Stofftransport in Hochleistungs-Adsorbern: Monte-Carlo Simulation und Durchstr\u00f6mungsexperimente<\/p>\n
Ziel dieser Arbeit ist die physikalische Beschreibung der nicht-isothermen Wasser-Adsorption und ihrer bestimmenden Transportprozesse in neuartigen Adsorbens-Kompositen f\u00fcr W\u00e4rmetransformationsanwendungen. 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 W\u00e4rmezu- und abfuhr erm\u00f6glicht wird, soll insbesondere auch der Einfluss desWasserdampftransports auf den zeitlichen Verlauf des Adsorptionsprozesses modelliert, untersucht und bewertet werden.
Die Adsorptionstechnik wird erfolgreich f\u00fcr die thermisch betriebene W\u00e4rmetransformation eingesetzt. Die Adsorption ist ein exothermer Prozess. Bei Anlagerung des gasf\u00f6rmigen Adsorptivs (z.B. Wasserdampf) an ein mikropor\u00f6ses Adsorbens (z.B. Zeolith) wird W\u00e4rme freigesetzt. Der Prozess ist reversibel, durch Zufuhr von W\u00e4rme kann das Adsorptiv wieder vom Adsorbens getrennt werden. In einem geschlossenen System l\u00e4sst sich ein Kreisprozess realisieren. W\u00e4hrend der Adsorption wird einem Verdampfer, der das Adsorptiv zur Verf\u00fcgung stellt, W\u00e4rme entzogen. Das w\u00e4hrend des Desorptionsprozesses freiwerdende Adsorptiv kondensiert unter W\u00e4rmefreisetzung in einem Kondensator.<\/p>\n
Wasser als Adsorptiv hat einige gro\u00dfe Vorteile: Es ist weder in der Anwendung gef\u00e4hrlich noch klimasch\u00e4dlich, es steht in beliebiger Menge zur Verf\u00fcgung und es hat von allen bekannten Arbeitsmitteln die h\u00f6chste Verdampfungsenthalpie. Es gibt verschiedene Adsorbentien, die eine hohe Wasseraufnahme zeigen. Nachteilig ist dagegen der geringe Dampfdruck und damit verbunden die geringe Dichte. F\u00fcr den Stofftransport ben\u00f6tigte 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-Sch\u00fcttung in einem W\u00e4rme\u00fcbertrager. Aufgrund der in einer Sch\u00fcttung normalerweise \u00fcberwiegend auftretenden ung\u00fcnstigen Punktkontakte zwischen Adsorbens und W\u00e4rme\u00fcbertrager ist meist der W\u00e4rmetransport limitierend f\u00fcr den dynamischen Adsorptionsprozess. Eine sehr vielversprechende M\u00f6glichkeit, diese Limitierung aufzuheben, bieten adsorbensbeschichtete por\u00f6se metallische Strukturen, die einen deutlich schnelleren W\u00e4rme- und Stofftransport erm\u00f6glichen k\u00f6nnen. Zur Optimierung solcher Adsorber ist eine pr\u00e4zise und \u00fcber Experimente validierte Beschreibung der Adsorptionskinetik notwendig.
Der Wasserdampftransport in der hierarchischen Porenstruktur eines solchen Komposits findet unter Betriebsbedingungen im \u00dcbergangsbereich zwischen viskoser Str\u00f6mung und dem Knudsendiffusions-Regime statt, in dem die mittleren freien Wegl\u00e4ngen in reiner Wasserdampfatmosph\u00e4re (10-100 mbar) in derselben Gr\u00f6\u00dfenordnung wie die charakteristische geometrische Dimension der durchstr\u00f6mten 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 W\u00e4rmetransport bewertet werden kann. Die in diesem Modell ben\u00f6tigten Transportparameter werden mit verschiedenen Methoden experimentell bestimmt. Es werden insbesondere zwei in dieser Arbeit verwendete experimentelle Methoden detailliert dargestellt: Zum einen wird ein selbstentwickeltes Permeabilit\u00e4tsmessverfahren verwendet, bei dem por\u00f6se Strukturen mit Gas im \u00dcbergangsbereich zwischen viskoser Str\u00f6mung und Knudsendiffusion (Grobvakuum) durchstr\u00f6mt und damit Makroporen-Stofftransportparameter (mittlerer Porendurchmesser und Tortuosit\u00e4t) bestimmt werden k\u00f6nnen. Die Messergebnisse werden durch Vergleich mit anderen Messmethoden (Porosimetrie, Mikroskopie) auf Plausibilit\u00e4t \u00fcberpr\u00fcft. Zum anderen wird der zeitliche Verlauf der Adsorption in ausgew\u00e4hlten Proben mit einer volumetrischen Drucksprungmethode vermessen. Durch Anpassen des physikalischen bidispersen Modells des gekoppelten Stoff- und W\u00e4rmetransport an Messdaten k\u00f6nnen die durch andere Messmethoden nicht zur Verf\u00fcgung 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 W\u00e4rme\u00fcbergang von W\u00e4rme\u00fcbertragerfluid auf den W\u00e4rme\u00fcbertrager die Wasserdiffusion in den Mikroporen des Adsorbens den transienten Verlauf bestimmt, w\u00e4hrend der Makroporentransport bei den betrachteten Kompositschichtdicken nur einen geringen Einfluss hat. Eine Pareto-Optimierung f\u00fcr die beiden Optimierungskriterien Effizienz (COP) und volumenspezifische Leistungsdichte zeigt schlie\u00dflich das gro\u00dfe Potential der neuen Adsorbenskomposite und gibt konkrete Hinweise auf optimale Bauformen und Betriebsweisen eines
solchen vielversprechenden Faserkomposit-Adsorbers.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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