Betriebsverhalten einer zweistufigen Metallhydrid-Sorptionsanlage zur Kälteerzeugung

Abstract

Die Arbeit umfasst die Untersuchung verschiedener Anlagenschemata von thermisch angetriebenen Gas-Feststoff-Sorptionsmaschinen mit dem Arbeitspaar Metall-Wasserstoff im Hinblick auf ihre Einsetzbarkeit in Kaskadensystemen zur Gebäudeklimatisierung. Aus der Vielzahl der möglichen Schaltungsvarianten wurde eine zweistufige (double-stage/double-effect) Anlage ausgewählt, entwickelt und experimentell untersucht. Die Anlage konnte gegenüber der Auslegung aufgrund von Problemen mit den Hochtemperaturthermostaten nur mit reduzierten Leistungen und verminderten Leistungszahlen betrieben werden. Hierbei musste der die Antriebswärme bereitstellende Thermostat mit einer gegenüber der Auslegung um 20K verminderten Temperatur betrieben werden, wodurch das zugehörige gekoppelte Hydrid seine Absorptionswärme bei einer für praktische Anwendungen unrealistischen Temperatur von 0°C an die Umgebung abgeben musste. Die Anlage erreicht eine mittlere Kälteleistung von 970W. Die zum Antrieb einer nachgeschalteten Sorptionsanlage abgegebene Wärmeleistung beträgt 1,63kW. Unter den Bedingungen einer Kältetemperatur von 2...16°C, einer Wärmesenkentemperatur von 23°C, einer Temperatur der an die nachgeschaltete Sorptionsanlage abgegebenen Wärme von 100°C und einer Betriebstemperatur des Antriebsthermostaten von 330°C wurde eine Kälteleistungszahl von COP=0,51 und eine Wärmeleistungszahl von COA=0,86 erreicht. Würde dieser Anlage eine einstufige (single-effect) Lithiumbromid-Wasser-Anlage mit einem COP von 0,75 nachgeschaltet, so ließe sich in diesem Kaskadensystem eine Gesamtkälteleistungszahl von 1,16 erreichen.

Different schemes of thermally driven solid sorption systems based on the working pair metalhydrogen were investigated for their applicability in cascading sorption systems for airconditioning in buildings. A double-stage/double-effect system was selected, developed and experimentally investigated. Due to problems with the high temperature thermostats, the system powers and coefficients of performance were reduced compared to the design. Here, the thermostat providing the driving heat had to be operated at a temperature 20K lower than planned, causing the associated hydride to reject its absorption heat to the environment at a temperature of 0°C, which is unrealistic for practical applications. The system has an average cooling power of 970W. The heating power for driving the bottoming cycle of the cascade is 1,63kW. With cooling temperatures of 2...16 °C, a heat sink temperature of 23°C, a temperature of the heat transferred to the bottoming cycle of 100°C and a temperature of the thermostat providing the driving heat of 330°C, coefficients of performance for cooling of COP=0,51 and for heat amplification of COA=0,86 were obtained. If this device would be coupled with a single-effect lithium bromide-water system, an overall COP for cold generation of the cascade of 1,16 could be obtained.