DE10159652C2

DE10159652C2 - Verfahren zur Wärmeübertragung sowie Wärmeübertrager hierfür

Info

Publication number: DE10159652C2
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: 2003-07-24
Anticipated expiration: 2021-12-06
Also published as: DE10159652A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmeübertragung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Wärmeübertrager zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 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 bekannten und genutzten Verfahren beruhen darauf, daß das zu adsorbierende Medium durch ein granulares Sorptionsmaterial geleitet 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 einem 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 Sorptionsmaterial ein hinreichend guter Wärmeleiter ist, der die vom adsorbierten Medium übertragende Wärme zufrieden stellend an die Behälterwand und damit an das Sekundärmedium überträgt. Da das Sorptionsmedium eine granulare Beschaffen heit hat und in freier Schüttung vorliegt, kann die Wärmeüber tragung aus dem Kernbereich des Sorptionsmaterial zur eigent lichen Wärmeübertragungsfläche im wesentlichen nur über die Kontaktstellen zwischen den granularen Teilchen erfolgen, woraus ein sehr schlechter Wärmeleitkoeffizient resultiert.

Nach einer gewissen Zeit verfestigt sich das Sorptionsmate rial, wobei die Porösität der freien Schüttung abnimmt und der Durchtritt des zu adsorbierenden 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 bereits 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 insbesondere auf eine dichte Ausführung aller vorhandenen Verbindungen, im wesentlichen Löt- und/oder Schweißnähte zu achten, um spätere Leckagen während des Betriebes des Wärme übertragers auszuschließen.

Aus der DE 198 11 302 C2 ist ein Sorptionsspeicher und eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Speicherung von Wärme vorbekannt. Gemäß der dortigen Lehre wird zur Verbesserung der Wärmeübertragung der Schüttung bei Netzrohren davon ausge gangen, einen offenporigen Metall- und/oder Graphitschaum oder organische Schäume in die Schüttung einzubringen. Das Ein dringen des Schaums in die Schüttung erfolgt bevorzugt durch Aufschäumen des verwendeten Materials innerhalb der mit Wärme übertrager-Rohren versehenen Schüttung und nachträgliches Einrütteln des Sorptionsmaterials und/oder Fällung dieses aus einer Lösung innerhalb der durch den Schaum gebildeten Matrix.

Eine Verwendung von Zeolith als Sorbens in einem Trocken- Sorptionsaggregat ist aus der DE 44 38 084 A1 bekannt. Dort wird vorgeschlagen, das Zeolith mit einem Bindemittel, vor zugsweise Wasserglas, oder einer Tonerde-Suspension, zu einer Masse mit plastischer, pastöser Konsistenz zu vermengen, um ein möglichst günstiges, flächiges Verbinden mit den Wandungen des Sorptionsbehälters und gegebenenfalls des Wärmetauschers zu erreichen.

Zum Stand der Technik bezüglich eines Sorptionsmittels als harte, poröse Masse mit offenen Poren sei noch auf die DE 26 22 699 A1 verwiesen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es daher, ein weiterentwickeltes Verfahren zur Sorptionswärmeübertragung anzugeben, das eine möglichst hohe effektive Wärmeleitfähig keit des Sorptionsbettes ermöglicht, den Durchtritt des zu adsorbierenden Mediums auch nach einer langen Laufzeit des Verfahrens nicht wesentlich behindert und welches einen optimalen Durchsatz des Sorptionsbettes sicherstellt. Ebenso ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Wärmeüber trager für ein solches Verfahren zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Lehre nach Anspruch 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 schaumstoffartige Matrix abgibt, welche das Sorptionsmaterial innerhalb der Poren des Materials beinhaltet.

Im Sinne der hier beschriebenen Erfindung wird unter dem Begriff einer schaumstoffartigen Matrix bzw. eines Schaumes ein stark verzweigtes, aber prinzipiell vollkommen durch gängiges 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 Volumen, sondern ist innerhalb einer Matrix, die schaumstoff artig 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 unmittelbar selbst die Wärmetauschfläche. Da sich im wesent lichen 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 effektiven Wärmeleitfähigkeit des erfindungsgemäßen Sorptions mittel/Matrix-Verfahrens gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, bei welchem die freie Schüttung des Sorptionsmittels angewendet wird.

Das Sorptionsmittel wird z. B. im festen granularen Zustand in die Schaumstruktur der Matrix eingerüttelt. Diese Methode gewährleistet 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 benetzen. Hierzu wird das Sorptionsmaterial in fluider Form, flüssig, gasförmig oder in Form eines feinverteilten Aerosols oder Sprays in die schaumstoffartige Matrix eingebracht. Hierbei kann die Matrix entweder getränkt werden, wobei sich das flüssige Sorptionsmittel unter Wirkung von Kapillarkräften in der schaumstoffartigen Matrix ausbreitet, oder die Matrix wird einem konstanten Strom eines Gases, Dampfes oder Aerosols ausgesetzt.

Die Tränkmethode eignet sich besonders für eine freie Flüssigkeit, 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 Wärmekontakt zwischen Sorptionsmittel und Matrix ermöglicht.

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

Alternativ dazu ist es auch möglich, nichtmetallische Materialien zur Bildung der schaumstoffartigen Matrix zu verwenden. Insbesondere sind dies Keramiken, Karbide oder Kohlenstoffverbindungen wie Graphite oder dergleichen chemische Verbindungen.

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 Außen wandung die Wärmeübertragung zwischen dem System Primärmedium /Sorptionsmaterial/Matrix einerseits und dem Sekundärmedium andererseits.

Die schaumstoffartige Matrix bildet zusammen mit der Außen wandung einen einheitlichen, kompakt zusammenhängenden Körper. Außenwandung und schaumstoffartige Matrix bestehen aus dem gleichen Material und sind so gefertigt, daß diese ineinander übergehen und eine unlösbare stoffliche Einheit bilden und aus einem einzigen Fertigungsprozeß stammen. Damit wird sowohl die getrennte Herstellung eines Adsorbermantels mit denen als mögliche Risikostellen für Lecks anzusehenden Nähten vermie den, als auch die Wärmeleitung zwischen Matrix und Adsorber wandung optimal und störungsfrei gestaltet. Zudem ist es möglich, durch Wahl einer entsprechenden Gießform sowohl Form als auch Querschnitt einer Adsorbereinheit in einfacher 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 Matrix die Möglichkeit, die Außenwandung der Adsorbereinheit durch eine die schaumstoffartige Matrix umhüllende Folie auszubilden.

Bei einer dritten Ausführungsform der Außenwandung der Adsorbereinheit ist diese konventionell unabhängig von der schaumstoffartigen Matrix vorgefertigt. Anschließend wird die schaumstoffartige Matrix in die vorgefertigte Außenwandung eingeführt und mit dieser unlösbar, insbesondere stoff schlüssig, z. B. durch Verlöten verbunden.

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

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. der zur Durchführung des Verfahrens vorgesehene Wärmeübertrager soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Zur Verdeut lichung dienen die beigefügten Abbildungen Fig. 1 bis Fig. 3. Es werden für gleiche, bzw. gleichartige Verfahrensbestand teile, sowie für gleiche bzw. gleichartige Teile des Wärme tauschers 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 Matrix, 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 Anforde rungen ab. In den Fig. 2a und 2b sind zwei mögliche Anord nungen einer Gruppe von Adsorbereinheiten AE innerhalb des Außenbehälters AB schematisch in einem Querschnitt darge stellt.

Fig. 2a stellt eine gleichmäßige Verteilung von sieben gleichartig ausgeführten Adsorbereinheiten AE innerhalb eines Außenbehälters AB dar, während in Fig. 2b eine Anordnung von elf Adsorbereinheiten mit einer kleineren Querschnittsfläche schematisch dargestellt ist, die um eine in der Mitte angeordnete größere Adsorbereinheit AE herum gruppiert sind. Prinzipiell hängt die konkrete Gestaltung der Anordnung der Adsorbereinheiten 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 Adsorbereinheit AE ist im Querschnitt in Fig. 3 schematisch dargestellt.

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

Die Größe der Granulatkörner des Sorptionsmittels ist so beschaffen, daß diese einerseits problemlos in den Metall schwamm MS eingeschüttelt werden können, andererseits aber einen möglichst direkten Kontakt zur nächstgelegenen Wand eine Pore PO aufweisen, in der sie sich befinden. Da der Metall schwamm MS und die Adsorberwandung AW aus ein und dem selben Material bestehen, ist eine direkte Wärmeleitung von der Wand einer Pore PO zur Adsorberwandung AW, die im thermichen 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 einerseits eine homogene Verteilung des Sorptionsmittels über den Querschnitt der Adsorbereinheit AE und erreicht und andererseits ein Verschluß der Poren einer freien Schüttung zwischen den Granulatkörnern vermieden, so daß ein gleich mäßiger 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 wärmeüber tragenden fluiden Mediums innerhalb eines Sorptionsbettes mit einem Sorptionsmaterial, wobei
das Sorptionsmaterial eine beim Sorptionsvorgang anfallende Wärme an eine wärmeleitende, offenporige, schaumstoffartige und das Sorptions material beinhaltende Matrix abgibt,
die Adsorptionsaußenwandung und die schaumstoffartige Matrix aus dem gleichen Material bestehen und diese einen monolithischen Körper bilden, wobei diese
in einer unlösbaren stofflichen Einheit in einem einzigen Fertigungs prozess gefertigt, insbesondere gegossen werden.

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 gekennzeichnet, dass die Schaumstruktur herstellungsseitig aus einem metallischen Material ausgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstruktur herstellungsseitig aus nichtmetallischen gut wärme leitenden Materialien, insbesondere Keramiken, Karbiden oder Kohlen stoffverbindungen ausgeführt wird.

7. Wärmeübertrager gemäß einem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens eine Adsorbereinheit (AE), diese mindestens bestehend aus einer äußeren Adsorberwandung (AW) und der schaumstoffartigen, das Sorptionsmaterial (SM) beinhaltenden Matrix (MS) innerhalb eines Außenbehälters (AB) angeordnet ist, der von einem wärmeabgebenden oder -aufnehmenden Medium durchströmt wird, wobei
die Adsorberwandung und die schaumstoffartige Matrix einen kompakt zusammenhängenden Körper bilden und
die schaumstoffartige Matrix und die Adsorberwandung einen integrierten, gegossenen Körper darstellen.

8. Wärmeübertrager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwandung (AW) der Adsorbereinheit (AE) durch eine die schaum stoffartige Matrix (MS) einhüllende Folie oder ein Blech ausgebildet ist.

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

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

11. Wärmeübertrager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Adsorbereinheiten (AE), deren Querschnitte und räumliche Anordnungen zueinander variabel auf die jeweilig gestellten funktionellen Anforderungen abgestimmt sind.