Experimentelle und simulationsbasierte Analyse eines Sorptionsbettes zur Aufnahme von natürlichen Kältemittel bei unterschiedlichen Leckagen

Medientyp: E-Book

Titel: Experimentelle und simulationsbasierte Analyse eines Sorptionsbettes zur Aufnahme von natürlichen Kältemittel bei unterschiedlichen Leckagen

Beteiligte: Sonner, Christian [Verfasser]; Henning, Hans-Martin [Akademischer Betreuer]; Henning, Hans-Martin [Sonstige]

Körperschaft: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Institut für Nachhaltige Technische Systeme ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Erschienen: Freiburg: Universität, 2022

Umfang: Online-Ressource

Sprache: Deutsch

DOI: 10.6094/UNIFR/225842

Identifikator:

Schlagwörter: Adsorption ; Aktivkohle ; Propan ; Leckage ; Kältemittel ; Wärmepumpe ; Sicherheit ; Kompressionskältemaschine ; (local)doctoralThesis

Entstehung:

Hochschulschrift: Dissertation, Universität Freiburg, 2022

Anmerkungen:

Beschreibung: Abstract: In der jüngst erschienenen Studie „Wege zu einem klimaneutralen Energiesystem“ haben basierend auf Simulationen Forscher des Fraunhofer Institutes für Solare Energiesysteme (ISE) Transformationspfade für das deutsche Energiesystem aufgezeigt, die zu einem klimaneutralen Energiesystem bis 2050 führen. Wärmepumpen wird nicht nur in dieser Studie eine herausragende Bedeutung für die Dekarbonisierung der Wärmeversorgung zugeschrieben. Das natürliche Kältemittel Propan kann aufgrund der günstigen Lage des Phasengleichgewichtes und des geringen Treibhauspotentials (GWP, Global Warming Potential) der Wärmepumpentechnologie zum weiteren Durchbruch verhelfen. Da Propan brennbar ist, bedarf es für seinen Einsatz als Kältemittel in Wärmepumpen sicherheitstechnischer Maßnahmen, welche im Leckagefall Mensch und Umwelt schützen. Eine mögliche Maßnahme basiert auf der adsorptiven Bindung von Propan an Aktivkohle: Im Fall einer Leckage wird der ausströmende Massenstrom durch Diffusions- oder Strömungsmechanismen über das Aktivkohlebett geführt und dort adsorbiert. Für die Auslegung einer solchen Sicherheitseinrichtung ist ein Verständnis des Adsorptionsverhaltens in Abhängigkeit von den Aktivkohleeigenschaften und den Leckagemassenströmen von zentraler Bedeutung. Im Rahmen der Arbeiten für diese Dissertation wurde das Adsorptionsverhalten von Propan an Aktivkohlen bei unterschiedlichen Leckagen experimentell und simulationsbasiert untersucht. Die thermodynamischen und strömungsmechanischen Einflussfaktoren werden dargestellt und charakterisiert, aus denen, aufbauend auf einer numerischen Methode, die Vorhersage des Adsorptionsverhaltens weiterer Aktivkohlen abgeleitet werden kann. Für die experimentelle Beantwortung dieser Fragestellungen wurde ein Teststand konzipiert, welcher die zeitlich aufgelöste Analyse des Adsorptionsverhaltens ermöglicht. Hierzu wurden im Wesentlichen die Temperaturverläufe im Aktivkohlebett, die Adsorberausgangs-konzentration und die sorptive Gesamtbeladung ermittelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Aktivkohlen mit unterschiedlichen thermodynamischen und geometrischen Eigenschaften bei Leckagemassenströmen von 0,05 g/s bis 2,4 g/s untersucht. Die Aktivkohle I weist eine starke Temperaturabhängigkeit der Adsorptionsisothermen auf, und die sorptive Beladungskapazität reduziert sich mit steigendem Leckagemassenstrom von 225 mg/g auf 171 mg/g. Bei einer geringeren Temperaturabhängigkeit der Adsorptionsisothermen konnte bei der Aktivkohle II eine mittlere Beladung der Aktivkohle mit Propan von 129 mg/g ± 4,5 mg/g über den betrachteten Bereich des Leckagemassenstroms ermittelt werden. Für die simulationsbasierte Evaluierung des Adsorptionsverhaltens wurde ein 1-dimensionalesLinienmodell entwickelt, welches auf der Bilanzierung der Massenströme und der Energieströme beruht. Durch die makro- und mikroskopische Betrachtung der festen und fluiden Phase sind die Materialeigenschaften und die Eigenschaften des Aktivkohlebettes berücksichtigt. Anhand einer Parameteridentifikation wurden die unsichersten Parameter ermittelt und das Linienmodell durch die experimentelle Datenbasis validiert. Hieraus konnten die sorptiven Beladungsverläufe im Adsorptionsbett abgebildet werden. Auch hier zeigten sich der Temperatureinfluss der Adsorptionsisothermen und der Einfluss der Maximalbeladung beim sich einstellenden thermodynamischen Gleichgewicht. So konnten die Auswirkung und der Einfluss der Interaktionen von Materialeigenschaften, Wärmeströmen und Energieströmen auf das Adsorptionsverhalten detailliert beschrieben werden. Durch die Implementierung gültiger empirischer und theoretischer Ansätze kann das Linienmodell als ein Werkzeug betrachtet werden, um das Adsorptionsverhalten weiterer Aktivkohlen zu simulieren. Durch die gesamtheitliche Analyse des Adsorptionsverhaltens der Aktivkohlen konnte gezeigt werden, dass Propan an Aktivkohle adsorbiert und als Sicherheitselement eingesetzt werden kann. Eine Optimierung der Strömungsgeometrie und des Wärmemanagements würde speziell bei Aktivkohlen mit einer hohen Temperaturabhängigkeit der Adsorptionsisothermen die mittlere Adsorbensbeladung erhöhen

Zugangsstatus: Freier Zugang

Rechte-/Nutzungshinweise: Urheberrechtsschutz

Nur in Feld suchen:

Zuletzt gesuchte Begriffe: