Promotionsstipendium: Wael Mandow

Modellierung offener Absorptionsprozesse für die Gebäudeklimatisierung und Trocknungsanwendungen

Modellierung offener Absorptionsprozesse für die Gebäudeklimatisierung und Trocknungsanwendungen

•       Einleitung

Offene Absorptionsprozesse eigenen sich dafür, regenerativ bereitgestellte Wärme oder Abwärme über längere Perioden zu speichern und diese anschließend für Trocknungs-, Raumheizungs- oder Kühlzwecke effizient zur Verfügung zu stellen.

Eine offene Absorptionsanlage besteht aus den Hauptkomponenten Absorber, Regenerator und Speicher, Abbildung 1. Im Absorber wird die feuchte Luft mittels einer hygroskopischen Flüssigkeit (z.B. hygroskopische Salzlösung) getrocknet und gleichzeitig aufgrund der freiwerdenden Kondensationsenergie erwärmt. Je nach Anwendung kann die Luft anschließend für Trocknungs- und/oder Heizzwecke verwendet werden. Die durch Wasseraufnahme verdünnte hygroskopische Flüssigkeit wird nach dem Absorptionsprozess gespeichert und in der Regel zeitversetzt in dem Regenerator auf einem niedrigen Temperaturniveau mittels Wärmezufuhr, z.B. aus thermischen Solaranlagen oder einer Abwärmequelle, durch Wasserabgabe wieder aufkonzentriert. Die Wärmeenergie der Wärmequelle kann somit in Form einer konzentrierten Flüssigkeit verlustarm über längere Zeiträume gespeichert und bei Bedarf mithilfe des Absorbers wieder bereitgestellt werden.

Die Komponenten Absorber und Regenerator bestehen aus parellelen Platten, senkrechten Rohren oder Wabenstrucktur. Eine hygroskopische Flüssigkeit, das Sorbens, strömt entlang der Außenseite der Platten, Rohre oder Waben. Um die Fließgeschwindigkeit herab zu setzen, sind z.B. die Rohre mit Textilien ummantelt, die vom Sorbens durchströmt werden. Beim Absorptionsprozess wird feuchte Außenluft im Querstrom am Sorbens entlang geleitet. Dadurch wird die Luftfeuchtigkeit vom Sorbens absorbiert, wobei Verdunstungs- und Bindungsenergie frei wird. Bestehende Modelle zur Beschreibung der Wärme- und Stoffübertragung des Sorptionsprozesses beruhen in der Regel auf semi-empirischen Ansätzen und liefern daher nur grobe Näherungslösungen. Neue experimentelle Verfahren, wie z.B. der Einsatz von einer Thermographiekamera, erlauben genauere experimentelle Untersuchungen des Wärme- und Stoffübergangs und ermöglichen somit Validierungen numerischer Modelle mit höherer Ortsauflösung.

• Zusammenfassung des Arbeitsfortschritts

Luftentfeuchtung erfolgt in herkömmlichen Trocknungs- und Klimatisierungsanlagen durch eine Kühlung der feuchten Luft unter ihren Taupunkt und einer anschließenden Erwärmung bis zu der gewünschten Temperatur. Das Prinzip dieser Betriebsweise birgt einen unnötigen Energieaufwand. In dem geplanten Promotionsvorhaben soll daher ein alternatives Luft-Trocknungsverfahren untersucht werden, bei dem die Luftentfeuchtung durch einen Sorptionsprozess realisiert wird. Die bisherigen Untersuchungen haben gezeigt, dass der Energieverbrauch für Klimatisierungsanlagen auch in mitteleuropäischen Klimata um ca. 40% gesenkt werden kann, wenn die Luftentfeuchtung durch einen Absorptionsprozess anstelle einer Taupunktunterschreitung realisiert werden kann. In subtropischen Klimata kann zudem mit einer noch höheren potentiellen Energieeinsparung gerechnet werden.

In dem Sorptionsprozess wird ein hygroskopisches Fluid mit der Prozessluft in Kontakt gebracht und durch Aufnahme der Luftfeuchte verdünnt. In einem weiteren Prozessschritt, der Regeneration, wird die Feuchte zeitversetzt durch Wärmezufuhr wieder aus dem Sorbens getrieben. Als Anwendungsgebiete des Sorptionsprozesses sind sowohl die Produkttrocknung als auch Klimatisierungsanlagen, bei denen die Luft gleichzeitig entfeuchtet und gekühlt werden soll, zu nennen.

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von numerischen Modellen zur Beschreibung der Wärme- und Stoffübertragungsvorgänge zwischen der Prozessluft und einem hygroskopischen Fluid für Wärme- und Stoffübertrager in Rohrbündel- sowie Plattengeometrie und ggf. einer anderen Geometrie (Wabenstrucktur). Die Modellergebnisse sollen mit experimentellen Ergebnissen verglichen werden, die im Rahmen einer BMBF- geförderten Nachwuchsgruppe an der Universität Kassel durchgeführt wurden. Unter anderem wird die Temperatur an der Phasengrenze thermographisch ermittelt und kann mit den Modellergebnissen verglichen werden. Im Rahmen des Promotionsvorhabens soll ein bestehendes Finite-Differenzen Modell weiterentwickelt und  validiert sowie eine Systemsimulationl in der Simulationsumgebung Dymola erstellt werden.

Im ersten Jahr wurde die Implementierung eines Effektivitätsmodelles in der Simulationsumgebung Dymola erreicht sowie der Vergleich eines bestehendes FD-Modells mit ausgewählten vorhandenen Messergebnissen mit dem Ziel der Modellweiterentwicklung durchgeführt. Dazu kommt auch das Aussuchen bzw. die Auswertung vorhandener Messungungen. Zusätzlich wurde eine Excel-Vorlage zur Auswertung von vorhandener Messungen erstellt.

Im zweiten Jahr wurde das Effektivitätsmodell  für Rohrbündel sowie Plattengeometrie sowohl als Absorber als auch Regenerator weiterentwickelt und validiert. Die Wärme- und Stoffübertragungsprozesse in einer Wabenstrucktur (Stand der Technik-neue System-Anlage wurde in unserer Forschungsgruppe geschafft und wird untersucht sehe Abstract im Anhang) im Absorber sowie Regenerator wurden in dem Effektivitätsmodell abgebildet und anhand der verfügbaren Messergebnissen validiert. Die Ergebnisse sollten im September 2018 in Eurosun 18(internationale Konferenz in der Schweiz) veröffentlicht werden. Das abstract wurde eingereicht und akzeptiert. Die Ergebnisse von Effektivitätsmodell sowie von Finite-Differenzen-Modell wurden verglichen.

Das erste Systemmodell (Absorber mit und ohne Kühlturm) wurde in TRNSYS (Simulationsumgebung) erstellt und mehrere Jahressimulation für verschiedenen Szenarien wurden durchgeführt.

Im dritten Jahr sollt ein System-Modell in Dymola erstellt und validiert werden und abschließend soll die Arbeit dokumentiert werden. Dazu ist eine Veröffentlichung (Paper) über Komponenten- sowie Systemmodell geplant.

•    Seminare, Workshop

Tabelle 1: Seminare und Workshops

• Veröffentlichungen 
• Eurosun 2018 10.-13.09.2018 in Rapperswill in der Schweiz

Abstract ist schon eingereicht und wurde akzeptiert und momentan arbeite ich an dem Paper (Deadline 07.09.2018)

Title:”Comparison of modeled and measured heat and mass transfer in a liquid desiccant air-conditioning system”

Zusammenfassung:In folgender Arbeit wurde die Wärme- und Stoffübertragungsprozess in einem Absorber modelliert und die Ergebnisse wurden mit Messergebnissen verglichen. Die Messergebnisse stammen aus einem mit Rippen aus Glasfasern Rohrbündelwärme- und Stoffübertrager. LiCl-H2O wurde als Sorbens eingesetzt. Verglichen wurden der absorbierter Wasserdampfmassenstrom und die Energieaufteilung. Die Mess- und Simulationsergebnisse zeigen eine sehr gute Übereinstimmung miteinander hinsichtlich des absorbierten Wasserdampfmassenstroms.