Optimal Design of Small-Scale Experiments for Model-Based Scale-Up of Adsorption Chillers

Die Studie thematisiert den steigenden Kühlbedarf aufgrund des Klimawandels und beleuchtet Adsorptionskältemaschinen als energiesparende Alternative zu energieintensiven Kompressionskältemaschinen. Dabei werden neue Adsorptionsarbeitspaare untersucht, die bislang aufgrund mangelnder kinetischer Analysen in vielen Studien unzureichend betrachtet wurden. Zur Erfassung der Gleichgewichtseigenschaften wurden gravimetrische Experimente mit einer neu entwickelten Magnetschwebewaage durchgeführt – unterstützt durch einen Algorithmus zur optimalen Versuchsplanung, der den Experimentieraufwand um 70–81 % reduziert, während die Modellgenauigkeit nur geringfügig sinkt. Für die Kinetik werden neue Leistungsindikatoren eingeführt, die den Trade-off zwischen Energie- und Leistungsdichte abbilden. Dabei erzielen metallorganische Gerüstverbindungen die höchste volumen- und massenspezifische Leistungsdichte, während granulare Silikagele bei der flächenspezifischen Leistungsdichte punkten. Abschließend werden die experimentellen Ergebnisse auf komplette Adsorptionskältemaschinen hochskaliert. Hier zeigt sich, dass oberhalb von 0 °C das Wasser/Silikagel-Paar als Benchmark gilt, während unterhalb von 0 °C Aktivkohle/Methanol ähnliche Wirkungsgrade wie Wasser erreicht, jedoch mit geringerer Leistungsdichte. Insgesamt liefert diese Arbeit die erste vergleichende Studie von Adsorptionsarbeitspaaren (Wasser, Ethanol und Methanol) unter Einbeziehung ihrer kinetischen Eigenschaften.