweck derzeit am be-sten geeignete kommerziell erhältliche Zeolith zum Einsatz. Durch die größere maximale Beladung und einen günstigen Isothermenverlauf lässt sich eine größere Energiespeicherdichte erreichen als mit Zeolith 4A. Die Adsorptionsenthalpie im jeweils genutzten Beladungsbereich liegt für Zeolith 13Xbf und 4A in der gleichen Größenordnung (vergleiche Kapitel 2.1.4).

• Desorptionswärmeübertrager

Der Desorptionswärmeübertrager aus Wellrohr wird durch eine Edelstahlwendel mit gleichmäßiger Steigung ersetzt (siehe Abbildung 75 in Anhang B.1), um bei der Desorption eine über die Höhe gleichmäßige Temperaturverteilung im Sorptionsma-terial zu erreichen. Durch eine zusätzliche Erhöhung des Wasservolumenstroms wird die Temperaturdifferenz zwischen Wärmeübertragerein- und -austritt reduziert.

• Luft/Luft-Wärmeübertrager

Das koaxiale Abluftrohr bietet nicht genug Übertragungsfläche, um die Wärme der austretenden Luft zurückzugewinnen. Zur Rückgewinnung der Energie der austretenden Luft und zur Vorwärmung der eintretenden Luft wird ein externer Luft/Luft-Wärmeübertrager eingesetzt (siehe Abbildung 76 in Anhang B.2).

Die Vorgehensweise während der Versuche entspricht im Wesentlichen der der ersten Prototypversuche, die in Kapitel 4.2.1.1 beschrieben ist. Die Versuchsdauer ist kürzer, die Versuche werden in der Regel nach 8 bis 10 Stunden beendet. Der Wasservolumenstrom im Desorptionswärmeübertrager beträgt 140 l/h. Die Desorptionstemperatur beträgt, sofern nicht anders angegeben, 180 °C. Der Sorptionswärmespeicher ist mit 73,6 kg trockenem Zeolith 13Xbfbefüllt.

4.2.2.2 Vergleich der Ergebnisse beider Prototypen

In Abbildung 24 sind die Ergebnisse zweier Desorptionsexperimente gegenübergestellt, links Prototyp 1 und rechts Prototyp 2. Der Luftvolumenstrom beträgt jeweils ˙V_N,Luft = 60 m³/h.

Beim Prototyp 1 wird das Sorptionsmaterial in verschiedenen Ebenen sehr ungleichmäßig erwärmt, was in Abbildung 24 links zu sehen ist. Nach dem Austausch des Desorp-tionswärmeübertragers aus Wellrohr durch den Wärmeübertrager mit gleichmäßiger Steigung ergibt sich der in Abbildung 24 rechts dargestellte Temperaturverlauf. Anhand der Diagramme zeigt sich deutlich der Einfluss der Wärmeübertragerwicklung auf das Temperaturfeld im Sorptionsmaterial. Ein Vergleich der Temperaturen nach 10 Stunden Desorption zeigt, dass der gleichmäßige Wärmeübertrager eine einheitlichere Temperatur im Protoyp 2 bewirkt. Die mittlere Temperatur im Zeolithbett liegt hier nach 10 Stunden mit 138 °C um 6 K höher als bei Prototyp 1. Die rot dargestellten Messwerte aus der unte-ren Messebene fallen etwas aus dem Rahmen, da dort geringere Temperatuunte-ren gemessen werden als an den entsprechenden Stellen in den beiden darüber liegenden Messebenen.

Ursächlich hierfür können einerseits die Wärmeverluste über den ungedämmten Sorptions-wärmespeicherboden sein sowie der Einfluss des Luftvolumenstroms. Die Temperaturen liegen bei höherem Luftvolumenstrom näher zusammen (vergleiche auch Erläuterungen zum Druckverlust in Kapitel 4.2.1.3). Im Prototyp 1 sind die Temperaturen der unteren roten Messebene deutlich höher, weil die Windungen des Wellrohrs im unteren Bereich sehr dicht gewickelt waren.

Wie in den oberen Diagrammen in Abbildung 24 dargestellt, verringert sich die Tempe-ratur der austretenden Luft durch den Luft/Luft-Wärmeübertrager deutlich von 80 °C auf 35 °C nach 10 Stunden Desorptionszeit. Die Wärmeverluste durch den austretenden Luftstrom werden dadurch reduziert. Die Wärme des austretenden Luftstroms wird zurückgewonnen und die Luft tritt vorgewärmt in den Speicher ein. Die Wärmeverluste über den Luftstrom innerhalb der 10 Stunden Versuchszeit sinken dadurch von 6,7 kWh bei Prototyp 1 auf 2,3 kWh bei Prototyp 2.

Die volumetrisch gemittelte Wassertemperatur zu Beginn der Experimente beträgt 29,3 °C bei Prototyp 1 und 35,1 °C bei Prototyp 2. Die Zunahme der mittleren Wassertemperatur beträgt bei beiden Versuchen etwa 13 K (13,3 K und 12,4 K) in den ersten 10 Stunden, was in den Diagrammen in Abbildung 24 unten zu erkennen ist.

Die Beladungsänderung, d.h. die Abnahme der adsorbierten Wassermasse, erreicht nach 10 Stunden einen Wert von 0,098 kg/kg für Prototyp 1 und von 0,135 kg/kg für Proto-typ 2. Die gespeicherte Energie pro Volumen beträgt 65,5 kWh/m³ für Prototyp 1 und 92,1 kWh/m³ für Prototyp 2. In Abbildung 25 ist dargestellt, dass zusätzlich 3,1 kWh bzw.

3,5 kWh als fühlbare Wärme im Festbett und 3,6 kWh bzw. 3,3 kWh im

Warmwasserspei-4.2. BELADUNG DES RADIALSTROMADSORBERS – DESORPTION 53

Abbildung 24: Desorptionsexperimente mit Prototyp 1 (links) und Prototyp 2 (rechts), V˙_N,Luft = 60 m³/h; Temperaturen im Festbett und am Speicherein-/

austritt (oben), Wassergehalt der Luft (Mitte), Wassertemperaturen (unten); (Messstellenpositionen siehe Abbildung 17)

Abbildung 25: Energieanteile bei der Desorption nach jeweils 10 Versuchsstunden, Prototyp 1 (links) und Prototyp 2 (rechts)

cher eingebracht werden. Statt 33 % werden mit Prototyp 2 50 % der eingesetzten, d.h.

durch den Desorptionswärmeübertrager übertragenen Energie für die Desorption der Wassermoleküle genutzt bzw. unter Berücksichtigung der fühlbaren Wärme in Wasser und Zeolith der Anteil von 64 % auf 84 % erhöht.

4.2.2.3 Untersuchung verschiedener Einflussgrößen auf das Desorptionsverhalten

Bei den Versuchen mit dem ersten Protoypspeicher wurde deutlich, dass das Desorpti-onsergebnis vom Luftvolumenstrom und von der Desorptionsdauer abhängt. Der Einfluss dieser und weiterer Größen, wie der Desorptionstemperatur und der Luftfeuchte, wird im Folgenden am zweiten Prototypen aufgezeigt.

Variation des Luftvolumenstroms bei der Desorption

Desorptionsversuche wurden mit Luftvolumenströmen von ˙V_N,Luft = 60, 80 und 100 m³/h durchgeführt. Die Desorptionstemperatur beträgt jeweils 180 °C. Wie in Abbildung 26 gezeigt wird nach 8 Stunden Versuchsdauer die maximale Temperatur im Festbett an den inneren Messpositionen erreicht. Diese fällt bei niedrigem Volumenstrom höher aus. Je größer der Luftstrom ist, desto einheitlicher ist die nach 8 Stunden erreichte Temperatur im Sorptionswärmespeicher. Bei kleineren Luftvolumenströmen sind die Temperaturen nach 8 Stunden Desorption besonders an den äußeren radialen Positionen noch niedriger als im Speicherinneren. Die Aufheizung des gesamten Speichers gelingt mit größerem Volumenstrom in kürzerer Zeit. Die Temperaturen in der unteren Messebene (rot) sind bei allen Versuchen jeweils geringer als in der mittleren (blau) und oberen

4.2. BELADUNG DES RADIALSTROMADSORBERS – DESORPTION 55

(a) ˙V_N,Luft = 60 m³/h (b) ˙V_N,Luft = 80 m³/h (c) ˙V_N,Luft = 100 m³/h Abbildung 26: Temperaturen im Festbett und am Speicherein-/-austritt (oben),

Was-sergehalt der Luft (Mitte), Temperaturen im Warmwasserspeicher (un-ten); vorangehende Adsorption jeweils mit ˙V_N,Luft = 60 m³/h

(grün) Messebene. Der Grund dafür sind einerseits die Wärmeverluste über den unge-dämmten Sorptionswärmespeicherboden sowie die bei niedrigen Luftvolumenströmen nicht ganz horizontale Durchströmung des Festbetts wegen des geringeren Druckverlusts.

Mit steigendem Volumenstrom nimmt der Druckverlust zu und die Durchströmung hat einen mehr horizontalen Verlauf, wodurch auch in der unteren Messebene (rot) höhere Temperaturen erreicht werden und die Temperaturverteilung im Festbett damit gleichmä-ßiger wird. Insgesamt wird der Sorptionswärmespeicher bei höherem Luftvolumenstrom aufgrund der gleichmäßigeren Temperaturverteilung gleichmäßiger desorbiert.

In Tabelle 4 sind die desorbierte Wassermasse, die für die Desorption aufgewendete Energie, die Wärmeverluste über den Luftstrom sowie die Temperaturerhöhung im Warmwasserspeicher für die drei Versuche gegenübergestellt. Die ausgetragene Was-sermenge nach 8 Stunden beträgt 9,99 kg bei dem Versuch mit 80 m³/h, bei 60 m³/h werden 8,79 kg Wasser aus dem Speicher entfernt, bei 100 m³/h 8,87 kg. Die aufgewende-te Energie für die Desorption der angelageraufgewende-ten Wassermoleküle ergibt sich daraus zu

Tabelle 4: Versuchsergebnisse: Variation des Normvolumenstroms V˙_N,Luft x_ein m_W,des Q_Des Q_V,Luft ΔTWWS

m³/h g/kg kg kWh kWh K

60 12,2 8,79 8,48 1,65 7,9

80 8,3 9,99 9,79 1,86 11,2

100 13,0 8,87 8,39 3,3 12,1

8,48 kWh, 9,79 kWh und 8,39 kWh für 60 m³/h, 80 m³/h und 100 m³/h. Bei 100 m³/h zeigt sich im Vergleich zu 60 m³/h eine etwas niedrigere Desorptionsenergie, trotz der etwas größeren desorbierten Wassermasse. Dies resultiert daraus, dass der Beladungs-zustand zu Beginn der Desorption mit 100 m³/h höher war, denn die Berechnung der Desorptionsenergie erfolgt beladungsabhängig und die Adsorptionsenthalpie sinkt mit höherer Beladung. Der mittlere Wassergehalt der eintretenden Luft bei dem Versuch mit 80 m³/h beträgt 8,3 g/kg im Gegensatz zu 12,2 g/kg bei 60 m³/h und 13,0 g/kg 100 m³/h.

Der geringere Wassergehalt der Luft begünstigt die Desorption, da sich der Abstand zum Gleichgewichtszustand vergrößert und damit die treibende Kraft größer wird.

In Abbildung 27 sind die Energieanteile für jeden der drei Versuche in Diagrammen dargestellt. Je höher der Volumenstrom ist, desto größer ist der über den Wärmeübertrager eingebrachte Wärmestrom. Die Wärmeverluste durch den Luftstrom nehmen bei hohem Volumenstrom zu. Bei 60 m³/h betragen diese Verluste 1,65 kWh, bei 80 m³/h sind es 1,86 kWh, bei 100 m³/h werden in 8 Stunden 3,3 kWh über den Luftstrom ausgetragen.

Das Wasser im Warmwasserspeicher erwärmt sich bei höherem Luftstrom stärker, nach 8 Stunden um 7,9 K bei 60 m³/h, um 11,2 K bei 80 m³/h und um 12,1 K bei 100 m³/h.

Aufgrund der höheren Anfangstemperatur des Warmwasserspeichers bei dem Versuch mit 100 m³/h fällt die treibende Temperaturdifferenz dort geringer aus. Die übertragenen Wärmeströme bei t = 8 Stunden betragen etwa 630 W, 850 W und 930 W.

(a) ˙V_N,Luft = 60 m³/h (b) ˙V_N,Luft = 80 m³/h (c) ˙V_N,Luft = 100 m³/h Abbildung 27: Energieanteile für drei Desorptionsversuche nach je 8 Versuchsstunden

4.2. BELADUNG DES RADIALSTROMADSORBERS – DESORPTION 57 In Abbildung 28 links ist Q_vol für alle Desorptionsversuche mit 180 °C dargestellt, die auf eine Adsorption folgen. Für die gespeicherte Energie pro Volumen ergibt sich keine eindeutige Tendenz in Abhängigkeit vom Volumenstrom. Die erreichbare mittlere Tem-peratur im Zeolith, die die Energiespeicherdichte beeinflusst, steigt zwar bei 6 stündiger Versuchsdauer geringfügig mit dem Volumenstrom an (siehe Abbildung 28 rechts). Viel-mehr spielt hier aber offenbar die Luftfeuchtigkeit eine Rolle, die sich bei den Versuchen zum Teil unterscheidet und insbesondere bei den Versuchen mit 80 m³/h niedriger war.

Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die Desorption

Der Wassergehalt der angesaugten Laborluft hat Einfluss auf die Wassermenge, die sich aus dem Sorptionswärmespeicher desorbieren lässt, da sich mit dem Wasserdampf-partialdruck, entsprechend der Isothermen (siehe auch Abbildung 70), die Gleichge-wichtsbeladung verschiebt. Je höher die Luftfeuchtigkeit ist, desto höher bleibt die Restbeladung.

Bei der Gegenüberstellung von zwei Versuchen mit einem mittleren Wassergehalt der Luft am Speichereintritt von 12,2 g/kg sowie von 12,9 g/kg wird ersichtlich, dass die erreichbare Temperatur im Festbett annähernd gleich ist (siehe Abbildung 78). Erwartungsgemäß wird aber bei der etwas geringeren Luftfeuchte etwas mehr Wasser ausgetragen. Die desorbierte Wassermasse in 8,75 Stunden beträgt 9,41 kg bei dem Versuch mit dem niedrigeren Wassergehalt von im Mittel 12,2 g/kg (gespeicherte Energie 84,36 kWh/m³) und 8,71 kg bei dem Versuch mit dem höheren Wassergehalt von im Mittel 12,9 g/kg (gespeicherte Energie 78,7 kWh/m³).

In Abbildung 29 ist dargestellt, wieviel Energie nach 6 und 8 Versuchsstunden bei Desorptionsexperimenten mit unterschiedlichen Wasserdampfpartialdrücken gespeichert

Abbildung 28: Gespeicherte Energie pro Volumen (links), mittlere Temperatur im Festbett (rechts)

wurde. Blau dargestellt sind die Versuche mit 60 m³/h, braun die Versuche mit 80 m³/h und schwarz die Versuche mit 100 m³/h. Tendenziell nimmt die gespeicherte Energie mit zunehmendem Wasserdampfpartialdruck ab.

Variation der Desorptionstemperatur

Die bislang vorgestellten Versuche wurden bei einer Desorptionstemperatur von 180 °C durchgeführt. Bei mäßiger Solarstrahlung ist für die solare Desorption gegebenenfalls nur eine Temperatur des Solarkreisfluids kleiner als 180 °C erreichbar. Im Experiment wurde die Desorptionstemperatur, d.h. die vorgegebene Temperatur am Eintritt des Desorptionswärmeübertragers, in 20 K Schritten zwischen 120 °C und 180 °C variiert, um diesen Aspekt zu untersuchen. Der Luftvolumenstrom beträgt jeweils ˙V_N,Luft = 60 m³/h.

Die maximal erreichte Temperatur im Festbett ist in Abbildung 30 ersichtlich und liegt etwa 20–30 K unterhalb der jeweils vorgegebenen Desorptionstemperatur. Die Differenz nimmt mit steigender Desorptionstemperatur zu.

Durch die Wärmeabgabe an die umströmende Luft ist das Fluid in der Rohrwendel des Desorptionswärmeübertragers an dessen Austritt kühler als am Eintritt. Die Differenz beträgt nach 6 Stunden bei einer Eintrittstemperatur von 180 °C 15,6 K, bei 160 °C nimmt die Temperatur um 13,6 K ab, bei 140 °C um 11,3 K und bei 120 °C um 10,3 K.

Da der Desorptionswärmeübertrager von unten nach oben durchströmt wird, müsste sich als Folge davon im Festbett ein entsprechender Temperaturgradient einstellen. Aufgrund der begrenzten Anzahl an Messstellen und der weiteren überlagerten Effekte ist dieser aus den Messungen nicht zu erkennen.

Die nach 6 Versuchsstunden für die Desorption aufgewendete Energie beträgt 3,56 kWh bei der Desorptionstemperatur von 120 °C, 4,25 kWh bei 140 °C, 5,6 kWh bei 160 °C und

Abbildung 29: Gespeicherte Energie in Abhängigkeit vom Wasserdampfpartialdruck (links) und in Abhängigkeit von der Desorptionstemperatur (rechts)

4.2. BELADUNG DES RADIALSTROMADSORBERS – DESORPTION 59

(a) T=120 °C (b) T=140 °C

(c) T=160 °C (d) T=180 °C

Abbildung 30: Temperaturen im Festbett bei der Desorption, ˙V_N,Luft = 60 m³/h; (vor-angehende Adsorption jeweils mit ˙V_N,Luft = 60 m³/h)

6,89 kWh bei 180 °C. Der Anteil der für die Desorption aufgewendeten an der über den Wärmeübertrager eingebrachten Energie steigt mit zunehmender Desorptionstemperatur von 42 % bei 120 °C auf 51 % bei 180 °C.

Die gespeicherte Energie nach 6, 8 und 10 Stunden ist in Abbildung 29 rechts dargestellt und nimmt wie zu erwarten entsprechend der Isothermen mit steigender Desorptions-temperatur zu.

Desorption an mehreren Tagen

Bei der realen Anwendung des kombinierten Warmwasser-Sorptionswärmespeichers ste-hen pro Tag nur etwa 6–8 Sonnenstunden zur Verfügung, während deren eine Desorption stattfinden kann. Die bereits vorgestellten Versuche zeigen, dass die Desorption des gesamten Sorptionswärmespeichers unter den gegebenen Bedingungen mehr Zeit in An-spruch nimmt. Daher wurden Desorptionen an zwei bis drei aufeinanderfolgenden Tagen mit jeweils 6 Stunden Dauer durchgeführt. Die Temperaturen im Sorptionswärmespeicher an drei aufeinander folgenden Tagen bei einem Luftvolumenstrom von 60 m³/h sind in Abbildung 31 dargestellt.

Es zeigt sich, dass die am Ende des ersten Tages erreichten Temperaturen an jeder Position im Festbett nach der Abkühlung über Nacht am zweiten Tag schnell, innerhalb etwa einer Stunde, wieder erreicht werden. Ebenso steigen die Temperaturen am 3.

Tag innerhalb etwa einer Stunde auf die am Vortag erreichten Temperaturen. Die

(a) Tag 1 (b) Tag 2 (c) Tag 3

Abbildung 31: Desorption an mehreren Tagen, Temperaturen im Festbett und am austritt (oben), Wassergehalt der Luft am Speicherein-/-austritt (unten), ˙V_N,Luft = 60 m³/h

4.2. BELADUNG DES RADIALSTROMADSORBERS – DESORPTION 61 Temperaturplateaus (siehe auch Kapitel 4.2.1.2) am 2. und 3. Tag sind höher als am 1.

Tag und unterscheiden sich an den jeweiligen Messpositionen, abhängig von der erreichten Temperatur am Vortag. Bis zum Erreichen der Vortagestemperaturen wird dem Speicher zunächst wieder Wasser zugeführt, wie der Verlauf des Wassergehalts zur Zeit 0 bis ca.

1 h in Abbildung 31 b und c zeigt. Es findet somit eine erneute, unerwünschte Adsorption statt. Eine weitere Reduktion der am Vortag erreichten Wasserbeladung des Zeolith beginnt somit am Folgetag erst nach einer gewissen Zeit: am Tag 2 nach 1 h 35 min, am Tag 3 nach 2 h 45 min. Trotz dieser Verzögerung lässt sich der Desorptionsprozess gut auf mehrere Tage aufteilen. Am ersten Tag werden 6,93 kWh, am 2. Tag 3,03 kWh und am 3. Tag noch 0,99 kWh für die Desorption der Wassermoleküle aufgewendet. Die täglich desorbierte Wassermasse beträgt 7,62 kg, 2,88 kg und 0,92 kg, insgesamt 11,42 kg.

Weitere Desorptionsversuche über mehrere Tage mit höheren Luftvolumenströmen sind im Anhang C.2 aufgeführt.

Desorption an mehreren Tagen mit unterschiedlicher Desorptionstempera-tur

Die gewünschte hohe Temperatur von 180 °C kann mit den Sonnenkollektoren nur an strahlungsreichen Tagen bereitgestellt werden. Es besteht aber die Möglichkeit, den Sorp-tionswärmespeicher an einem weniger strahlungsreichen Tag zunächst mit niedrigerer Temperatur vorzutrocknen und den Desorptionsprozess an einem darauffolgenden Tag mit hoher Temperatur fortzusetzen. Abbildung 32 zeigt die Temperaturen im Zeolithbett,

(a) Tag 1:T=120 °C (b) Tag 2:T=180 °C (c) Tag 3: T=180 °C Abbildung 32: Desorption an mehreren Tagen, Temperaturen im Festbett und am

austritt (oben), Wassergehalt der Luft am Speicherein-/-austritt (unten), ˙V_N,Luft = 60 m³/h

wenn die Desorption am ersten Tag mit 120 °C durchgeführt wird und am darauffolgenden Tag mit 180 °C¹. Ebenfalls dargestellt ist ein 3. Tag mit 180 °C Desorptionstemperatur.

Am ersten Tag werden 3,56 kWh für die Desorption aufgewendet, am 2. Tag 4,64 kWh, jeweils nach 6 Stunden. In der Summe ergeben sich 8,2 kWh. Bei einem Desorptionsexpe-riment ohne Vortrocknungstag wurden nach 6 Stunden Versuchsdauer 6,93 kWh durch Desorption, und damit weniger Energie, gespeichert. Zu Beachten bleibt, dass bei dem Versuch ohne Vortrocknungstag mit 9,2 g/kg ein niedrigerer mittlerer Wassergehalt der Luft vorlag als an den beiden aufeinanderfolgenden Tagen mit je etwa 10,3 g/kg und damit ein direkter Vergleich strenggenommen nicht möglich ist.

4.2.2.4 Solare Desorption

Bei den vorangehend beschriebenen Versuchen wurde die Desorptionswärme durch einen elektrischen Heizstab bereitgestellt. Im realen Anwendungsfall des kombinierten Warmwasser-Sorptionswärmespeichers erfolgt die Bereitstellung der Desorptionswärme zur Regeneration des Sorptionsmaterials mit Sonnenkollektoren. Für die solare Desorption im Labor stehen Vakuumflachkollektoren der Firma TVP mit einer Kollektorfläche von 4,2 m² zur Verfügung. Die thermische Leistung wird vom Kollektorhersteller bei 180 °C, einer Einstrahlung von 1000 W/m² und einer Umgebungstemperatur von 30 °C mit 0,6 kW für ein Modul mit 1,05 m² angegeben [71]. Der Kollektorwirkungsgrad beträgt bei diesem Betriebspunkt 0,57 [15].

In Abbildung 33 sind die Temperaturen im Sorptionswärmespeicher, Temperatur und Wassergehalt der Luft am Speicherein-/-austritt und die Temperaturen im Kollektorkreis (am Speicherein-/-austritt) sowie die Globalstrahlung in Kollektorebene für den 1., 3.

und 7. von insgesamt 7 Desorptionstagen dargestellt. Der Volumenstrom im Solarkreis variiert zwischen 60 und 140 l/h. Bei wolkenlosem Himmel trifft gegen 8 Uhr Strahlung von etwa 200 W/m² auf den Kollektor. Kurz darauf wird die Pumpe im Kollektorkreis in Betrieb genommen. Es zeigt sich, dass das System träge ist. Es dauert sehr lange bis der Kollektorkreis aufgeheizt ist. Die hohe Kapazität resultiert auch daraus, dass die Leitungen aufgrund des hohen Drucks von 12 bar aus Stahl mit entsprechender Wandstärke ausgeführt sind. Erst wenn eine ausreichend hohe Temperatur (ca. 100–

140 °C) erreicht ist, wird (gegen 11:00–13:30 Uhr) das Gebläse in Betrieb genommen. Es bleiben dann nur noch wenige Stunden mit ausreichender Einstrahlung für die Desorption.

Die Temperatur im Solarkreis am Speichereintritt erreicht dabei bis zu 145 °C. Eine höhere Temperatur im Solarkreis lässt sich grundsätzlich durch einen geringeren Volumenstrom

1Messdatenaufzeichnung des Wassergehalts der eintretenden Luft am Tag 2 zur Zeitt= 2–3 h fehlerhaft, der Wassergehalt war während des gesamten Versuchszeitraums annähernd konstant

4.2. BELADUNG DES RADIALSTROMADSORBERS – DESORPTION 63

(a) 1. Tag (b) 3. Tag (c) 7. Tag

Abbildung 33: Desorption mit Kollektor, Temperaturen im Festbett und am austritt (oben), Wassergehalt der Luft am Speicherein-/-austritt (Mitte), Solarkreistemperatur am Speicherein-/-Speicherein-/-austritt und Globalstrahlung (unten)

erreichen. Da dies die Aufheizzeit weiter verlängert wurde der Volumenstrom nicht weiter reduziert.

Die gemessene Kollektorleistung beträgt als Beispiel am 6. Tag 2,5 kW bei einer Solarkreis-Speichereintrittstemperatur von 145 °C und einer Globalstrahlung von 1000 W/m². Die dem Speicher zugeführte Leistung (Beladeleistung) ist aufgrund der Wärmeverluste in den Rohrleitungen geringer und beträgt im selben Zeitraum etwa 1,3 kW.

Die niedrige Desorptionstemperatur und die täglich nur kurze Desorptionszeit haben zur Folge, dass auch nach 7 solaren Desorptionstagen nur 6,8 kg Wasser desorbiert werden. Dies entspricht einer Beladungsänderung von 30,7 g/kg auf 20,9 g/kg und einer gespeicherten Energie von 6,2 kWh.

Für eine weitergehende Desorption, d.h. eine größere Beladungsänderung, reicht die Kollektorfläche in diesem Fall nicht aus. Dass eine Desorption an mehreren Tagen (bei ausreichender Leistung) grundsätzlich möglich ist, zeigen aber die vorangegangenen Ergebnisse.

4.2.2.5 Fazit zur Desorption mit Prototyp 2

Zusammenfassend zeigt sich bei der Desorption am Prototyp 2 folgendes Verhalten:

• Durch die Wärmerückgewinnung wird im Vergleich zum Prototyp 1 eine Reduzie-rung der Wärmeverluste durch den Luftstrom auf etwa 1/3 erreicht.

• Im Festbett wird im Vergleich zum Prototyp 1 eine gleichmäßigere Temperatur erreicht, die Homogenität der Temperatur im Festbett steigt mit höherem Luft-volumenstrom, die mittlere Temperatur hängt dagegen kaum vom Volumenstrom ab.

• Die speicherbare Energie korreliert unter den Randbedingungen der durchgeführten Versuche nicht eindeutig mit dem Volumenstrom (Wasserdampfpartialdruck nicht gleich).

• Mit abnehmendem Wasserdampfpartialdruck und mit zunehmender Desorptions-temperatur nimmt die speicherbare Energie zu.

• Den größten Einfluss auf die speicherbare Energie hat die Desorptionstemperatur.

• Die maximale gespeicherte Energie nach 8 Stunden Desorption wird bei dem Versuch mit 80 m³/h bei 12,6 mbar Wasserdampfpartialdruck der Umgebungsluft erreicht und beträgt 9,8 kWh. Damit werden 66 % des unter den vorgegebenen Randbedingungen theoretisch möglichen Werts von 14,9 kWh erreicht.

• Durch eine längere Desorptionsdauer ist eine weitere Annäherung an den theoreti-schen Wert möglich. Die Regeneration des Sorptionsmaterials kann dazu auch auf mehrere aufeinanderfolgende Tage verteilt werden. Am ersten Tag kann gegebe-nenfalls auch mit niedrigerer Desorptionstemperatur, z.B. an Tagen mit mäßigem Strahlungsangebot, regeneriert werden.

• Fühlbare Wärme, die bei nicht integrierten Sorptionswärmespeichern in der Regel an die Umgebung verloren geht, wird an den Warmwasserspeicher übertragen und bleibt damit dem System erhalten, dadurch nähert man sich dem Ideal einer tatsächlich verlustfreien Speicherung.

• Die dem Warmwasserspeicher zugeführte Energie steigt mit zunehmendem Luft-volumenstrom.

• Eine Überhitzung des Warmwasserspeichers trat bei den durchgeführten Versuchen nicht auf, auch nach zwei Desorptionstagen in Folge mit je 8 bis 9 Stunden betrug die maximal erreichte Wassertemperatur nur 83 °C.

• Die Desorption mit Kollektor als Wärmequelle gelingt, auch wenn bei der sola-ren Desorption aufgrund des trägen Verhaltens des Solarkreises und der kleinen Kollektorfläche nur Temperaturen bis 145 °C erreicht werden.

Im Dokument Experimentelle und numerische Untersuchung eines kombinierten Warmwasser-Sorptionswärmespeichers für thermische Solaranlagen (Seite 68-83)