DE10159652A1

DE10159652A1 - Verfahren zur Wärmeübertragung sowie Wärmeübertrager hierfür

Info

Publication number: DE10159652A1
Application number: DE10159652A
Authority: DE
Inventors: Walter Mittelbach; Hans-Martin Henning
Original assignee: Sortech AG
Current assignee: Fahrenheit GmbH
Priority date: 2000-12-05
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2002-09-12
Anticipated expiration: 2021-12-06
Also published as: DE10159652C2

Abstract

Es werden ein Verfahren zur Wärmeübertragung mittels Adsorption eines wärmeübertragenden Mediums sowie ein Wärmeübertrager zur Durchführung dieses Verfahrens angegeben. Das Sorptionsmaterial befindet sich hierbei erfindungsgemäß innerhalb der Poren einer schaumstoffartigen und wärmeleitenden Matrix. Die schaumstoffartige Matrix selbst kann als ein Metallschwamm ausgebildet sein. Der Wärmeübertrager zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt innerhalb eines Außenbehälters (AB) angeordnete Adsorbereinheiten (AE), welche über einen Vakuumanschluß (VA) sowie einen Verteiler (DV) mit einem Primärmedium beaufschlagt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmeübertragung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Wärmeübertrager zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des An spruchs 7.

Bei bekannten Verfahren zur Wärmeübertragung mittels Adsorp tion eines wärmeabgebenden oder -aufnehmenden fluiden Mediums wird dieses in einem Sorptionsbett an ein Sorptionsmaterial adsorbiert und gibt seine Wärme über eine Wärmeübertragungs fläche des Sorptionsbettes an ein mit dieser in Wärmekontakt stehendes Medium ab.

Die bisherigen, nach dem gegenwärtigen Stand der Technik be kannten und genutzten Verfahren beruhen darauf, daß das zu ad sorbierende Medium durch ein granulares Sorptionsmaterial ge leitet wird, welches sich in freier Schüttung innerhalb eines dafür vorgesehenen Behälters befindet. Dabei adsorbiert es am granularen Material, wobei dieses durch Wärmeübertragung die Temperatur des adsorbierten Mediums annimmt und dessen Wärme auf die Behälterwand überträgt, welche im allgemeinen mit ei nem Sekundärmedium in Wärmekontakt steht.

Diese nach dem gegenwärtigen Stand der Technik bekannten Ver fahren weisen einige gravierende Mängel auf. Zunächst kann nicht in jedem Fall davon ausgegangen werden, daß das Sorpti onsmaterial ein hinreichend guter Wärmeleiter ist, der die vom adsorbierten Medium übertragende Wärme zufriedenstellend an die Behälterwand und damit an das Sekundärmedium überträgt. Da das Sorptionsmedium eine granulare Beschaffenheit hat und in freier Schüttung vorliegt, kann die Wärmeübertragung aus dem Kernbereich des Sorptionsmaterial zur eigentlichen Wärmeüber tragungsfläche im wesentlichen nur über die Kontaktstellen zwischen den granularen Teilchen erfolgen, woraus ein sehr schlechter Wärmeleitkoeffizient resultiert.

Nach einer gewissen Zeit verfestigt sich das Sorptionsmateri al, wobei die Porösität der freien Schüttung abnimmt und der Durchtritt des zu absorbierenden Mediums zunehmend behindert wird. Damit verschlechtert sich sowohl die Adsorptions- als auch die Wärmeleitfähigkeit des Sorptionsmaterials weiter.

Ein Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren betrifft auch die Ausführungsformen der Wärmeübertrager zur Anwendung des Adsorptionswärmeübertragungsverfahrens. Wie be reits erwähnt befindet sich das Sorptionsmaterial innerhalb eines Behälters, dessen Wände aus gut wärmeleitendem Material bestehen. Die Fertigung eines derartigen Wärmeübertragers ist aufwendig, mit relativ vielen Herstellungsschritten verbunden und birgt somit viele Fehlerquellen in sich. Bei der Herstel lung des das Sorptionsmaterial aufnehmenden Behälters ist ins besondere auf eine dichte Ausführung aller vorhandenen Verbin dungen, im wesentlichen Löt- und/oder Schweißnähte zu achten, um spätere Leckagen während des Betriebes des Wärmeübertragers auszuschließen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es daher, ein weiterentwickeltes Verfahren zur Sorptionswärmeübertragung an zugeben, das eine möglichst hohe effektive Wärmeleitfähigkeit des Sorptionsbettes ermöglicht, den Durchtritt des zu adsor bierenden Mediums auch nach einer langen Laufzeit des Verfah rens nicht wesentlich behindert und welches einen optimalen Durchsatz des Sorptionsbettes sicherstellt. Ebenso ist es Auf gabe der Erfindung, einen verbesserten Wärmeübertrager für ein solches Verfahren zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Lehre nach An spruch 1 und einem nach diesem Verfahren betriebenen Wärme übertrager nach Anspruch 7 gelöst.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, den Wärmeübergang zwischen Sorptionsmaterial und Wärmeüber gangsfläche möglichst intensiv dadurch zu gestalten, daß das Sorptionsmaterial die vom adsorbierten Medium übertragene Wärme an eine gut wärmeleitende insbesondere schaumstoffartige Ma trix abgibt, welche das Sorptionsmaterial innerhalb der Poren des Materials beinhaltet.

Im Sinne der hier beschriebenen Erfindung wird unter dem Be griff einer schaumstoffartigen Matrix bzw. eines Schaumes ein stark verzweigtes, aber prinzipiell vollkommen durchgängiges System miteinander verbundener und einen Körper vollständig durchsetzender Hohlräume verstanden.

Derartige Schäume und Verfahren zur Herstellung insbesondere metallischer Schäume sind bereits bekannt und werden bei spielsweise in der Patentschrift US 3,616,841 näher beschrie ben. Auf die dortige Offenbarung sei ausdrücklich verwiesen.

Das Sorptionsmaterial befindet sich nicht in freier Schüttung in einem ansonsten freien durch ein Gefäß vorgegebenen Volu men, sondern ist innerhalb einer Matrix, die schaumstoffartig ausgebildet ist, verteilt und fixiert. Die Matrix selbst schließt entweder an die eigentliche Wärmetauschfläche an oder ist an ihrer Oberfläche geeignet geformt und bildet somit un mittelbar selbst die Wärmetauschfläche. Da sich im wesentli chen jedes Granulatteilchen des Sorptionsmaterials in Wärme kontakt zur Matrix befindet und die Matrix aus einem Material mit einem hohen Wärmeleitungskoeffizienten besteht, erhöht sich die effektive Wärmeleitfähigkeit des Systems Sorptions mittel/Matrix gegenüber der herkömmlich angewandten freien Schüttung beträchtlich. Die Resultate bereits durchgeführter Versuche zeigten eine bis zu 20 fache Verbesserung der effek tiven Wärmeleitfähigkeit des erfindungsgemäßen Sorptionsmit tel/Matrix-Verfahrens gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, bei welchem die freie Schüttung des Sorp tionsmittels angewendet wird.

Das Sorptionsmittel wird z. B. im festen granularen Zustand in die Schaumstruktur der Matrix eingerüttelt. Diese Methode ge währleistet eine homogene Verteilung des Sorptionsmaterials innerhalb der schaumstoffartigen Matrix und ist einfach und kostengünstig.

Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, die Hohlräume der schaumstoffartigen Matrix mit dem Sorptionsmaterial zu benet zen. Hierzu wird das Sorptionsmaterial in fluider Form, flüs sig, gasförmig oder in Form eines feinverteilten Aerosols oder Sprays in die schaumstoffartige Matrix eingebracht. Hierbei kann die Matrix entweder getränkt werden, wobei sich das flüs sige Sorptionsmittel unter Wirkung von Kapillarkräften in der schaumstoffartigen Matrix ausbreitet, oder die Matrix wird ei nem konstanten Strom eines Gases, Dampfes oder Aerosols ausge setzt.

Die Tränkmethode eignet sich besonders für eine freie Flüssig keit, während die Durchströmmethoden für Sorptionsmitteldämpfe von Vorteil sind.

Anschließend härtet das Sorptionsmittel an den Wänden der Hohlräume der schaumstoffartigen Matrix aus und benetzt diese damit vollständig. Dadurch wird ein besonders intensiver Wär mekontakt zwischen Sorptionsmittel und Matrix ermöglicht.

Die schaumstoffartige Matrix ist vorzugsweise aus einem me tallischen Material ausgeführt. Hierbei werden insbesondere Metalle oder Metalllegierungen angewendet, die über sehr gute Wärmeleiteigenschaften verfügen, kostengünstig bei einem opti malen Masse-Leistungsverhältnis und einfach in der Verarbei tung sind, wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer.

Alternativ dazu ist es auch möglich, nichtmetallische Materia lien zur Bildung der schaumstoffartigen Matrix zu verwenden. Insbesondere sind dies Keramiken, Karbide oder Kohlenstoffver bindungen wie Graphite oder dergleichen chemische Verbindun gen.

Ein auf dem erfindungsgemäßen Verfahren aufbauender Wärmeüber trager weist eine Adsorbereinheit, welche mindestens aus einer Außenwandung und der schaumstoffartigen, das Sorptionsmaterial beinhaltenden Matrix zusammengesetzt ist, auf, die innerhalb eines Außenbehälters, welcher von einem Sekundärmedium durch strömt wird, angeordnet sind. Hierbei übernimmt die Außenwan dung die Wärmeübertragung zwischen dem System Primärmedium /Sorptionsmaterial/Matrix einerseits und dem Sekundärmedium andererseits.

Zweckmäßigerweise bildet die schaumstoffartige Matrix zusammen mit der Außenwandung einen einheitlichen, kompakt zusammenhän genden Körper. Außenwandung und schaumstoffartige Matrix be stehen aus dem gleichen Material und sind so gefertigt, daß diese ineinander übergehen und eine unlösbare stoffliche Ein heit bilden und aus einem einzigen Fertigungsprozeß stammen. Damit wird sowohl die getrennte Herstellung eines Adsorberman tels mit denen als mögliche Risikostellen für Lecks anzusehen den Nähten vermieden, als auch die Wärmeleitung zwischen Ma trix und Adsorberwandung optimal und störungsfrei gestaltet. Zudem ist es möglich, durch Wahl einer entsprechenden Gießform sowohl Form als auch Querschnitt einer Adsorbereinheit in ein facher Weise vorzugeben.

Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, indem die schaumstoffartige Matrix in Einheit mit der Außenwandung durch Gießen gefertigt ist.

Alternativ dazu besteht bei einer weiteren Ausführungsform der Grenzfläche zwischen Außenwandung und schaumstoffartiger Ma trix die Möglichkeit, die Außenwandung der Adsorbereinheit durch eine die schaumstoffartige Matrix umhüllende Folie aus zubilden.

Bei einer dritten Ausführungsform der Außenwandung der Adsor bereinheit ist diese konventionell unabhängig von der schaum stoffartigen Matrix vorgefertigt. Anschließend wird die schaumstoffartige Matrix in die vorgefertigte Außenwandung eingeführt und mit dieser unlösbar, insbesondere stoffschlüs sig, z. B. durch Verlöten verbunden.

Zweckmäßigerweise sind innerhalb des Außenbehälters des Wärme übertragers mehrere Adsorbereinheiten angeordnet, die von min destens einem gemeinsamen Anschluß mit dem zu, adsorbierenden Primärmedium beschickt werden. Dabei richtet sich die Anzahl der Adsorbereinheiten und deren Form nach dem gestellten funk tionellen Anforderungen des Wärmeübertragers.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. der zur Durchführung des Verfahrens vorgesehene Wärmeübertrager soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Zur Verdeutli chung dienen die beigefügten Abbildungen Fig. 1 bis Fig. 3. Es werden für gleiche, bzw. gleichartige Verfahrensbestandteile, sowie für gleiche bzw. gleichartige Teile des Wärmetauschers die selben Bezugszeichen verwendet.

Im Einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers in einem Längsschnitt;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers in einem Querschnitt und

Fig. 3 eine Detaildarstellung der schaumstoffartigen Ma trix, insbesondere in der Nähe einer Adsorberwandung

In Fig. 1 ist ein Wärmetauscher zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt.

Innerhalb eines Außenbehälters AB sind Adsorbereinheiten AE angeordnet. Diese werden über einen Vakuumanschluß VA sowie einem zwischengeschalteten Verteiler DV mit einem Primärmedium beschickt, welches innerhalb der Adsorbereinheiten AE adsor biert wird und dabei über zu den Adsorbereinheiten gehörige Adsorberwandungen AW Wärme mit einem Sekundärmedium tauschen.

Dieses tritt über einen Vorlauf VL in den Wärmetauscher ein und verläßt diesen über einen Rücklauf RL.

Die Adsorbereinheiten AE können innerhalb des Außenbehälters AB auf verschiedene Art und Weise gruppiert sein. Dies hängt von den an den Wärmeübertrager konkret gestellten Anforderun gen ab. In den Fig. 2a und 2b sind zwei mögliche Anordnungen einer Gruppe von Adsorbereinheiten AE innerhalb des Außenbe hälters AB schematisch in einem Querschnitt dargestellt.

Fig. 2a stellt eine gleichmäßige Verteilung von sieben gleich artig ausgeführten Adsorbereinheiten AE innerhalb eines Außen behälters AB dar, während in Fig. 2b eine Anordnung von elf Adsorbereinheiten mit einer kleineren Querschnittsfläche sche matisch dargestellt ist, die um eine in der Mitte angeordnete größere Adsorbereinheit AE herum gruppiert sind. Prinzipiell hängt die konkrete Gestaltung der Anordnung der Adsorberein heiten im wesentlichen von folgenden Gesichtspunkten ab:

- geforderte Leistungsdichte
- funktionelle Bestimmung des Wärmeübetragers (vorwiegend Sorptionsspeicher oder Sorptionswärmepumpe)

Der innere Aufbau in der Nähe der Adsorberwandung AW einer Ad sorbereinheit AE ist im Querschnitt in Fig. 3 schematisch dar gestellt.

Das schwammartige Material ist hier als ein Metallschwamm MS dargestellt, der über eine große Anzahl offener Poren PO ver fügt, in dessen Inneren sich das Sorptionsmittel in Form bei spielsweise eine Granulates befindet. Das Sorptionsmittel selbst in Fig. 3 nicht dargestellt.

Die Größe der Granulatkörner des Sorptionsmittels ist so be schaffen, daß diese einerseits problemlos in den Metallschwamm MS eingeschüttelt werden können, andererseits aber einen mög lichst direkten Kontakt zur nächstgelegenen Wand eine Pore PO aufweisen, in der sie sich befinden. Da der Metallschwamm MS und die Adsorberwandung AW aus ein und dem selben Material be stehen, ist eine direkte Wärmeleitung von der Wand einer Pore PO zur Adsorberwandung AW, die im thermischen Kontakt zu einem Sekundärmedium steht, möglich.

Da das Granulat des Sorptionsmittels nicht als freie Schüttung vorliegt, sondern in den Poren PO quasi gebunden ist, wird ei nerseits eine homogene Verteilung des Sorptionsmittels über den Querschnitt der Adsorbereinheit AE und erreicht und ande rerseits ein Verschluß der Poren einer freien Schüttung zwi schen den Granulatkörnern vermieden, so daß ein gleichmäßiger Durchsatz der Adsorbereinheit mit einem Primärmedium, sowie eine homogen über den Querschnitt der Adsorbereinheit verteile Adsorption möglich ist.

Bezugszeichenliste

AB Außenbehälter
AE Adsorbereinheit
AW Adsorberwandung
DV Verteiler
MS Metallschwamm
PO Poren des Metallschwamms
RL Rücklauf
SM Sorptionsmaterial
VA Vakuumanschluß
VL Vorlauf

Claims

1. Verfahren zur Wärmeübertragung mittels Adsorption eines wärmeübertragenden fluiden Mediums innerhalb eines Sorptionsbettes mit einem Sorptionsmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß das Sorptionsmaterial eine beim Sorptionsvorgang anfallende Wärme an eine wärmeleitende insbesondere schaumstoffartige und das Sorptionsmaterial beinhaltende Matrix abgibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß herstellungsseitig das Sorptionsmaterial in einem festen oder fluiden Zustand in die Schaumstruktur eingebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß herstellungsseitig das Sorptionsmaterial im festen Zustand durch ein Einrütteln eines aus dem Sorptionsmaterial bestehenden Granulates in die Schaumstruktur erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Einbringen des Sorptionsmaterials in flüssiger, gasförmiger oder dampfartiger Form die Schaumstruktur mit dem Sorptionsmaterial getränkt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schaumstruktur herstellungsseitig aus einem metallischen Material ausgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schaumstruktur herstellungsseitig aus nichtmetallischen gut wärmeleitenden Materialien, ins besondere Keramiken, Karbiden oder Kohlenstoffverbindungen ausgeführt wird.

7. Wärmeübertrager insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Adsorbereinheit (AE), diese mindestens bestehend aus einer äußeren Adsorberwandung (AW) und der schaumartigen, das Sorptionsmaterial (SM) beinhaltenden Matrix (MS) innerhalb eines Außenbehälters (AB) angeordnet ist, der von einem wärmeabgebenden oder -aufnehmenden Medium durchströmt wird.

8. Wärmeübertrager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorberwandung (AW) mit der schaumartigen Matrix (MS) einen kompakt zusammenhängenden Körper bildet.

9. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß schaumartige Matrix (MS) und Adsorberwandung (AW) einen integrierten, z. B. gegossenen Körper darstellen.

10. Wärmeübertrager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwandung (AW) der Adsorbereinheit (AE) durch eine die schaumartige Matrix (MS) einhüllende Folie oder ein Blech ausgebildet ist.

11. Wärmeübertrager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwandung (AW) der Adsorbereinheit (AE) mit einer metallischen schaumartigen Matrix (MS) unlösbar mittels eines stoffschlüssigen Fügeverfahrens verbunden, insbesondere verlötet ist.

12. Wärmeübertrager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch mindestens einen Vakuumanschluß (VA) beschickte Anordnung von Adsorbereinheiten (AE) innerhalb des Außenbehälters (AB) angeordnet ist.

13. Wärmeübertrager nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Adsorbereinheiten (AE), deren Querschnitte und räumliche Anordnungen zueinander variabel auf die jeweilig gestellten funktionellen Anforderungen abgestimmt sind.