Theoretical and experimental investigations of an adsorption heat pump with heat transfer between two adsorbers

Abstract

Es wurden zwei thermisch angetriebene Adsorptionswaermepumpen vorgestellt und untersucht. Im Gegensatz zu Adsorptionswaermepumpen mit nur einem Adsorber, arbeiten diese Systeme mit mehrfacher Waerme- und Stoffuebertragung zur Steigerung der Leistungszahl. Die Eigenschaften der in den Adsorbern verwendeten Sorptionsmittel wurden so ausgewaehlt, dass die bei der Adsorption und der Kondensation des Arbeitsstoffes freiwerdende Waerme eines Sorptionsmittels mit grossen Bindungskraeften dazu benutzt wird, ein Sorptionsmittel mit geringeren Bindungskraeften zu desorbieren. Dabei handelt es sich um einen zweistufigen Tripel-Effekt-Kreisprozess. Der zweite Kreisprozess, der untersucht wurde, nutzt nur die Adsorptionswaerme des Sorptionsmittels mit vergleichsweise grossen Bindungskraeften, um das Sorptionsmittel geringerer Bindungskraefte zu desobieren. Dieser Kreisprozess ist vom Typ einstufig Doppelt-Effekt. Computersimulationen eines stationaeren Adsorptionswaermepumpenprozesses ergaben fuer beide Kreisprozesse Leistungszahlen (COPs), die fuer das Sorptionsmittel/Arbeitsstoff-Tripel Zeolith/Silicagel/Wasser zwischen 0.5 und 1.0 lagen. Instationaere numerischen Simulationen des vielversprechenden einstufigen Doppel-Effekt-Kreisprozesses erreichten Leistungszahlen zwischen 0.3 und 0.6. Diese Leistungszahlen sind sehr stark von den Waermeuebertragungseigenschaften zwischen Sorptionsmittel und Waermetauscher abhaengig. Zur experimentellen Verifikation der numerishcen Ergebnisse wurde ein Laboraufbau realisiert, mit dem Leistungszahlen von 0.3 bis 0.4 gemessen wurden.

Two thermally powered and quasi-continuously working heat pumps with two adsorbers effected by the principles of adsorption are investigated. In contrast to adsorption heat pumps with a single adsorber these systems deal with a multiple heat and mass transformation between two different adsorptive materials to obtain higher performances. The adsorptive characteristics of both adsorbents should be designed in a way that the heat released from both the desorption-cycle as well as the adsorption-cycle of an adsorbent of strong affinity will desorb the adsorbent of weak affinity. This process is called a two-stage triple-effect cycle which will be investigated in this report. The second investigated cycle uses only the adsorption heat released from the adsorbent of strong affinity to desorb the adsorbent of weak affinity. This is called a single-stage double-effect cycle. Calculations based on a simplified steady-state adsorption heat pump process result in COPs for both cycles between 0.5 and 1.0 with a zeolite/silica gel/water triple. More accurate dynamic numerical simulations of the promising single-stage double-effect cycle taking into account the consolidated adsorbent developed by the french laboratory CNRS-LIMSI (Meunier et al.) reduced the COP to 0.3-0.6. The value of the COP is highly dependent on the heat transfer characteristics of the adsorbent/heat exchanger connection, on their thermal conductivities, and in case of a consolidated adsorbent of its permeability. The COPs reached with the experimental setup are between 0.3 und 0.4, although the overall heat transfer coefficient of the employed finned tube heat exchanger (26-46 W/m2K) is acceptable. The main problems are the measured low amounts of condensation heat.