Simulative Untersuchung strukturierter Adsorbens-Komposite für die adsorptive Kühlung

WISSENSCHAFT
ADSORPTIVE KÜHLUNG

Simulative Untersuchung
strukturierter Adsorbens-Komposite
für die adsorptive Kühlung
 Autoren
 (v.l.:) Marc Scherle, Prof. Ulrich Nieken, Institut für Chemische Verfahrenstechnik (ICVT),
 Universität Stuttgart

Simulative Untersuchung strukturierter Adsor- Study of structured adsorbent composites for ad-
bens-Komposite für die adsorptive Kühlung sorption cooling
Adsorptive Kühlung . virtuelles Materialdesign . Prozessdesign Adsorption cooling . digital material design . process design . process
. Prozesssimulation . Optimierung simulations . optimization . pareto-optimality

Für die adsorptive Kühlung wird die Strukturierung von Adsor- The structure of adsorbent composites is optimized for application
bens-Kompositen optimiert. Das globale Optimum des Wir- in adsorption cooling. The global optimum of coefficient of perfor-
kungsgrades (COP) wird als Funktion einer geforderten Leis- mance (COP) is determined as a function of a required specific coo-
tungskennzahl (SCP) bestimmt. Unterschiedliche SCP sind mit ling power (SCP). Different SCPs are linked to different, optimal pro-
unterschiedlichen, optimalen Prozessparametern (Zykluszeit, cess parameters (cycle time, layer thickness) and material properties
Schichtdicke) und Materialeigenschaften (Anteil Transportpo- (transport pores, heat conduction additive).
ren, Wärmeleitadditiv) verknüpft.

1 Einleitung [1, 4]. Wird eine Adsorptionskältema- bensschichten, realisierbar ist. Das Ziel
Der Adsorptionskälteprozess ist ein viel- schine mit thermischer Energie betrie- sollte folglich eine Verbesserung der
versprechender, regenerativer Prozess, ben, die ansonsten als Abwärme an die Wärme- und Stofftransporteigenschaf-
welcher schon seit einigen Jahrzehnten Umgebung abgeführt würde, ist ein ten des Ad-HEX, bei möglichst gleichblei-
erforscht [1] und entsprechende Anlagen wirtschaftlicher Betrieb dennoch mög- bendem COP sein.
kommerziell vertrieben werden [2, 3]. lich. Damit Adsorptionskältemaschinen Ein großes Potenzial hierfür bieten
Adsorptionskältemaschinen werden mit konkurrenzfähig und eine echte Alterna- strukturierte Komposite, welche direkt
thermischer Energie betrieben, was sie tive werden, ist jedoch auch die Verbes- auf den Wärmeübertrager aufgebracht
von den herkömmlichen, elektrisch be- serung von SCP und COP anzustreben. werden, bestehend aus Adsorbens, Wär-
triebenen Kompressionskältemaschinen Eine zentrale Aufgabe bei der Verbes- meleitmaterial und Stofftransportkanä-
unterscheidet. Standorte mit hoher sola- serung von Adsorptionskältemaschinen len. Durch eine gezielte Strukturierung
rer Einstrahlung oder Industriestandorte, stellt das pareto-optimale Ad-HEX (ad- der Komposite können die Wärme- und
welche einen Überschuss an Abwärme sorbent – heat exchanger) Optimie- Stofftransporteigenschaften im Ver-
auf geeignetem Temperaturniveau auf- rungsproblem dar [5], wobei die Einheit gleich zu herkömmlichen Adsorbens-
weisen, sind potenziell geeignet und er- aus Wärmeübertrager und Adsorbens schüttungen erheblich verbessert wer-
lauben eine kostengünstige und kli- betrachtet wird. Auf der einen Seite ist den. Dies ermöglicht die Applikation
mafreundliche Kälteproduktion. Adsorp- die Optimierung des COP wünschens- deutlich größerer Schichtdicken, wo-
tionskältemaschinen haben zwei we- wert, was durch ein möglichst großes durch die Reduktion der Adsorptionska-
sentliche Nachteile im Vergleich zu Verhältnis von Adsorbensmasse zu passi- pazität, bedingt durch das Einbringen
Kompressionskältemaschinen: hohe In- ver Masse, z.B. mit dicken Schichten an des inerten Wärmeleitmaterials, über-
vestmentkosten und ein geringer Wir- Adsorbens, erreicht wird. Auf der ande- kompensiert wird.
kungsgrad (coefficient of performance ren Seite sollte die SCP groß sein, was In der vorliegenden Arbeit wird der
(COP)) bzw. eine geringe spezifische Käl- durch eine hohe Wärme- und Stofftrans- Ansatz einer kombinierten Material- und
teleistung (specific cooling power (SCP)) porteffizienz, z.B. mithilfe dünner Adsor- Verfahrensentwicklung rechnerisch an-

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hand des Zweibett-Adsorptionskältepro-
 1 Verschaltung des Zwei-
zesses und dem Stoffpaar Methanol- bett-Prozesses mit ex-
(karbid-abgeleiteter) Kohlenstoff vorge- ternen Wärmeströmen
stellt. Es werden strukturierte Komposite und den zugehörigen
bestehend aus mikroporösem Adsor- Temperaturniveaus. Ad-
bens, Wärmeleitrippen aus Aluminium sorber 1 befindet sich in
und makroskopischen Stofftransportka- der Regenerations-, Ad-
nälen betrachtet mit dem Ziel, ein virtu- sorber 2 in der Produk-
elles Materialdesign durchzuführen und tionsphase.
den Nutzen der Strukturierung zu zeigen.
Mithilfe eines 1D-Modells und dynami-
schen Prozesssimulationen erfolgt die
Optimierung der Prozesszykluszeit und
der Schichtdicke der Komposite. Gleich-
zeitig werden für unterschiedliche SCP
die Geometrien der Wärmeleitrippen
und Stofftransportkanäle optimiert, wo-
für ein geometrisch motiviertes Modell kontinuierliche Kälteleistung zu gewähr- lisch stationären Zustands notwendig,
der Komposite verwendet wird. Mit die- leisten, sind mindestens zwei Adsorpti- welcher sich je nach Dauer eines Zyklus
sem Modell lassen sich die Höhe und onsbetten notwendig, welche abwech- erst nach einer Vielzahl an Zyklen ein-
Breite der Wärmeleitrippen sowie der selnd zwischen Regenerationsphase (De- stellt.
Stofftransportkanäle gezielt variieren sorption) und Produktionsphase (Ad- Die Bewertung des adsorptiven Kälte-
und für unterschiedliche Anwendungs- sorption) wechseln. prozesses erfolgt mithilfe des (thermi-
fälle eine optimale Strukturierung be- Abb. 1 zeigt schematisch die Prozess- schen) Prozesswirkungsgrads (COP) und
rechnen. verschaltung mit zwei Adsorberbetten, der massenspezifischen Kälteleistung
 Als Zielfunktion der Optimierung wird Verdampfer und Kondensator. Adsorber (SCP)
der maximal erreichbare COP für eine 1 befindet sich in der Regenerationspha- ∫0
 cyc
 ̇ v d v
benutzerseitig gewählte, massenspezifi- se. Durch Wärmezufuhr auf dem hohen = cyc =
 des + heiz(1)
 ,
 ∫0 ( ̇ des + ̇ heiz ) d 
sche SCP verwendet, um sowohl den Temperaturniveau Tdes desorbiert ein Teil
Prozesswirkungsgrad als auch die Leis- des Adsorbats und geht in die Gasphase 
 cyc
 ∫0 ̇ v d 
tungsdichte zu berücksichtigen. Es zeigt über. Das Adsorptiv strömt in den Kon- = = .(2)
 comp 
sich, dass die optimale Strukturierung densator und wird unter Abgabe von
der Komposite vom geforderten Be- Kondensationswärme bei Tk/ads verflüs- Die spezifischen Wärmen q bzw. Wärme-
triebspunkt abhängt, was bereits bei der sigt. stromdichten ̇ sind auf die Quer-
Anlagenplanung durch die geeignete Parallel dazu befindet sich Adsorber 2 schnittsfläche der Adsorbens-Komposite
Wahl des Adsorbens, der Wärmeleitrip- in der Produktionsphase. Durch Wärme- bezogen. comp beschreibt die spezi-
pen und Stofftransportkanäle sowie der abfuhr bei Tk/ads wird der Adsorber zu- fische Masse der strukturierten Kompo-
Schichtdicke der Komposite berücksich- nächst abgekühlt, wodurch das Adsorpti- site bestehend aus Kohlenstoffadsor-
tigt werden sollte. Des Weiteren wird onspotential im Adsorbens ansteigt und bens und Aluminiumwärmeleitrippen.
 bulk
gezeigt, dass durch die Strukturierung Moleküle aus der Gasphase adsorbiert beschreibt die Masse der struktu-
eine erhebliche Verbesserung des COP werden. Unterschreitet der Gasphasen- rierten Komposite in Bezug auf deren
erreicht wird. Das methodische Vorge- druck den (Sattdampf-) Druck im Ver- Gesamtvolumen und s deren Schicht-
hen der Optimierung wurde bereits mit dampfer, öffnet sich das Rückschlagven- dicke.
einem einfachen, experimentell moti- til V4, wodurch die Verdampfung unter
vierten Materialmodell publiziert [6]. Zufuhr der Verdampfungswärme indu- 2.2 Technische Umsetzung des Adsorbers
Das analoge Vorgehen wurde auf die ziert wird. Die zugeführte Verdamp- Einen Überblick über Adsorber-Wärme-
strukturierten Adsorbens-Komposite fungswärme ̇ v ( v ) stellt den Nutzen übertrager liefern Caprì et al. [5]. Her-
übertragen, auf der DKV-Tagung 2020 des Prozesses dar. Am Ende eines Halbzy- kömmlich werden Rippenrohr-, Platten-,
präsentiert [7] und wird in diesem Artikel klus schließen V1 und V4. Durch Ände- Spiralrohr- oder Flachrohrwärmeübertra-
zusammengefasst dargestellt. Die Mate- rung der äußeren Wärmeströme wird ger eingesetzt. Das Adsorbens kann ent-
rialdaten des verwendeten Kohlenstoff- Adsorber 1 in die Produktionsphase und weder als lose Schüttung oder in Form
Adsorbens wurden in einer vorherigen Adsorber 2 in die Regenerationsphase einer kompakten Schüttung eingebracht
Arbeit charakterisiert und publiziert [8]. überführt. Am Ende des zweiten Teil- werden, als Binder-basierter Beschich-
 schritts erfolgt wiederum ein Funktions- tung auf den Wärmeübertrager aufge-
2 Methode tausch, wodurch sich das ursprüngliche bracht oder direkt auf den Wärmeüber-
2.1 Adsorptionskälteprozess und Prozessschema aus Abb. 1 ergibt und ein trager aufkristallisiert werden.
limitierende Einflüsse Zyklus beendet ist. In dieser Arbeit betrachten wir als
Adsorptionskältemaschinen werden zyk- Die Zykluszeit tcyc ist ein zentraler Pro- Ausgangspunkt der Optimierung Flach-
lisch betrieben und bestehen aus drei zessparameter, welcher die Kälteleistung rohrwärmeübertrager, basierend auf
Apparaten: Adsorber, Verdampfer und des Adsorptionskälteprozesses beein- dem Patent von Schiehlen et al. [9], auf
Kondensator, wobei die Kälteleistung im flusst. Zum Vergleich unterschiedlicher welche dünne Platten aus Kohlenstoff-
Verdampfer anfällt. Um eine (quasi-) Zykluszeiten ist die Berechnung des zyk- Adsorbens aufgebracht werden. Der Wi-

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 Für den direkten Vergleich von un-
 2 strukturierten Adsorbens-Platten und
 strukturierten Adsorbens-Kompositen
 wurden als Wärmeübertrager die in Ab-
 schnitt 2.2 beschriebenen Flachrohre ge-
 wählt. In einer späteren Anwendung wür-
 de man die Flachrohre direkt mit Wärme-
 leitrippen herstellen (Rippen-Flachrohr-
 wärmeübertrager) und das Adsorbens
 mit Binder aufpressen, um den Kontakt-
 widerstand zwischen den strukturierten
 Konstruktion eines Wärmeübertragerflachrohrs mit Adsorbensplatten (links) und Aufnahme Kompositen und dem Flachrohr zu mini-
 von Kohlenstoffplatten (rechts) mieren. In dieser Arbeit wird der Kontakt-
 widerstand deshalb nicht betrachtet.
 Abb. 3 zeigt einen strukturierten Ad-
 sorbens-Komposite sowie einen Aus-
 3 schnitt daraus und motiviert das Vorge-
 hen bei der Modellentwicklung. Beidsei-
 tig der Aluminiumrippe befindet sich ei-
 ne makroporöse, gepresste Schicht aus
 mikroporösen Adsorbens-Partikeln (s)
 mit einer mittleren Partikelgröße von ca.
 50-75 µm. Nachträglich eingebrachte,
 makroskopische Transportkanäle (k) er-
 Strukturierter Adsorbens-Komposit bestehend aus mikroporösem Adsorbens, Wärmeleitrippen, möglichen einen guten Stofftransport an
 und Stofftransportkanälen (links) und effektive Modellvorstellung (rechts) die gepresste Adsorbens-Schicht. In der
 Entwicklung des 1-D-Modells werden die
 drei Phasen (wa, s, p) als abschnittsweise
 linear mit den jeweiligen Anteilen wa , s
derstand zwischen Flachrohr und Adsor- untersucht [8]. Aufgrund der hohen in- und p betrachtet, wobei p den gesam-
bensplatten wird in dieser Arbeit als ver- ter- und intrapartikulären Porosität wei- ten Hohlraumanteil aus Transportkanä-
nachlässigbar angenommen. Die Flach- sen kompaktierte Adsorbens-Platten ei- len und Makroporen beschreibt.
rohre sollen kurz und turbulent ne geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Um In der vorliegenden Arbeit wird der
durchströmt sein, sodass es weder ent- die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern, Wärme- und Stofftransport über der
lang noch quer zur Strömungsrichtung können pulverförmige Wärmeleitadditi- Schichtdicke der strukturierten Adsor-
zu einem Temperaturgradienten im Wär- ve (z.B. Bornitrid) verwendet werden. Ei- bens-Komposite eindimensional aufge-
meträgerfluid kommt. Abb. 2 (links) zeigt ne signifikante Zunahme der Wärmeleit- löst. Zur Beschreibung der Transportpro-
die Konstruktion eines Flachrohrs mit fähigkeit wird jedoch nur bei Zugabe ei- zesse in den abschnittsweisen linearen
applizierten Adsorbensplatten (rekonst- nes erheblichen Anteils an Wärmeleitad- Bereichen werden effektive Transportan-
ruiert aus [9]). Rechts ist eine Aufnahme ditiv erreicht, damit die statistische sätze mit entsprechenden Transportpa-
zweier experimentell hergestellter Koh- Perkolationsschwelle überschritten wird. rametern herangezogen. Die verwende-
lenstoffplatten zu sehen. Die inerten Wärmeleitadditive tragen je- ten Transportansätze und effektiven
 doch nicht zur Adsorption bei und redu- Transportparameter wurden kürzlich pu-
2.3 Strukturierte Adsorbens-Komposite - zieren somit die Adsorptionskapazität bliziert [6]. Das Materialmodell zur Be-
Geometrisches Materialmodell und phy- der Adsorbens-Platten. Eine ungerichtete schreibung der Adsorbens-Komposite
sikalische Eigenschaften Zugabe von Wärmeleitadditiven ist so- und das zugrundeliegende Prozessmo-
Es wird karbid-abgeleiteter Kohlenstoff mit nicht zielführend, was experimentell dell wurden auf der DKV-Tagung 2020
(carbide-derived carbon, CDC) als Adsor- nachgewiesen wurde [8]. vorgestellt und sind detailliert im DKV-
bens und Methanol als Kältemittel ver- Ein vielversprechender Ansatz ist hin- Tagungsband 2020 zu finden [7].
wendet. In dieser Arbeit steht die Verbes- gegen die Herstellung strukturierter Ad-
serung des Wärme- und Stofftransports sorbens-Komposite bestehend aus (mak-
einer kompaktierten Schüttung aus CDC- ro-) poröser, kompaktierter Adsorbens- 1 Thoch=T [K]
 des 353.15
Primärpartikeln im Vordergrund. Es wur- Partikelschüttung, in welche Wärme-
 mittel
den exemplarisch die Materialdaten von transport- und Stofftransportstrukturen T =Tads=Tk [K] 303.15
(makro-) porösen Adsorbens-Platten ver- eingebracht werden, wie in Abb. 3 (links) T niedrig
 =Tv [K] 288.15
wendet, welche aus einer kompaktierten dargestellt. Zur Verbesserung der Wär- pm
Schüttung aus (mikro-) porösen Adsor- meleitung werden 3-D-gedruckte, perko- cp [J/kg/K] 500
bens-Primärpartikel bestehen. Die flächi- lierende Aluminiumrippen eingesetzt. mpm [kg/m2] 4
gen Adsorbens-Platten wurden experi- Um zusätzlich einen guten Stofftrans-
 Temperaturrandbedingungen des
mentell auf ihre physikalischen Eigen- port der finalen Komposite zu erhalten,
 Prozesses und Parameter der passiven
schaften (u.a. Adsorptions-, Stofftrans- werden seitlich versetzt zu den Rippen Flachrohrmasse aus Edelstahl
port- und Wärmetransporteigenschaften) Stofftransportkanäle eingebracht.

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2.4 Randbedingungen des Prozesses
 4
Für die Prozesssimulationen werden eini-
ge Prozessparameter vorgegeben. Neben
den äußeren Temperaturniveaus werden
die Massendichte und spezifische Wär-
mekapazität der Wärmeträgerflachrohre
konstant gehalten. Die gewählten Para-
meter sind in Tab. 1 aufgeführt. Die
Flachrohre werden von einem Wärmeträ-
gerfluid durchströmt und sollen aus
Edelstahl mit eine Wandstärke von
0.5 mm und eine Dichte von 8000 kg/m3
 Methodisches Vorgehen zur gemeinsamen Optimierung von geometrischen Strukturparame-
bestehen, woraus sich eine flächenspezi-
 tern und Prozessparametern für den Zweibett-Adsorptionskälteprozess
fische Masse von 4 kg/m2 ergibt.

2.5 Zielfunktion der Optimierung
Es wird ein methodisches Vorgehen zur 5 Maximaler COP in Ab-
Optimierung des klassischen Zweibett- hängigkeit der gefor-
Adsorptionskälteprozesses vorgestellt, derten SCP. Strukturier-
wobei ein virtuelles Materialdesign hete- te Adsorbens-Kompo-
rogen strukturierter Adsorbens-Kompo- site und unstrukturierte
 Adsorbens-Platten sind
site durchgeführt wird und gleichzeitig
 exemplarisch für vier
die Prozessparameter berücksichtigt unterschiedliche SCP
werden. Einen Überblick des Vorgehens dargestellt.
liefert Abb. 4.
 Es erfolgt eine Betrachtung für unter-
schiedliche Anwenderanforderungen und
jeweils eine Vorhersage des globalen Op-
timums im betrachteten Parameterraum.
Materialseitig wird die Strukturierung
von Adsorbens-Kompositen optimiert.
Zusätzlich werden prozessseitig die Zyk-
luszeit und die Schichtdicke der struktu-
rierten Adsorbens-Komposite berücksich-
tigt. Für die Optimierung des 6-dimensio-
nalen Parameterraums wird eine geeigne-
te Zielfunktion benötigt. Um sowohl der
Leistungsdichte als auch dem energeti-
schen Wirkungsgrad des Prozesses Rech- trieb der Anlage nur in begrenztem Ma- zum Vergleich die unstrukturierten Ad-
nung zu tragen, werden in der Zielfunkti- ße angepasst werden, um den Anwen- sorbens-Platten abgebildet (unten).
on sowohl SCP als auch COP verwendet. derwünschen zu entsprechen. Vielver- Bemerkenswert ist die signifikante
Konkret wird für eine geforderte, auf die sprechend ist die Optimierung geeigne- Verbesserung des erreichbaren COP auf-
Masse der Adsorbens-Komposite bezoge- ter Prozess- und Materialparameter grund der Strukturierung. Durch die Ver-
ne SCP die Parameterkombination ge- bereits in der Auslegungs- und Planungs- ringerung der Transportwiderstände
sucht, welche den COP maximiert. phase, um die thermische Wärmepumpe kann die Schichtdicke derart erhöht wer-
 Um die unterschiedlichen Parameter- im Hinblick auf die spezifischen Anforde- den, dass im Bereich hoher Leistungs-
kombinationen zu vergleichen, wird das rungen zu optimieren. dichten eine Steigerung des COP um bis
Prozessmodell in dynamischen Simulati- Um unterschiedliche Anwendungsfäl- zu 20% möglich ist (bei SCP=5000 W/kg).
onen bis zum zyklisch stationären Zu- le zu betrachten, wird die geforderte SCP Mit zunehmender SCP nimmt der maxi-
stand in Matlab gelöst. Die Zielfunktion in einem großen Bereich variiert und je- male COP ab, wobei die Abnahme für die
der Optimierung kann wie folgt formu- weils der optimale COP ermittelt. Abb. 5 strukturierten Adsorbens-Komposite
liert werden zeigt die maximalen COP für strukturier- deutlich geringer ausfällt als für die un-
 te Adsorbens-Komposite. Um den Effekt strukturierten Adsorbens-Platten. Große
 Prozess: cyc , 
 ( ) @ . . �
 Material: swa , wa , top
 k
 , k
 (3) der Strukturierung zu verdeutlichen, ist SCP werden vor allem durch eine Reduk-
 zusätzlich der Verlauf für unstrukturierte tion der Schichtdicke und durch sehr
 Adsorbens-Platten dargestellt, welche kurze Zykluszeiten erreicht, wobei der
3 Ergebnisse und Diskussion keine Wärmeleitrippen und keine zusätz- Einfluss der passiven Masse durch die
Die Effizienz thermischer Wärmepum- lich eingebrachten Stofftransportkanäle Verringerung von Zykluszeit und Schicht-
pen kann durch eine Vielzahl von Pro- enthalten. Exemplarisch sind für vier un- dicke zunimmt, was die Reduktion des
zess- bzw. Betriebsparametern sowie terschiedliche SCP die resultierenden Wirkungsgrades erklärt.
Materialparametern beeinflusst werden. Strukturen mit den entsprechenden Die zu den strukturierten Adsorbens-
Die Betriebsparameter können im Be- Schichtdicken dargestellt (oben) und Kompositen gehörenden optimalen

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 Optimale Prozessparameter für geforderte SCP für strukturierte Adsorbens-Komposite und unstrukturierte Adsorbens-Platten

 2 Optimale Strukturparameter für eine Variation der geforderten SCP onen erfolgte durch eine Zielfunktion,
 welche das Pareto-optimale Verhalten
SCP /(Wkg-1) 500 2000 3500 5000 von SCP und COP berücksichtigt. Durch
 0.05 0.1 0.1 0.1 eine Variation der geforderten SCP wur-
 
 de abschließend ein globales Ausle-
 1 1 1 1 gungsdiagramm erstellt, welches das
 
 0.8 0.4 0.4 0.4 Potenzial der Strukturoptimierung für
 unterschiedliche Betriebszustände ver-
 0.4 0.4 0.25 0.25 deutlicht. Vor allem im Bereich hoher
 Leistungsdichten fordern Transportlimi-
 tierungen eine erhebliche Einbuße im
Strukturparameter sind in Tab. 2 aufge- klassischen Zweibett-Adsorptionskälte- Wirkungsgrad. Durch die Strukturierung
führt. Die entsprechenden optimalen prozess angewendet, kann jedoch auf der Adsorbens-Komposite konnte der
Schichtdicken und Zykluszeiten sind in beliebige Prozessverschaltungen und COP hier um ca. 20% verbessert werden.
Abb. 6 dargestellt. Prozessparameter übertragen werden. Wird die vorgestellte Methode auf ande-
 Das Erreichen hoher Leistungsdichten Als prozessrelevante Größen wurden die re Prozessverschaltungen und struktu-
erfordert das Verdampfen möglichst gro- Zykluszeit sowie die Dicke der Adsor- rierte Materialien übertragen, liefert ein
ßer Mengen Kältemittel, welches adsor- bens-Komposite optimiert. Eine Übertra- Vergleich der finalen Auslegungsdia-
biert werden muss. Damit die freiwer- gung auf weitere Parameter ist direkt gramme eine schnelle Aussage über die
dende Wärme gut abtransportiert wird, anwendbar. Materialseitig wurde die Güte der jeweiligen Variante. Mit ersten
werden durchgängige Wärmeleitrippen Strukturierung der Adsorbens-Komposi- Untersuchungen in einer Technikumsan-
benötigt (swa=1), wobei für größere SCP te bestehend aus Wärmeleitrippen, lage konnten die berechneten Ergebnisse
dickere Rippen zu bevorzugen sind. Die Stofftransportkanälen und aktivem Ad- experimentell bestätigt werden.
anteilige Breite der Transportkanäle auf sorbens angestrebt, wofür ein geometri- Vor allem im Zuge der Digitalisierung
der Oberseite der strukturierten Adsor- sches Materialmodell eingeführt wurde. der Materialherstellung, mit 3-D-Druck
 und additiver Fertigung, verspricht die
bens-Komposite ( )) nimmt mit zu- Mit dieser Methode lässt sich unter den
nehmender SCP ab. Die anteilige Höhe gegebenen Randbedingungen ein globa- gezielte, heterogene Strukturierung von
der Transportkanäle (1-sk) nimmt hinge- les Optimum für den Prozess identifizie- Materialien ein vielversprechender An-
gen zu, was darauf zurückzuführen ist, ren, was durch Vernachlässigung von satz zur Optimierung von verfahrenstech-
dass in kurzer Zeit möglichst viel Metha- entweder Prozess- oder Materialparame- nischen Prozessen zu werden. Die vorge-
nol in die Adsorbens-Komposite trans- tern nicht möglich wäre. Des Weiteren stellte Methode liefert einen An-
portiert werden muss. offenbart die Methode das erhebliche satz beim Vorgehen der Optimierung. n
 Potenzial des virtuellen Materialdesigns
4 Zusammenfassung und Ausblick für strukturell optimierte Adsorbens- 5 Danksagung
Eine Methode zur Verbesserung von Komposite. Die vorliegende Arbeit ist im Zuge des
thermischen Wärmepumpen wurde prä- Mithilfe zyklischer Prozesssimulatio- DFG-geförderten Kooperationsprojektes
sentiert, welche die Optimierung von nen mit einem örtlich eindimensionalen, „Kombinierte Material- und Verfahrens-
Prozessparametern und ein virtuelles instationären Prozessmodell wurden un- entwicklung für Adsorptionswärmepum-
Materialdesign heterogen strukturierter terschiedliche Strukturierungen mitein- pen“ mit dem Geschäftszeichen NI-
Adsorbens-Komposite beinhaltet. Exem- ander verglichen. Die Bewertung unter- 932/10-1 entstanden. Für die finanzielle
plarisch wurde die Methode auf den schiedlicher Struktur-Prozesskombinati- Unterstützung bedanken wir uns herz-

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lich. Im Zuge dieses Projektes wurden die k Kondensator (tiefgestellt), logies: Comparisons and challenges,” Int.
CDC-Adsorbenzien vom Arbeitskreis Transportkanal (hochgestellt) J. Refrig., vol. 32, no. 4, pp. 566–576, Jun.
B.J.M. Etzold der Technischen Universität kühl Abkühlung 2009.
Darmstadt hergestellt (URL: http://www. p Poren [5] A. Caprì, A. Frazzica, and L. Calabrese, “Re-
etzoldlab.de/). Für die Bereitstellung der s Adsorbens (hochgestellt), cent developments in coating technolo-
Materialien bedanken wir uns herzlich. Unterseite (tiefgestellt) gies for adsorption heat pumps: A re-
 v Verdampfung/ Verdampfer view,” Coatings, vol. 10, no. 9, pp. 1–24,
 wa Wärmeleitadditiv 2020.
Nomenklatur wf Wärmeträgerfluid [6] M. Scherle and U. Nieken, “Simultaneous
 spezifische Wärmekapazität Optimization of Process Operational and
 (J/kg/K) Abkürzungen Material Parameters for a 2-Bed Adsorpti-
 Flächen-/Volumenanteil (-) Ad-HEX Adsorbent – heat exchanger/ on Refrigeration Process,” ChemEnginee-
m Massendichte (kg/m2) Absorbens – Wärmeübertrager ring, vol. 4, no. 2, p. 31, 2020.
 ̇ Wärmestromdichte (W/m2) COP Coefficient of Performance/ [7] M. Scherle, T. A. Nowak, and U. Nieken,
q spezifische Wärme (J/m2) Thermischer Wirkungsgrad (-) “Adsorptionskälte – Design strukturierter
 Dichte (kg/m3) DKV Deutscher Kälte- und Adsorbens-Komposite für die adsorptive
s Schichtdicke (m) Klimatechnischer Verein Kühlung,” in Deutsche Kälte-Klima-Ta-
T Temperatur (K) SCP Specific cooling power/ gung 2020 online, 2020.
t Zeit (s) spezifische Kühlleistung (W/kg) [8] L. Träger, J. Gläsel, M. Scherle, J. Hartmann,
 U. Nieken, and B. J. M. Etzold, “Carbon-Me-
Indizes LITERATUR thanol Based Adsorption Heat Pumps:
ads Adsorption [1] F. Meunier, “Adsorption heat powered Identifying Accessible Parameter Space
CDC Karbid-abgeleiteter Kohlenstoff heat pumps,” Appl. Therm. Eng., vol. 61, with Carbide-Derived Carbon Model Ma-
comp strukturierter Adsorbens- no. 2, pp. 830–836, Nov. 2013. terials,” Chem. Eng. Technol., vol. 43, no. 9,
 Komposit [2] “Fahrenheit.” [Online]. Available: https:// pp. 1876–1883, 2020.
cyc Zyklus fahrenheit.cool. [Accessed: 12-Mar-2021]. [9] T. Schiehlen et al., “Modul für eine Wär-
des Desorption [3] “Invensor.” [Online]. Available: https://in- mepumpe,” WO2013/011102A2, 2013.
exp Experiment vensor.com/. [Accessed: 12-Mar-2021].
heiz Aufheizung [4] F. Ziegler, “Sorption heat pumping techno-

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