Ulrike Jordan für die hervorragende Betreuung und die enorme Unterstützung bei der Durchführung der gesamten Arbeit. Für die finanzielle Unterstützung möchte ich mich bei der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) und der Universität Kassel bedanken.
Zielsetzung und Vorgehensweise
Das entwickelte Komponentenmodell wird anhand von Mess- und Simulationsdaten für verschiedene Geometrien (Platten, Wellplatten und Rohrbündel) validiert. Darüber hinaus wird das entwickelte Komponentenmodell verwendet, um ein Systemmodell eines bestehenden LDAC-Systems in TRNSYS zu erstellen.
Aufbau der Arbeit
Dieses Kapitel beschreibt die Funktionsweise von Absorptionsprozessen, den Aufbau von Systemkomponenten und den Aufbau eines offenen Absorptionssystems.
Der Absorptionsprozess
Luft mit einer Wasserbeladung von x=12 gW/kgtr.L (violette Linie in Abb. 4) mit einer 40 %igen LiCl-H2O-Lösung bei einer Temperatur beider Phasen unter ca Wasserbeladung von x=12 gW/kgdr.L, der Gleichgewichtszustand liegt bei 32 °C.
Absorber- und Regeneratorbauarten
4 zeigt, dass die LiCl-H2O-Lösung im Vergleich zu einer CaCl2-H2O-Lösung bei gleicher Temperatur und gleichem Salzmassenanteil einen deutlich geringeren Dampfdruck aufweist.
Beispiele für Anwendungsgebiete von offenen Flüssigsorptionssystemen
Untersuchte Komponenten
Rohrbündelwärme- und Stoffübertrager
Das Sorptionsmittel fließt am Stoff entlang und kommt in einer Kreuzstromkonfiguration in direkten Kontakt mit der Luft. Das Sorptionsmittel fließt nach unten und sammelt sich in einer Wanne und fließt dann in das Auslassrohr, was zu einer großen Unsicherheit bei der Temperaturmessung, insbesondere im Regenerationsprozess, führt.
Platten- Wärme- und Stoffübertrager
Sorptionsanlage mit Wellplattenwärme- und Stoffübertragern (AILR-Anlage) 12
Der Wärme- und Stoffaustausch zwischen der Luft und dem Sorptionsmittel findet an der gewellten Plattenoberfläche statt. Der Wärmeübergang zwischen Sorptionsmittel und Kühl-/Heizwasser erfolgt an der Oberfläche des Rohrbündels.
Massen- und Energiebilanz
Die Messungen bestimmen den Massenstrom an Wasserdampf sowohl von der Luft (ṁv,AS) als auch von der Sorptionsseite (ṁv,SS). Die Energiebilanz kann anhand des Wasserdampfmassenstroms ermittelt werden, der Wasserdampfmassenstrom wird aus der Luft- und der Sorptionsmittelseite ermittelt.
Modellansätze und charakteristische Größen
NTUWÜ- und NTUSÜ-, NTU-Le-Modelle werden nicht für Langzeitsimulationen oder zum Entwurf ganzer Systeme verwendet (Kozubal et al. 2014). Wärme- und Stoffübertragungseffizienzen können mithilfe von Korrelationen (Stevens et al. 1989) oder mithilfe gemessener oder simulierter Daten (Qi et al. 2013) berechnet werden.
Semi-empirische Absorbermodelle
Die maximale Abweichung zwischen Simulations- und Messergebnis betrug 2,9 % für die Temperatur, 6,6 % für den Wassergehalt der Luft und 2 % für die Temperatur des Sorptionsmittels am Absorberaustritt. Das Modell von (Qi et al. 2013) zeigt eine hohe Abweichung der Wasserfracht von den Messdaten.
NTU-Le-Modelle
Le und NTUWÜ und NTUSÜ gehören zu den Eingabevariablen für (Yang 2015) und wahrscheinlich auch für (Zhang et al. 2013). Es liegen keine Informationen zur Validierung des Regenerationsmodells in (Zhang et al. 2013) oder (Yang 2015) vor.
Schlussfolgerungen
Die Systemmodelle
- Wärme- und Stoffübertragung
- Sorbensspeicher
- Interner Sorbenswärmeübertrager
- Modellanwendung
- Modellvalidierung
Kozubal et al. 2014) modelliert zwei separate Sorptionsmittelreservoirs (konzentriert und verdünnt) mit Schichtung und möglicher Vermischung. Zusammenfassend handelt es sich bei den Absorber- und Regeneratormodellen aus (Crofoot 2012), (Mohaisen und Ma 2015) und (Kozubal et al. 2014) um vereinfachte Modelle.
Finite-Differenzen-Modell (FDM)
Die Wärmeübertragung zwischen Luft und Sorptionsmittel hängt von den Temperaturen der Luft und des Sorptionsmittels an der Grenzfläche zwischen den beiden Flüssigkeiten ab. Das treibende Potenzial ist der Dampfdruckunterschied zwischen Luft und Sorptionsmittel an der Phasengrenze.
Vergleich mit bestehenden Modellansätzen
Der Wärmeübergangskoeffizient des Sorptionsmittels und die Le-Zahl sind konstante Parameter; Die Wärme- und Stoffübergangskoeffizienten und damit die NTU für Wärme- und Stoffübergang werden vor der Simulation zunächst beispielsweise aus experimentellen Ergebnissen ermittelt und dann in das Modell eingespeist.
Stoffdaten und Bilanzierung
Darüber hinaus werden die Simulationsergebnisse von EFFM mit den Ergebnissen der FD-Modelle (Kozubal et al. 2014), SorpSim (Yang 2015) und dem in der Abteilung entwickelten FD-Modell zum Wärme- und Stoffübertragungsprozess während der Messung verglichen Simulation. 13 zeigt einen Überblick über validierte Wärme- und Stoffaustauscher (Platten-, Wellplatten- und Rohrbündelkonstruktionen), numerische Modelle und Prozesse (Absorption/Regeneration).
Validierung des Wellplattenmodells anhand von Mess- und
Adiabater Absorptionsprozess
Die berechnete Temperaturänderung der Luft und des Sorptionsmittels weicht von den gemessenen Werten um maximal 1,3 K für die Luft und 0,3 K für das Sorptionsmittel ab. Die berechnete Temperaturänderung der Luft und des Sorptionsmittels weicht von den gemessenen Werten von 1,4 K und 0,8 K ab.
Intern gekühlter Absorptionsprozess
Abb. 18: Gemessener und simulierter Anstieg der Lufttemperatur bei wechselnder Luftbeladung mit Wasser. Die Temperatur des Sorptionsmittels am Eintritt in den Absorber ist um 5,7 bis 7,3 K höher als die Temperatur der Luft und des Kühlwassers am Eintritt.
Wellplatten-Regenerator
46 zeigt den gemessenen und simulierten Temperaturanstieg der Luft bei einer Variation der Wasserbeladung der Luft. Bei der Messung IV.2 ergibt sich hingegen eine Wärmeverteilung (8,5 kW): 51 % Sorptionswärme, 29 % sensible Erwärmung der Luft und 21 % sensible Erwärmung des Absorbens. Aufgrund eines systematischen Messfehlers wurde die Temperatur des Sorptionsmittels am Auslass als Mittelwert der Luft- und Heizwassertemperatur am Auslass ermittelt.
Vergleich mit anderen Modellen
Vergleich mit physikalischem Modell (Wellplatten und ebene Platten)
57 zeigt den durch EFFM und FDM simulierten Dampfmassendurchsatz als Funktion der Wasserbeladung der Einlassluft. Bei FDM ist der Anstieg der Lufttemperatur jedoch 2 bis 3 K höher als der Anstieg der Sorptionsmitteltemperatur. Bei FDM wird im Vergleich zu EFFM mehr sensible Wärme an die Luft und weniger an das Sorptionsmittel abgegeben.
Vergleich mit einem NTU-LE-Modell (SorpSim)
75 ist zu erkennen, dass die Temperaturänderung des Sorptionsmittels in der SorpSim-Simulation die gemessene und die mit EFFM simulierte um maximal 3,4 K (AAD= 1,4 K) bzw. 1,5 K (AAD= 0,45 K) unterschätzt. Die maximale Abweichung der berechneten Temperaturänderung des Sorbens vom SorpSim-Modell und der Messung beträgt 4,3 K (AAD= 1,85 K) und vom EFFM 1,4 K (AAD= 0,9 K). Allerdings ist die Temperaturänderung des Sorptionsmittels bei SorpSim für den Regenerationsprozess geringer als bei EFFM.
Vergleich mit einem NTU-LE-Modell (AILR-Modell)
Das AILR-Modell bildet die Temperaturänderung der Luft und des Kühlwassers mit einer maximalen Abweichung von 0,8 K gut ab. Im AILR-Modell beträgt diese gegenüber der Messung maximal 7 K (AAD=5 K) und 6,2 K (AAD=). 5 K) im Vergleich zur EFFM-Simulation (siehe Abb. 86). Das AILR-Modell bildet die Temperaturänderung des Heiz-/Kühlwassers und des Sorptionsmittels mit einer maximalen Abweichung von 0,6 K (AAD=0,4 K) gegenüber dem EFFM ab.
Vergleich mit Messdaten anderer Geometrien
Absorption an ebenen Platten (Messung und FDM-Simulation)
Aus der Temperaturänderung der Flüssigkeiten berechnet der EFFM die Temperaturänderung der Luft mit einer maximalen Abweichung von 1,3 K (AAD=0,8 K) zum FDM. Die gemessene Temperaturänderung der Luft und des Sorptionsmittels muss also höher sein als die aktuelle. Daher sind die gemessenen Temperaturänderungen der Luft und des Sorptionsmittels (mit Ausnahme von Test 5) geringer als die vom EFFM und FDM simulierten.
Rohrbündelregenerator
Bei der Temperaturänderung des Sorptionsmittels ist die gemessene Temperaturänderung aufgrund der Wärmeverluste (Messungen 2, 3 und 4 mit höherer Heizwassertemperatur am Eintritt) und der Messmethode fehleranfällig. Das Sorptionsmittel fließt sehr langsam an den Platten herunter . und wird in einem Trog gesammelt. Für die Temperaturerhöhung der Luft und des Sorptionsmittels beträgt die durchschnittliche Abweichung 1,4 K für die Luft und 1,7 K für das Sorptionsmittel (AAD%=4% für die Austrittstemperatur der Luft und des Sorptionsmittels). Die Abweichung ist teilweise auf Messunsicherheiten zurückzuführen, insbesondere auf den Massenanteil und die Temperatur des Sorptionsmittels sowie auf den Wassergehalt der Luft am Austritt und die Benetzung.
Systemmodell in TRNSYS
Absorber- und Regeneratormodell
Modell-Einlass- und Auslassgrößen sind die Temperaturen und Massenströme der Fluide, sowie die Wasserbeladung der Luft und der Massenanteil des Sorptionsmittels. Der Typ TRNSYS beschreibt den Wärme- und Stofftransport für den Absorptions- und Regenerationsprozess mit ein und demselben Modell.
Sorbensspeicher
Aus den Gleichungen 6-1 und 6-2 werden die Masse und der Massenanteil des gespeicherten Sorptionsmittels berechnet. Gleichung 6-5) wurden der Massenanteil des Sorptionsmittels im Speicher für den Zeitschritt t und die Temperatur des Sorptionsmittels im Speicher für den Zeitschritt t-1 verwendet. Die Temperatur des Sorptionsmittels nach dem Mischen wird anhand der Energiebilanz nach folgender Gleichung berechnet:
Wärmeübertrager für die Wärmerückgewinnung
Der Sorptionsmittelmassenstrom am Regeneratoreinlass ṁS,Reg,in wird gemessen und der Sorptionsmittelmassenstrom am Regeneratorausgang ṁS,Reg,out wird basierend auf dem gemessenen ṁS,Reg,in und dem berechneten Dampfmassenstrom ṁV ,AS bestimmt . Beispielsweise beträgt der UA-Wert für einen Sorptionsmittelmassenstrom von 230 kg/h am Regeneratoreingang, eine Heizwassertemperatur von 60 °C und eine Sorptionsmitteltemperatur von 41 °C am Regeneratoreingang 450 W/K. Es wurde eine Messreihe mit vier verschiedenen Massenströmen des Sorptionsmittels am Eingang des Regenerators zwischen 188 kg/h und 463 kg/h durchgeführt.
Modellvalidierung
Vergleich der dynamischen Mess- und Simulationsergebnisse
Die Temperaturen und Massenanteile des Sorptionsmittels am Eingang zum Absorber und Regenerator werden intern mit dem Systemmodell berechnet. Das Modell überschreitet den gemessenen Massenanteil am Ein- und Auslass des Absorbers und Regenerators. 110 zeigt den zeitlichen Verlauf der Temperatur und Wasserbelastung der Luft am Eingang zum Absorber und Regenerator.
Vergleich der sechstägigen dynamischen Mess- und
Die Temperaturänderung der Luft im Absorber und im Regenerator hängt stark von der Eintrittstemperatur der Luft ab. Der absorbierte Dampfmassenstrom im Absorber steigt mit zunehmender Wasserbeladung und sinkender Lufttemperatur am Eingang des Absorbers. Die Abweichung der simulierten Temperaturänderung der Luft im Regenerator von der gemessenen Temperatur beträgt maximal 3,6 K (AAD=1,7 K).
Vergleich der stationären Mess- und Simulationsergebnisse
135 zeigt die gemessene und simulierte Lufttemperaturänderung im Absorber und Regenerator für die Heizwassertemperaturänderung am Regeneratoreintritt. 139 zeigt den gemessenen und simulierten Dampfmassenstrom im Absorber und Regenerator in Abhängigkeit von der Wasserbeladung der Zuluft. 147: Von TRNSYS gemessene und simulierte Temperatur am Eingang des Absorbers und Regenerators für AILR-.
Zusammenfassung
Die durchschnittliche Abweichung des simulierten Dampfmassenstroms vom gemessenen beträgt 6 % für die Absorption (Abb. 149) und 9 % für den Regenerationsprozess (Abb. 150). Für die Erhöhung der Lufttemperatur beträgt die durchschnittliche Abweichung 0,3 K für den Absorptionsprozess (Abb. 151) und 0,6 K für den Regenerationsprozess (Abb. 152). Bei der dynamischen Validierung des Systemmodells von (Crofoot 2012) und (Bouzenada et al. 2016) beträgt die durchschnittliche Abweichung der Austrittstemperatur und der Wasserbeladung der Luft für den Absorber in einer sechsstündigen Messung ca.
Parametervariation des Systemmodells
Bei Variation der Wasserbeladung der Luft am Einlass des Absorbers und Regenerators wurde die Wasserbeladung von 2,4 bis 24 gW/kgdr.L für verschiedene Kühl- und 30 °C) und Heizwassertemperaturen (60 und 90 °C) variiert. . Bei einer Wasserbelastung der Außenluft von 12 gW/kgdr.L (graue Kreissymbole) beträgt der Entfeuchtungsbereich ca. d. h. der Dampfmassenstrom mit 23 % bei TL,in=15 °C bis 125 % bei TL,in= 40 °C im Vergleich zum adiabatischen Betrieb (blaue Kreissymbole).
Auslegung von solarthermisch unterstützten offenen Absorptionsanlagen zur
Das Modell wurde mit verfügbaren Messungen validiert, nicht nur für die Absorption, sondern auch für den Regenerationsprozess. Das Modell wurde auch mit Messdaten anderer Geometrien, eines Plattenabsorbers und eines Rohrbündelregenerators, sowohl für den Absorptions- als auch für den Regenerationsprozess validiert. Die durchschnittliche Abweichung des simulierten vom gemessenen Dampfmassenstrom beträgt 6 % für die Absorption und 9 % für.
Literaturverzeichnis
Energy Performance of Solar Assisted Liquid Desiccant Air Conditioning System for Commercial Buildings in Main Climate Zones. Yin, Yonggao; Zhang, Xiaosong (2008): A New Method for Determining Coupled Heat and Mass Transfer Coefficients Between Air and Liquid Desiccant. Yin, Yonggao; Zhang, Xiaosong (2010): Comparative study on internally heated and adiabatic regenerators in liquid desiccant air conditioning system.
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Spezifikationen der untersuchten Komponenten und Anlagen
Rohrbündelwärme- und Stoffübertragers
Plattenwärme- und Stoffübertragers
AILR-Anlage
Messunsicherheit
Im AILR-System wurden Temperatur und Dichte des Sorptionsmittels nur am Eingang des Absorbers und des Regenerators gemessen. Der Anteil der Salzmasse am Ausgang des Absorbers wurde mit dem aus Temperatur- und Dichtemessungen ermittelten Anteil der Salzmasse am Eingang des Regenerators gleichgesetzt. Der Massenanteil wird aus Temperatur und Dichte über eine Korrelation nach (M. Conde 2009) ermittelt.
Stoffdaten Luft, Sorbens und Wasser
Die Stoffdaten des Sorptionsmittels (LiCl-H2O), insbesondere der Dampfdruck, die Dichte, die Viskosität, die Wärmeleitfähigkeit, die Wärmekapazität, die Verdünnungsenthalpie und der Diffusionskoeffizient, sowie die Stoffdaten des Wassers werden anhand der verfügbaren Daten berechnet Korrelationen in (M.Conde 2009).
Stoffdaten der Luft
Berechnung der Nußeltzahl für Platten- und Rohrbündelgeometrie
Plattengeometrie
Rohrbündelgeometrie
Durchströmte Röhre
Messfehler
Messunsicherheit des Druckes, AILR-Anlage
Gemessene Druckdifferenz zwischen Regeneratoreinlass und -auslass ΔpAbsorber=626 Pa, gemessene Druckdifferenz zwischen Regeneratoreinlass und Umgebung ΔpAbs,Um=650 Pa.
Messergebnisse
AILR-Absorber
AILR-Regenerator
Plattenabsorber
Rohrbündelregenerators
Simulationsergebnisse EFFM
AILR-Absorber
AILR-Regenerator
Plattenabsorber
Rohrbündelregenerators
Variation der Wasserbeladung der Luft am Eintritt des Absorbers, AILR-
180: Gemessener und simulierter Anstieg der Lufttemperatur bei wechselnder Luft-Wasser-Belastung in.
AILR-Anlage, Variation des Sorbensmassenstroms am Eintritt des Absorbers
188: Der gemessene und simulierte Temperaturanstieg der Luft bei Variation der Wasserbeladung der Luft 189: Der gemessene und simulierte Temperaturanstieg des Sorptionsmittels bei Variation der Wasserbeladung der Luft 190: Der gemessene und simulierte Temperaturanstieg der Luft für die Variation der Wasserbelastung der Luft bei .
Systemmodell
Vergleich Simulationsergebnisse mit den Messergebnissen der Dynamische
Messung I.1
Die durchschnittliche Abweichung des simulierten vom gemessenen Dampfmassenstrom beträgt 15 % für den Absorber und 19 % für den Regenerator. Die durchschnittliche Abweichung der simulierten Temperaturänderung der Luft und des Kühl-/Heizwassers vom Messwert beträgt für Absorber und Regenerator weniger als 0,8 K. Die mittlere Abweichung der simulierten Sorptionsmitteltemperatur am Ein- und Auslass vom Messwert beträgt für Absorber und Regenerator 1 K.
Messung I.4
Die durchschnittliche simulierte Abweichung vom gemessenen Dampfmassenstrom beträgt 1 % für den Absorber und 21,7 % für den Regenerator. Die durchschnittliche Abweichung der simulierten Einlass- und Auslasstemperatur des Sorptionsmittels von der gemessenen Temperatur beträgt 1 K für den Absorber und 3 K für den Regenerator. Für den berechneten Massenanteil am Ein- und Auslass des Absorbers und Regenerators betrug die durchschnittliche Abweichung (AAD%) vom Messwert weniger als 1.
Stationär
