Thermochemical heat storage for motor vehicles – system optimization of heat storage based on salt hydrate

Abstract

Der Einsatz chemischer Wärmespeicher im Kraftfahrzeug kann zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs, sowie der Emissionen während dem Kaltstart beitragen. Das Motorkühlmittel stellt bei Motorbetriebstemperatur eine Wärmequelle für Wärmespeicherung dar und bei Motorkaltstart wird dem Kühlmittel Wärme aus dem Wärmespeicher zugefügt. Die freigesetzte Wärme aus dem Wärmespeichersystem hilft, die Betriebstemperatur des Motors schneller zu erreichen. Eine hohe Leistung des thermochemischen Systems ist wünschenswert. In dieser Masterarbeit wurde ein bestehendes thermochemisches Speichersystem, basierend auf auf einem Sorptionprozess mit den Reaktanden Lithiumbromid (LiBr) und Methanol (CH3OH) weiterentwickelt. Ein Sorbatverteilungssystem, welches eine Speicherpatrone (Absorber) mit einem Sorbatbehälter verbindet, wurde erstellt. Die Leistung des Wärmespeichersystems wurde bezüglich der unterschiedlichen Sorbatverteilungssystemen, abhängig von Durchmesser und Länge der Sorbatleitungen, untersucht. Ferner wurde die Leistung des Wärmespeichersystems gemäß verschiedenen Umgebungstemperaturen untersucht, die in der Klimakammer bei -10 °C, 0 °C, 10 °C, 20 °C und 30 °C gehalten wurden. Das Leistungsverhalten wurde unter Berücksichtigung der im reaktiven Bett auftretenden Phänomene wie Wärme- und Stoffübertragung geklärt. Die zyklische Beständigkeit der entwickelten Speicherpatrone wurde in nacheinander durchgeführten Lade-Entlade-Phasen untersucht. Dabei ist eine zeitliche Veränderung der Entladeleistung der Speicherpatrone erkennbar. Zusätzlich wurde die nachteilige Wirkung von nicht kondensierbaren Gasen (Luft im System) auf die Speicherleistung geklärt. Schließlich wurde die Reversibilität des Wärmespeicherprozesses unter Aufrechterhaltung der möglichen Motorbedingungen untersucht. Lade-Entlade-Phasen wurden durchgeführt und das Verhältnis der Vollständigkeit der Ladung abhängig von verschiedenen Ladetemperaturen wurde dargestellt.

Thermochemical heat storage (TCHS) system aims to improve the efficiency of vehicles powered by an internal combustion engine, therefore reducing exhaust gas emissions and fuel consumption. On one hand, the engine coolant at engine operating temperature represents heat source, on the other hand it represents heat sink during engine cold start. During engine warm up phase, the released heat from thermochemical heat storage system helps to reach engine operating temperature faster. Thereby high power release of thermochemical system is desirable. In this master thesis, the existing thermochemical heat storage system based on solid gas sorption process, with working pair lithium bromide (LiBr) and methanol (CH3OH), was optimised. A sorbate distribution system, which connects a cartridge (absorber) with a sorbate reservoir, was developed. Performance of the thermochemical heat storage system was investigated according to different pipe diameter and pipe length of the sorbate distribution system. Further, performance of the thermochemical heat storage system was examined according to different ambient temperatures maintained in climate chamber at -10°C, 0°C, 10°C, 20°C and 30°C. The performance trend was clarified considering the phenomena occurring in the reactive bed, such as heat and mass transfer. Cyclic durability of the developed cartridge was investigated in successively conducted charging-discharging phases. A performance change depending on time was determined. In addition to durability tests, the effect of non-condensable gases on the cartridge performance was clarified. Finally, the reversibility of heat storage process under possible engine conditions was examined. Charging-discharging phases were conducted and charging completeness depending on charging temperatures was investigated.