Stofftransport in Hochleistungs-Adsorbern: Monte-Carlo Simulation und Durchströmungsexperimente
Ziel dieser Arbeit ist die physikalische Beschreibung der nicht-isothermen Wasser-Adsorption und ihrer bestimmenden Transportprozesse in neuartigen Adsorbens-Kompositen für Wärmetransformationsanwendungen. Die in dieser Arbeit untersuchten Adsorbenskomposite werden durch direkte Aufkristallisation von Zeolith auf einer Aluminium-Faserstruktur realisiert. Da durch die Aluminiumfasern potentiell eine sehr gute Wärmezu- und abfuhr ermöglicht wird, soll insbesondere auch der Einfluss desWasserdampftransports auf den zeitlichen Verlauf des Adsorptionsprozesses modelliert, untersucht und bewertet werden.
Die Adsorptionstechnik wird erfolgreich für die thermisch betriebene Wärmetransformation eingesetzt. Die Adsorption ist ein exothermer Prozess. Bei Anlagerung des gasförmigen Adsorptivs (z.B. Wasserdampf) an ein mikroporöses Adsorbens (z.B. Zeolith) wird Wärme freigesetzt. Der Prozess ist reversibel, durch Zufuhr von Wärme kann das Adsorptiv wieder vom Adsorbens getrennt werden. In einem geschlossenen System lässt sich ein Kreisprozess realisieren. Während der Adsorption wird einem Verdampfer, der das Adsorptiv zur Verfügung stellt, Wärme entzogen. Das während des Desorptionsprozesses freiwerdende Adsorptiv kondensiert unter Wärmefreisetzung in einem Kondensator.
Wasser als Adsorptiv hat einige große Vorteile: Es ist weder in der Anwendung gefährlich noch klimaschädlich, es steht in beliebiger Menge zur Verfügung und es hat von allen bekannten Arbeitsmitteln die höchste Verdampfungsenthalpie. Es gibt verschiedene Adsorbentien, die eine hohe Wasseraufnahme zeigen. Nachteilig ist dagegen der geringe Dampfdruck und damit verbunden die geringe Dichte. Für den Stofftransport benötigte Gradienten in Dichte oder Druck limitieren deshalb bei Verwendung von Wasser die Adsorption viel schneller als bei anderen Adsorptiven.
Ziel der aktuellen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sind kompakte Adsorptionsanlagen mit hoher Umwandlungseffizienz auch im kleinen Leistungsbereich. Bisherige Anlagen nutzen meist eine Adsorbenspellet-Schüttung in einem Wärmeübertrager. Aufgrund der in einer Schüttung normalerweise überwiegend auftretenden ungünstigen Punktkontakte zwischen Adsorbens und Wärmeübertrager ist meist der Wärmetransport limitierend für den dynamischen Adsorptionsprozess. Eine sehr vielversprechende Möglichkeit, diese Limitierung aufzuheben, bieten adsorbensbeschichtete poröse metallische Strukturen, die einen deutlich schnelleren Wärme- und Stofftransport ermöglichen können. Zur Optimierung solcher Adsorber ist eine präzise und über Experimente validierte Beschreibung der Adsorptionskinetik notwendig.
Der Wasserdampftransport in der hierarchischen Porenstruktur eines solchen Komposits findet unter Betriebsbedingungen im Übergangsbereich zwischen viskoser Strömung und dem Knudsendiffusions-Regime statt, in dem die mittleren freien Weglängen in reiner Wasserdampfatmosphäre (10-100 mbar) in derselben Größenordnung wie die charakteristische geometrische Dimension der durchströmten Strukturen liegen. In den Mikroporen des aufkristallisierten Adsorbens sind Diffusion und Adsorption untrennbar miteinander verbunden, der Transport findet durch Molekulardiffusion und Diffusion in der adsorbierten Phase statt.
Ausgehend von theoretischen Grundlagen der Adsorptionsthermodynamik sowie Modellen des Stofftransports wird in dieser Arbeit ein Modell der nicht-isothermen Adsorptionskinetik entwickelt, mit dem der Einfluss des Stofftransports auf zwei unterschiedlichen Skalen (bidisperses
Modell) auf den transienten Adsorptionsprozess beschrieben und und im Vergleich zum Wärmetransport bewertet werden kann. Die in diesem Modell benötigten Transportparameter werden mit verschiedenen Methoden experimentell bestimmt. Es werden insbesondere zwei in dieser Arbeit verwendete experimentelle Methoden detailliert dargestellt: Zum einen wird ein selbstentwickeltes Permeabilitätsmessverfahren verwendet, bei dem poröse Strukturen mit Gas im Übergangsbereich zwischen viskoser Strömung und Knudsendiffusion (Grobvakuum) durchströmt und damit Makroporen-Stofftransportparameter (mittlerer Porendurchmesser und Tortuosität) bestimmt werden können. Die Messergebnisse werden durch Vergleich mit anderen Messmethoden (Porosimetrie, Mikroskopie) auf Plausibilität überprüft. Zum anderen wird der zeitliche Verlauf der Adsorption in ausgewählten Proben mit einer volumetrischen Drucksprungmethode vermessen. Durch Anpassen des physikalischen bidispersen Modells des gekoppelten Stoff- und Wärmetransport an Messdaten können die durch andere Messmethoden nicht zur Verfügung stehenden Parameter ermittelt werden.
Durch Simulation von Adsorptionszyklen wird der Einfluss der verschiedenen Transportprozesse auf den Gesamtprozess beurteilt. Anhand des entwickelten Modells und der ermittelten Transportparameter wird eine auf einem Aluminiumfaser-Zeolith-Komposit aufbauende Adsorbergeometrie untersucht. Es zeigt sich, dass neben dem Wärmeübergang von Wärmeübertragerfluid auf den Wärmeübertrager die Wasserdiffusion in den Mikroporen des Adsorbens den transienten Verlauf bestimmt, während der Makroporentransport bei den betrachteten Kompositschichtdicken nur einen geringen Einfluss hat. Eine Pareto-Optimierung für die beiden Optimierungskriterien Effizienz (COP) und volumenspezifische Leistungsdichte zeigt schließlich das große Potential der neuen Adsorbenskomposite und gibt konkrete Hinweise auf optimale Bauformen und Betriebsweisen eines
solchen vielversprechenden Faserkomposit-Adsorbers.