Membrane-based enthalpy exchangers

  • Membranbasierte Enthalpietauscher

Koester, Sebastian; Weßling, Matthias (Thesis advisor); Favre, Eric (Thesis advisor)

Aachen : Shaker (2017)
Buch, Doktorarbeit

In: Berichte aus der Verfahrenstechnik
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (viii, 101 Seiten)

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Kurzfassung

Der Komfort in Gebäuden ist eng verknüpft mit der Luftqualität des Innenraums. Nur unter Einhaltung definierter Luftwechselraten ist eine ausreichende Versorgung mit Sauerstoff gewährleistet. Aus energetischer Sicht bietet dieser Lüftungsvorgang großes Optimierungspotential. Während bei Fensterlüftung die Energie der Abluft verloren geht, besteht in geregelten Wohnraumlüftungsanlagen die Möglichkeit zur Energierückgewinnung. Hierbei werden Ab- und Zuluft miteinander in Kontakt gebracht, ohne die beiden Luftströme zu vermischen. Im Fall von Wärmetauschern wird dieser Kontakt über eine Metall- oder Kunststoffplatine herbeigeführt. Ersetzt man die Platinen durch Membranen, ist zusätzlich ein Austausch von Feuchte möglich. Solche Systeme bezeichnet man als membranbasierte Enthalpietauscher. Während das Verhalten von Wärmetauschern durch die spezifische Oberfläche und die Fluiddynamik entlang der Tauscherplatinen dominiert wird, hängt die Effizienz der Enthalpietauscher zusätzlich von den Membran- und Prozessparameter ab. Das Ziel dieser Arbeit besteht nunmehr in der Identifizierung limitierender Transportwiderstände und der Erschließung von Lösungsansätzen um diese zu überwinden. Zu diesem Zweck wird zunächst der Einfluss der Wasserdampfaktivität auf das Übertragungsverhalten von Polymermembranen untersucht. In Reinstoffexperimenten wird gezeigt, dass die Wasserdampfaktivität der Feed- und Permeatseite gleichermaßen das Verhalten der selektiven Schicht beeinflussen. Im Anschluss werden leistungsmindernde Effekte von Strömungsgrenzschichten und Supportstrukturen mit Hilfe von Mischgasexperimenten evaluiert. Während der Einfluss des Membransupports vom verwendeten Material abhängt, führt die Strömungsgrenzschicht materialunspezifisch zu einer Reduzierung des Übertragungsverhaltens. Diesem Effekt wird mit Hilfe sogenannter Membranspacer entgegengewirkt. Der Nutzen solcher Materialien wird anhand erster Prototypentests verdeutlicht. Eine modelltechnische Beschreibung des Wärme- und Stofftransportes verschafft zudem Einblick in das bestehende Optimierungspotential. Hierbei werden sowohl Membran- als auch Grenzschichtwiderstände betrachtet. Abschließend wird die Wirtschaftlichkeit eines Spacereinsatzes in einer Fallstudie untersucht. Auf Basis experimenteller Daten wird gezeigt, dass das Einsparpotential von zahlreichen Faktoren wie den Außenluftbedingungen, der Befeuchtungstechnologie und der Entwicklung des Energiepreises abhängt. Wenngleich die Evaluierung membranbasierter Enthalpietauscher im Fokus der Untersuchungen steht, lassen sich Erkenntnisse und experimentelle Vorgehensweisen auch auf andere Prozesse übertragen. Aktivitätsabhängige Permeabilitäteten sind für technische Be- und Entfeuchtungsprozesse ebenso wichtig wie für die Entwicklung hochwertiger Funktionskleidung. Erkenntnisse und experimentelle Vorgehensweisen zur Untersuchung der Grenzschichtwiderstände könnten (bei fortschreitender Materialoptimierung) zudem in anderen Gaspermeationsverfahren an Bedeutung gewinnen.

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