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Die
Erfindung betrifft einen Stoff- und Wärmeaustauschreaktor nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Entfeuchtung
und Kühlung
von Luft mit einem solchen Stoff- und Wärmeaustauschreaktor.
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In
lufttechnischen Anlagen zur Gebäudeklimatisierung
und in der Prozeßtechnik
besteht oft das Problem, daß ein
bestimmter Luftstrom gekühlt
und entfeuchtet werden soll. Zur Luftentfeuchtung finden Kontaktapparate
Verwendung, in denen in der Luft befindlicher Wasserdampf an hygroskopischen
Substanzen (Sorbentien) angelagert wird. Die während des Absorbtionsprozesses
durch Anlagern von Wasser gesättigten
Sorbentien werden in einem anschließenden Desorptionsprozess regeneriert.
Dabei wird des Sorbens, und/oder die mit dem Sorbens in Kontakt
stehende Luft, auf eine sorbensspezifische Regenerationstemperatur
aufgeheizt, wobei das Sorbens das Wasser wieder an die Luft abgibt.
Das regenerierte Sorbens wird dann wieder der Absorbtion zugeführt.
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In
diesen Prozessen finden Absorber Verwendung, die entweder mit geeigneten
hygroskopischen Flüssigkeiten
(Fa. Kathabar Systems, USA; Fa. Albers Air, USA) oder mit hygroskopischen
Feststoffen z. B. Fa. Munters Corporation, Schweden; Fa. Siegle & Epple, DE) arbeiten.
Von der Firma Munters ist beispielsweise eine entsprechende Vorrichtung
in dem
US-Patent 4,002,040
A beschrieben. Es sind ebenfalls Anlagen bekannt, bei denen
die sorbierende Flüssigkeit
auf gekühlten
und aufrecht stehenden Platten eines Plattenwärmetauscherpaktes verrieselt wird
(Fa. Ficom Pty. Ltd., Australien). Auch sogenannte Dünnfilmaparate sind
bekannt, bei denen ein flüssiges
Sorbens mit Hilfe einer mechanischen Wischereinrichtung zu einem
dünnen
Film verteilt wird.
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Diese
genannten Vorrichtungen weisen folgende Nachteile auf, die insbesondere
bei der Absorption bzw. Desorption von Wasserdampf mittels flüssiger Sorbentien
zu Tage treten. Die verwendeten Sorbentien, in der Regel wässrige Salzlösungen,
verhalten sich, besonders bei den höheren Temperaturen während der
Desorption, extrem korrosiv. Daher müssen entweder spezielle, korrosionsfeste
Stähle verwendet
oder der Stahl mit einer Schutzschicht versehen werden (z. B. Emaile).
Diese Maßnahmen
sind sehr teuer. Wird auf andere, preisgünstigere Materialien, z. B.
Kunststoffe ausgewichen, tritt das Problem auf, daß die Kunststoffoberflächen sehr
schlecht von den Salzlösungen
benetzt werden. Dies führt
dazu, daß zur
Erzeugung einer großen
Stoffaustauschfläche
um ein Vielfaches mehr Salzlösung
auf diese Flächen
aufgebracht werden muß,
als für
die Wasserdampfaufnahme nötig
wäre. Ein
Massenstromverhältnis
von Luft- zu Salzlösung
nahe dem idealen, physikalisch notwendigen Massenstromverhältnis kann
so nicht realisiert werden. Das bedeutet erhöhte Pumpenleistungen und erhöhte Kosten.
Ferner kann eine wesentliche Änderung
der Konzentration der Salzlösung
nicht erfolgen, und damit ist auch eine preisgünstige Speicherung von Salzlösung und
eine effektive Speicherung von Entfeuchtungsenergie nicht möglich. Weitere
Gründe
hiefür
sind die oft ungünstige
Führung
der Medien, die einen optimalen Stoff und Wärmeaustausch verhindert.
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Auch
eine ausreichend hohe Temperaturspreizung des Heiz- und Kühlmediums
wird meistens nicht erreicht, was den Kühlwasserbedarf erhöht und die
flächenspezifische
Effektivität
der Rückkühlvorrichtung
mindert. Auch dieses hat erhöhte
Kosten zur Folge. Weiterhin werden durch Aufgabe des Sorbens mittels
Verrieseln oder Versprühen
frei von der Stoff- und Wärmeaustauscheroberfläche losgelöste Tropfen
erzeugt, die teilweise durch den Luftstrom mitgerissen und aus dem
Apparat ausgetragen werden, sofern sie nicht durch eine spezielle
Abscheidevorrichtung zurückgehalten
werden. Diese Abscheidevorrichtungen führen neben der Erhöhung der
Herstellungskosten zu mehr Druckverlust in der Luftströmung und
damit zu höheren
Betriebskosten durch zusätzlich
benötigte
Ventilatorleistung.
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Durch
einen Wärme-
und Stoffaustauschreaktor gemäß der
DE 43 21 743 A1 sind
ein Großteil dieser
Probleme gelöst.
Aus dieser Druckschrift ist ein Wärme- und Stoffaustauschreaktor
bekannt, der zwei stofflich von einander getrennte und thermisch miteinander
gekoppelte Kanalsysteme, nämlich
ein Wärmeaustauschkanalsystem
und ein Stoffaustauschkanalsystem aufweist. Der Reaktor besteht aus
einer Mehrzahl von stapelförmig
aufrecht im Abstand zueinander angeordneten Reaktordoppelplatten
in deren Inneren das Wärmeaustausch-Kanalsystem
ausgebildet ist und wobei zwischen zwei nebeneinander angeordneten
Reaktordoppelplatten das Stoffaustauschkanalsystem ausgebildet ist.
Am oberen Ende der senkrecht angeordneten Reaktordoppelplatten ist
ein Flüssigkeitsverteiler
angeordnet und die Außenseiten
der Reaktordoppelplatten sind als Stoff- und Wärmeaustauscherflächen ausgebildet
und werden durch den Flüssigkeitsverteiler
benetzt. Um einen dünnen
Film auf den Stoff- und Wärmeaustauscherflächen zu
gewährleisten
sind die Stoff- und Wärmeaustauscherflächen mit
einem Vlies versehen, aufgerauht oder plasmabehandelt. Die Verwendung
eines Vlieses führt
zu einem vergleichsweisen ”dicken” dünnen Flüssigkeitsfilm
mit den obengenannten Nachteilen. Darüber hinaus besteht bei einem
Vlies die Gefahr der Verschmutzung durch die in der zu entfeuchtenden
Luft enthaltenen Schmutzpartikel. Das mechanische Aufrauhen der Oberflächen der
Reaktordoppelplatten bzw. der Stoff- und Wärmeaustauscherflächen führt zu Inhomogenitäten bzw.
zu einer nicht kontinuierlichen und vollständig bedeckenden Benetzung
der Stoff- und Wärmeaustauscherflächen. Das
gleiche gilt für
die Oberflächenbehandlung
mittels eines Plasmas.
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Die
DE 44 05 669 A1 offenbart,
einen aus Metall bestehenden Wärmetauscher
durch Eintauchen in eine Emulsion eines Adsorptionsmittels in einem
Bindemittel (Klebstoff) mit einer weniger als 4 mm dicken Beschichtung
zu versehen. Das Adsorptionsmittel in der Beschichtung weist Korngrößen zwischen
1 und 50 μm
auf. Die Beschichtung deckt die metallische Oberfläche des
Wärmetauschers
vollständig
ab.
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Die
DD 233 641 A1 schlägt vor,
Siliziumkarbid-Teilchen
in eine metallische, elektrolytisch auf eine andere Metalloberfläche eines
Wärmetauschers aufgebrachte
Schicht einzubetten, um eine kerbenreiche Struktur an der Oberfläche zu schaffen.
Dabei sind die SiC-Teilchen wesentlich kleiner als die erzeugte
Schichtdicke.
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Die
JP 101 85 488 erörtert, eine
Schicht auf der Oberfläche
eines Kupferrohrs abzuscheiden und darauf eine poröse ”Metalloxid-”(explizit
auch SiO
2-)Schicht abzuscheiden. Dadurch
wird die Oberfläche
und letzlich die Effizienz des Wärmeaustauschs
erhöht.
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Die
DE 691 01 298 T2 zeigt
eine verbesserte Wärmeübertragungsfläche zum
Kochen einer Flüssigkeit,
bei der eine Mischung aus Kohlenstoff- und Metallpartikeln so auf
einen Schichtträger
aufgespritzt wird, dass die Kohlenstoffpartikel in die mit dem Schichtträger verbundene
Grundmasse aus Metallpartikel eingebettet werden. Dabei werden vorzugszweise
dünne Überzüge hergestellt,
bei denen die Kohlenstoffpartikel der zu kochenden Flüssigkeit ausgesetzt
sind.
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Die
US 5,304,487 A zeigt
eine Vorrichtung zur Analyse einer flüssigen Probe. Die flüssige Probe wird
dabei durch Kanäle
geführt,
die zuerst durch Bifurkation immer kleiner werden und anschließend in gleicher
Weise wieder zusammengeführt
werden.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den aus der
DE 43 21 743 A1 bekannten
Stoff- und Wärmeaustauschreaktor
derart weiterzubilden, daß auf
den Stoff- und Wärmeaustauscherflächen die
Bildung eines sehr dünnen
und kontinuierlich sich über
die gesamte Stoff- und Wärmeaustauscherfläche erstreckenden
Flüssigkeitsfilm
gewährleistet wird.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Durch
die Verwendung einer Beschichtung zur Verringerung der Oberflächenspannung
der Stoff- und Wärmeaustauscherflächen von
kleinen und kleinsten Festkörperpartikeln
wird ein sehr dünner
und dennoch kontinuierlicher Flüssigkeitsfilm
ermöglicht.
Die einzelnen Festkörperpartikel
sind hierbei nebeneinander und zumindest zum Teil aneinander anstoßend auf
der Oberfläche
eingeordnet, so daß sich
zwischen den einzelnen Festkörperpartikeln Frei- und Hohlräume bilden
bzw. verbleiben. Diese Frei- und Hohlräume erzeugen die Kapillarwirkung durch
die eine vollständige
Benetzung der Stoff- und Wärmeaustauscherflächen gewährleistet
wird.
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Diese
Festkörperpartikel
bilden durch ihre äußere Gestalt
in Verbindung mit dieser unmittelbar benachbarten Anordnung, eine
Zone starker Kapillarwirkung, die groß genug ist, die entnetzenden
Kräfte, welche
die Bildung eines geschlossenen Film verhindern, zu überwinden
und einen geschlossenen Film zu erzeugen.
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Gleichzeitig
besitzt die Kontaktfläche
Beschichtungskörper/Flüssigkeit,
abhängig
von den verwendeten Trägermaterialien,
eine niedrigere Grenzflächenspannung
als die unbeschichtete Kontaktfläche
Trägermaterial/Flüssigkeit,
was sich benetzungsfördernd
und damit filmbildungsfördemd
auswirkt.
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Ist
der Dampfdruck der benetzenden Flüssigkeit oder einer ihrer Komponenten,
gegenüber dem
umgebenden, gasförmigen
Medium verschwindend klein, wird bei Betriebsstillstand des Apparates auf
der Beschichtung befindliche Flüssigkeit,
durch die starken kapillaren Kräfte,
in den Hohl- und Freiräume
zwischen den die Beschichtung bildenden Körpern, und der Trägerfläche festgehalten.
Dadurch wird, bei erneutem Anfahren des Prozesses, eine sofortige
Koaleszenz der frisch auf die Fläche
aufgebrachten Flüssigkeit
mit der in der Beschichtung verbliebenen Flüssigkeit zu einem flächigen,
geschlossenen Dünnfilm
erreicht.
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Dadurch
ist zusätzlich
die Möglichkeit
geschaffen das Verhältnis
zwischen Gas und Flüssigkeitsmassenstrom,
durch Variation der Flüssigkeitsmenge
während
des Betriebes, massiv zu verändern, ohne
den geschlossenen Film zu zerstören.
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Durch
die Variation der Größen der
verwendeten Beschichtungskörper
kann die Beschichtung, in ihren filmerzeugenden Eigenschaften, auf
Flüssigkeiten
mit verschiedenen Stoffeigenschaften und auf verschiedene Prozeßführungen
angepaßt
werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 sind die
einzelnen Festkörperpartikel
in etwa gleich groß.
Dies fördert
die Homogenität
des Flüssigkeitsfilms.
Hierbei ist es nicht notwendig, daß die einzelnen Festkörperpartikel
die gleiche Form aufweisen oder regelmäßig geformt sind.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 bilden
die Festkörperpartikel
eine einlagige Schicht auf der Oberfläche der Reaktordoppelplatte
bzw. auf der Stoff- und Wärmeaustauscherfläche. Durch
die Einlagigkeit wird ein sehr dünner
Dünnfilm
gewährleistet.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Festkörperpartikel Sandkörner von
natürlichem
Sand. Die Oberfläche der
Stoff- und Wärmeaustauscherflächen entspricht daher
der Oberfläche
von Sandpapier. Sand ist preisgünstig
und die Herstellungstechnologien für Sandpapier können bei
der Herstellung der erfindungsgemäßen Stoff- und Wärmeaustauscherflächen genutzt werden.
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Die übrigen Unteransprüche beziehen
sich auf weitere vorteilhafte Aussgestaltungen der Erfindung.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung,
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2 eine
schematische Schnittdarstellung durch eine der Stoff- und Wärmeaustauscheroberflächen,
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3 eine
Aufsicht auf den Flüssigkeitsverteilen
von vorne,
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4a ein
Detail der Rückansicht
des Flüssigkeitsverteilers,
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4b ein
Schnitt durch die Darstellung in 4a entlang
der Linie D-D;
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5a,
b und c Schnittdarstellungen entlang der Linien A-A, B-B und C-C
in 3;
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6 und 7 eine
alternative Ausgestaltung des Flüssigkeitsverteilers;
und
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8 ein
Detail aus 3.
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Die
in 1 dargestellte beispielhafte Ausführungsform
der Erfindung weist eine Mehrzahl von senkrecht, im Abstand nebeneinander
angeordneten Reaktordoppelplatten 2 auf. Jede der Reaktordoppelplatten 2 weist
ein oberes Ende 4, ein unteres Ende 6, eine erste
und eine zweite Hauptoberfläche 8 bzw. 10 und
einen Zwischenraum 12 zwischen der ersten und zweiten Hauptoberfläche 8 und 10 auf.
Der Zwischenraum 12 ist als Wärmeaustauschkanalsystem 14 ausgebildet,
daß beispielsweise
von Wasser als Heiz- oder Kühlmedium
HKM durchflossen wird. Zwischen den einzelnen Reaktordoppelplatten 2 ist
ein Stoffkanalaustauschsystem 16 ausgebildet. Die ersten
und zweiten Hauptoberflächen 8 und 10 der
Reaktordoppelplatten 2 sind als Stoff- und Wärmeaustauscherflächen 18 ausgebildet.
Die Stoff- und Wärmeaustauscherflächen 18 werden
von oben her mit einem flüssigen
Medium FM oder Sorbens ganzflächig
benetzt. Von unten her strömt
im Gegenstrom zwischen den Reaktordoppelplatten 2 ein gasförmiges Medium
GM, daß im
Falle der Absorption eine gasförmige
Komponente an das Sorbens FM abgibt und im Falle der Desorption
diese gasförmige
Komponente von dem Sorbens FM wieder aufnimmt.
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Am
oberen Ende 4 der Reaktordoppelplatten 2 ist jeweils
ein Flüssigkeitsverteiler 20 angeordnet, der
das Sorbens FM über
die gesammte Breite der Reaktordoppelplatten 2 auf allen
Stoff- und Wärmetauscherflächen 18 zur
Bildung eines dünnen
Flüssigkeitsfilm
bereitstellt. Details des Flüssigkeitsverteilers 20 werden
in den 3, 4 und 5 beschrieben.
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Die
Stoff- und Wärmeaustauscherflächen 18 weisen
eine Oberflächenbeschichtung 21 mit
kleinen Festkörperpartikeln 22,
z. B. Sandkörnern
auf, wie dies schematisch in 2 dargestellt
ist. Die Stoff- und Wärmeaustauscherflächen 18 weisen
damit die Struktur bzw. Oberfläche
von Sandpapier auf. Zwischen den einzelnen Festkörperpartikeln bzw. Sandkörnern 22 sind
aufgrund der Form und der Nebeneinanderanordnung der Sandkörner 22 Frei-
und Hohlräume 24 ausgebildet.
Diese kleinen Frei- und Hohlräume 24 bedingen
durch ihre Kapillarwirkung die gleichmäßige Verteilung des Sorbens
FM in Form eines kontinuierlichen dünnen Flüssigkeitsfilms 26 auf
den Stoff- und Wärmaustauscherflächen 18.
Wie in 2 dargestellt ist, sind die Sandkörner 22 einzeln
nebeneinander auf den Stoff- und Wärmeaustauscherflächen 18 angeordnet.
Durch diese einlagige Anordnung wird ein sehr dünner Flüssigkeitsfilm ermöglicht.
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Die
Beschichtung 21 bzw. die Sandkörner 22 werden mittels
eines Klebers dauerhaft auf der Stoff- und Wärmeaustauscherfläche 18 fixiert.
Alternativ kann die Beschichtung 21 auf auf einem nicht
näher dargestellten
Zwischenträger
aufgebracht sein, der dann auf die Stoff- und Wärmeaustauscherflächen 18 aufgeklebt
wird.
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Die 3 bis 5 zeigen eine beispielhafte Ausgestaltung
des Flüssigkeitsverteilers 20 mit
dem das flüssige
Sorbens FM vom oberen Ende 4 der Reaktordoppelplatten 2 auf
die Stoff- und Wärmeaustauscherflächen 18 aufgebracht
wird. Der Flüssigkeitsverteiler 20 weist
eine rechteckigen und plattenförmigen
Grundkörper 27 mit
einer Vorderseite 28 und einer Rückseite 29 auf. Die
Breite b und Dicke d des Flüssigkeitsverteilers
entspricht der Breite und Dicke der Reaktordoppelplatten 2.
An der Oberkannte des Flüssigkeitsverteilers 20 sind
in regelmäßigen Abständen vordere
und hintere Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 30 und 32 in
gleichem Abstand nebeneinander angeordnet, wobei sich vordere und
hintere Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 30, 32 in
ihrer Abfolge abwechseln. Die vorderen Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 30 benetzen
daher die Vorderseite 28 des Flüssigkeitsverteilers 20 und
die erste Hauptoberfläche 8 einer
Reaktordoppelplatte 2 und die hinteren Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 32 benetzen
die Rückseite 29 und
die zweite Hauptoberfläche 10.
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Den
Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 30 und 32 werden über ein
Flüssigkeitszuleitungssystem 34 Flüssigkeit
bzw. Sorbens FM zugeführt.
Das Flüssigkeitszuleitungssystem 34,
das auf der Vorderseite 28 zu sehen ist, umfaßt eine
gemeinsame Flüssigkeitshauptzuleitung 36 und
eine Vielzahl von Flüssigkeitsunterzuleitungen 38.
Hierbei spaltet sich die Flüssigkeitshauptzuleitung 38 durch
wiederholte Bisektion an Gabelungsstellen 40 in die Flüssigkeitsunterzuleitungen 38 auf,
bis schließlich
für jede
der Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 30 und 32 eine
eigene Flüssigkeitsunterzuleitung 38 vorliegt.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform
weist 64 Austrittsöffnungen 30 zur
ersten Hauptoberfläche 8 hin
auf und 64 Austrittsöffnungen 32 zur
zweiten Hauptoberfläche 10 hin auf.
Die Flüssigkeitshauptzuleitung 36 spaltet
sich an der ersten Gabelungsstelle 40 in zwei Flüssigkeitsunterzuleitungen 38 auf,
die sich noch fünf
mal jeweils in zwei Flüssigkeitsunterzuleitungen 38 aufspalten bis
für jede
der 128 Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 30 und 32 eine
Flüssigkeitsunterzuleitung 38 vorliegt.
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Die
Flüssigkeitshauptzuleitung 36 weist
eine über
den oberen Kannte des Flüssigkeitsverteilers 20 liegendes
Anschlußstück 42 auf, über das
das flüssige
Sorbens FM eingespeist wird. Die Flüssigkeitshauptzuleitung 36 endet
am tiefsten Punkt des Flüssigkeitszuleitungssystems 34 und
die Flüssigkeitsunterzuleitungen 38 erstrecken
sich ausschließlich
in horizontaler oder in vertikaler Richtung nach oben entgegen der
Schwerkraft. Durch diese Anordnung der Flüssigkeitsunterzuleitungen 38 wird
eine Blasenbildung in dem Flüssigkeitszuleitungssystem 34 vermieden,
was zu diskontinuierlicher Filmbildung führen könnte.
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Wie
aus den Detaildarstellungen in 5a und 5c zu
ersehen ist, sind die Austrittsöffnungen 30 bzw. 32 nach
außen
hin konisch ausgebildet. Durch diese Formgebung wird Tropfenbildung
beim Austreten des flüssigen
Sorbens FM aus den Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 30, 32 vermieden
und die gleichmäßige Benetzung
der Stoff- und Wärmetauscherflächen 18 gewährleistet.
Sowohl die Vorderseite 28 als auch die Rückseite 29 des
Flüssigkeitsverteilers 20 sind
in dem Bereich unter den Austrittsöffnungen 30 bzw. 32 mit
der gleichen Beschichtung 21 versehen, wie die Wärmetauscherflächen 18.
Hierdurch wird eine kontinuierliche Filmbildung beginnend an den
Austrittsöffnungen
bis zum unteren Ende 6 der Wärmetauscherflächen 18 gewährleistet.
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Der
Flüssigkeitsverteiler 20 wird
mittels eines Steckmechanismus 44 auf der jeweiligen Reaktordoppelplatte 2 aufgesteckt.
Der Steckmechanismus 44 ist im Querschnitt betrachtet M-förmig – siehe 5a, 5b und 5c – und weist
einen mittleren nach unten vorstehenden Steckstreifen 46 und links
und rechts bzw. vorne und hinten einen vorderen Abdeckstreifen 48 und
einen hinteren Abdeckstreifen 50 auf. Der vordere Abdeckstreifen 48 überlappt
dabei die erste Hauptoberfläche 8 und
der hintere Abdeckstreifen 50 überlappt die zweite Hauptoberfläche 10.
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6 und 7 zeigen
Schnittdarstellungen alternativer Ausführungsformen des Flüssigkeitsverteilers 20.
Die Ausführungsformen
gemäß den 6 und 7 unterscheiden
sich von der Ausführungsform
nach 5 durch die Ausbildung der Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 30 und 32.
Die vorderen und die hinteren Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 30, 32 liegen
auf gleicher Höhe
und sind nicht, wie bei der Ausführungsform
nach
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5, seitlich zueinander versetzt. Bei der Ausführungsform
nach 6 führen
die unmittelbar mit den Austrittsöffnungen 30, 32 verbundenen
Flüssigkeitsunterzuleitungen
schräg
nach oben und außen.
Bei der Ausführungsform
nach 7 führen
diese letzten Flüssigkeitsunterzuleitungen 38 waagrecht nach
außen.
Bei der Ausführungsform
nach 7 ist die Gabelungsstelle 40 gerundet
ausgebildet um Wirbel und Unregelmäßigeiten in der Strömmungsgeschwindigkeit
zu vermeiden.
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8 zeigt
eine Detaildarstellung aus 3 mit gerundeten
Ausbildung der Gabelungsstellen 40. Die Flüssigeitsunterzuleitungen 38 weisen
an den Gabelungstellen keilförmige
Einbuchtungen 52 auf, wodurch sich die gerundete Form der
Gabelungsstellen ergibt.
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Um
ein Verstopfen der kleinsten Flüssigkeitsunterzzuleitungen
zu verhindern, wird der Mindestquerschnitt der kleinsten Flüssigkeitsunterzuleitung
doppelt so groß wie
die größten zu
erwartenden Schmutzpartikelabmessungen gewählt (typischerweise 1 mm2).
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Der
vorstehend beschriebene Stoff- und Wärmeaustauschreaktor ist insbesondere
zur Entfeuchtung und Kühlung
von Luft geeignet. Hierbei wird die Luft auf sorptivem Weg entfeuchtet
und dabei gleichzeitig eine sorptive Flüssigkeit, zumeist eine wässrige Lösung eines
oder mehrer Salze, stark verdünnt
(Absorption) oder Luft befeuchtet und das verwendete Sorbens dabei
stark aufkonzentriert (Desorption). Die Heiz- und Kühlflüssigkeit,
welche in dem Wärmeaustauschkanalsystem 14 von
dem flüssigen
Sorbens FM und der Luft GM stofflich getrennt strömt, führt dem
Sorptionsprozeß dabei
Wärme zu oder
ab (Desorption oder Absorption). Die Kühlflüssigkeit HKM wird zur Erreichung
der maximalen Kühltemperatur spreizung,
bei der Absorption im Gegenstrom oder Kreuzgegenstrom zu der Luft
GM geführt. Bei
der Desorption wird es im Gegenstrom oder Kreuzgegenstrom zum Sorbens
FM geführt.
Im Fall der Absorption wird dabei das konzentrierteste Sorbens am
stärksten
gekühlt,
wodurch der Gleichgewichtsdampfdruck des Sorbens so niedrig wie
möglich
wird. Bei der Desorption wird dagegen das konzentrierteste Sorbens
mit dem heißesten
Heizmedium HKM in Kontakt gebracht, was die größte mögliche Gleichgewichtswasserdampfdruckerhöhung in dem
Sorbens bewirkt. Beide Maßnahmen
stellen jeweils das größtmögliche Stoffaustauschpotential
des jeweiligen Prozesses (Absorption oder Desorption) zur Verfügung.
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Die
Stoff- und Wärmeaustauscherflächen 18,
die gleichzeitig das Sorbens FM und die Luft GM von der Kühlflüssigkeit
HKM stofflich trennen, stehen zum Zwischenraum 12 zwischen
den Reaktordoppelplatten 2 hin vollständig mit dem Kühl- bzw.
Heizmedium HKM in Kontakt und die andere Seite, d. h. die Stoff-
und Wärmeauscherflächen 18,
sind mit dem flüssigen
Sorbens FM benetzt. Das flüssige
Sorbens FM bildet auf den Stoff- und
Wärmeaustauscherflächen 18 einen
extrem dünnen,
geschlossenen Film 26, der der Schwerkraft folgend an den
Stoff- und Wärmeaustauscherflächen 18 herunterläuft. Durch diesen
reinen Flüssigkeitskontakt
sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite der Reaktordoppelplatten 2 wird
ein hoher Wärmeübergangskoeffizient
erzielt und damit ein hoher Wärmedurchgang
von der Kühl- bzw. Heiflüssigkeit
HKM durch die trennende Wand auf das Sorbens FM und auf die an dem
Sorbensfilm 26 entlang streichende Luft GM erreicht. Dadurch
wird gleichzeitig auch ein optimaler Stoffübergang erreicht. Der geschlossene
Sorbensfilm 26 wird durch die spezielle Beschichtung 21 mit kleinen
Festkörperpartikeln 22 erreicht,
die bewirkt, daß eine
extrem kleine Sorbensmenge FM die Wärmetauscherflächen 18 benetzt
und gleichmäßig und kontinuierlich
nach unten läuft.
Die extrem kleine Sorbensmenge wird von dem Flüssigkeitsverteiler 20 von
der Oberkante der Wärmetauscherflächen 18 her über die
gesamte Breite der Reaktordoppelplatten 2 verteilt, ohne
dabei Tropfen zu bilden, die von der Luftströmung mitgerissen werden könnten. Der Flüssigkeitsverteiler 20 ragt
hierbei nicht oder nur minimal in den freien Luftströmungsquerschnitt
zwischen den Reaktordoppelplatten 2 hinein, so daß keine
nennenswerte Beeinträchtigung
der Strömung auftritt,
die zu einer Erhöhung
des Strömungsdruckverlustes
führen
würde.
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Der
gesamte Stoff- und Wärmeaustauschreaktor
läßt sich
aus Kunststoff herstellen und sehr dünn ausführen. Die Dicke der einzelnen
Reaktordoppelplatten 2 beträgt beispielsweise 3 mm. In dem
Zwischenraum 12 der Reaktordoppelplatten 2 sind
in regelmäßigen Abständen Stege – nicht
dargestellt – vorgesehen,
der von der Kühlflüssigkeit
HKM meanderförmig
durchströmt
wird. Das zwischen den Reaktordoppelplatten 2 ausgebildete
Stoffaustauschkanalsystem 16 wird von der Luft GM entgegen
der Schwerkraft und von dem flüssigekn
Sorbens FM mit der Schwerkraft in direktem, kontinuierlichen Gegenstrom
durchströmt.
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- 2
- Reaktordoppelplatte
- 4
- oberes
Ende von 2
- 6
- unteres
Ende von 2
- 8
- erste
Hauptoberfläche
von 2
- 10
- zweite
Hauptoberfläche
von 2
- 12
- Zwischenraum
in 2
- 14
- Wärmeaustausch-Kanalsystem
- 16
- Stoffaustausch-Kanalsystem
- 18
- Stoff-
und Wärmeaustauscherflächen
- 20
- Flüssigkeitsverteiler
- 21
- Beschichtung
von 18, 2
- 22
- kleine
Festkörperpartikel,
Sandkörner
- 24
- Frei-
und Hohlräume
- 26
- Flüssigkeitsfilm
aus Sorbens FM
- 27
- Grundkörper von 20
- 28
- Vorderseite
- 29
- Rückseite
- 30
- vordere
Flüssigkeitsaustrittsöffnungen
- 32
- hintere
Flüssigkeitsaustrittsöffnungen
- 34
- Flüssigkeitszuleitungssystem
- 36
- Flüssigkeitshauptzuleitung
- 38
- Flüssigkeitsunterzuleitungen
- 40
- Gabelungsstellen
- 42
- Anschlußstück von 36
- 44
- Steckmechanismus
- 46
- mittlerer
Steckstreifen
- 48
- vorderer
Abdeckstreifen
- 50
- hinterer
Abdeckstreifen
- 52
- keilförmige Einbuchtung