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Main Title: Experimentelle und mathematisch-numerische Untersuchung von verdunstungsgekühlten, sorptiv beschichteten Wärmeübertragern für die Luftentfeuchtung und -kühlung
Translated Title: Experimental and Mathematical-Numerical Analysis of Evaporatively Cooled Sorptive Coated Heat Exchangers for Air Dehumidification and Cooling
Author(s): Bongs, Constanze
Advisor(s): Ziegler, Felix
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In dieser Dissertation werden Untersuchungen eines neuartigen, offenen Sorptionsprozesses zur Luftentfeuchtung und -kühlung vorgestellt. Gegenstand der Arbeit ist die Hauptkomponente, der durch Verdunstung gekühlte sorptiv beschichtete Luft-Luft-Plattenwärmeübertrager (ECOS - Evaporatively COoled Sorptive Heat Exchanger). Die Wände der Kanäle des Wärmeübertragers, die von der zu klimatisierenden Luft (Sorptionsluft) durchströmt werden, sind mit einem Adsorptionsmaterial beschichtet. Beim Durchströmen der Sorptionskanäle adsorbiert Wasserdampf in den Poren dieses Sorptionsmaterials. Dies führt zu der erwünschten Luftentfeuchtung. Dabei wird Adsorptionswärme freigesetzt. Um einer Erwärmung des Sorptionsmaterials und der Sorptionsluft entgegenzuwirken, wird in den angrenzenden Kühlkanälen der Effekt der Verdunstung von Wasser in einem zweiten Luftstrom ausgenutzt. Durch diese Kühlung kann im Sorptionsmaterial eine höhere Wasseraufnahme realisiert werden als bei ungekühlter Prozessführung, wie sie in marktgängigen Sorptionsrotoren stattfindet. Zielsetzung des neuartigen Prozesses ist eine Steigerung der Entfeuchtungsleistung bei gleichzeitiger Temperaturabsenkung der Sorptionsluft. Da das Sorptionsmaterial durch heiße Luft regeneriert wird, handelt es sich um ein thermisch angetriebenes Verfahren zur Luftkonditionierung. Der gekoppelte Wärme- und Stofftransport bei der Adsorption und Verdunstung wird auf Basis der experimentellen Charakterisierung von zwei mit Silikagel beschichteten Wärmeübertragern und anhand der dynamischen Modellierung untersucht. In der Messung der Sorptionszyklen wurde der zyklische Betrieb durch Umschalten zwischen den Luftströmen der Adsorptions-, Desorptions- und Zwischenkühlphase abgebildet. An langen Zyklen, in denen das Sorptionsmaterial näherungsweise in ein Gleichgewicht mit der einströmenden Luft gebracht werden kann, wird exemplarisch der Vorteil der verdunstungsgekühlten Adsorption nachgewiesen. Für Prototyp II wird eine Steigerung der adsorbierten Wassermasse um 47 % im Vergleich zu sonst gleicher Prozessführung mit reiner Luftkühlung, also ohne Verdunstung, erreicht. Gleichzeitig erhöhen sich die Kühlleistung um den Faktor 4.2 und der thermische COP um den Faktor 4.1. Das Modell des Wärmeübertragers beinhaltet ein Sorptionsmodell, in dem ein pseudo-gasseitig limitiertes Kinetikmodell implementiert ist, ein Wandmodell und ein Modell der Filmverdunstung auf der Kühlseite. Die Kreuzstromkonfiguration der Prototypen wird durch die Verknüpfung der Luftströme im diskretisierten Wärmeübertragermodell abgebildet. Der Vergleich mit Messungen unter unterschiedlichen Randbedingungen dient der Modellvalidierung. An einer Variation der Randbedingungen im Experiment wird der Einfluss der Zyklenzeit, der Desorptionstemperatur, der Eintrittsfeuchten und der Massenströme auf die Entfeuchtungs- und Kühlleistung dargestellt. Die Simulation gibt die experimentell ermittelten Abhängigkeiten qualitativ und quantitativ richtig wieder. Das validierte Modell wird angewendet, um Möglichkeiten zur Prozessverbesserung zu analysieren. Ergebnisse der Modellrechnungen sind: (1) Eine gegensinnige Durchströmung der Sorptionsseite in Adsorption und Desorption führt zu keiner Prozessverbesserung. (2) Die ideale Verdunstung aus einem die Kanalwände der Kühlseite benetzenden Wasserfilm ist vorteilhaft gegenüber einer idealen Tröpfchenverdunstung. (3) Eine Reduzierung der thermischen Massen der Zuströmstrecken führt zu einer weiteren Steigerung der Leistungskennzahlen und einer Verschiebung hin zu kürzeren sinnvollen Zyklenzeiten.
This thesis reports on investigations on a novel open sorption process for air dehumidification and cooling. Studies focus on the main component of the process - the Evaporatively COoled Sorptive coated air-to-air heat exchanger (ECOS). In this heat exchanger, the primary channels are coated with a solid desiccant. While the humid air stream to be conditioned flows through these sorption channels water vapour is adsorbed from the air onto the surface of the desiccant. This leads to the desired air dehumidification. The heat of adsorption is released at the site of adsorption in the desiccant. To counteract the resulting temperature increase of the desiccant, water is sprayed into the adjacent secondary cooling channels where it evaporates into the cooling air stream. Heat is now transferred from the desiccant to the cooling channels. Due to the resulting lower temperature the desiccant is able to realize a higher water uptake than in the adiabatic adsorption process which is applied in market available desiccant rotors. The objective of the novel process is to increase the dehumidification performance while attaining a simultaneous temperature reduction of the process air. As the desiccant is regenerated by a hot air stream, the process is classified as a thermally-driven air-conditioning process. The coupled heat and mass transfer phenomena of adsorption and evaporation are investigated by the experimental characterization of two heat exchangers coated with silica gel and on the basis of dynamic modelling. In the measurements, the cyclic operation of the sorptive coated heat exchanger switching between the adsorption, desorption and precooling phases is implemented. For the exemplary case of long cycles, in which the sorption material approximately attains equilibrium, the advantage of the evaporatively cooled adsorption process is demonstrated. For the second prototype an increase in the adsorbed water mass by 47 % is realized in comparison to the air cooled cycles without evaporation. At the same time the cooling capacity increases by a factor of 4.2 and the thermal COP by a factor of 4.1. The model of the heat exchanger includes a sorption model in which sorption kinetics are represented by a pseudo-gas side controlled approach, a wall model and a model of film evaporation on the cooling side. The cross-flow configuration of the prototypes is embodied by appropriately linking the air flows in the discretized heat exchanger model. Measurements under different boundary conditions are used for model validation. The influence of the cycle time, the desorption temperature, the inlet humidity ratio and the mass flow rates on the measured dehumidification and cooling performance is discussed. For the given variation of boundary conditions the simulation is able to qualitatively and quantitatively correctly reproduce the experimentally determined dependencies. The validated model is applied to identify opportunities for process improvement. Results of simulation analysis are: (1) A flow reversal from adsorption to desorption does not lead to a process improvement. (2) The ideal film evaporation shows a distinct advantage over an ideal evaporation of droplets. (3) A reduction in the thermal mass of the influx air ducts leads to a further increase in the key performance indicators and to a shift to shorter cycle times to be favourably implemented.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-39783
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3904
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3607
Exam Date: 15-Feb-2013
Issue Date: 27-May-2013
Date Available: 27-May-2013
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Adsorption
Experiment
Luftentfeuchtung
Modellierung
Verdunstung
Dehumidification
Desiccant
Evaporation
Experiment
Modelling
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