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Stratisorp: Neuartiges Schichtspeichersystem zur Effizienzsteigerung von Adsorptionswärmepumpen und -kältemaschinen

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Taheri, Hadi; Schwamberger, Valentin; Schmidt, Ferdinand; Joshi, Chirag

2010

Projektbericht - Abschlussbericht

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Beschreibung

Es wurde ein neuartiger thermodynamischer Zyklus für Adsorptionswärmepumpen bzw. -kältemaschinen analysiert, bei dem ein thermischer Schichtspeicher zur internen Wärmerückgewinnung in den Zyklus integriert wird. Für den Speicher wurden zwei verschiedene Wärmeträgerfluide (Thermoöl und Wasser) für unterschiedliche Temperaturbereiche untersucht. Daraus resultierten ein Hochtemperatur- und ein Niedertemperatursystem. Weiterhin wurden experimentelle Daten zur Adsorptionskinetik neuartiger Adsorbens-Metallfaser-Komposite den verwendeten Adsorbermodellen zugrundegelegt. Die Ergebnisse sind daher für neue Hochleistungsadsorber relevant, die bisher nur in einem F&E-Projekt der Fraunhofer-Gesellschaft als Demonstrator realisiert wurden. Um die Bandbreite möglicher Entwicklungsergebnisse bei den Adsorbern abzubilden, wurden je zwei Wärmeübertragerstrukturen (?extrudiert? und ?lasergeschweißt?) und zwei Komposit-Typen (?experimentell? und ?optimiert?) betrachtet, woraus sich vier Adsorber-Kombinationen ergeben. Eine Validierung des Adsorbermodells sowie Systemsimulationen mit konventionellen, marktverfügbaren Adsorbern sind für ein Anschlussprojekt geplant.

Mittels detaillierter System-und CFD-Simulationen konnte in einer Systembewertung ein positives Fazit für potentiell erreichbare Leistungszahlen in einzelnen Betriebspunkten gezogen werden. In Parametervariationen mit dem Systemmodell wurden für das Hochtemperatursystem in Anlehnung an DIN 4702 Teil 8 Jahresheizzahlen für einen Wärmepumpenbetrieb mit Erdsonde ermittelt. Sie liegen zwischen 1,9 (Adsorber ?extru-diert/experimentell?) und gut 2,2 (Adsorber ?lasergeschweißt/optimiert?) und übertreffen damit den Stand der Technik deutlich.

Für weitere Untersuchungen steht nun ein detailliertes und numerisch effizientes Systemmodell zur Verfügung, das leicht an verschiedene Anwendungsfälle angepasst werden kann. Am Speicher konnten durch CFD-Simulationen kritische Punkte identifiziert werden (großräumige Wirbel im Speicher, hydraulische Kurzschlüsse zwischen Lanze und Ausströmöffnung) und es wurden Optionen zur Behebung der Schwachpunkte identifiziert. Diese sollen in einem Anschlussprojekt auch experimentell näher untersucht und optimiert werden.