Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
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Thermometer vor blauem Himmel
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Thermometer vor blauem Himmel

Hochleistungskälte

THOKA will die Leistung von Adsorptionskältemaschinen erhöhen. Diese werden z.B. in der Lkw-Transportkühlung, PKW-Klimatisierung mit Motorabwärme sowie solaren Kühlung von Gebäuden eingesetzt.

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THOKA – Thermisch angetriebene Hochleistungskälte

Das Fraunhofer interne Forschungsprojekt THOKA, bearbeitet von den Instituten ISE, IFAM-DD, IFAM-HB, IVV und ITWM, hat sich zum Ziel gesetzt die Leistung von Adsorptions-Kältemaschinen unter Nutzung billiger Energiequellen (Sonne, Prozessabwärme) deutlich zu erhöhen. Das ITWM unterstützt dieses Ziel mit Simulations- und Auslegeberechnungen.

Die grundlegende Zielstellung der THOKA ist die Steigerung der Leistungsdichte von Adsorptionskältemaschinen auf mindestens 100 W pro Liter Bauvolumen bei zugleich hoher Effizienz (COP mindestens 0,6) durch die Entwicklung einer neuen Adsorbertechnologie. Mögliche Anwendung sind die Lkw-Transportkühlung, die PKW-Klimatisierung mit Motorabwärme und die solare Kühlung von Gebäuden.

Logo THOKA
Schematische Darstellung des THOKA Adsorberdesigns.
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Schematische Darstellung des THOKA Adsorberdesigns.

Die Schlüsselgrößen für die erreichbare Leistungsdichte sind:

  • realisierbare Beladungsamplitude, bestimmt durch das Sorptionsmaterial
  • kurze Zyklen durch schnellen Stofftransport im Porensystem
  • schnelle Abfuhr der frei werdenden Sorptionswärme
  • hohe Verdampfungsenthalpie des Arbeitsmittels

 

Sorptionsmaterial: Zeolith mit hoher Adsorptionskapazität

Das grundlegende Adsorberzellendesign ist im Bild dargestellt. Auf einem Wärmeübertragungsblech werden auf einer Seite zeolith-beschichtete offenporige Metallstrukturen (Porengröße im 10-100 Mikrometerbereich) aufgelötet, siehe 4, auf der anderen Seite werden Wärmetauscherkanäle (Durchmesser im Zentimeterbereich) mit dem Wärmeübertragungsblech verbunden, siehe 3. Die gesamte Adsorptionszelle besteht aus einem Stack solcher Einzelzellen, die getrennt von einander an einen Verdampfer (die Kälteseite) und an einen Kondensator (Rückkühler) angeschlossen werden. Durch entsprechende Ventilschaltungen kann dann eine Wärmerückgewinnung erzielt werden was die Energiebilanz der Zelle positiv beeinflusst.

Das ITWM unterstützt mit Simulations- und Auslegeberechnungen auf allen Skalen die Optimierung von Konstruktion und Prozessdesign in dieser Entwicklung.

THOKA Thermisch angetriebene Hochleistungskälte
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Die Modellierung erfolgt Bottom-Up.

Die Modellierung erfolgt »Bottom-Up«: die Zeolit Schicht, in der die Adsorption erfolgt, wird mit Hilfe eines phänomenologischen Modells nach Dubinin beschrieben, dessen Parameter experimentell ermittelt wurden. Dieses Modell bildet auf der Skala der Mikrostruktur und des Wärmeübertragungsblechs, beschrieben mit der Wärmeleitungsgleichung, einen Quellterm für die Energie/Temperatur, wirksam in der gesamten Zeolithschicht. Diese Beschreibung der Mikrostruktur wurde mit Hilfe der zwei-Skalen-Homogenisierung in eine effektive Beschreibung eines kontinuierlichen Mediums überführt um, von den Skalen her gesehen, den Anschluss an ein komplettes Stackelement herzustellen.

 

Simulation des Wärmetauschers und der Wärmeleitung in der Mikrostruktur 

Zur virtuellen Konstruktion der Wärmetauscherkanäle wurden entsprechende Strukturgeneratoren nach bionischen Prinzipien entwickelt. Das Arbeitsfluid (Wasser) wird mit der Navier-Stokes – und der Energietransport-Gleichung beschrieben und schließlich an die effektive Beschreibung der Mikrostruktur angekoppelt. Mit dieser Beschreibung ist dann eine Simulation und Auslegung eines Stackelements möglich. Eine weitere Vergröberung der Beschreibung erfolgt mit Hilfe eines Netzwerk-Flussmodells, das im wesentlichen Variablen an den Verzweigungen in den bionischen Strukturen im Sinne von Erhaltungsgleichungen simuliert. Damit sind komplette Adsorptionszellen simulierbar.

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