Mit Metallfasern die Leistungsdichte verdoppeln

Wärmepumpen können sowohl innerhalb als auch außerhalb des
Gebäudes installiert werden.
© STIEBEL ELTRON
Gas-Adsorptionswärmepumpe
14.01.2016
Mit Metallfasern die Leistungsdichte verdoppeln
Im Projekt ADOSO wurde ein erstes
Gebrauchsmuster eines Sorptionsmoduls auf
Basis von Faserwärmeübertragern entwickelt.
Hier zu sehen ist das verwendete
Faser-Adsorbens-Kompositmaterial.
© Fraunhofer IFAM
Zeolith kann erhebliche Mengen Wasserdampf adsorbieren und dabei
Bindungswärme freisetzen. Diese Eigenschaft wird unter anderem in
Gas-Adsorptions-Wärmepumpen genutzt. Wissenschaftler haben einen
Weg gefunden, die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern und damit
die Leistungsdichte des Wärmepumpenmoduls zu steigern. Ein erstes
Sorptionsmodul mit neuartiger Zeolith-Beschichtung des Wärmetauschers
liegt jetzt vor.
Kompakte Zeolithschichten direkt und dauerhaft mit einem metallenen
Wärmetauscher zu verbinden ist schwierig. Die beiden Stoffe verfügen
über unterschiedliche Wärmeausdehnungen. Aus diesem Grund würden
die Zeolithschichten nach einigen Wärmepumpenzyklen abplatzen. Bisher
üblich ist der Einsatz von so genannten
Edelstahl-Lamellenwärmetauschern. Dabei sind die Zwischenräume der
Lamellen vollständig mit Zeolith in Kugelform gefüllt. Damit die Kugeln dort
verbleiben, ist der gesamte Wärmetauscher von einem Gitter eingefasst.
Die Geometrie der Zeolith-Schichten im Adsorber hat entscheidenden
Einfluss auf den Wärmeübergang und die Fähigkeit, Wasser anzulagern
und somit auf die Leistungsdichte der Wärmepumpe.
Ziel des Projektes ADOSO ist es, eine
Wärmepumpe zu entwickeln, die unter
anderem kompakter ist als am Markt
befindliche Geräte. Im Vergleich zu der
Bauweise mit herkömmlichen
Lamellenwärmeübertragern (links) konnte beim
neuen Gerät (rechts) die Leistungsdichte
verdoppelt werden.
© SorTech AG
Diese zu erhöhen war ein Ziel des Forschungsprojektes ADOSO. Dazu
löteten die Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik
und Angewandte Materialforschung IFAM eine versinterte Faserstruktur
auf Flachrohre eines Wärmetauschers. Im Anschluss kristallisierten die
Entwickler eines Herstellers von Adsorptionskälteanlagen das
Sorptionsmaterial Zeolith in dünnen und kompakten Schichten direkt auf
die Oberfläche des neuen Faser-Wärmetauschers. „Im Vergleich zu Standardlamellen bietet der Faserwerkstoff
eine vierfach größere Oberfläche. Damit kann die Sorbensmasse deutlich erhöht werden, ohne die Schichtdicke
zu vergrößern und damit den Stoff- und Wärmetransport in der Adsorptionsschicht zu verlangsamen“, erklärt
Ursula Wittstadt, Verbundkoordinatorin beim Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. Die
eine vierfach größere Oberfläche. Damit kann die Sorbensmasse deutlich erhöht werden, ohne die Schichtdicke
zu vergrößern und damit den Stoff- und Wärmetransport in der Adsorptionsschicht zu verlangsamen“, erklärt
Ursula Wittstadt, Verbundkoordinatorin beim Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. Die
Leistungsdichte des Sorptionsmoduls erhöhte sich im Vergleich zur Bauweise mit herkömmlichen
Lamellenwärmeübertragern von 145 W/l auf 300 W/l ohne die Effizienz zu verringern.
Ziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung eines Heizgeräts auf Zeolith-Basis mit Wasser als Arbeitsmittel.
Die Wärmepumpe soll kompakter und kostengünstiger sein als die am Markt befindlichen Geräte mit
vergleichbarer Leistung. Darüber hinaus soll das neue Gerät eine Jahresarbeitszahl von über 1,3 erreichen.
Sowohl der neuartige Adsorptionswärmeübertrager als auch eine optimierte Funktionsweise von Verdampfer und
Kondensator tragen dazu bei. Derzeit läuft eine Simulationsstudie, bei der der Betrieb der Gas-Wärmepumpe in
unterschiedlichen Klimaten in Europa untersucht wird.
(bs)

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