Enthalpy – Verhalten von semipermeablen, membranbasierten Enthalpietauscher unter Vereisungsbedingungen

Projektleiter Gesamtprojekt: Fraunhofer Italia

Projektleiter: Michele Bianchi Janetti

Projektmitarbeiter: Jakob Plesner

Projektpartner: Fraunhofer Italia

 

Fördergeber: Provinz Südtirol-Alto Adige

Laufzeit: 1. Juni 2024 – 31. Mai 2027

Projektwebsite: https://innovationforschung.provinz.bz.it/de/projekte/membrane-frosting-conditions

Zusammenfassung

Semipermeable, membranbasierte Enthalpietauscher (MEE) werden als Schlüsselelement der neuen Generation von Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen betrachtet. MEE ermöglichen einen gleichzeitigen Wärme- und Feuchtigkeitsaustausch zwischen zwei strömenden Fluiden. Sie finden vor allem in Lüftungssystemen Anwendung, um den Bedarf an Befeuchtung oder Entfeuchtung zu reduzieren oder sogar ganz zu vermeiden. Dadurch wird nicht nur eine umweltfreundliche und energieeffiziente Lösung für den Gebäudesektor geboten, sondern auch eine präzise Regelung der Luftfeuchtigkeit ermöglicht, was insbesondere im Gesundheitswesen von Bedeutung ist. Darüber hinaus werden weitere Anwendungsgebiete entwickelt, die die Vorteile von MEE nutzen, wie etwa die Frostprävention bei Luft-Wärmepumpen oder die Vermeidung unerwünschter Entfeuchtung in Kühlanwendungen.

In diesem Kontext ergeben sich neue Forschungsherausforderungen und -möglichkeiten, insbesondere im Hinblick auf den Betrieb von MEE unter Kondensations- und Vereisungsbedingungen. Diese Aspekte bedürfen weiterer Untersuchungen, um das volle Potenzial der Enthalpietauscher-Technologie auszuschöpfen.

Forschungsfragen:

• Wie können die Eigenschaften von Membranen im Falle einer bevorstehenden Eisbildung präzise beschrieben, modelliert und simuliert werden?
• Wie sammelt sich das Eis auf der Oberfläche und im Inneren der Membran unter wechselnden Umgebungsbedingungen an? Wie kann dieser Prozess mittels numerischer Methoden adäquat modelliert werden?
• Wie beeinflussen die Form und die sogenannten Spacer der MEE die Wärme- und Feuchtigkeitsübertragungseffizienz, und wie können diese erfolgreich eingesetzt werden, um die Effizienz des Wärmetauschers zu steigern, ohne die Membraneigenschaften anzupassen?

Um diese Fragen zu beantworten, sind zwei Tisch-Experimente in Klimakammern geplant.

Das erste Experiment ist darauf ausgelegt, die Feuchtigkeitsdurchlässigkeit von Membranen zu messen. Hierfür wird ein hochpräzises Versuchsaufbau verwendet, bei dem die Membran auf einer Seite einem unter Druck stehenden Luftstrom mit kontrollierter Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit ausgesetzt wird. Der Taupunkt der Luft vor und nach der Membran wird mithilfe von Taupunktspiegeln gemessen. Auf der gegenüberliegenden Seite der Membran befindet sich ein Gefäß (Wet Cup), das stagnierende Luft sowie eine Salzlösung enthält, welche eine konstante relative Luftfeuchtigkeit gewährleistet. Dadurch wird ein Feuchtigkeitsdiffusionsprozess durch die Membran induziert.

Für die Untersuchungen unter Kondensations- und Vereisungsbedingungen wird das Experiment modifiziert, indem der Wet Cup durch einen sekundären Luftkanal ersetzt wird. Die Kondensat- oder Frostschichtdicke auf der Membranoberfläche sowie der Feuchtigkeitsgehalt in der Membran werden mittels eines einseitigen NMR-Geräts gemessen. Der Prozess wird sowohl unter laminarer als auch unter turbulenter Strömung untersucht.

Ergänzend dazu wird ein CFD-Modell entwickelt, das die Simulation der Kondensat- und Frostbildung ermöglicht, und anhand der experimentellen Daten validiert wird. Das validierte Modell wird anschließend eingesetzt, um vielversprechende Strömungskonfigurationen, Geometrien der Spacer und Trennwände sowie verschiedene Membrantypologien zu untersuchen.