DE102005003543A1 - Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtung, z.B. Plattenwärmetauscher, Sorptionsrotor, Adsorptionsentfeuchtungsrotor oder dgl. - Google Patents

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Jürgen Dr. Sauer
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Abstract

Eine Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtung, z. B. ein Plattenwärmetauscher, Sorptionsrotor, Adsorptionsentfeuchtungsrotor o. dgl., hat Feuchtigkeits- bzw. Wärmeaustauschflächen, mittels denen Feuchtigkeit und/oder Wärme in einen Fluidstrom einbringbar und/oder einem Fluidstrom entziehbar und/oder zwischen Fluidströmen austauschbar ist, und eine Beschichtung, mit der die Feuchtigkeits- bzw. Wärmeaustauschflächen beschichtet sind und die aus einem Zeolith-Material und einem Bindemittel ausgebildet ist. DOLLAR A Zur Verbesserung des Wirkungsgrads einer derartigen Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtung wird vorgeschlagen, dass als Zeolith-Material ein synthetischer Nano-Zeolith eingesetzt wird, der aus Partikeln mit einer Partikelgröße < 1000 nm ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtung, z.B. einen Plattenwärmetauscher, einen Sorptionsrotor, einen Adsorptionsentfeuchtungsrotor od.dgl., mit Feuchtigkeits- bzw. Wärmeaustauschflächen, mittels denen Feuchtigkeit und/oder Wärme in einen Fluidstrom einbringbar und/oder einem Fluidstrom entziehbar und/oder zwischen Fluidströmen austauschbar ist, und einer Beschichtung, mit der die Feuchtigkeits- bzw. Wärmeaustauschflächen beschichtet sind und die aus einem Zeolith-Material und einem Bindemittel ausgebildet ist.
  • Derartige Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtungen werden häufig zur Temperierung und Klimatisierung von Räumen eingesetzt. Darüber hinaus sind auch andere industrielle Einsatzzwecke für derartige Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtungen vorgesehen.
  • Aus dem Stand der Technik bekannte derartige Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtungen weisen – insbesondere dann, wenn einem Fluidstrom Feuchtigkeit zu entziehen bzw. ein Fluidstrom mit Feuchtigkeit zu beaufschlagen ist, – den Nachteil auf, dass der Adsorptionsvorgang und/oder der Desorptionsvorgang, der bzw. die in der Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtung stattfindet bzw. stattfinden, einen zu großen Zeitraum beansprucht, wodurch an sich mögliche Kapazitäten derartiger Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtungen nicht realisiert werden können. Des weiteren weisen die den Fluidströmen ausgesetzten Oberflächen der Beschichtungen häufig eine Rauhigkeit auf, die zur Folge hat, dass in den Fluidströmen enthaltene Partikel angelagert werden, was zu einer beträchtlichen Einbuße der Wirkungsgrade entsprechender Vorrichtungen führt bzw. häufig vergleichsweise aufwendige Reinigungs- und Wartungsmaßnahmen erfordert. Außerdem besteht häufig die Schwierigkeit, die Beschichtung an dem das Gerüst bzw. die Matrix der Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtung ausbildenden Werkstoff zu fixieren.
    •
  • Ausgehend von dem eingangs geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtung, z.B. einen Plattenwärmetauscher, einen Sorptionsrotor, einen Adsorptionsentfeuchtungsrotor od.dgl. zu schaffen, bei dem die vorstehend erwähnten Nachteile vermieden und der darüber hinaus mit einem vergleichsweise geringen technisch-konstruktiven Aufwand hergestellt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Material für die Ausgestaltung der Beschichtung der Feuchtigkeits- bzw. Wärmeaustauschflächen ein synthetischer Nano-Zeolith eingesetzt wird, der aus Partikeln mit einer Partikelgröße < 1000 nm besteht. Durch diese Ausgestaltung des die Beschichtung ausbildenden Zeolith-Materials lässt sich eine im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Zeolith-Materialien erheblich erhöhte Adsorptionskinetik realisieren, die zur Folge hat, dass die Menge des je Zeiteinheit ad- bzw. desorbierten Wasserdampfes erhöht ist, woraus eine erhöhte Feuchteübertragung resultiert. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Nano-Zeoliths als Beschichtungsmaterial wird eine Vergrößerung der spezifischen Oberfläche desselben erreicht, wobei darüber hinaus dieser Nano-Zeolith bei Einsatz entsprechend geeigneter Bindemittel auf vielfältigen Oberflächen gut haftbar ist. Der erfindungsgemäß als Beschichtungsmaterial eingesetzte Nano-Zeolith verfügt über eine schnelle Regenerationsfähigkeit. Als synthetischer Nano-Zeolith ist das Zeolith-Material mit einer sehr gleichmäßigen Partikelgrößenverteilung herstellbar. Je nach Auswahl der für das Beschichtungsmaterial vorgesehenen Partikelgrößenverteilung kann die Dicke der Beschichtung an unterschiedlichste Anforderungsprofile angepasst werden. Die niedrige Partikelgröße des erfindungsgemäß als Zeolith-Material eingesetzten synthetischen Nano-Zeoliths hat zur Folge, dass die Beschichtung an ihrer dem bzw. den Fluidströmen ausgesetzten Oberfläche eine sehr geringe Rauhigkeit aufweist, wodurch die entsprechend ausgestaltete Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtung sehr verschmutzungsresistent ist. Die erfindungsgemäß ausgestalteten Beschichtungen können – je nach der für den synthetischen Nano-Zeolith ausgewählten mehr oder weniger gleichmäßigen Partikelgröße – über eine hohe Packungsdichte verfügen. Zur Aufbringung des erfindungsgemäßen Zeolith-Materials als Beschichtung auf die Feuchtigkeits- bzw. Wärmeaustauschflächen können sowohl Spin-Coating- als auch Dip-Coating-Verfahren eingesetzt werden. Die erfindungsgemäß mit Nano-Zeolith ausgestaltete Beschichtung ist aufgrund der Eigenschaften des Nano-Zeoliths hinsichtlich ihrer Oberflächenchemie variabel gestaltbar.
  • Sofern die Platten von Plattenwärmetauschern mit der erfindungsgemäßen Beschichtung versehen werden, ist erreichbar, dass eine Flüssigkeit, die auf der einen Seite der Wärmetauscherplatte verdunsten soll, um auf der anderen Seite derselben Wärmetauscherplatte Kühlenergie zur Verfügung zu stellen, sehr gleichmäßig auf der die Beschichtung aufweisenden Seite der Wärmetauscherplatte verteilt wird, so dass auf der anderen Seite derselben Wärmetauscherplatte über deren Fläche eine gleichmäßige Verteilung der Kühlenergie vorliegt. Diese gleichmäßige Verteilung geht darauf zurück, dass durch die erfindungsgemäße Beschichtung auftreffende Flüssigkeitstropfen sehr gleichmäßig über die die erfindungsgemäße Beschichtung aufweisende Seite der Wärmetauscherplatte verteilt werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtung ist der Nano-Zeolith so gewählt, dass er eine homogene Porengrößenverteilung mit einem Porendurchmesser < 1,5 nm, vorzugsweise 0,4 nm, besitzt. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass in der Beschichtung solche Moleküle, die u.U. im langfristigen Betrieb der Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtung zu Geruchsbelästigungen führen können, nicht aufgenommen werden können. Dahingegen kann Wasserdampf in der ent sprechend gestalteten Beschichtung in hervorragender Weise aufgenommen bzw. von dieser Beschichtung abgegeben werden. In dieser Ausgestaltung ist die erfindungsgemäß aus Nano-Zeolith ausgebildete Beschichtung somit als im Zusammenhang mit dem Betrieb von Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtungen besonders geeignetes Molekularsieb einsetzbar.
  • Für den Betrieb entsprechend ausgebildeter Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtungen ist es zweckmäßig, wenn die Dicke der erfindungsgemäß ausgestalteten Beschichtung 0,2 bis 100, vorzugsweise 1 bis 2 μ (10–6m) aufweist.
  • Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtung wird erreicht, wenn ein Adsorptionsentfeuchtungsrotor aus einem dafür geeigneten Papierwerkstoff hergestellt und die die Feuchtigkeits- bzw. Wärmeaustauschflächen bildende Werkstoffmatrix dieses Adsorptionsentfeuchtungsrotors mit einer den synthetischen Nano-Zeolith enthaltenden Suspension getränkt wird.
  • Diese Tränkung kann solange bzw. in dem Ausmaß durchgeführt werden, bis – nach der Trocknung – die Werkstoffmatrix des Adsorptionsentfeuchtungsrotors zu zumindest 30, vorzugsweise 40 bis 80 Gew.-% aus dem erfindungsgemäßen Nano-Zeolith-Material besteht.
  • Selbstverständlich ist es auch möglich, die erfindungsgemäße Beschichtung einzusetzen, wenn die Werkstoffmatrix der Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtung aus anderen geeigneten Werkstoffen, z.B. Aluminiumfolien, keramischen Werkstoffen od.dgl., ausgebildet ist.
  • Als Bindemittel kann ein Dispersionsklebstoff, z.B. Acrylat-Sole, mit einem Zusatz aus eventuell kolloidalem Siliciumoxid, eingesetzt werden. Das entsprechende Bindemittel ist auch bei anderen die Beschichtung ausbildenden Materialien vorteilhaft einsetzbar.
    •
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher beschrieben.
  • Bei einem ersten Ausführungsbeispiel wird eine als Adsorptionsentfeuchtungsrotor ausgebildete Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtung mit der erfindungsgemäßen Beschichtung aus einem synthetischen Nano-Zeolith mit einer Partikelgröße im Bereich von 300 nm versehen. Eine Werkstoffmatrix des Adsorptionsentfeuchtungsrotors besteht aus einem geeigneten Papierwerkstoff. Zum Einbringen des Nano-Zeoliths in die Werkstoffmatrix des Adsorptionsentfeuchtungsrotors wird der Adsorptionsentfeuchtungsrotor mit einer Suspension getränkt, die den Nano-Zeolith in der gewünschten Partikelgröße enthält. Nach der Trocknung des Adsorptionsentfeuchtungsrotors besteht dessen Endgewicht zu etwa 50 Gew.-% aus dem Nano-Zeolith.
  • Gegenüber herkömmlichen Zeolith-Werkstoffen hat das zur Tränkung der Werkstoffmatrix des Adsorptionsentfeuchtungsrotors verwendete Zeolith-Material mit Partikeln in nanokristalliner Form eine erheblich schnellere Adsorptions-/Desorptionskinetik. Die spezifische Oberfläche des erfindungsgemäßen Nano-Zeoliths ist größer als bei anderen herkömmlichen Zeolith-Werkstoffen. Der die Beschichtung des Adsorptionsentfeuchtungsrotors ausbildende kristalline Nano-Zeolith ist hin sichtlich seiner Porengröße vergleichsweise gleichmäßig und so gestaltbar, dass die Beschichtung eine gleichmäßige Porengröße mit einem Durchmesser von beispielsweise 0,4 nm aufweist. Durch diese Gestaltung der Struktur der Beschichtung kann sichergestellt werden, dass der Adsorptionsentfeuchtungsrotor auf Dauer dagegen geschützt ist, geruchsbildende Moleküle zu speichern, wohingegen Wasserdampfmoleküle in einfacher Weise aufgenommen und abgegeben werden können.
  • Aufgrund der schnellen Adsorptions-/Desorptionskinetik kann die für den Betrieb eines derartigen Adsorptionsentfeuchtungsrotors zu installierende Kälteleistung – insbesondere in tropischen Klimata – erheblich reduziert werden, und zwar bis zu ca. 50 %.
  • Der vorstehend geschilderte Adsorptionsentfeuchtungsrotor hat nach seiner Beschichtung eine gleichmäßig glatte Oberfläche; damit ist er für etwaige Verschmutzung wenig anfällig.
  • Die Beschichtung kann hinsichtlich ihrer Oberflächenchemie variabel gestaltet werden. Sie kann mittels Spin-Coating- und Dip-Coating-Techniken aufgebracht werden.
  • Die Beschichtung hat aufgrund der geringen und gleichmäßigen Partikelgröße eine sehr große spezifische Oberfläche und sie kann auf vielfältigen Oberflächen aufgebracht werden.
  • Als Bindemittel wurde ein kolloidales Acrylat-Polymer und kolloidales, amorphes, mit Natriumionen oberflächenstabilisiertes Siliciumoxid eingesetzt.
  • Auch Sorptionsrotoren, deren Werkstoffmatrix aus anderen Werkstoffen, z.B. aus Aluminium, besteht, können mit der vorstehend geschilderten Beschichtung versehen werden, wobei sich ähnliche Vorteile ergeben, wie vorstehend im Zusammenhang mit einem Adsorptionsentfeuchtungsrotor mit einer Werkstoffmatrix aus einem Papierwerkstoff geschildert.
  • Aufgrund der kleinen Partikelgröße ergibt sich für die Beschichtung eine relativ hohe Packungsdichte und damit können die Schichtdicken vergleichsweise gering sein. Bei dem vorstehend geschilderten Ausführungsbeispiel ist eine Schichtdicke von ca. 1 bis 2 μ (10–6m) ausreichend.
  • Des weiteren ist es möglich, die Beschichtung bei z.B. Plattenwärmetauschern einzusetzen. Wenn die aus dem vorstehend geschilderten kristallinen Nano-Zeolith bestehende Beschichtung auf eine Seite einer Wärmetauscherplatte aufgebracht wird, kann durch diese Beschichtung erreicht werden, dass zur Befeuchtung dieser Seite der Wärmetauscherplatte eingesetztes Befeuchtungsmittel gleichmäßiger an dieser Seite der Wärmetauscherplatte verteilt wird, was darauf beruht, dass auf die Beschichtung auftreffende Tropfen aufgrund der Struktur der Beschichtung gleichmäßiger aufgeteilt werden. Hierdurch wird auf der diese Beschichtung aufweisenden Seite der Wärmetauscherplatte gleichmäßig Verdunstungswärme abgefordert, was darin resultiert, dass ein Fluidstrom, der an der anderen Seite der Wärmetauscherplatte vorbeiströmt, in gewünschter Weise gekühlt wird. Auch bei dieser Anwendungsform der Beschichtung lassen sich gleiche bzw. ähnliche Vorteile wie die im Zusammenhang mit dem Adsorptionsentfeuchtungs- und dem Sorptionsrotor geschilderten erreichen.

Claims (7)

  1. Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtung, z.B. Plattenwärmetauscher, Sorptionsrotor, Adsorptionsentfeuchtungsrotor od.dgl., mit Feuchtigkeits- bzw. Wärmeaustauschflächen, mittels denen Feuchtigkeit und/oder Wärme in einen Fluidstrom einbringbar und/oder einem Fluidstrom entziehbar und/oder zwischen Fluidströmen austauschbar ist, und einer Beschichtung, mit der die Feuchtigkeits- bzw. Wärmeaustauschflächen beschichtet sind und die aus einem Zeolith-Material und einem Bindemittel ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeolith-Material als synthetischer Nano-Zeolith mit einer Partikelgröße < 1000 nm ausgebildet ist.
  2. Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Nano-Zeolith so gewählt ist, dass er eine homogene Porengrößenverteilung mit einem Porendurchmesser < 1,5 nm, vorzugsweise 0,4 nm, besitzt.
  3. Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Partikel des Zeolith-Materials in nanokristalliner Form vorliegen.
  4. Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Dicke der Beschichtung 0,2 bis 100, vorzugsweise 1 bis 2 μ (10–6m) aufweist.
  5. Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, deren Feuchtigkeits- bzw. Wärmeaustauschflächen aus Papierwerkstoffen hergestellt und die mit einer den synthetischen Nano-Zeolith enthaltenden Suspension getränkt sind.
  6. Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 5, die nach ihrer Tränkung mit bzw. in der synthetischen Nano-Zeolith enthaltenden Suspension zu zumindest 30, vorzugsweise 40 bis 80 Gew.-% aus Nano-Zeolith-Material besteht.
  7. Feuchtigkeits- und/oder Wärmeaustauschvorrichtung, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Bindemittel Dispersionsklebstoffe, wie z.B. Acrylat-Sole, denen zusätzlich kolloidales, SiO2 zusetzbar ist, enthält.
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