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Die
Erfindung betrifft eine Sorptionswärmeübertragerwand mit einer von
einem Wärme
abgebendem oder aufnehmendem Fluid beaufschlagten Fluidseite, die
durch eine Fluidwand begrenzt ist, und einer Sorptionsseite, die
ein Sorptionsbett mit einem Sorptionsmittel aufweist, das unter
Aufnahme beziehungsweise Abgabe von Wärme ein Sorptiv abgibt bzw.
anlagert.
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Aus
der europäischen
Patentanmeldung
EP 1
175 583 B1 ist ein Absorber-Wärmetauscher
bekannt, bei dem polares Gas wiederholt an einer Komplexverbindung
absorbiert und desorbiert wird. Der bekannte Wärmetauscher weist zwischen
mindestens einem Teil der Wärmetauscheroberflächen einen
Raum auf, der eine Sorbens/Substrat-Zusammensetzung enthält, die
ein faseriges Substratmaterial umfasst, das gegenüber dem
polaren Gas oder Wasserstoff inert ist. Das faserige Substratmaterial umfasst
gewebte oder nicht gewebte Stränge
oder Fasern oder Kombinationen gewebter und nicht gewebter Stränge oder
Fasern. Das Absorbens ist in das faserige Substratmaterial eingebettet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine mechanisch stabile Sorptionswärmeübertragerwand
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 zu schaffen, die gute Wärme- und Stofftransporteigenschaften
aufweist.
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Die
Aufgabe ist bei einer Sorptionswärmeübertragerwand
mit einer von einem Wärme
abgebendem oder aufnehmendem Fluid beaufschlagten Fluidseite, die
durch eine Fluidwand begrenzt ist, und einer Sorptionsseite, die
ein Sorptionsbett mit einem Sorptionsmittel aufweist, das unter
Aufnahme beziehungsweise Abgabe von Wärme ein Sorptiv abgibt bzw.
anlagert, dadurch gelöst,
dass das Sorptionsbett eine gut wärmeleitende Tragstruktur für das Sorptionsmittel
umfasst, die wärmeleitend
mit der Fluidwand verbunden ist. Die vorliegende Erfindung betrifft
vorzugsweise die Adsorption, also die reversible Anlagerung von
Gasen oder gelösten
Stoffen an der Oberfläche
fester Körper.
Die Sorptionswärmeübertragerwand
ist vorzugsweise Teil eines Sorptionswärmeübertragers, der auch als Sorptionsreaktor
bezeichnet wird und zu einem geschlossenen Sorptionsrohr weitergebildet
sein kann. Grundlage eines Sorptionswärmeübertragers ist die reversible
Bindung oder Anlagerung eines gasförmigen Arbeitsmittels (Sorptivs)
an einen Festkörper
(Sorbens) unter Abgabe beziehungsweise Aufnahme von Wärme. Zur
verlustarmen Zu- beziehungsweise Abfuhr der Stoffströme bei der
Adsorption beziehungsweise Desorption des zugeordneten Arbeitsmittels
in den Feststoff hinein beziehungsweise aus dem Feststoff heraus
sollte der Feststoff dem Gasraum eine möglichst große Oberfläche mit kurzen Diffusionswegen anbieten.
Des Weiteren müssen
die dabei entstehenden Wärmeleistungen
möglichst
gut aus dem Feststoff ab- beziehungsweise zugeführt werden können. Durch
die Verbindung der wärmeleitenden
Tragstruktur mit der Fluidwand kann einerseits eine hohe mechanische
Festigkeit erreicht werden, und andererseits eine große makroskopische
Wärmekontaktfläche zum üblicherweise
schlecht wärmeleitenden
Sorbens bereitgestellt werden. Die erfindungsgemäße Struktur liefert einen guten
Kompromiss zwischen Wärmetransport,
Stofftransport, Adsorptionskapazität und Verhältnis von Aktiv- zu Passivmassen.
Dabei wird auch bei den im Betrieb auftretenden thermischen Spannungen
und Vibrationen, insbesondere bei mobilen Anwendungen, eine ausreichende
mechanische Dauerfestigkeit gewährleistet.
Darüber
hinaus ist die erfindungsgemäße wärmeleitende Tragstruktur
kostengünstig
und weitgehend automatisiert herstellbar.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Sorptionswärmeübertragerwand
ist dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitende Tragstruktur eine wärme leitende
Makro-Tragstruktur umfasst. Die Makro-Tragstruktur ist vorzugsweise
so ausgebildet und angeordnet, dass der gesamte Raum des Sorptionsbetts
durchsetzt wird. Diese Makro-Tragstruktur bildet ein Grobnetz zur
Wärmeleitung
von der Fluidwand in die Adsorberstruktur hinein. Damit können große Adsorbensmassen
thermisch an die Fluidwand angebunden werden.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Sorptionswärmeübertragerwand
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Makro-Tragstruktur ein Streckgitter,
ein Drahtgewebe und/oder eine gelochte oder ungelochte Metallfolie
umfasst. Wesentlich ist, dass die Makro-Tragstruktur eine sehr gut
wärmeleitende
metallische Skelettstruktur aufweist.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Sorptionswärmeübertragerwand
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Makro-Tragstruktur ein Streckgitter
mit rautenförmigen
oder sechseckigen Maschen umfasst. Besonders bevorzugt wird ein flachgewalztes
Feinst-Streckgitter eingesetzt.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Sorptionswärmeübertragerwand
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Maschen eine lange Achse aufweisen,
die senkrecht zu der Fluidwand verläuft. Dadurch wird bei einfacher
Herstellbarkeit der Wärmeleitweg
kurz gehalten.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Sorptionswärmeübertragerwand
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Maschen eine Stegbreite von
weniger als 1 mm, insbesondere von weniger als 0,5 mm, aufweisen.
Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird die Stegbreite möglichst klein gewählt.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Sorptionswärmeübertragerwand
ist dadurch gekennzeichnet, dass das Streckgitter aus einem Bandmaterial
gebildet ist, das eine Dicke von weniger als 0,5 mm, bevorzugt von
weniger als 0,2 mm, besonders bevorzugt von weniger als 0,1 mm,
aufweist. Ziel der Erfindung ist es, eine möglichst geringe Banddicke zu
verwenden, um die Passivmassen bei ausreichender Wärmeleitung
und mechanischer Armierungswirkung so klein wie möglich zu
halten.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Sorptionswärmeübertragerwand
ist dadurch gekennzeichnet, dass das Bandmaterial mindestens eine
Kupfer- und/oder Aluminiumlegierung enthält. Diese Materialien liefern
den Vorteil, dass sie gut wärmeleitend
sind.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sorptionswärmeübertragerwand aus einer plissierten
Sandwichstruktur gebildet wird, die im Wesentlichen aus zwei wärmeleitenden
Folien und dazwischen angeordneter Adsorberstruktur besteht. Die
zwischenliegende Adsorberstruktur kann optional Bereiche aufweisen,
die aufgrund einer durchlässigeren
Struktur einen axialen Dampftransport begünstigen. Die gut wärmeleitenden
Deckfolien können
dabei auch Durchbrüche
für einen
zusätzlichen
Dampftransport aufweisen.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorberstruktur aus einer
beidseitig mit einer Sorbensschicht versehenen metallischen flächigen Trägerstruktur gebildet
ist, die zu einer plissierten Struktur umgeformt ist und wenigstes
einseitig mit der Fluidwand wärmeleitend
verbundnen ist. In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung dieser
Ausführungsform
ist die plissierte Struktur auch wärmeleidend mit einer gegenüberliegenden
Fluidwand eines Sorptionsreaktors oder Sorptionsrohres verbunden.
Bevorzugt wird dazu ein Löt-,
Schweiß-
oder Klebeprozess verwendet. Zur Optimierung des Wärmekontaktes
mit den Fluidwänden
wird bevorzugt die Sorbensschicht im Bereich der Kontaktfläche von
der metallischen Trägerstruktur
entfernt, sodass diese in einen direkten metallischen und damit
wärmeleitenden
Kontakt zu den Fluidwänden
kommt, was auch Voraussetzung für
einen nachfolgenden Löt-
oder Schweißprozess ist.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform besitzen die beidseitig
an der Metallfolie anliegenden Sorbensschichten quer zur Walz- bzw.
Fertigungsrichtung verlaufende Nuten oder Rillen, die in plissierter
Form Dampfkanäle
ausbilden, die den Stofftransport durch Diffusion zu den sorptionsaktiven
Partikeln verkürzen.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Sorptionswärmeübertragerwand
ist dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitende Tragstruktur eine
wärmeleitende
Meso-Struktur umfasst. Diese Meso-Struktur bildet eine zweite Ebene
einer wärmeleitenden
Struktur, die ausgehend von einer Makrostruktur den Wärmestrom
feiner verteilt in die direkte Nähe
der Adsorbenspartikel führt.
Analog zur fraktalen Struktur des Blutgefäßsystems eines Organismus werden
durch diese feinere Struktur die Wärmeleitwege nochmals deutlich
verkürzt
und damit die thermische Anbindung jedes Sorbens-Partikels an die Fluidwand verbessert.
Die wärmeleitende
Meso-Struktur ist herstellungstechnisch Teil der Sorptionsmittelstruktur
und wird zusammen mit dieser in die Gesamtstruktur eingebracht.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Sorptionswärmeübertragerwand
ist dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitende Meso-Struktur Kohlenstoff
enthält.
Der Einsatz von Kohlenstoff-basierten Adsorbienten liefert den Vorteil, dass
die Meso-Wärmeleitstruktur
bei geeigneter nicht zu großen
Aktivierung gleichzeitig die sorptionsaktiven Strukturen bilden,
zum Beispiel durch Verwendung von bevorzugt einzusetzenden teilaktivierten
Kohlefasern (AKF), AKF-Filzen oder AKF-Geweben.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Sorptionswärmeübertragerwand
ist dadurch gekennzeichnet, dass konventionell granulierte Aktivkohle
zusammen mit Kohlenstoffpartikel, Kohlenstoffplättchen und/oder Kohlenstoff-Fasern,
mit einem Binder zu einem zusammenhängenden, die Makrostruktur
durchdringenden Adsorberblock verbunden wird. Die Mesostruktur wird
dabei durch die auf gute Wärmeleitung
ausgelegten Kohlenstoffpartikel gebildet. In einer optionalen Ausgestaltung
der Ausführungsform
können
die Kohlenstoffpartikel in Form sogenannter „multiwalled Carbon Nanotubes" den sorptionsaktiven
Partikeln beigemischt sein.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Sorptionswärmeübertragerwand
ist dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitende Meso-Struktur durch
so genannte Grafit-Flakes gebildet wird. Diese führen also die grob verteilte
Wärme in den
Direktkontakt zu den Adsorberpartikeln.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Sorptionswärmeübertragerwand
ist dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitende Meso- Tragstruktur aktivierte
Kohlefasern (AKF) enthält. Die
aktivierten Kohlefasern liegen vorzugsweise in Form von Filzen oder
Geweben vor.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Sorptionswärmeübertragerwand
ist dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitende Meso-Tragstruktur durch
zugemischte gut wärmeleitende
dünne Metallfasern
gebildet wird die mit granulierter Aktivkohle vermischt mit einem
Binder zu einem zusammenhängenden,
die Makrostruktur durchdringenden Adsorberblock verbunden ist.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Sorptionswärmeübertragerwand
ist dadurch gekennzeichnet, dass das Sorptionsbett eine Sorptionsmittelstruktur
oder Kanalstruktur aufweist. Die Kanalstruktur dient dem Stofftransport
und ist vorzugsweise analog zum Bronchialsystem einer Lunge, fraktal
gestaltet. Durch die fraktale Gestaltung des Stofftransportweges
der Arbeitsstoff-Moleküle
zu den sorptionsaktiven Zentren des Adsorptionsbetts wird der Stofftransport
optimiert. In Kombination mit einem der beschriebenen ebenfalls
fraktal angenäherten Wärmetransportsysteme
wird die Gesamtkinetik des damit gebildeten Sorptionswärmeübertragers
optimiert. Damit durchdringen sich zwei unabhängige fraktale bzw. fraktal-angenäherte Transportsysteme analog
zum Beispiel der Lunge, bei der sich ebenfalls zwei unabhängige fraktale
Transportsysteme sich gegenseitig durchdringen.
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In
einem dazu bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Sorptionswärmeübertragerwand
durchzieht die Sorptionsmittelstruktur ein Netz von Strömungskanälen. Durch
die Strömungskanäle werden
der Transport und die Verteilung von Sorptionsmittel optimiert.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Sorptionswärmeübertragerwand
ist dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungskanalnetz größere. Strömungskanäle umfasst,
von denen kleinere Strömungskanäle ausgehen.
Vorzugsweise wird ausgehend von einem Netz großer Strömungskanäle auf ein Netz feinerer und
schließlich
feinster Strömungskanäle verzweigt.
Damit wird bei minimiertem Leervolumen der Druckverlust von ein-
und ausströmendem
Sorbens minimiert.
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Die
Erfindung betrifft auch einen Sorptionswärmeübertrager mit mindestens einer
vorab beschriebenen Sorptionswärmeübertragerwand.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung
verschiedene Ausführungsbeispiele
im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
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1 die
Ansicht eines Schnitts durch eine Sorptionswärmeübertragerwand gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel;
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2 eine
perspektivische Darstellung einer wärmeleitenden Tragstruktur;
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3 ein
Adsorptionsrohr mit einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragerwand im Längsschnitt;
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4 das
Adsorptionsrohr aus 3 in einem weiteren Längsschnitt;
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5 einen
vergrößerten Ausschnitt
V aus 4;
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6 die
Ansicht eines Schnitts entlang der Linie VI-VI in 3;
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7 die
Ansicht eines Schnitts entlang der Linie VII-VII in 4;
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8 eine
vergrößerte Darstellung
der 7;
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9 die
Ansicht eines Schnitts durch eine Wärmeübertragerwand nach einem weiteren
Ausführungsbeispiel;
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10 die
Ansicht eines weiteren Schnitts durch die Wärmeübertragerwand aus 9;
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11 eine ähnliche
Darstellung wie in 9 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
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12 die
Ansicht eines Schnitts durch ein Streckgitter, das mit einer Fluidwand
verbunden ist, im Schnitt;
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13 eine
schematische Darstellung eines gewickelten Sorptionsbetts;
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14 eine
perspektivische Darstellung einer Spannvorrichtung für ein Sorptionsbett;
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15 eine
Sandwichstruktur gebildet aus Wärmeleitfolien
mit zwischengelagertem Adsorbens und Bereichen erhöhter Dampfdurchlässigkeit
zur Bildung eines Sorptionsbetts;
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16 eine
plissierte Sandwichstruktur zur Bildung einer alternativen Sorptionswärmeübertragerwand;
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17 einen
Schnitt durch ein Sorptionsrohr mit einer gepressten, plissierten
Sandwichstruktur;
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18 eine
5-schichtige Sandwichstruktur, die durch eine zusätzliche
poröse
Zwischenschicht zur Erhöhung
der axialen Dampfdurchlässigkeit
und durch Durchbrüche
in den wärmeleitenden
Deckfolien gekennzeichnet ist;
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19 eine
schematische Darstellung über Aufbau
und einer bevorzugten Herstellungsmethode eines laminierten Bandes
zur Herstellung einer Adsorberstruktur;
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20 und 21 Seitenansichten
einer aus dem laminierten Band durch Plissie ren und Abrakeln hergestellten
Adsorberstruktur und
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22 und 23 geschnittene
Teilansichten eines Sorptionsrohres mit bevorzug ten Adsorberstrukturen.
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In 1 ist
eine Wärmeübertragerwand 1, die
auch als Wärmeübertragungswand
bezeichnet wird, im Schnitt dargestellt. Die Wärmeübertragungswand 1 ist
Teil eines Adsorptionsreaktors mit einer Fluidseite 2,
die durch eine Fluidwand 4 begrenzt ist. An der Fluidwand 4 strömt auf der
Fluidseite 2 ein Fluid, wie zum Beispiel Wasser oder Luft,
vorbei, das Wärme
an die Fluidwand 4 abgibt. Die Fluidwand 4 ist
vorzugsweise aus Metallblech gebildet. Bei dem Metallblech handelt
es sich zum Beispiel um Aluminiumblech.
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Die
der Fluidseite 2 abgewandte Seite 5 der Wärmeübertragerwand 1 wird
als Sorptionsseite bezeichnet. Auf der Sorptionsseite 5 der
Wärmeübertragerwand 1 ist
ein Sorptionsbett 6 ausgebildet. Das Sorptionsbett 6 enthält ein Sorptionsmittel 7,
das an einer wärmeleitenden
Tragstruktur 10 angebracht ist. Die wärmeleitende Tragstruktur 10 weist,
im Schnitt betrachtet, eine im Wesentlichen zinnenförmige Struktur
auf. Die Tragstruktur 10 ist an mehreren Verbindungsteilen 11, 12, 13, 14 stoffschlüssig mit
der Fluidwand 4 verbunden. An den Verbindungsstellen 11 bis 14 ist
die Tragstruktur 10 zum Beispiel mit der Fluidwand 4 verlötet, verschweißt oder
verklebt.
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Die
wärmeleitende
Tragstruktur 10 wird auch Makro-Wärmeleitstruktur bezeichnet
und umfasst zum Beispiel ein Streckmetallgitter, ein Drahtgewebe,
Lochblech, Blech, und ist vorzugsweise aus einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung
gebildet.
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Das
Sorptionsmittel 7 ist mit einer Sorptionsmittelstruktur 15 versehen,
die mehrere Strömungskanäle 17 bis 20 umfasst.
Die Strömungskanäle 17 bis 20 haben
die Gestalt von Sacklöchern,
die senkrecht zu der Fluidwand 4 hin angeordnet sind und spitz
zulaufen. Die Sorptionsmittelstruktur 15 wird auch als
Adorberstruktur bezeichnet und umfasst zum Beispiel Kohlefaser-Filz,
Kohlefaser-Gewebe oder eine gebundene Aktivkohle-Schüttung.
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In 2 ist
eine wärmeleitende
Tragstruktur 21 perspektivisch dargestellt. Die wärmeleitende Tragstruktur 21 wird
von einem zick-zack-förmigen Metallgitter 22 gebildet,
das eine Vielzahl von Längsstegen 23 bis 25 aufweist,
die durch Querstege 26 bis 28 miteinander verbunden
sind. Das Gitter 22 weist eine Plissierhöhe 29 und
eine Plissierdichte 30 auf. Die wärmeleitende Tragstruktur 21 ist
aus einer gut wärmeleitenden
Legierung, vorzugsweise einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung, gebildet
und stellt eine wärmeleitende
Armierungsstruktur für
ein in einem Folgeprozess aufzubringendes Adsorptionsbett dar. Das
Adsorptionsbett (nicht dargestellt) wird in Form einer hochviskosen
beziehungsweise pastösen
Masse oder einer Schüttung
so in die primäre
Armierungsstruktur eingebracht, dass die Hohlräume zwischen den Metallstegen 23 bis 28 nahezu
vollkommen ausgefüllt
werden und diese von der Adsorber-Verbundmasse umschlossen werden.
Diese Verbundmasse oder Schüttung
wird dann zu einem Festkörper
ausgehärtet
beziehungsweise gebunden.
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Die
Adsorber-Verbundmasse umfasst vorzugsweise Adsorberpartikel (zum
Beispiel Aktivkohle, Zeolith, Silicagel, Metallhydrid) ein Bindemittel und
optional einen guten wärmeleitenden
Füllstoff, wie
Kohlefasern, Grafitpartikel (Flakes), Metallfasern oder dergleichen.
Optional und bevorzugt weist die Adsorber-Verbundmasse im Sinne
eines fraktalen Modells eine mesoporöse Struktur auf, die den Stofftransport
in tiefere Schichten der Struktur erleichtert, indem die Masse oder
Schüttung
noch Gashohlräume
zwischen den Partikeln enthält.
Weiterhin kann die Struktur noch zusätzliche Makrostrukturierungen, wie
Schlitze, Spalte oder Sacklöcher
aufweisen, die noch vor dem Aushärten
der Gesamtstruktur durch Verdrängungs-
oder Formgebungsmaßnahmen
angebracht werden. Auf diese Weise wird ein hierarchisches (fraktales)
Porensystem erzeugt, das von großen Querschnitten (Längskanälen, Sacklöchern, Schlitzen)
auf immer kleinere Querschnitte (Zwischenräume zwischen Sorptionspartikeln)
bis hin zu den innerpartikulären
makro- und schließlich
zu den sorptionsaktiven Meso- und Mikroporen verzweigt.
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Die
geometrische Dimensionierung der einzelnen Strukturen richtet sich
dabei zum einen nach der Wahl des Stoffpaares, insbesondere den
Stoffdaten des eingesetzten Arbeitsmittels (Dampfdruck, Dichte,
Viskosität,
Diffusionskoeffizienten) und zum anderen nach den Wärmeleiteigenschaften
der verwendeten Strukturen. Nach Auswahl des Arbeitsstoffpaares
können
für die
eingesetzten Strukturen auf Makro-, Meso- und Mikroebene mittels
eines detaillierten Ersatzmodells für den Wärme- und Stofftransport die
optimale geometrische Parameterkombination für die Gesamtstruktur ermittelt
werden.
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In
den 3 bis 8 ist ein aus Halbschalen aufgebautes,
allseitig hermetisch verschlossenes Adsorptionsrohr 31 in
verschiedenen Ansichten dargestellt. Das Adsorptionsrohr 31 umfasst
ein Adsorptionsbett 32 mit einer Adsorberstruktur. Bei
der Adsorberstruktur handelt es sich zum Beispiel um eine gebundene
Schüttung
aus granulierter Aktivkohle. Die Adsorberstruktur umfasst, wie in 5 gezeigt ist,
einen Hauptströmungskanal 33,
von dem mehrere Nebenströmungskanäle 34, 35 abzweigen.
Die Nebenströmungskanäle 34, 35 sind
senkrecht zu dem Hauptströmungskanal 33 angeordnet.
Nach außen hin laufen die Nebenströmungskanäle 34, 35 spitz
zu.
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Die
Adsorberstruktur ist auf eine Tragstruktur 36 aufgebracht.
Das Sorptionsrohr 31 umfasst des Weiteren Kapillarstrukturen 37, 38,
die zur Aufnahme von kondensierter Flüssigkeit dienen. Beim Aufheizen
wird aus dem Sorptionsbett 32 Gas ausgetrieben, das an
beziehungsweise in den Kapillarstrukturen 37, 38 kondensiert.
In der vergrößerten Darstellung
der 8 sieht man, dass das Sorptionsrohr 31 aus
zwei Halbschalen 41, 42 gebildet ist, die an den Verbindungsstellen
stoffschlüssig
miteinander verbunden sind. In der Nähe der Verbindungsstellen weisen
die Halbschalen 41, 42 weitere Hauptströmungskanäle 39, 40 mit
einem dreieckigen Querschnitt auf.
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In
den 9 und 10 ist eine Sorptionswärmeübertragungswand
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
in verschiedenen Ansichten dargestellt. Von einer Fluidwand 44 erstrecken
sich Gitterstege 45, 46 senkrecht nach oben. Die
Gitterstege 45, 46 bilden eine Makro-Tragstruktur,
an der eine Vielzahl von Fasern 47 bis 50 angebracht
sind. Die Fasern 47 bis 50 bilden eine wärmeleitende
Meso-Tragstruktur, die wiederum mit einer gebundenen Schüttung aus
einer Vielzahl von Kugeln 51, 52 aus Sorptionsmittel
verbunden sind.
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In 10 sieht
man, dass die Stege (45, 46 in 9)
zu einem Streckgitter 55 gehören. Mit dem Streckgitter 55 sind
weitere Fasern 56 bis 59 verbunden. Die weiteren
Fasern 56 bis 59 wiederum dienen zur Verbindung
mit weiteren Grafitkugeln 60, 61.
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In 11 ist
eine Wärmeübertragerwand
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
im Schnitt dargestellt. Von einer Fluidwand 64 erstrecken
sich eine Vielzahl von Wärmeleitstegen 65, 66 einer
wärmeleitenden
Tragstruktur. Zwischen den Wärmeleitstegen 65, 66 sind
Gewebe 68, 69 aus Aktivkohlefasern angeordnet.
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Die 12 zeigt,
dass es sich bei den Wärmeleitstegen
(65, 66 in 11) um
ein Wärmeleitgitter 55 handelt,
wie es in 10 gezeigt ist. Bei dem Streckgitter 55 bilden
jeweils vier Stege 71 bis 74 eine Raute 75.
Die Adsorberstruktur wird also in diesem Falle durch einen alternierenden
Stapel von Wärmeleitgittern
und Aktivkohlefasergewebe gebildet, der stirnseitig wärmeleitend
mit der Wand des Sorptions-Wärmeübertragers
verbunden ist.
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In 13 ist
angedeutet, dass es auch möglich
ist, Metallstreckgitter 67 mit einer flächig aufgebrachten Adsorberstruktur,
zum Beispiel in Form eines Gewebes aus aktivierten Kohlefasern,
auf einen Ballen 79 aufzuwickeln. Ein derartiger Ballen 79 kann dann
stirnseitig mit einer Fluidwand verbunden werden.
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Die
Herstellung von derartigen Sorptionsbetten erfolgt bevorzugt durch
Aufeinanderschichten von Tragstrukturen und Aktivkohlefasergewebe.
Die aufeinander geschichteten Stapel werden dann zur Erhöhung der
Packungsdichte gepresst. Durch Wahl der Gewebedicke, Bindungsart,
Gitterdicke, Zusammenpressung des Stapels können eine Vielzahl von Parametern
auf ein Optimum eingestellt werden. Zur Erhöhung der möglichen Adsorberpackungsdichte und
Verbesserung des Wärmekontaktes
mit den Wärmeleitstrukturen
können
Hilfsmittel, zum Beispiel entsprechend 14 vorgesehen
sein, die den Stapel in der gewünschten
Packungsdichte halten. Diese Hilfsmittel setzen sich wie gezeigt
aus Endplatten und Zugankern zum Beispiel in Form verbindender dünner Stifte
zusammen. Entsprechende Konstruktionen sind bekannt. Zur Wärmeleitenden
Verbindung mit der Fluidwand kommen Klebe-, Löt- und Schweißverfahren
in Frage. Bevorzugte Verfahren sind Widerstandslöten oder -schweißen mittels
Kondensator-Entladung.
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In 15 ist
der Aufbau einer Sandwichstruktur dargestellt, mit zwei gut wärmeleitenden Deckschichten
in Form von Metallfolien und dazwischen angeordneter Adsorbensschicht.
Die Adsorbensschicht kann dabei Bereiche mit erhöhter Dampfdurchlässigkeit
aufweisen. Bei der Verwendung von Aktivkohlegewebe kann dies zum
Beispiel durch entsprechende Anpassung der Bindungsart bewirkt werden.
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Aus
der 16 ist zu entnehmen, wie aus der Sandwichstruktur
durch Plissierung eine gefaltete Adsorberstruktur gebildet wird.
Die Bereiche mit erhöhter
Porosität
zur Verbessereung des Stofftransportes sind dabei so beabstandet,
dass in jeder Falte ein entsprechender Strömungskanal mit verringerten Transportverlusten
gebildet wird.
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Die 17 zeigt
ein Beispiel, wie diese gefaltete Adsorberstruktur zum Beispiel
innerhalb eines Sorptionsrohres noch verdichtet werden kann, um eine
höhere
Packungsdichte von Adsorbensmaterial zu erreichen. Dabei ist eine
Art Kolbenleiste vorgesehen, mit der ein gewisser Druck auf die
Adsor berstruktur ausgeübt
werden kann. Diese Leiste kann dann durch Kleben, Löten, Schweißen oder
andere Verbindungstechniken fixiert werden. Durch die Bereiche erhöhter Dampfdurchlässigkeit
kann auf zusätzliche
Strömungskanäle verzichtet
werden, sodass der gesamte Querschnitt des Sorptionsrohres mit der
Struktur ausgefüllt
werden kann.
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In 18 ist
eine 5-schichtige Sandwichstruktur dargestellt, die eine Zwischenschicht
umfasst, die den axialen Dampftransport nochmals verbessert. Die
zwischen den Wärmeleitfolien
liegende Adsorbensmasse wird in diesem Falle durch 3 Schichten gebildet,
von denen die beiden äußeren z. B.
aus einem sehr dichten Aktivkohlegewebe mit hoher Aufnahmekapazität gebildet
sein können
und die Mittelschicht aus einem axial sehr durchlässigen Gewebe,
das im Wesentlichen den Stofftransport in die Tiefe der daraus gebildeten
plissierten Struktur hinein bewirkt.
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In 19 ist
ein alternativer Aufbau und eine zugehörige mögliche Fertigungsmethode eines
laminierten Bandes 121 dargestellt, aus dem eine besonders
bevorzugte Adsorberstruktur mit relativ einfachen Mitteln hergestellt
werden kann. Das Laminat-Band 121 wird durch Auflaminierung
zweier vorzugsweise extrudierter pastöser Adsorberschichten 122, 123 auf
eine gut wärmeleitende
flächige
Metallstruktur 124 hergestellt. Die teigigen Adsorbermassen
bestehen dabei aus einer geeigneten Mischung von Adsorberpartikeln
und Binder. Optional können noch
wärmeleitende
Partikel zur Bildung einer wärmeleitenden
Meso-Struktur, sowie ggf. weitere nicht näher spezifizierte Zusatzstoffe
enthalten sein. In nicht näher
dargestellter Weise kann das mittlere Metallband Durchbrüche und/oder
Tulpungen aufweisen, über
die die beiden pastösen
Adsorbermasssen sich beim Laminierprozess miteinander und mit der flächigen Metall-Trägerstruktur
verbinden können. Dadurch
wird die gegenseitige Haftung der drei Schichten aufeinander verbessert.
Alternativ kann auch die Metallfolie zur Verbesserung der Haftung vorher
noch chemisch oder mechanisch behandelt, zum Beispiel aufgerauht
sein.
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Die
extrudierten Adsorberschichten 122, 123 haben
jeweils eine Dicke von circa 1 mm. Die Metallstruktur 124 wird
vorzugsweise von einer Kupferfolie gebildet, die eine Dicke 0,05
mm aufweist. Die Kupferfolie ist verzinnt und optional gelocht.
Der Laminiervorgang erfolgt zum Beispiel mit Hilfe von zwei Laminierwalzen 125, 126.
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Vorzugsweise
weisen die Laminierwalzen 125, 126 an der Oberfläche quer
zur Walzrichtung ausgerichtete Verdrängerstege 127, 128 auf,
die in die noch weichen Sorbensschichten Querrillen oder Nuten 129 bis 132 eindrücken. Ein
Teil der Nuten 129, 120, 131, 132 kann
als Sollbiegestellen für
den nachfolgenden Plissierprozess dienen.
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Die 20 und 21 zeigen
Seitenansichten einer mit dem Laminatband 121 hergestellten
Adsorbensstruktur. Im ersten Schritt wird durch Plissieren des Bandes 121 eine
mäanderförmige Kompaktstruktur 133 hergestellt.
Wie die Darstellung der 20 andeutet,
führen
die durch Verdrängung
eingearbeiteten Quernuten 129, 132 in der kompaktierten
Struktur zu Dampfkanälen,
die als Makro- oder Mesostruktur für den Stofftransport fungieren.
In hier nicht erkennbarer Weise kann diese Struktur auch bronchiale
Verzweigungen aufweisen, um den Stofftransport möglichst druckverlustarm zu
gestalten.
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Im
direkt nachfolgenden Schritt werden, wie in 21 gezeigt
ist, die Kuppen der Mäander
beidseitig zum Beispiel durch Rakeln von der Sorbensschicht befreit.
In diesem Zustand entsprechend 21 können die
kompaktierten Adsorberstrukturen 133 endgültig abgelängt und
ausgehärtet
werden.
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In
den 22 und 23 sind
geschnittene Teilansichten eines Sorptions- oder Reaktionsrohres 136 dargestellt,
das mit der entsprechend gefertigten Adsorberstruktur zwischen Fluidwänden 137, 138 ausgestattet
ist. Die 22 und 23 zeigen
zwei beispielhafte Verläufe
verzweigter Meso-Kanalstrukturen
mit einem Hauptkanal 140 und Nebenkanälen 141, 142, 143 für den Stofftransport.
Durch die abwechselnde Lage von Ebenen für die Kanalstrukturen und die
ebenfalls ins Adsorbensmaterial eingebetteten metallischen Makro-Wärmeleitschichten sind
die verlustbehafteten Transportwege für den Wärme- und den Stoffstrom kurz
und können
durch Anpassung einfach variierbarer konstruktiver Parameter leicht
optimiert werden.
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Für die wärmeleitende
bei 145 und 146 angedeutete Anbindung der Metallfolien 144 an
die Fluidwände 137, 138 kommen
neben dem Kleben auch vorzuziehende Löt- oder Schweißverfahren
in Frage. Ein besonders bevorzugtes Verfahren ist ein hier nicht
näher spezifiziertes
flussmittelarmes Lötverfahren,
bei dem eine auf der Innenseite der Fluidwand 137, 138 und/oder
auf der metallischen Trägerschicht 144 aufgebrachte
niedrig schmelzende Lotschicht aufgeschmolzen und mit dem Lotpartner
stoffschlüssig
verbunden wird. Bei 148 ist der Zustand vor dem Dichtschweißen, insbesondere
Laserschweißen,
angedeutet.
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Es
sei nochmals darauf hingewiesen, dass die flächigen strukturbildenden Adsorbensschichten aus
beliebigen Mischungen von Adsorbensmaterial und Zusatzmaterialien
gebildet sein können.