Labor Sorptionsprozesse

Mit dem Wärmepumpenprüfstand können die Standard-Messbedingungen (Volumenströme und Rücklauftemperaturen) zur Ermittlung der jahresmittleren Leistungszahl von elektro- und gasbetriebenen Wärmepumpen nach den Vorgaben der Richtlinien VDI-4650-1, VDI-4650-2 und der Norm DIN EN 12309; 2014 sehr genau eingestellt werden. Dadurch können mit diesem Versuchsaufbau Wärmepumpen in Bezug auf ihre Leistung und Leistungszahl bei den geforderten Betriebspunkten untersucht werden. Dazu wird der elektrische Stromverbrauch und im Falle von gasbetriebenen Wärmepumpen auch der Gasverbrauch ermittelt. Grundsätzlich besteht der Prüfstand aus einem Solekreislauf und einem Heizkreislauf. Der Heizkreislauf simuliert im Prinzip den Heizungswasserkreislauf eines Hauses. Mit dem Solekreislauf ist der Kreislauf zur Aufnahme der Umgebungswärme aus der Wärmequelle (hier Grundwasser, Erdreich und Solar) und Abgabe dieser an den Verdampfer der Wärmepumpe gemeint. Die Leistungszahl (auch Coefficient of Performance, COP genannt) der Wärmepumpe wird ermittelt, indem die an den Heizkreislauf abgegebene Leistung durch die eingesetzte Energie (Strom oder Gas) dividiert wird.
Max. Leistung Solekreislauf:    4,5 kW
Max. Leistung Heizkreislauf:    16 kW

Im Adsorptions-Kinetik-Prüfstand wird die Geschwindigkeit von Adsorptions- und Desorptionsprozessen unter quasi-isobaren oder quasi-isothermen Bedingungen gemessen. Dabei wird untersucht, wie schnell ein gewähltes Adsorbens (Zeolithe, Silikagele, MOFs, etc.) unter vorgegebenen Anfangs- und Endbedingungen in Adsorptionskältemaschinen, Wärmepumpen oder ‑speichern Wasserdampf an seiner Oberfläche adsorbiert bzw. desorbiert. Der Versuchstand ist für die Untersuchung sehr kleiner Probemassen ausgelegt, um verschiedene Adsorbentia bzw. Adsorberkonfigurationen unter gleichen Versuchsbedingungen zu vergleichen. Die Messergebnisse werden zusammen mit Simulationsmodellen in COMSOL Multiphysics oder gPROMS verwendet, um die gekoppelten Wärme- und Stoffübergangseigenschaften der untersuchten Proben (lose Pellets, Schichten, etc.) zu ermitteln. Dadurch wird der Weg geebnet, Adsorberwärmetauscher gezielt auszulegen und zu simulieren. Zum Versuchsaufbau gehören unter anderem eine Messzelle, ein Dampfbehälter, ein Verdampfer und eine Vakuumpumpe.

Die Versuchsanlage dient der Untersuchung der Wärme- und Stoffübertragung in den beiden Betriebsphasen (Absorption-Verdampfung bzw. Desorptions-Kondensation) eines Speicher- bzw. Wärmepumpenprozesses. Sie besteht aus zwei identischen Komponenten mit einem Vakuumventil im Verbindungsrohr. Sowohl Wärme- als auch Stoffübertrager sind als Rieselfilmapparate ausgeführt. Die für den Betrieb notwendige Versorgung mit Wärme- und Kälteleistung wird durch den im Labor vorhandenen Wärmepumpenprüfstand bereitgestellt. Für zukünftige Untersuchungen der Absorptions-/Adsorptions- und Desorptionskinetik auf der Komponentenskala einer Sorptionsmaschine wird derzeit ein spezieller Aufbau, der sogenannte „Großmaßstäbliche Sorptionskinetik-Prüfstand“, entwickelt.

In der Entgasungsanlage werden die im Wasser gelösten Inertgase, wie zum Beispiel Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoffdioxid, entfernt. Der Entgasungsprozess läuft unter ständiger Evakuierung der Anlage. Das entgaste Wasser wird im Adsorptions-Kinetik-Prüfstand sowie in den Wärmepumpenanlagen und Adsorptionsspeichern benötigt. In einem Arbeitsschritt können dabei maximal 10 l Wasser entgast werden, die der Anlage unter Vakuum in vakuumdichten Behälter entnommen werden und in den anderen Aufbauten auch unter Vakuum hineingefüllt werden.

Im Wärmeleitfähigkeitsprüfstand wird unter Vakuum die Wärmeleitfähigkeit und die Temperaturleitfähigkeit von Feststoffen, Flüssigkeiten, Gelen und Granulaten mit einer Genauigkeit besser als 3% bei unterschiedlichen Temperaturen untersucht. Das Heizbrückenverfahren „Transient-Hot-Bridge (THB)" für Messungen der thermischen Transporteigenschaften von Stoffen ist eine Weiterentwicklung der Heizstreifenmethode „Transient-Hot-Strip (THS)". Die genannten Verfahren gehören zur Klasse der instationären, also zeitabhängigen Messmethoden, die, im Gegensatz zu den stationären Verfahren, sehr viel kürzere Messzeiten bieten und jeweils neben der Wärmeleitfähigkeit auch gleichzeitig noch die Temperaturleitfähigkeit bestimmen können. Der Prüfstand ist mit einer eigenen Vakuumpumpe, einer elektrischen Heizung und einem thermostatischen Umlaufbad ausgestattet.

Der Vakuumofen von Vacucell (Modell: evo-line) wird verwendet, um Zeolith oder auch Wärmeübertrager für vakuumgerechte Anwendungen zu trocknen.

Für die Untersuchung der Reaktionskinetik im Eisen-Redox-Speichers wurde ein TGA-DSC (Thermo-Gravimetrische Analyse - Dynamische Differenzkalorimetrie) Analysengerät angeschafft worden.

Mit der Feinstwaage von KERN (Modell ALS 250-4A) können kleine Massen sehr genau gewogen werden. Dies ist beispielsweise für den Adsorptions-Kinetik-Prüfstand notwendig, wo man geringe Massen von ca. 200 mg benötigt, die aber sehr genau abgewogen sein müssen.

Mit Hilfe des im Labor vorhandenen, mobilen Helium-Lecksuchgeräts von Leybold (Modell: L300i) werden Dichtheitsprüfungen durchgeführt, beispielsweise von Ventilen oder Komponenten für die Adsorptions- oder Absorptions-Wärmepumpen bzw. -Speicher. Mit Helium als Prüfgas können auch bereits kleinste Lecks und Undichtheiten detektiert werden, da Heliummoleküle sehr klein und leicht sind. Vorteile von der Lecksuche mit einem Prüfgas sind die hohe Empfindlichkeit, zerstörungsfreie Prüfung und eine hohe Wiederholgenauigkeit.

Aspen Plus: Prozesssimulatonssoftware zur Modellierung und Simulation chemischer Prozesse. Außerdem können damit beispielsweise Wärmeübertrager konstruiert werden.

COMSOL Multiphysics: COMSOL Multiphysics® ist eine Simulationsplattform, die alle Schritte im Modellierungsworkflow umfasst — von der Definition von Geometrien, Materialeigenschaften und der beschreibenden Physik, bis hin zum Lösen und Nachbearbeiten von Modellen zur Erzeugung genauer und vertrauenswürdiger Ergebnisse. Im Labor werden damit innovative Adsorber-Wärmeübertrager simuliert.

gPROMS: gPROMS (Abkürzung für general PROcess Modelling System) ist eine hoch entwickelte Prozessentwicklungsumgebung, mit der Modelle (entweder grafisch oder mathematisch) gebildet und auch miteinander verknüpft werden können. Die Modelle können stationär oder auch transient simuliert werden.

LabVIEW: grafische Entwicklungsumgebung mit den Hauptanwendungsgebieten Mess-, Regel- und Automatisierungstechnik. Mit LabVIEW kann jeder Anwendungsaspekt visuell dargestellt werden, darunter Hardwarekonfiguration, Messdaten und Fehlersuche.

Polysun: Detaillierte Simulation eines kompletten Jahres komplexer vernetzter Heizanlagen wie z. B. Wärmepumpen und Pelletkessel mit thermischen Solaranlagen und saisonalem Pufferspeicher, Photovoltaik und Windanlagen für die Energieversorgung von Gebäuden.