Experimentelle Untersuchung der Desorption am Prototyp 1

An einer ersten Version des Prototypspeichers wurden Desorptionsexperimente unter definierten Randbedingungen durchgeführt. Nach der Darstellung der Randbedingungen werden im Folgenden die Ergebnisse eines exemplarischen Versuchs vorgestellt, um anhand dessen das grundsätzliche Verhalten des Speichers zu erläutern. Schließlich wird der Einfluss des Luftvolumenstroms auf den Desorptionsvorgang untersucht und diskutiert.

4.2.1.1 Randbedingungen/Versuchsbedingungen für die Desorption

Die Temperatur des Wärmeträgermediums am Eintritt des Desorptionswärmeübertragers wird durch elektrische Beheizung auf 180 °C geregelt. Nach der Inbetriebnahme der Heizung und der Pumpe im Solarkreis vergehen etwa 40 Minuten, bis die Solltemperatur von 180 °C erreicht ist. Wenn diese erreicht ist, wird der Ventilator zur Ansaugung der Laborluft in Betrieb genommen. Der Wasservolumenstrom im Desorptionswärmeüber-trager beträgt, soweit nicht anders angegeben, 100 l/h. Der Sorptionswärmespeicher ist mit Zeolith 4A mit einer Trockenmasse von 78,9 kg befüllt. Obwohl bekannt ist, dass leistungsfähigere Zeolithe verfügbar sind wurde dieses Material für die ersten Versuche verwendet, da es vielfach untersucht wurde und dessen Eigenschaften gut bekannt sind.

Die Luft, die durch den Speicher strömt, wird aus dem Laborraum angesaugt, dessen Temperatur sich grob regulieren lässt, nicht aber dessen Feuchte. Die Temperatur und insbesondere der Wassergehalt der Luft können daher im Verlauf der mehrstündigen Desorptionsexperimente etwas variieren. An eine Desorption schließt sich in der Regel eine Abkühlphase an. Zwischen den Desorptionen wurde jeweils eine Adsorption mit einem Luftvolumenstrom von ˙V_N,Luft = 60 m³/h durchgeführt. Der mittlere Wassergehalt betrug dabei zwischen 9,5 g/kg und 13 g/kg.

4.2.1.2 Exemplarische Desorption

Anhand eines beispielhaften Desorptionsexperiments werden die Vorgänge im Speicher erläutert. Der Verlauf der Desorption wird anhand der Temperatur im Zeolith mit 9 Thermoelementen erfasst. Deren Positionen sind in Abbildung 17 dargestellt. Die Ther-moelemente sind auf jeweils drei radialen Positionen in drei horizontalen Ebenen verteilt.

Mit den Zuordnungen obere (O), mittlere (M) und untere (U) Ebene sowie innere (I), mittlere (M) und äußere (A) Position ergeben sich für die Messstellen die Bezeichnungen:

OIl, ^OMl, ^OAl, ^MIl, ^MMl, ^MAl, ^UIl, ^UMl, ^UAl. Die Temperatur im Warmwasserspeicher lässt

4.2. BELADUNG DES RADIALSTROMADSORBERS – DESORPTION 43 sich an den 7 Temperaturmessstellen verfolgen, die von oben nach unten aufsteigend nummeriert sind (W1 ... W7).

Messdaten einer exemplarischen Desorption sind in Abbildung 18 gezeigt. Die Positionen der entsprechenden Temperaturmessstellen sind in Abbildung 17 dargestellt. Die zeitlich gemittelte Umgebungstemperatur im Labor beträgt 25,4 °C, der mittlere Wassergehalt 9,9 g/kg.

Durch die Wärmezufuhr aus dem Desorptionswärmeübertrager, der die passierende Umgebungsluft erwärmt, steigen die Temperaturen im Radialstromadsorber von innen nach außen an und nähern sich einem stationären Zustand an. Nach ca. 27 Stunden ist der Temperaturanstieg im Zeolith nur noch gering. Die Wärmezufuhr wird daraufhin beendet und der Speicher kühlt sich ab. In dem Experiment wird deutlich, dass die Temperaturen in der Zeolithschüttung lokal sehr unterschiedlich sind. Innerhalb einer horizontalen Messebene wird, mit Ausnahme der Messtelle ^UAl, jeweils eine etwa ein-heitliche Temperatur erreicht. Die Temperaturen der drei Ebenen unterscheiden sich dagegen stark und zeigen mittlere Werte von 120 °C, 141 °C und 161 °C. Damit wird das angestrebte einheitliche Temperaturprofil noch nicht erreicht.

Das Wärmeträgerfluid kühlt sich bei der Durchströmung des Desorptionswärmeüber-tragers ab. Aufgrund der Durchströmungsrichtung des DesorptionswärmeüberDesorptionswärmeüber-tragers von unten nach oben sollte sich ein gewisser Temperaturabfall in der Zeolithschüttung von unten (rot) nach oben (grün) ergeben. Entgegen dieser Erwartung liegt der kälteste Bereich in der mittleren Ebene des Speichers (blau). Da die experimentellen Untersu-chungen nur begrenzt Aufschluss über die Ursachen dieser Temperaturverteilung geben

Abbildung 17: Schematische Darstellung des kombinierten Speichers mit Bezeichnun-gen und Positionen der Temperaturmessstellen

Abbildung 18: Temperaturen im Festbett und am Speicherein-/-austritt (links), Tempe-raturen im Warmwasserspeicher (rechts), Wassergehalt der Luft (unten);

V˙_N,Luft= 60 m³/h, ˙V_Sol= 100 l/h (Messstellenpositionen siehe Abbildung 17)

können, erfolgten weitere Untersuchungen mittels CFD, die in Kapitel 5.1 vorgestellt werden. Diese Untersuchungen zeigen, dass die Ursache des Verhaltens auf die Geometrie des Desorptionswärmeübertragers, d.h. auf die ungleichmäßige Steigung der Windungen, zurückzuführen ist.

In Abbildung 19 ist ein Ausschnitt der Zeolithtemperaturen in den ersten Versuchsstunden dargestellt. Dort zeigt sich ein Temperaturplateau. Ausgehend von der Anfangstempera-tur steigt die TemperaAnfangstempera-tur im Zeolithbett auf Werte um 40 °C an. Das TemperaAnfangstempera-turniveau hängt sowohl von der Anfangstemperatur und der Beladung des Zeolithbetts ab, als auch von Temperatur, Massenstrom und Wassergehalt des Luftstroms. Ausgehend davon steigt die Temperatur im Speicher in radialer Richtung von innen nach außen weiter an und nähert sich der Temperatur des Desorptionswärmeübertragers bzw. der Temperatur der Luft. Die Zeolithschichten hinter der Temperaturfront bleiben auf dem Temperaturniveau des Plateaus und die Lufttemperatur am Austritt bleibt solange annähernd konstant, bis die Temperaturfront das gesamte Bett durchlaufen hat. Während des Desorptions-prozesses werden mit der über den Luftstrom eingebrachten Wärme die van-der-Waals Bindungen zwischen Zeolith und den Wassermolekülen gelöst, die dann mit dem Luft-strom abtransportiert werden. Ein Großteil der Wassermoleküle werden in der jeweiligen

4.2. BELADUNG DES RADIALSTROMADSORBERS – DESORPTION 45

Abbildung 19: Temperaturplateau beim Desorptionsprozess

Zeolithschicht bereits vor dem vollständigen Passieren der Temperaturfront desorbiert. So ist nach 4 Versuchsstunden, wenn die Temperatur im äußeren Randbereich des Zeoliths gerade anzusteigen beginnt, bereits nahezu die Hälfte des insgesamt desorbierten Wassers ausgetragen. Auch der Wassergehalt des austretenden Luftstroms beginnt zu dieser Zeit stärker abzufallen. Das hier dargestellte Temperaturplateau wird für die Speicher-austrittstemperatur auch in [68] beschrieben und in [37] mit dem Zusammenwirken von Aufheizung und Wärmeverbrauch erklärt.

Zusätzlich zur Regeneration des Zeolith erfolgt eine Aufheizung des Wasserteils. In Abbildung 18 rechts ist der zeitliche Verlauf der Temperaturen im Warmwasserspeicher aufgetragen, die von anfangs 30 °C auf über 75 °C ansteigen. Dadurch wird der Vorteil des direkt in den Warmwasserspeicher integrierten Sorptionswärmespeichers deutlich.

Die Energie die über den Mantel des erwärmten Sorptionswärmespeichers übertragen wird, wird dem Warmwasserspeicher als nutzbare Energie zugeführt.

Der Wassergehalt der Luft am Speichereintritt ist in Abbildung 18 unten gezeigt und beträgt während des Versuchs etwa 9,9 g/kg. Am Austritt steigt der Wassergehalt zu Beginn auf 33,6 g/kg, um dann innerhalb von 27 h auf den Eintrittswert abzufallen.¹ Der Speicher kann bei den dann vorhandenen Bedingungen keine weitere Feuchtigkeit an den Luftstrom mehr abgeben und der Versuch wird beendet. Charakteristisch ist der Peak der Austrittsfeuchte zu Beginn. Während der Aufheizphase des Wärmeträgerfluids im Desorptionswärmeübertrager erwärmt sich der umgebende Festbettbereich bereits durch Wärmeleitung. Die dabei desorbierten Wassermoleküle werden nach dem Einschalten des Ventilators ausgetragen. Durch diesen Ablauf erklärt sich auch der Temperaturpeak im Festbett zu Versuchsbeginn.

1Eine zuverlässige Messung des Wassergehalts der Luft erfolgt nur bei Umströmung der Taupunkthygro-meter. Nach dem Abschalten des Ventilators nach 27 h sind die Messwerte nicht mehr aussagekräftig.

Anhand der gemessenen Temperaturen und des Wasserdampfpartialdrucks kann aus der Isothermengleichung (siehe Kapitel 2.1.3) die Beladung des Adsorbens im Gleichge-wicht bestimmt werden. Ausgehend von einer Anfangsbeladung von 0,202 kg/kg wird die Beladung bis zum Versuchsende in der unteren Messebene auf 0,0609 kg/kg, in der mittleren Ebene auf 0,1231 kg/kg und in der oberen Ebene auf 0,0866 kg/kg reduziert.

Die Beladung beträgt im Mittel 0,0869 kg/kg. Dieser Wert deckt sich gut mit der über die Feuchtedifferenz des Luftstroms bestimmten Beladung von 0,0860 kg/kg. Die mittlere erreichte Beladungsdifferenz von 0,116 kg/kg entspricht einer desorbierten Wassermasse von 9,15 kg. Die durch den Sorptionsprozess gespeicherte Energie beträgt 8,24 kWh. Die bei dem Versuch erzielte Energiespeicherdichte von 78,3 kWh/m³ erreicht damit nur 2/3 der auf Seite 41 berechneten, für die Bedingungen theoretisch möglichen Energie-speicherdichte von 120 kWh/m³. Dies ist auch der Tatsache geschuldet, dass im Zeolith im Mittel nur eine Temperatur von 141 °C erreicht wurde, gegenüber der theoretisch angenommenen Temperatur von 180 °C. Die Energiespeicherdichte ist aber dennoch um den Faktor 1,3 höher als die von Wasser bei einer Temperaturdifferenz von 50 K.

Zusätzlich wurden noch 12 kWh im Warmwasserspeicher gespeichert, weitere 3,15 kWh wurden dem Sorptionsmaterial als fühlbare Wärme zugeführt.

Das Wärmeträgerfluid tritt mit 180 °C in den Desorptionswärmeübertrager ein und mit 159 °C aus diesem wieder aus. Der über den Wärmeübertrager eingebrachte Wärmestrom und dessen Aufteilung in einzelne Anteile ist in Abbildung 20 links gezeigt. Der zugeführte Wärmestrom des Wärmeübertragers und die Summe aller Senkenanteile stimmen sehr

Abbildung 20: Wärmeströme während des Desorptionsversuchs (links) und Energiean-teile bei Versuchsende (rechts) (Senken: thermische Kapazität von tr.

Zeolith und Adsorbat sowie von Wasser und Stahlhülle des Warmwasser-speichers, Desorptionsenthalpie, Wärmeverluste durch den Luftstrom, Wärmeverluste des Speichers an die Umgebung, Kondensat, Summe der Senken; Quelle: Desorptionswärmeübertrager)

4.2. BELADUNG DES RADIALSTROMADSORBERS – DESORPTION 47 gut überein. Die Differenz in den ersten Versuchsstunden ergibt sich dadurch, dass die Kapazität der Stahlteile des Sorptionswärmespeichers in der Bilanz nicht berücksichtigt wurde. Wie in Anhang A.2 erläutert, wird bei der Berechnung des Desorptionswär-mestroms die Beladungsabhängigkeit der Adsorptionsenthalpie berücksichtigt. Bei der Auswertung der Versuche hat sich gezeigt, dass dieses Vorgehen zu besseren Ergebnissen bei der Bilanzierung der Wärmeströme führt, als wenn von einer konstanten, mittleren Adsorptionsenthalpie ausgegangen wird.

Die Luft tritt mit 26,5–31,5 °C in den Speicher ein und am Ende des Versuchs mit bis zu 100 °C wieder aus (siehe Abbildung 18). Damit werden bei Versuchsende 1,3 kW mit dem Luftstrom aus dem Speicher abgeführt, insgesamt bis Versuchsende 26,8 kWh. Ein großer Teil der eingesetzten Energie geht beim ersten Prototypen demnach mit dem Luftstrom verloren (vergleiche Abbildung 20 rechts). Die Wärme der austretenden Luft kann im koaxialen Kernrohr, aufgrund der kleinen Übertragungsfläche, nur zu einem kleinen Teil an die eintretende Luft übertragen und damit zurückgewonnen werden. Für die Desorption sind diese Verluste grundsätzlich nicht gravierend, da die Wärmebereitstellung aus Überschussenergie vom Sonnenkollektor erfolgt. Bei der Adsorption hingegen sind diese relevant (siehe Kapitel 4.3).

Die Wärmeverluste des Prototypspeichers an die Umgebung sind im Vergleich zu einem herkömmlichen Warmwasserspeicher recht groß und erreichen im Beispielexperiment Werte bis 258 W. Der Speicherboden ist aufgrund zahlreicher Messtechnikanschlüsse nicht gedämmt. Ein großer Teil der Wärme geht daher über den Boden verloren. An der Speicherseite befinden sich zahlreiche Stutzen zur Einbringung der Messtechnik, Befestigungsstreben auf der Speicherseite sind für die drehbare Lagerung des Speichers notwendig. Der Prototypspeicher weist dadurch zahlreiche Wärmebrücken auf. Für ein marktreifen Speicher sind diese Maßnahmen nicht erforderlich, wodurch eine deutliche Reduzierung der Wärmeverluste möglich ist.

4.2.1.3 Variation des Luftvolumenstroms bei der Desorption

Bei der exemplarischen Desorption zeigt sich, dass im Sorptionswärmespeicher keine homogene Temperatur erreicht wird. Die Temperaturverteilung im Speicher, das erreich-bare Temperaturniveau und der Abtransport der Wassermoleküle werden unter anderem durch den Luftvolumenstrom beeinflusst. Der Einfluss des Luftvolumenstroms auf die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung und die Höhe des erzielbaren Temperatur-niveaus wurde daher systematisch untersucht. Dazu wurde der Luftvolumenstrom von V˙_N,Luft = 20 m³/h bis 70 m³/h in Schritten von 10 m³/h variiert.

In Abbildung 21 ist der zeitliche Verlauf der Temperaturen in der Zeolithschüttung bei drei der untersuchten Volumenströme aufgetragen. Diagramme für weitere

Volu-(a) ˙V_N,Luft = 20 m³/h (b) ˙V_N,Luft = 50 m³/h (c) ˙V_N,Luft = 70 m³/h Abbildung 21: Temperaturen im Festbett und am Speicherein-/-austritt (oben),

Was-sergehalt der Luft (unten)

menströme finden sich in Anhang C.1. Aus den Diagrammen geht hervor, dass die Temperaturdifferenz innerhalb des Speichers mit steigendem Volumenstrom zunimmt, die mittlere Speichertemperatur sinkt und sich ein „stationärer Zustand“ schneller einstellt.

Eine vollkommen gleichmäßige Temperaturverteilung wird in keinem der durchgeführten Experimente erreicht. Tendenziell zeigt sich, dass ein geringerer Luftvolumenstrom bei entsprechend langer Desorptionsdauer für eine einheitlichere Temperatur günstig ist.

Bei niedrigeren Volumenströmen liegen die Temperaturen bei Versuchende an den Positio-nen ^MAlund insbesondere ^UAlunterhalb der Temperatur der jeweiligen Ebene. Dies deutet auf eine schräge, d.h. nicht ganz horizontale Durchströmung des Festbetts hin. Je höher der Volumenstrom, desto größer der Druckverlust, desto gleichmäßiger (horizontaler) die Durchströmung und desto einheitlicher die Temperatur innerhalb einer Ebene.

Der Volumenstrom beeinflusst neben dem erreichbaren Temperaturniveau auch den Abtransport der desorbierten Wassermoleküle. Höhere Volumenströme sind vorteilhaft für den Austrag. Dadurch, dass desorbierter Wasserdampf konvektiv abgeführt wird, ergibt sich ein geringerer Wasserdampfpartialdruck und damit eine Verschiebung des Gleichgewichts hin zu kleineren Beladungen, was die Regeneration begünstigt.

Der Einfluss des Luftvolumenstroms auf die desorbierte Wassermasse ist in Abbildung 22 links dargestellt. Aus dem Diagramm wird ersichtlich, dass bei den Experimenten mit kleinen Luftvolumenströmen bis zum Versuchsende tendenziell mehr Wasser desorbiert wird als bei jenen mit größeren. Zu berücksichtigen ist jedoch die unterschiedliche Desorptionsdauer der Experimente, die in Abbildung 22 rechts gezeigt ist. Mit sinkendem

4.2. BELADUNG DES RADIALSTROMADSORBERS – DESORPTION 49

Abbildung 22: Desorbierte Wassermasse (links), Desorptionsdauer (rechts) Volumenstrom steigt die Versuchsdauer. Bei 20 m³/h wird über 60 Stunden lang desorbiert, bis der Wassergehalt der Luft am Austritt auf den Wert am Eintritt abgesunken ist.

Selbst mit dem größten untersuchten Volumenstrom von 70 m³/h ergibt sich noch eine Desorptionsdauer von etwa 20 Stunden. Unter dem Aspekt einer realen Betriebsweise sind lange Desorptionszeiten nachteilig, da bei einer solaren Desorption die Strahlung nur für eine Desorptionsdauer von ca. 6 bis 8 Stunden pro Tag ausreicht. Aus Abbildung 22 links wird deutlich, dass höhere Volumenströme zu größerer desorbierter Wassermasse führen, wenn die Dauer der Desorption auf eine Zeit von 6 bis 8 Stunden begrenzt ist.

Aus Abbildung 23 links wird ersichtlich, dass der mittlere Wasserdampfpartialdruck der eintretenden Luft, mit Ausnahme der Versuche 50 und 70 m³/h, ähnlich war und ein

Abbildung 23: Wasserdampfpartialdruck der eintretenden Luft (links), gespeicherte Energie (rechts)

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