DE102005037763B4

DE102005037763B4 - Zylinderförmiger Wärmetauscher in thermischem Kontakt mit einem Adsorbens

Info

Publication number: DE102005037763B4
Application number: DE102005037763A
Authority: DE
Inventors: Ferdinand Dr.rer.nat. Schmidt; Lena Dipl.-Ing. Schnabel; Hans-Martin Dr. Henning; Tomas Dr.rer.nat. Nunez; Stefan Dipl.-Phys. Henninger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2005-08-10
Filing date: 2005-08-10
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2025-08-11
Also published as: WO2007017273A2; DE102005037763A1; WO2007017273A3

Abstract

Zylindrischer Wärmetauscher mit einer von einem Fluid durchströmbaren, mit einem Adsorbens (6, 7) in thermischem Kontakt stehenden Wärmetauscherplatte (4) mit einer im wesentlichen länglichen rechteckigen Grundform, mit zwei gegenüberliegenden langen Kanten und zwei die langen Kanten verbindenden kurzen Kanten, wobei die Wärmetauscherplatte aufgewickelt vorliegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen von einem Fluid durchströmbaren zylindrischen Wärmetauscher, der mit einem Adsorbens in thermischem Kontakt steht.
Stand der Technik
Bei vielen technischen Adsorptionsprozessen spielt die Leistung, mit der die entstehende Adsorptionswärme über einen Wärmetauscher abgeführt werden kann, eine wichtige Rolle. Analog gilt dies für die Wärmeübertragungsleistung beim Beheizen des Adsorbens über einen Wärmetauscher zur Desorption/Regenerierung des Adsorbens. Von zentraler Bedeutung sind diese Leistungskenngrößen für Adsorptionswärmepumpen und -kältemaschinen sowie verwandte Anwendungen der Adsorption in der Energie- und Klimatisierungstechnik.
Für Adsorptionswärmepumpen und -kältemaschinen arbeiten derzeit verschiedene Firmen intensiv an Konzepten zur Erhöhung der auf das Bauvolumen bezogenen Leistungsdichte, z. B. die Firmen Vaillant, UOP, Mitsubishi und SorTech.
Physikalisch handelt es sich hierbei um das Problem der Optimierung des Wärme- und Stofftransports in der Wärmepumpe. In einem mikroporösen Feststoff (Adsorbens, z. B. Zeolith oder Kieselgel) wird der Dampf des Arbeitsmittels (Adsorptiv: z. B. Wasser, Methanol, Ammoniak) angelagert (adsorbiert) unter Freisetzung von Wärme. Diese Wärme soll über einen Wärmetauscher möglichst schnell an ein Wärmeträgerfluid abgeführt werden.
Zielstellung ist also eine gute thermische Anbindung des mikroporösen Adsorbens (z. B. Zeolith) an die Oberfläche eines Wärmetauschers (Optimierung der Wärmeleitung) sowie ein guter Wärmeübergang von den Wärmetauscheroberflächen auf das Wärmeträgerfluid.
In einer Offenlegungsschrift von Fa. Vaillant ( DE 101 19 258 A1 ) wird ein Adsorberaufbau beschrieben, bei dem das Adsorbens in Form von Granalien einlagig auf die Rippen eines Rippenrohres aufgelegt wird. Ein besserer Wärmekontakt des Adsorbens zum Wärmetauscher lässt sich mit einem von Fa. UOP patentierten Aufbau erzielen, der in US 6,102,107 A beschrieben ist. Hierbei ist der Adsorber als Bündel paralleler Platten ausgeführt, die durch ein Rohrbündel senkrecht durchstoßen werden. Das Wärmeträgerfluid strömt in den Rohren, und das Adsorbens ist als Schicht beidseitig auf den Platten aufgebracht. Das Adsorbens ist in eine Polymer-Folie eingebunden, deren Aufbau in WO 02/45847 A2 beschrieben wird. Bei dem oben geschilderten Aufbau des Adsorbers lässt sich eine so gute thermische Anbindung des Adsorbens an die Wärmetauscheroberfläche erzielen, dass der Wärmeübergang auf das Wärmeträgerfluid im Wärmetauscher zum limitierenden Faktor für die erreichbare Leistungsdichte der Wärmepumpe wird.
Um die Leistungsdichte von Adsorptionswärmepumpen weiter zu steigern, sind daher neuartige Konzepte für den Aufbau des Adsorbers erforderlich.
Ein weiteres Problem des Stands der Technik ist die geringe Masse des Sorptionsmaterials im Verhältnis zur Wärmetauschermasse. Ein ungünstiges Massenverhältnis führt dazu, dass zwar eine hohe Leistungsdichte erreicht werden kann, jedoch nur bei einem geringer Effizienz (COP) wegen des großen Anteils sensibler Wärme im Wärmepumpenzyklus. Zur Vollständigkeit sei angefügt, dass unter dem (thermischen) COP für eine Kältemaschine das Verhältnis aus gewonnener Nutzkälte und hierfür benötigter Antriebswärme verstanden wird, für eine Wärmepumpe ist der COP als Verhältnis der Nutzwärme (auf dem mittleren Temperaturniveau) zur Antriebswärme (auf hohem Temperaturniveau) definiert. Für praktische Anwendungen ist zusätzlich eine Betrachtung des gesamten Energieaufwandes einschließlich der elektrischen Verbräuche von Pumpen etc. erforderlich.
Ein von den oben genannten Problemen weitgehend unabhängiges Problem ist die Begrenzung der Adsorptionsgeschwindigkeit durch den Transport des gasförmigen Adsorptivs zu den Mikro- oder Mesoporen des festen Adsorbens, wo die Adsorptionswärme freigesetzt wird. Dieses Problem tritt insbesondere bei Adsorptiven mit niedrigem Dampfdruck auf, wie z. B. Wasser oder Methanol. Um ein günstiges Massenverhältnis Adsorbens/Wärmetauscher zu erreichen, werden möglichst dicke Adsorbens-Schichten angestrebt, die jedoch je nach Aufbau der Schicht eine hohe Diffusionsbarriere für das adsorbierende Gas darstellen können. Ein Lösungsansatz für dieses Problem wurde in der schon zitierten UOP-Offenlegungsschrift WO 02/45847 A2 aufgezeigt: Eine ausreichende Dampfdurchlässigkeit der Adsorbens-Schicht wird hier durch die Einbindung der Adsorbens-Mikropartikel in eine gut wärmeleitende und dampfdurchlässige Polymermatrix erreicht.
Es besteht ein Zielkonflikt zwischen der Maximierung des Wärmeübergangs auf das Wärmeträgerfluid und der Minimierung des Druckverlustes bei der Durchströmung der Platten. Dieser Zielkonflikt kann entschärft werden, wenn für die Führung der Fluidkanäle in den einzelnen Platten eine strömungsoptimierte (z. B. fraktale) Anordnung gewählt wird. Ein Verfahren zur Berechnung und Erzeugung eines solchen Kanalsystems, das sowohl bezüglich des Strömungswiderstandes als auch bezüglich der Wärmeübertragung Platte/Fluid optimiert ist, wird in der Offenlegungsschrift DE 103 19 367 A1 beschrieben.
Eine Alternativlösung zur Reduzierung des konstruktiven Aufwandes einer Sorptionswärmepumpe bei gleichzeitiger Verbesserung des Wärmaaustausches im Bereich des Verdampfers/Kondensators wird in der DE 101 38 592 A1 vorgeschlagen. Der kostengünstige, kompakte Aufbau der Sorptionswärmepumpe wird dadurch ermöglicht, dass der Ad-/Desorber-Wärmetauscher, der Verdampfer und der Kondensator, die zu einem Verdampfer/Kondensator-Wärmetauscher integriert sind, in einem gemeinsamen vakuumdichten Behälter angeordnet werden. Der Verdampfer/Kondensator-Wärmetauscher ist dabei durch ein spiralförmiges Rohr gebildet.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine einfache Wärmetauscherplatte zu schaffen, mit dem die bei der Adsorption freiwerdende Wärme effizient abgeführt werden kann und die bei der Desorption erforderliche Wärme problemlos zugeführt werden kann. Aufgabe ist es auch ein Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Wärmetauscherplatte zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein einfacher zylindrischer Wärmetauscher geschaffen werden kann, indem eine von einem Wärmeträgerfluid (nachfolgend stets als Fluid bezeichnet) durchströmbare, mit einem Adsorbens in thermischen Kontakt stehende, Wärmetauscherplatte mit einer im wesentlichen länglichen rechteckigen Grundform, die aufgewickelt vorliegt, bereitgestellt wird. Die Wärmetauscherplatte ergibt so eine zylindrische Form. Vorteilhaft ist daran, dass ein kompakter Wärmetauscher geschaffen werden kann, bei dem die Adsorbens-Masse im Vergleich zur Gesamtmasse hoch ist. Damit fallen die Verluste, die durch das Aufheizen und Abkühlen des Wärmetauschers bei Adsorption und Desorption bedingt sind, niedrig aus. Ferner gestattet dieser Aufbau eine relativ einfache Herstellung, da es genügt, eine größere Wärmetauscherplatte bereitzustellen, die anschließend aufgewickelt wird. Bei der Verwendung mehrerer Wärmetauscherplatten ergibt sich das Problem, dass für jede Wärmetauscherplatte ein Fluideinlass sowie ein Fluidauslass vorhanden sein müssen. Auch wenn es Technologien gibt, die hierfür einfache Möglichkeiten vorsehen, ist es doch vorteilhaft den Aufwand zu vermeiden. Da alle Verbindungen potentiell leckanfällig sind, ergibt sich auch eine höhere Betriebszuverlässigkeit. Die an sich nahe liegende Verwendung einer einzigen sehr großen Wärmetauscherplatte scheidet aus, da damit kein kompakter Wärmetauscher bereitgestellt werden kann.
Für den erfindungsgemäßen Aufbau eignet sich am besten eine rechteckige lange Wärmetauscherplatte, die aufgewickelt ist. Prinzipiell könnten auch ähnlich aufgebaute Wärmetauscherplatten entsprechend aufgewickelt werden. Die Länge der aufzuwickelnden Wärmetauscherplatte ist im wesentlichen begrenzt durch den Durchströmungswiderstand des Fluids, der mit steigender Länge wächst und nicht zu hoch werden darf, da eine hinreichende Durchströmung sichergestellt sein muss.
Durch eine aufgewickelte Wärmetauscherplatte ist es auch möglich das Adsorbens an die Wärmetauscherplatte anzupressen, wodurch sich der Wärmeübergang vom Adsorbens zur Wärmetauscherplatte verbessert. Durch die aufgewickelte Form ergibt sich, dass das Adsorbens beidseitig von der Wärmetauscherplatte umgeben ist.
Zur Durchströmung der Wärmetauscherplatte mit Fluid ist es sinnvoll, längs der langen Kanten der Wärmetauscherplatte Sammelrohre anzuordnen. Diese können auch zur Stabilität der Kanten beitragen, was insbesondere dann von Bedeutung ist, wenn die Adsorptionsvorgänge bei sehr niedrigem Druck ablaufen sollen und wenn zur Aufrechterhaltung des Unterdrucks gegenüber der Umgebung der zylindrische Wärmetauscher in eine dünne, vakuumdichte Folie eingeschlagen ist, so dass die Struktur des Wärmetauschers den durch den Umgebungsdruck ausgeübten Kräften standhalten muss (vgl. Patentschrift DE 1021744384 ).
Um eine bessere thermische Verbindung zwischen Fluid und Wärmetauscherplatte zu erreichen, kann die Wärmetauscherplatte an mehreren Stellen durch über die Breite der Wärmetauscherplatte verlaufende Fluidkanäle verbunden werden. Damit wird eine gute Wärmeabfuhr durch das Fluid erreicht.
Es ist sinnvoll den Querschnitt der Sammelrohre im Vergleich zum Querschnitt der Fluidkanäle so zu bemessen, dass bei vorbestimmter Durchströmung mindestens die Hälfte des bei der Durchströmung der Wärmetauscherplatte auftretetenden Druckverlusts in den Fluidkanälen auftritt. Das Größenverhältnis der Querschnitte des Sammelrohrs im Vergleich zum Querschnitt der Fluidkanäle hängt folglich erheblich von der angestrebten Durchströmung ab sowie von der gesamten Größe der Wärmetauscherplatte.
Alternativ können auch längs der kurzen Kanten Sammelrohre verlaufen. Insbesondere in diesem Fall ist es zur verbesserten Wärmeabfuhr sinnvoll, die Sammelrohre durch über die Länge der Wärmetauscherplatte verlaufende Fluidkanäle zu verbinden. Durch eine derartige Anordnung erfolgt auch eine im wesentlichen serielle Durchströmung der Wärmetauscherplatte. Der Vorteil soll nachfolgend dargestellt werden, wobei zunächst die Desorption geschildert werden soll. Das warme Fluid strömt an einer Seite in das Sammelrohr ein. Von dort verteilt es sich auf die Fluidkanäle. Die im Fluid vorhandene Wärme wird beim Durchströmen der Wärmetauscherplatte an das Adsorbens übertragen, welches dadurch desorbiert wird. Das an der anderen Seite aus der Wärmetauscherplatte austretende Fluid wird beim Durchfließen durch die ganze Wärmetauscherplatte abgekühlt. Es ergibt sich somit eine niedrigere Ausgangstemperatur als bei einer Anordnung, bei der das Fluid nur durch einen Teil der Wärmetauscherplatte fließt. Bei der Adsorption gelten analoge Überlegungen. Das in die Wärmetauscherplatte fließende kalte Fluid wird von der bei der Adsorption freiwerdenden Wärme erwärmt. Durch eine weitgehend serielle Durchströmung der ganzen Wärmetauscherplatte erfolgt eine Erwärmung des Fluids. Sind zwei zylindrische Wärmetauscher vorhanden, wovon einer desorbiert wird und einer adsorbiert wird, ist durch die serielle Durchströmung eine besonders effiziente Wärmerückgewinnung möglich. Dann kann nämlich nach dem Ende des Adsorptionsprozesses des einen Adsorbers und des Desorptionsprozesses des anderen, also am Umschaltpunkt des Wärmepumpenzyklus, das Wärmeträgerfluid zwischen beiden Adsorbern im Kreis gepumpt werden, um eine Wärmerückgewinnung zwischen beiden Adsorbern zu erreichen. Bei der beschriebenen seriellen Durchströmung der Wärmetauscher bildet sich dabei eine durch jeden der beiden zylindrischen Wärmetauscher wandernde Temperaturfront aus, die es erlaubt, die ursprünglich vorhandene Temperaturdifferenz zwischen beiden Adsorbern nicht nur auszugleichen, sondern nahezu umzukehren. Dieses Prinzip ist beispielsweise aus dem Tagungsbericht "A Review of Solid-Vapor Adsorption Heat Pumps" des American Institute of Aeronautics and Astronautics, 06.–10. Januar 2003, Autoren M. A. Lambert und B. J. Jones unter dem Stichwort "Thermal Wave Heat Regeneration" beschrieben. Durch diese verbesserte Wärmerückgewinnung lässt sich die Effizienz der Wärmepumpe, fachüblich als COP bezeichnet, erhöhen.
Um die geschilderte verbesserte Wärmerückgewinnung bei gleichzeitiger Desorption und Adsorption zu erreichen ist eine Isolierschicht vorteilhaft, welche den radialen Wärmetransport in der aufgewickelten Wärmetauscherplatte senkt. Diese Isolierschicht, die sich zwischen den einzelnen Wicklungen befindet, kann zugleich als Transportschicht für das Adsorptiv dienen
Um die Wärmeleitung zwischen Adsorbens und Wärmetauscherplatte zu verbessern, ist eine hohe Oberfläche der Wärmetauscherplatte sinnvoll, insbesondere wenn das Adsorbens direkt auf der Wärmetauscherplatte aufgebracht ist. Eine hohe Oberfläche der Wärmetauscherplatte wird erreicht, wenn die Wärmetauscherplatte auf ihren Außenseiten, also den mit dem Adorbens und nicht mit dem Fluid verbundenen Seiten, eine Metallschaum- oder -schwammstruktur aufweist. Dabei werden wie üblich offenporöse Strukturen als Metallschwämme und geschlossenporige als Metallschäume bezeichnet. Offenporige Metallschwammstrukturen haben im Vergleich zu ihrer Masse eine sehr hohe Oberfläche. Auf diese kann ein Adsorbens aufgebracht werden. Geschlossenporige Schaumstrukturen können durch mechanische Bearbeitung (z. B. Kompression oder Stanzen zum Aufbrechen der Porenwände) in offenporige Schwämme umgewandelt werden.
Zur Bereitstellung einer Metallschwamm- oder -schaumstruktur ist es möglich, auf die Bleche der Wärmetauscherplatte ein mit Treibmittel versehenes Halbzeug aufzubringen, beispielsweise durch aufwalzen. Dieses Halbzeug kann aufgeschäumt werden, wodurch typischerweise eine geschlossenporige Schaumstruktur entsteht, die in eine offenporige Struktur umgewandelt werden kann. Es ist jedoch auch möglich, direkt beim Aufschäumen eine offenporige Struktur zu erhalten. Vor dem Aufschäumen dient das Halbzeug als zusätzliche Stabilisierung der Bleche der Wärmetauscherplatte. Werden wie weiter unten näher beschrieben die Fluidkanäle durch Aufblähen der Bleche erzeugt, können dünnere Bleche eingesetzt werden, insbesondere wenn das Aufschäumen nach dem Aufblähen der Bleche zur Herstellung der Fluidkanäle erfolgt.
Alternativ ist es auch möglich für die Metallschaumstruktur und das Blech der Wärmetauscherplatte zwei Elemente vorzusehen, die zu einer Einheit zusammengebaut sind. Durch entsprechendes Zusammenpressen beim Zusammenbau zu einer Einheit kann zwischen der Metallschaumstruktur und dem Blech ein guter thermischer Kontakt hergestellt werden. Der Zusammenbau aus zwei Elementen bietet den Vorteil dass, die Metallschaumstruktur getrennt hergestellt werden kann.
Eine geeignete Form für das Adsorbens ist eine Aktivkohlefasermatte. Derartige Aktivkohlefasermatten können sowohl isotrope Anordnungen der Fasern als auch gerichtete Anordnungen (z. B. in gewebten oder gekämmten Matten) enthalten.
Aktivkohlefasermatten können gepresst werden, so dass sich eine hohe Dichte des Adsorbens ergibt. Außerdem kann das Adsorbens in der Form von Aktivkohlefasermatten beim Transport leicht gehandhabt werden.
Besonders vorteilhaft ist, dass eine Aktivkohlefasermatte an die Wärmetauscherplatte angepresst werden kann. Damit kann auf einfache Weise ein guter thermischer Kontakt zwischen Adsorbens und Wärmetauscherplatte gewährleistet werden. Dieses Anpressen erfolgt vorliegend beim Aufwickeln der Wärmetauscherplatte.
Wird die Wärmetauscherplatte so aufgewickelt, dass ein vorbestimmter Abstand zwischen den Wicklungen verbleibt, kann sich ein Zwischenraum ausbilden, in den Adsorbens gefüllt werden kann. Durch die Wahl der Größe des Zwischenraums kann der zylindrische Wärmetauscher auf unterschiedliche Anforderungen hin ausgelegt werden.
Werden große Zwischenräume gewählt ist die Adsorbens-Masse im Vergleich zur Gesamtmasse groß. Allerdings ist der Wärmetransport durch die größere Ausdehnung des Adsorbens schlechter. Wird der zylindrische Wärmetauscher vorwiegend als Wärmespeicher eingesetzt, der nur selten be- oder entladen wird, ist dies jedoch unproblematisch. Bei Einsatz des Wärmetauschers in einer Kältemaschine oder Klimatisierungsanlage sind die Zwischenräume kleiner zu wählen, da hier ein guter Wärmetransport zum Erreichen kurzer Be- und Entladezeiten des Adsorbens erforderlich ist. In diesem Fall ist es freilich hinzunehmen, dass die Adsorbens-Masse im Vergleich zur Gesamtmasse des Wärmetauschers geringer ist, wodurch größere Verluste durch das Heizen und Kühlen des Wärmetauschers entstehen.
Werden in der Wärmetauscherplatte zwischen den Fluidkanälen Aussparungen vorgesehen, kann das Arbeitsmittel, in der Regel Wasser, besser zum Adsorbens gelangen. Dieser Vorteil überwiegt bei geeigneter Größe der Aussparungen den Nachteil des durch die Aussparungen hervorgerufenen verschlechterten Wärmetransports in der Wärmetauscherplatte. Vorzugsweise wird die Form und Größe dieser Aussparungen so gewählt, dass die stehenbleibenden Stege der Wärmetauscherplatte eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die zu den Fluidkanälen hin, also senkrecht zu den Fluidkanälen, größer ist als parallel zu den Kanälen. Zugleich soll die mechanische Stabilität der Wärmetauscherplatte nicht zu stark beeinträchtigt werden. Eine bevorzugte Form der Ausparungen, die den vorgenannten Anforderungen genügt, ist die Form lang gestreckter Rauten, zwischen denen gekreuzte Stege der Wärmetauscherplatte stehen bleiben.
In einer weiteren bevorzugten Anordnung werden die Aussparungen in der Wärmetauscherplatte nicht komplett ausgestanzt und entfernt, sondern die Platte wird nur angeschlitzt und das entstehende Element wird aus der Plattenebene hinaus umgebogen. Diese Elemente ragen somit in den Zwischenraum zwischen den Wicklungen des Adsorbers hinein und können zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen Adsorbens und Wärmetauscher beitragen. Dies gilt insbesondere für den Fall von Aktivkohlematten als Adsorber, die in die umgebogenen Blechstücke („Zinken") hinein gepresst werden können.
Insbesondere für die Anwendung der Vorrichtung in einem Wärmespeicher ist es günstig das Adsorbens in granularer Form in den Zwischenraum einzuführen. Das Adsorbens ist häufig in granularer Form erhältlich und kann damit problemlos eingefüllt werden.
Eine verbesserte Wärmeleitung wird erreicht, wenn das in granularer Form vorliegende Adsorbens nach dem Einfüllen gesintert wird. Durch die Sinterung wird sowohl die Kontaktfläche zwischen den Granalien vergrößert als auch der Kontakt zwischen den Granalien und der Oberfläche des zylindrischen Wärmetauschers verbessert. Beides verbessert den Wärmetransport vom Adsorbens in den Wärmetauscher.
Es ist möglich mehrere unterschiedliche Lagen von Adsorbens anzuordnen. Dabei können die Lagen von Adsorbens unterschiedliche Eigenschaften bezüglich Wärmeleitung und Transport des Adsorptivs aufweisen. So ist es im allgemeinen sinnvoll, in der Nähe der Wärmetauscherplatte ein Adsorbens mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorzusehen, da in diesem Bereich nicht nur die dort verbrauchte bzw. erzeugte Wärme zu- bzw. abgeführt werden muss. Zudem ist dort auch die Wärme zu transportieren, die in einem Bereich, der weiter weg von der Wärmetauscherplatte bei der Adsorption erzeugt oder bei der Desorption verbraucht wird. In diesem weiter weg von der Wärmetauscherplatte liegenden Bereich, kann es hingegen mehr auf einen guten Transport des Adsorptivs ankommen, wenn das Adsorptiv zu dem näher an der Wärmetauscherplatte liegenden Bereich durch den entfernter liegenden Bereich zu transportiert werden kann. Durch mehrere unterschiedliche Lagen von Adsorbens kann also eine Optimierung zwischen den im Allgemeinen sich widersprechenden Anforderungen nach guter Wärmeleitung und gutem Adsorptivtransport erreicht werden.
Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass das erste Adsorbens aus einer stark komprimierten Aktivkohlefasermatte besteht (mit chemisch hydrophilierten Fasern im Falle von Wasser als Adsorptiv), die mittels einer mit Noppen besetzten Walze gepresst wurde, so dass die Matte im Abstand von wenigen Millimetern durchgehende Löcher aufweist und der maximale Transportweg des Dampfes durch das komprimierte Material in der Größenordnung von 1–2 mm liegt. Dies ist das Adsorbens mit den besseren (volumenbezogenen) Adsorptionseigenschaften und guten Wärmeleitungseigenschaften, aber schlechten Stofftransporteigenschaften in das komprimierte Material hinein. Es wird demnach in der Nähe der Wärmetauscherplatte angeordnet.
Als zweites Adsorbens, das als Adsorbens-Kompositsystem vorliegen kann, eignet sich ein offenporiger Metallschaum, in den ein mikro- oder mesoporöses Adsorbens beispielsweise durch Aufkristallsiation eingebracht wurde. Die Stofftransporteigenschaften dieses Komposit-Materials sind bei Auswahl eines Metallschwamms mit genügend hoher Porosität sehr gut. Die Adsorptionseigenschaften des Materials (d. h. die integrale Adsorptionswärme über einen Wärmepumpenzyklus pro Volumeneinheit des Schwamms) sind schlechter als für das erste Adsorbens. Aufgrund des Massenanteils von inertem (nicht adsorbierenden) Metall in diesem Komposit ließe sich damit kein so hohes Verhältnis von Adsorbens- zu Wärmetauschermasse (bzw. Adsorptionswärme zu sensibler Wärme) erreichen wie mit dem ersten Adsorbens.
Durch die Schichtung dieser beiden Materialien übereinander lassen sich die Vorteile beider kombinieren, um Wärmeumsatz, Wärmeleitung und Stofftransport im Gesamtsystem zu optimieren und zudem ein Sandwichsystem zu erhalten, das nicht zu steif oder zu spröde wird für das Aufwickeln des Adsorbers. Die Metallschwamm-Schicht verformt sich beim Aufwickeln und presst sich in die Matte des ersten Adsorbens hinein, wodurch ein guter thermischer Kontakt zwischen beiden Schichten entsteht.
In einer bevorzugten Herstellungsweise dieses Systems werden die Zwischenräume zwischen den Fluidkanälen in der Wärmetauscherplatte zunächst mit Matten des ersten Adsorbens aufgefüllt (z. B. 4 mm Schichtdicke). Darauf wird eine etwa ebenso dicke Schicht des Metallschwamm-Komposits gelegt, die sich über die gesamte Breite der Wärmetauscherplatte erstreckt. Darauf wird eine weitere Lage des ersten Adsorbens gelegt, dann die Isolierschicht und dann das spiegelbildliche Sandwich-System Matte-Metallschaum-Matte, das beim Aufwickeln an die Rückseite der Wärmetauscherplatte gepresst wird.
Sofern der Produktionsprozess der Wärmetauscher es notwendig macht, können bei dem gewickelten Adsorber auch mehrere Platten hintereinander aufgewickelt werden, die dann jeweils an den Sammelrohren seriell verschaltet werden müssen.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen zylinderförmigen Wärmetauscher eignet sich folgendes Verfahren: Es wird eine im Wesentlichen längliche Wärmetauscherplatte bereitgestellt. Besonders geeignet ist eine rechteckige, längliche Wärmetauscherplatte.
Weiterhin wird ein Adsorbens bereitgestellt, das in thermischen Kontakt zur Wärmetauscherplatte gebracht wird. In einem weiteren Schritt wird die Wärmetauscherplatte zu einer zylindrischen Form aufgewickelt. Es sind grundsätzlich hierbei zwei Abfolgen denkbar. Es ist einerseits möglich, die Wärmetauscherplatte zuerst zu einer zylindrischen Form aufzuwickeln und in die bei der Aufwicklung entstandenen Zwischenräume das Adsorbens hineinzugeben. Dies gilt insbesondere, wenn Adsorbens verwendet wird, das in granularer Form vorliegt. Ebenso ist aber möglich, das Adsorbens zunächst auf die noch rechteckige Wärmetauscherplatte aufzubringen. Beim dann anschließenden Aufwickeln der Wärmetauscherplatte zu einer zylindrischen Form befindet sich das Adsorbens am Ende des Aufwickelprozesses automatisch in den Zwischenräumen der Wärmetauscherplatte, wie es auch gewünscht ist.
Eine besonders geeignete Möglichkeit, zur Herstellung eines erfindungsgemäßen zylindrischen Wärmetauschers ergibt sich, wenn eine Aktivkohlefasermatte eingesetzt wird, welche auf die Wärmetauscherplatte gelegt wird und beim Aufwickeln der Wärmetauscherplatte angepresst wird. Durch das Anpressen wird einerseits ein guter thermischer Kontakt zwischen Wärmetauscherplatte und Adsorbens erreicht. Andererseits ermöglicht das Anpressen auch, dass die Aktivkohlefasermatte gepresst wird und die Dichte des Adsorbens in gewünschter Weise erhöht wird. Damit ist eine kompakte Bauform möglich. Außerdem kann die Wärmeleitung innerhalb des Adsorbens verbessert werden.
Alternativ ist es auch möglich die Aktivkohlefasermatte vorzupressen, insbesondere auf eine Dichte von 150 bis 800 kg/m³. Anschließend kann die vorgepresste Aktivkohlefasermatte auf die Wärmetauscherplatte gelegt werden und die Anordnung aus Wärmetauscherplatte und Aktivkohlefasermatte wird gemeinsam gewickelt. Das Wickeln einer bereits gepressten Aktivkohlefasermatte kann einfacher sein, als das Wickeln einer Aktivkohlefasermatte, die erst noch komplett gepresst werden muss.
Es ist sinnvoll, beim Anpressen und/oder beim Vorpressen der Aktivkohlefasermatte Kanäle für den Dampftransport auszubilden. Damit kann die feuchte Luft und/oder der Dampf, mit dem das Arbeitsmittel zum Adsorbens transportiert wird, leichter zum Adsorbens gelangen.
Ein besonders geeignetes Verfahren zur Fertigung der Wärmetauscherplatte ist das so genannte Rollbond-Verfahren. Dabei werden zwei Bleche zusammengewalzt. In ausgewählten Bereichen wird an mindestens einem der Bleche auf der dem anderen Blech zugewandten Seite ein Trennmittel aufgebracht. Beim nachfolgenden Aufblähen der Bleche bilden sich an den Stellen, an denen das Trennmittel aufgebracht worden ist, Kanäle aus. In diesen Kanälen kann das Fluid zum Wärmetransport durchströmen.
Weitere Details der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figuren geschildert.
Dabei zeigen
1 eine zu einem zylindrischen Wärmetauscher aufgerollte Wärmetauscherplatte.
2 einen Querschnitt einer Wärmetauscherplatte mit einer Aktivkohlefasermatte.
1 zeigt eine zu einem zylindrischen Wärmetauscher aufgewickelte Wärmetauscherplatte 4. Die Sammelrohre 1 laufen in der Nähe der langen Kanten der Wärmetauscherplatte 4. Die Sammelrohre 1 werden durch wesentlich schmalere Fluidkanäle 2 verbunden. Um einen. radialen Dampftransport zu ermöglichen und zur Verringerung der Wärmetauschermasse werden an geeigneten Stellen in der Wärmetauscherplatte Löcher 3 angeordnet
2 zeigt einen Querschnitt einer Wärmetauscherplatte 4 mit Aktivkohlefasermatten. Die vorgepressten Matten werden so auf die Wärmetauscherplatte 4 gelegt, dass die unterste Lage 6 die Zwischenräume zwischen den Fluidkanälen 2 auffüllt und eine oder mehrere weitere Lagen 7 sich über das ganze Blech erstrecken. Beim Pressen der Matten werden geeignete Kanäle für den Dampftransport 5 eingeprägt.

1: Sammelrohr
2: Fluidkanal
3: Loch für Dampftransport
4: Wärmetauscherplatte
5: Kanäle für Dampftransport
6: unterste Lage des Adsorbens
7: weitere Lage des Adsorbens

Claims

Zylindrischer Wärmetauscher mit einer von einem Fluid durchströmbaren, mit einem Adsorbens (6, 7) in thermischem Kontakt stehenden Wärmetauscherplatte (4) mit einer im wesentlichen länglichen rechteckigen Grundform, mit zwei gegenüberliegenden langen Kanten und zwei die langen Kanten verbindenden kurzen Kanten, wobei die Wärmetauscherplatte aufgewickelt vorliegt.
Zylindrischer Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass längs der langen Kanten der Wärmetauscherplatte Sammelrohre (1) für das durchströmende Fluid angeordnet sind, welche an mehreren Stellen durch über die Breite der Wärmetauscherplatte (4) verlaufende Fluidkanäle (2) verbunden sind.
Zylindrischer Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass längs der kurzen Kanten Sammelrohre für das Fluid verlaufen, welche an mehreren Stellen durch über die Länge der Wärmetauscherplatte verlaufende Fluidkanäle verbunden sind.
Zylindrischer Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt der Sammelrohre (1) so bemessen ist, dass bei vorbestimmter Durchströmung mindestens die Hälfte des bei der Durchströmung der Wärmetauscherplatte auftretetenden Druckverlusts in den Fluidkanälen auftritt.
Zylindrischer Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Isolierschicht vorhanden ist, welche den radialen Wärmewiderstand zwischen den Wicklungen der Wärmetauscherplatte (4) erhöht.
Zylindrischer Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatte (4) auf ihren Außenseiten eine Metallschaumstruktur oder Metallschwammstruktur aufweist.
Zylindrischer Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbens (6, 7) aus mindestens einer Aktivkohlefasermatte (6, 7) aufgebaut ist oder diese enthält.
Zylindrischer Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatte (4) so aufgewickelt ist, dass die mindestens eine Aktivkohlefasermatte (6, 7) an die Wärmetauscherplatte (4) angepresst ist.
Zylindrischer Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatte (4) so aufgewickelt ist, dass ein vorbestimmter Abstand zwischen den Wicklungen verbleibt, so dass sich ein Zwischenraum ausbildet, in den Adsorbens (6, 7) eingefüllt werden kann.
Zylindrischer Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Fluidkanälen (2) in der Wärmetauscherplatte (4) mindestens eine Aussparung (3) vorhanden ist.
Zylindrischer Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatte (4) zwischen den Fluidkanälen (2) eingeschlitzt ist, und die Aussparung (3) dadurch gebildet ist, dass die Wärmetauscherplatte umgebogen ist.
Zylindrischer Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Adsorptionsmaterial eine Schüttung eines Adsorbens (6, 7) in granularer Form in den Zwischenraum einfüllbar oder eingefüllt ist.
Zylindrischer Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das in granularer Form vorliegende Adsorbens (6, 7) nach dem Einfüllen gesintert worden ist.
Zylindrischer Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere unterschiedliche Lagen (6, 7) von Adsorbens vorhanden sind.
Verwendung des zylindrischen Wärmetauschers nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Wärmespeicher.
Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Wärmetauschers, welches die folgenden Schritte enthält: • Bereitstellen einer im wesentlichen länglichen Wärmetauscherplatte (4) • Bereitstellen eines Adsorbens (6, 7), das in thermischen Kontakt zur Wärmetauscherplatte (4) gebracht wird • Aufwickeln der Wärmetauscherplatte (4) zu einer zylindrischen Form.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Adsorbens (6, 7) eine Aktivkohlefasermatte eingesetzt wird, welche auf die Wärmetauscherplatte (4) gelegt wird und beim Aufwickeln der Wärmetauscherplatte angepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohlefasermatte vorgepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohlefasermatte auf eine Dichte von etwa 150 bis 800 kg/m³ vorgepresst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anpressen und/oder beim Vorpressen der Aktivkohlefasermatten Kanäle (5) für den Dampftransport ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fertigung der Wärmetauscherplatte (4) zwei Bleche zusammengewalzt werden, wobei in ausgewählten Bereichen an mindestens einem der Bleche auf der dem anderen Blech zugewandten Seite ein Trennmittel aufgebracht wird, so dass beim nachfolgenden Aufblähen der Bleche sich Kanäle (5) ausbilden.
Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Wärmetauschers, welches die folgenden Schritte enthält: • Bereitstellen einer im wesentlichen länglichen Wärmetauscherplatte (4), • Bereitstellen eines Metallschaumes oder -schwammes, der in thermischen Kontakt zur Wärmetauscherplatte (4) gebracht wird, • Aufwickeln der Wärmetauscherplatte (4) zu einer zylindrischen Form, • Beschichtung des Wärmetauschers mit einem Adsorbens.
Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Wärmetauschers nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des Wärmetauschers mit einem Adsorbens durch Aufkristallisation oder durch Eintauchen des ganzen Wärmetauschers in eine Suspension, die das Adsorbens enthält, erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Wärmetauschers nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschwamm durch Aufblähen eines treibmittelhaltigen Halbzeuges, das zuvor beidseitig auf die Wärmetauscherplatte aufgebracht wurde, hergestellt wird, wobei der Aufrollvorgang zu einer Öffnung zuvor geschlossener Poren führt, wobei die Öffnung geschlossener Poren insbesondere durch eine mechanische Behandlung vor dem oder während des Aufrollens unterstützt werden kann.