Vorrichtung zum Überführen von Wasserdampf aus einem Luftstrom mit höherem an einen Luftstrom mit niedrigerem Dampfgehalt
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überführen von Wasserdampf aus einem Luftstrom mit höherem an einen Luftstrom mit niedrigerem Dampfgehalt, mit einem Austauschkörper, der von den Luftströmen an zwei voneinander getrennten Stellen durchströmt wird, wobei Ein- bzw. Auslässe für die beiden Luftströme und der Austauschkörper eine Relativbewegung zueinander ausführen.
In einer solchen Vorrichtung verwendete man bisher in der Praxis z. B. geschichtete Körner aus Kieselsäuregel, die in hohem Ausmass feuchtigkeitsabsorbierend sind. Der zu trocknende Luftstrom gibt seinen Dampfgehalt an ein Bett von solchen geschichteten Kieselsäuregelkörnern ab, das hierdurch mehr und mehr mit Feuchtigkeit angereichert wird.
Es muss daher in gleichmässigen Zeitabständen regeneriert werden, was mit Hilfe eines andern Luftstromes geschieht, der infolge Erwärmung einen genügend niedrigen relativen Feuchtigkeitsgehalt hat, um die adsorbierte Feuchtigkeit aus dem Bett austreiben zu können. Vorrichtungen dieser Art haben den Nachteil, dass sie für eine bestimmte l rocknungsleistung einen grossen Rauminhalt bzw. hohes Gewicht aufweisen. Ferner ist der Widerstand gegen den Durchgang der Luftströme gross, weswegen die Anwendung der mit Kieselsäuregel arbeitenden Vorrichtungen auf solche Fälle beschränkt ist, wo ein grosser Rauminhalt derselben und ein hohes Druckgefälle in ihnen keine allzu wesentlichen Nachteile mit sich bringt.
Der Feuchtigkeitsübergang zwischen Luft und einem festen Körper und umgekehrt geschieht nach andern Bedingungen als der Wärmeübergang. Im ersteren Falle muss sich das Wasserdampfmolekül seinen Weg durch die Luft bahnen und dann in den festen Körper eindringen. Bei Wärmeübertragung dagegen springt sozusagen die Wärme von Molekül zu Molekül sowohl in der Luft als in dem festen Körper über. Der Widerstand im festen Körper ist bei der Wärmeübertragung nur ein Bruchteil des Widerstandes in der Luft. Bei Feuchtigkeits übertragung verhält es sich gerade umgekehrt, indem der feste Körper dem Wasserdampfmolekül einen vielfach grösseren Widerstand entgegensetzt als die Luft. In einem Bett von Kieselsäuregel werden zwischen den aneinanderliegenden Körnern enge unregelmässige Durchlässe gebildet, die eine Menge von Drossel- und Umlenkstellen aufweisen.
Die Feuchtigkeitsübertragung ist daher in der Luft sehr gross. Man könnte hiernach erwarten, dass das Kieselsäuregelbett in der Richtung der Luftströme nur geringe Tiefe zu erhalten brauchte. Jedoch hat, wie erwähnt, das Kieselsäuregelbett einen sehr grossen Rauminhalt und damit eine beträchtliche Tiefe, weil der Widerstand gegen das Eindringen der Wasserdampfmoleküle in die Körner sehr hoch ist. Die Körner sind verhältnismässig gross, damit nicht infolge der unregelmässigen Durchlässe zwischen ihnen der Widerstand gegen die strömende Luft oder das Druckgefälle in dem Bett untragbar hohe Werte erreichen. Der grosse Widerstand gegen das Eindringen der Wasserdampfmoleküle in die innern Teile der Körner hat zur Folge, dass das Kieselsäuregelbett tief werden muss, damit das Körnermaterial für die beabsichtigte Feuchtigkeitsübertragung wirtschaftlich ausgenutzt werden kann.
Die vorliegende Erfindung geht einen andern Weg und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Austauschkörper mittels Schichten aus einem nichtmetallischen, eine Wärmeleitzahl von höchstens 1 kcal/m. ho C aufweisenden Stoff in Spalten unter teilt ist, die sich gegeneinander abstützen und gleichzeitig durchlaufende Kanäle zwischen den Ein- und Auslässen bilden, wobei die Schichten mit einer mittleren Spaltweite von höchstens 1,5 mm angeordnet sind, und dass auf den Schichten ein hygroskopischer Stoff angebracht ist, der Dampf aus dem erstgenannten Luftstrom aufnimmt und an den letztgenannten Luftstrom abgibt. Vorzugsweise ist die mittlere Spaltweite zwischen den Schichten kleiner als 1 mm.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger auf der Zeichnung beispielsweise dargestellter Ausführungsformen näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Überführen von Wasserdampf aus einem Luftstrom mit höherem an einen Luftstrom mit niedrigerem Dampfgehalt; die Figur ist ein Schnitt nach der Linie I-I der
Fig. 2, die ihrerseits ein Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1 ist.
Fig. 3 ist eine Ansicht der Vorrichtung, teilweise im Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 2 und teilweise unmittelbar vor dem in der Vorrichtung enthaltenen Rotor.
Fig. 4 und 5 zeigen zwei alternative Ausführungsformen für die Schichten, aus denen der Rotor aufgebaut ist.
Fig. 6 ist eine teilweise, im Schnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 7 dargestellte Stirnansicht einer andern Ausführungsform der Vorrichtung.
Fig. 7 ist ein waagrechter Schnitt nach der Linie VII-VII der Fig. 6.
Gleichwertige Teile in den verschiedenen Figuren haben dieselben Bezugszeichen erhalten.
In den Fig. 1-3 bezeichnet 10 das Gehäuse der Vorrichtung, das mittels eines Flansches 12 unmittelbar auf z. B. einer waagrechten Unterlage befestigt zu werden bestimmt ist. Ein Motor 14, der unmittelbar am Gehäuse 10 befestigt ist, hat eine Welle 16, die an ihrem innern Ende in einer vom Gehäuse 10 ausgehenden Hülse 18 gelagert ist und einen generell mit 20 bezeichneten Rotor trägt.
Der Rotor 20 hat eine Nabe 22 und einen äussern Mantel 24, und zwischen diesen Teilen ist dann ein spiralförmig gewickeltes Band 26 untergebracht.
Dieses Band 26 hat eine geringe Dicke, die höchstens ein oder einige Zehntelmillimeter beträgt.
Zwischen den benachbarten Wicklungen ist ein schmaler Spalt offengehalten, und zwar gemäss der Fig. 4 mittels kleiner Ausbuchtungen 28 und gemäss der Fig. 5 dadurch, dass das Band aus einem glatten Teil 30 und einem gewellten Teil 32, die zweckmässig vor dem Wickeln miteinander verleimt werden, zusammengesetzt ist. Die Spaltweite liegt vorzugsweise in der Grössenordnung zwischen 0,2 und
1,0 mm und am besten um 0,6 mm. Damit die beabsichtigte Wirkung erreicht wird, darf die mittlere Spaltweite zwischen den Bandschichten 1,5 mm nicht übersteigen.
In der Ausführungsform nach Fig. 1-4 ist die Spaltweite konstant, bei der Ausführungsform gemäss Fig. 5 ändert die Spaltweite zwischen zwei benachbarten Schichten 30, 32 von û bis zu einem Maximum, wobei die durch Planimetrierung der zwischen den genannten Schichten 30, 32 vorhandenen Fläche F (Fig. 5) und anschlie ssende Auswertung ermittelte mittlere Spaltweite 1,5 mm nicht überschreiten darf. Auf diese Weise kann im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 der Abstand d zwischen zwei glatten Schichten 30 das Doppelte, das heisst bis 3 mm, vom Abstand d1 zweier glatter Schichten 26 nach Fig. 4 betragen.
Die Schichten, im vorliegenden Fall das Band 26, sind aus einem nichtmetallischen, eine Wärmeleitzahl von höchstens 1 kcallm. ho C aufweisenden Werkstoff gefertigt. In die Masse, aus der die Schichten gefertigt sind, wird ein feuchtigkeitsadsorbierender bzw. hygroskopischer Stoff, wie feinvermahlener Kieselsäuregel, eingemischt oder auf den fertigen Schichten angebracht und befestigt. Vorzugsweise bestehen die Schichten aus Asbest, einem faserigen anorganischen Material ohne hygroskopische Eigenschaften, das jedoch besonders gut den Anforderungen genügt, die an einen Träger für den hygroskopischen Stoff gestellt werden, und hohe Temperaturen aushält. Andere geeignete Werkstoffe sind Papier, Textilgewebe, z. B. aus Wolle oder Kunstharze.
Diese Werkstoffe können selbst in gewissem Ausmass hygroskopisch sein, sind es jedoch niemals irx einem mit Kieselsäuregel oder ähnlichen Stoffen vergleichbaren Ausmass. Der gewünschte Feuchtigkeitsübergang von dem zu trocknenden Luftstrom zu dem hygroskopischen Stoff erfolgt bei relativen Feuchtigkeitswerten erheblich unter 1000/o, weil die relative Feuchtigkeit des zu trocknen den Luftstromes grösser ist als die entsprechende Gleichgewichtsfeuchte des hygroskopischen Stoffes. Anderseits ist die relative Feuchtigkeit in dem andern Luftstrom niedriger als diese Gleichgewichtsfeuchte, weswegen Feuchtigkeit vom hygroskopischen Stoff an den letzteren Luftstrom abgegeben wird.
Je grösser die mittlere Spaltweite, desto länger werden für denselben Druckabfall die Spalten in der Strömungsrichtung der Luft. Die Übertragung des Dampfes zum bzw. vom Band 26 erfolgt wegen der Form der Durchlässe zwischen den Bändern unter sehr hoher Diffusion des Dampfes in der laminar strömenden Luft. Ferner ist der Widerstand gegen das Eindringen des Dampfes in den Schichten niedrig, weil der hygroskopische Stoff in dünnen Lagen oder Teilchen vorhanden ist. Der hygroskopische Stoff nimmt daher schnell die vorgesehene Feuchtigkeitsmenge aus dem zu trocknenden Luftstrom auf und gibt sie ebenfalls in kurzer Zeit an den andern Luftstrom ab. Wie aus der Fig. 2 hervorgeht, erhält der Rotor 20 eine kleine axiale Länge im Verhältnis zu seinem Durchmesser. Diese Länge, die mit dem Strömungsweg der Luft in den Spalten gleich ist, kann so klein wie 50 mm sein.
Bei der Ausführungsform gemäss den Fig. 1-3 wird der eine Luftstrom, im vorliegenden Falle z. B. der Luftstrom mit dem höheren Dampfgehalt, durch eine Leitung 34 mit Hilfe eines Gebläses 36 aus einem nicht dargestellten Raum in eine Kammer 35 hineingedrückt. Diese Luft strömt danach durch die feinen Spalten des Rotors 20, wenn diese Spalten während des Umlaufes des Rotors 20 die linke Hälfte desselben gemäss den Fig. 1-3 passieren, und gibt dabei dem hygroskopischen Stoff Feuchtigkeit ab. Die Luft verlässt die Vorrichtung durch eine Kammer 37 und eine Leitung 38.
Der andere Luftstrom mit dem niedrigeren Dampfgehalt kommt in eine Kammer 39 durch eine Leitung 40 hinein und passiert die rechte Hälfte des Rotors 20ein einem Gegenstrom zu dem ersten Luftstrom, nimmt dabei vom hygroskopischen Stoff Feuchtigkeit auf, woraufhin sie durch eine Kammer 41, eine Leitung 42 und mit Hilfe eines Gebläses 44 in den vorerwähnten Raum hineingeblasen wird. Die Kammern 35 und 41 sind durch eine Zwischenwand 46 und die Kammern 37 und 39 durch eine Zwischenwand 48 voneinander getrennt, Letztere Zwischenwand kann an einem Deckel 50 befestigt sein, und nach dessen Abnehmen lässt sich der Rotor 20 aus dem Gehäuse 10 herausnehmen, nachdem ein Befestigungsglied, z. B. eine Mutter 52, von der Welle 16 entfernt worden ist. Hierdurch lässt sich ein Austausch des Rotors 20 bequem durchführen.
Der Rotor 20 ist billig in der Herstellung, so dass er mit geringem Kostenaufwand durch einen neuen ersetzt werden kann. Um einem Lecken von Gas an den Trennwänden 46, 48 vorzubeugen, können beidseitig neben dem Rotor 20 umlauffeste Pakete 54, 56 aus z. B. Wellpappe angebracht sein, welche im Vergleich zu dem Rotorpaket grosse Dùrchström- durchlässe aufweisen. Diese setzen den Luftströmen sehr kleinen Widerstand entgegen und dienen gleichzeitig als eineArt Labyrinthdichtungen.
Die Ausführungsform gemäss den Fig. 6 und 7 unterscheidet sich von der vorbeschriebenen hauptsächlich dadurch, dass die beiden Luftströme den Rotor 20 in radialer Richtung bestreichen. Dieser Rotor 20 ist daher aus radial gestellten Schichten 58 zusammengesetzt, die hierbei zu Paketen zusammengeführt sein können, welche zwischen radialen Stützwänden 60 eingesetzt sind. Der Rotor 20 ist auf der einen Stirnseite von einem auf der Welle 16 befestigten Stirnblech 62 und auf der andern von einem mit einer Zentralöffnung für den Durchgang der Luftströme durch die Schichten 58 versehenen Stirnblech 64 begrenzt. Das Stirnblech 64 ist mittels einer Anzahl Speichen 65 mit einer Nabenscheibe 67 verbunden.
Die Stirnbleche 62, 64 können an ihrem Aussenumfang in Richtung zueinander umgebogen sein, wie bei 68 angedeutet ist, und bilden dann Anschlagränder, welche die Schichten 58 in ihrer Lage in der Richtung radial nach aussen festhalten. Im übrigen können die Schichten 58 mit dem hygroskopischen Stoff, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt, ausgebildet sein, und die mittlere Spaltweite zwischen ihnen stimmt ebenfalls mit den weiter vorn angegebenen Massen überein. Ihre radiale Erstreckung, das heisst in Richtung der Luftströme, ist klein und beträgt z. B. zwischen 15 und 50 mm.
Mit Hinblick auf die radiale Strömung durch den Rotor 20 sind zwei Anschlussleitungen und -stutzen 34 und 42 an dem Aussenumfang der Vorrichtung angebracht, während zwei derartige Leitungen und Stutzen 38 und 40 an die eine Stirnfläche der Vorrichtung verlegt sind. Letztere können an einen Deckel 70 angeschlossen sein, nach dessen Abnahme das Innere der Vorrichtung zugänglich wird. Die Kammern 35 und 41, die beide je um den halben Umfang ausserhalb des Rotors 20 verlaufen, sind voneinander durch eine obere und eine untere Trennwand 72 geschieden. Jede Wand 72 trägt eine Packung 74 aus beispielsweise Filz, die am Rotor 20 anliegt bzw. sich mit geringem Spielraum aussen vor ihm befindet. Ähnliche Trennwände 76 und Packungen 78 sind innerhalb des Rotors 20 vorgesehen.
Die verbrauchte Raumluft mit dem höheren Dampfgehalt tritt über den Stutzen 34 in die Kammer 35 ein und strömt durch die dieser Kammer 35 zugewendeten Spalten der einen Rotorhälfte in den von dieser Rotorhälfte und den Trennwänden 76 begrenzten Raum hinein und aus diesem durch den Stutzen 38 in die freie Aussenatmosphäre heraus, wobei der hygroskopische Stoff an den Schichten 58 Dampf aus dieser Raumluft aufnimmt. Die frische Aussenluft mit dem niedrigeren Dampfgehalt tritt durch den Stutzen 40 in den von der rechten Hälfte des Rotors 20 und den Trennwänden 72 begrenzten Raum ein, durchströmt die diesem Raum zugewendeten Spalten des Rotors 20, um in die Kammer 41 zu gelangen und tritt aus dieser Kammer 41 durch den Stutzen 42 in den Raum, dessen Luft erneuert wird. Dabei gibt der vorgenannte hygroskopische Stoff an den Strom von frischer Aussenluft Dampf ab.
Durch die Vorrichtung nach der Erfindung wird der ausserordentliche Vorteil erzielt, dass der Austauschkörper (in den beschriebenen Ausführungsformen also der Rotor) für eine bestimmte Leistung, das heisst Feuchtigkeitsübertragungsvermögen in der Zeiteinheit, ein Gewicht erhält, das ein Bruchteil des Gewichtes des Kieselsäuregelbettes bekannter Vorrichtungen ist. Dies hängt damit zusammen, dass der hygroskopische Stoff in einer sehr dünnen Lage auf den tragenden Schichten ausgebreitet wird und damit dem Eindringen der Feuchtigkeit einen sehr kleinen Widerstand entgegensetzt.
Durch die Ausbildung des Austauschkörpers aus dünnen, in kleinem Abstand voneinander angeordneten Schichten werden durchlaufende, im grossen und ganzen gleichförmige Durchlässe erhalten, die einen Querschnitt von derselben Grössenordnung wie im Kieselsäuregelbett erhalten, aber dessen ungeachtet ein Druckgefälle hervorrufen, das nur einen Bruchteil des Druckgefälles in dem Kieselsäuregelbett ausmacht. Der Austauschkörper erhält in der Längsrichtung der Durchlässe eine geringe Länge und bei demselben Querschnitt wie dem des Kieselsäuregel bettes eine wesentlich höhere Leistungsfähigkeit, das heisst einen möglichst kleinen Rauminhalt der Vorrichtung pro in der Zeiteinheit zwischen den feuchtigkeitsaustauschenden Luftströmen ausgetauschte Feuchtigkeit.
Die gemäss der Erfindung in Betracht kommenden, den hygroskopischen Stoff tragenden Schichten haben selbst nur unbedeutende Festigkeit, und deswegen ist es von wesentlicher Bedeutung, dass sie sich gegenseitig abstützen, weil sie sonst in Vibration bzw. Relativbewegung zueinander geraten könnten, wodurch die Gefahr eines Ablösens des hygroskopischen Belages entstehen würde.
Von der Länge der Spalten des Rotors in der Strömungsrichtung der Luft hängt die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung wie auch der Widerstand beim Durchgang der Luft durch die Spalten ab. Da die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung bei einer Spaltenlänge von 30 mm bereits über 900in des erreichbaren Höchstwertes sein kann, lohnt es sich in den meisten Fällen nicht, die Länge über das Doppelte bzw. Drei- bis Vierfache dieses Wertes zu vergrössern. Die Vorrichtung wird für eine Luftgeschwindigkeit in den Spalten des Rotors von vorzugsweise 1-2,5 m/sek. ausgebildet. Unter 5 m/sek. liegende Luftgeschwindigkeiten erzeugen keine Geräusche störender Art.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen begrenzt, sondern im weitesten Sinne innerhalb des ihr zugrunde liegenden Leitgedankens abwandelbar.
So kann der in den beschriebenen Ausführungsformen als Rotor ausgebildete Austauschkörper nichtumlaufend und das Gehäuse mit den Ein- und Auslässen umlaufend ausgebildet sein.