Multi-Hydrid Sorptionsanlage zur kombinierten Heizung und Kühlung

Abstract

In dieser Arbeit wurde eine thermisch angetriebene Gas-Feststoffsorptionsmaschine mit dem Arbeitspaar Metall-Wasserstoff zur kombinierten Heizung und Kühlung entwickelt, gebaut und erprobt. Die Anlage ist auf eine Kälteleistung von 500W und eine Wärmeleistung von >1 kW ausgelegt. Als Bauform wurde ein Multi-Hydrid Thermal-Wave Schema gewählt, da diese Bauform gegenüber den konventionellen einstufigen Systemen Vorteile insbesondere hinsichtlich der Teillasttauglichkeit und der Flexibilität des Nutztemperaturbereiches bietet. Der hauptsächliche Nachteil neben der für Gas-Feststoffanlagen charakteristischen periodischen Leistungscharakteristik liegt in einer geringen Gewichtsspezifischen Leistung, die jedoch durch die Optimierung von Reaktionsbetten erhöht werden kann. In der mehrere hundert Zyklen umfassenden Erprobung wurde eine Vielzahl von Betriebszuständen unter vielfältigen Randbedingungen experimentell untersucht. Unter den Bedingungen einer Umgebungstemperatur von 35 C, einer Kältetemperatur von 7 C bis 14 C und einer Antriebstemperatur von 220 C wurde gleichzeitig Wärme auf den zwei Temperaturniveaus 45 C und 95 C erzeugt. Hierbei wurde für die Kälteerzeugung eine Leistungszahl von ca. 0.5 und für die Wärmeerzeugung eine Leistungszahl von 1.3 erreicht. Das Verhalten unter Teillastbedingungen wurde ebenfalls erprobt, wobei mit einer Antriebstemperatur von 180 C eine Kühltemperatur von etwa -5 C aufrechterhalten werden konnte, allerdings mit einer deutlich geringeren Leistungsabgabe und einer geringeren Leistungszahl von etwa 0.35 für Kälteerzeugung und 1.2 für Wärmepumpenbetrieb. In einer ausführlichen Diskussion wurden die Einflüsse der maßgeblichen Faktoren auf den Anlagenbetrieb herausgearbeitet, auf deren Basis Verbesserungsvorschläge für derartige Maschinen erstellt wurden.

In this thesis, a thermally driven solid sorption machine for combined heating and cooling has been developed, set up and tested. The working pair is metal-hydrogen. The device is designed for a cooling power of 500W and a heating power of >1kW. As machine scheme the multi-hydride thermal-wave scheme has been selected offering several advantages compared with the conventional single stage systems, in particular concerning part load behavior and flexibility of the temperature range. The main disadvantage -apart from the periodic operation, which is characteristic for solid -sorption machines in common- is a low weight specific power output, however, by this proble can be overcome by further optimization of reaction beds. Several hundred cycles have been performed, varying temperatures, load conditions boundary conditions etc. With an ambient temperature of 35 C, a cooling temperature of 7 to 14 C and a driving temperature of 220 C, useful heat of the two temperature levels 45 C and 95 C has been generated. The COP was 0.5 for cold generation and 1.3 for heat generation. The part load behavior has been tested with the driving temperature of 180?C, providing a useful cold temperature of -5 C, at a relatively low power output with a COP of 0.35 for cold generation and 1.2 for heat pump operation. The basic factors influencing the operational behavior of the device have been througly discussed, being a basis for optimization strategies.