-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verflüssigungseinrichtung und ein Verfahren zum Verflüssigen von einem zu kondensierenden Medium. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Verflüssigungseinrichtung, bei dem der Feuchteanteil eines Fluides an einer Kondensationsfläche kondensiert wird. Auch die Verflüssigung eines reinen Dampfes ist möglich.
-
Aus der
FR 2 347 105 A1 ist eine Zentrifuge zur Aufteilung eines Gasgemischs in einen leichten und einen schweren Bestandteil bekannt, wobei sich die leichte Komponente an radialen Strukturen niederschlägt und von dort über Fang-Kollektoren abgeführt wird. Dabei können sich sowohl die Radialwände als auch die Ableitungsöffnungen mit dem Rotor drehen. Das Innere des Gehäuses ist ein Strömungskanal für das zuströmende Gasgemisch. In Axialrichtung ist die Vorrichtung in mehrere Stufen unterteilt, zwischen denen sich jeweils Gasabsorptionsfenster befinden. Derjenige Teil des leichteren Gases, der nicht bereits kondensiert ist, strömt in der Vorrichtung abwärts weiter zur nächsten Stufe, wobei die äußere von der inneren Fraktion getrennt wird. Der Strömungskanal wird in allen Zentrifugenstufen nach innen durch den Rotor mit den daran befindlichen Platten begrenzt.
-
Im Stand der Technik sind verschiedenste Verflüssigungseinrichtungen bekannt geworden, bei denen gasförmige Fluide ganz oder teilweise verflüssigt werden. Für eine effektive Kondensation ist ein guter Wärmeübergang erforderlich, anderenfalls muss die Kondensationsfläche oder die Temperaturdifferenz zwischen Gas und Kühlmedium erhöht werden, um die geforderte Wärmeübertragungsrate gewährleisten zu können.
-
Soll die Verflüssigungseinrichtung beispielsweise zur Kondensation von Wasserdampf eingesetzt werden, so bietet ein Tröpfchenkondensator sehr hohe Wärmeübertragungsraten, die 50.000 Watt je m2 erreichen und übersteigen können. Ein Problem bei dem Einsatz von Tröpfchenkondensatoren ist allerdings, dass in der Regel nach sehr kurzer Zeit die Kondensationsfläche mit einem mehr oder weniger dicken Kondensatfilm überzogen ist, sodass die Wärmeübertragungsrate erheblich sinkt, da der dünne Kondensatfilm als Isolator wirkt. Dadurch sinkt die Wärmeübertragungsrate auf einen Bruchteil des möglichen Wertes ab, sodass erheblich größere Flächen für die Verflüssigung benötigt werden.
-
Vor dem geschilderten Hintergrund des Standes der Technik ist es deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verflüssigungseinrichtung zur Verfügung zu stellen, welche bei geringem Bauraum eine hohe Wärmeübertragungsrate oder bei gleichem Bauraum eine geringere Temperaturdifferenz benötigt – und damit effizienter ist – ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Verflüssigungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Verflüssigung mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung und der Beschreibung des Ausführungsbeispiels.
-
Die erfindungsgemäße Verflüssigungseinrichtung umfasst wenigstens einen Strömungskanal für wenigstens ein zu kondensierendes Medium und weist wenigstens eine Kondensationsfläche auf. Wenigstens eine der wenigstens einen Kondensationsfläche ist an einem rotierend aufgenommenen Kondensationskörper vorgesehen. Es ist eine Gaszentrifugeneinrichtung mit wenigstens zwei Zentrifugenstufen vorgesehen. Durch die Zentrifugalkraft wird eine gewisse Trennung des in der Gaszentrifugeneinrichtung vorhandenen Gasgemisches bewirkt, wobei sich die schwereren Bestandteile radial außen und die leichteren Bestandteile eher radial innen ansammeln, wodurch eine effektive Aufkonzentration des Feuchteanteils im radial inneren Bereich bewirkbar ist. Der Gaszentrifugeneinrichtung ist ein Ultraschallvernebler als Feuchteanreicherungseinrichtung vorgeschaltet. Der Ultraschallvernebler umfasst ein Wasserbad und einen Ultraschallerreger. Die erste Zentrifugenstufe ist radial am weitesten außen vorgesehen. Radial nach innen schließt sich eine zweite Zentrifugenstufe an. Am Ende der ersten Zentrifugenstufe wird ein radial innerer Querschnittsanteil als innere Fraktion der zweiten Zentrifugenstufe zugeführt.
-
Die erfindungsgemäße Verflüssigungseinrichtung hat viele Vorteile. Ein erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Verflüssigungseinrichtung wird durch die rotierend aufgenommene Kondensationsfläche bewirkt. Dadurch kann erreicht werden, dass auf der Kondensationsfläche kondensierte Flüssigkeitströpfchen durch die Zentrifugalkraft bedingt von der Kondensationsfläche wegtransportiert oder sogar weggeschleudert werden. Es kann zuverlässig verhindert werden, dass sich ein dicker Kondensatfilm auf der Kondensationsfläche aufbaut und dort dauerhaft hält. Wenigstens kann die Dicke eines Kondensationsfilms im Vergleich zum Stand der Technik erheblich reduziert werden, sodass eine hohe Wärmeübertragungsrate gewährleistet werden kann.
-
Da mit der erfindungsgemäßen Verflüssigungseinrichtung wenigstens teilweise und vorzugsweise im Wesentlichen stets ein direkter Kondensationsübergang von dem zu kondensierenden Medium zu der Kondensationsfläche erfolgt, wirkt die erfindungsgemäße Verflüssigungseinrichtung wenigstens teilweise und insbesondere im Wesentlichen vollständig als Tröpfchenverflüssiger mit einer dementsprechend hohen Wärmeübertragungsrate. Durch den rotierenden Betrieb des Kondensationskörpers werden die schwereren kondensierten Tröpfchen nach außen von dem Kondensationskörper wegbefördert und insbesondere weggeschleudert, nachdem sie die Kondensationswärme an der Kondensationsfläche abgegeben haben.
-
Insgesamt ist mit der Erfindung eine kleiner bauende Verflüssigungseinrichtung möglich, die auf geringem Bauraum mit einer geringen Kondensationsfläche eine hohe Wärmeübertragung ermöglicht oder in Brennwertanlagen eine noch niedrigere Abgastemperatur ermöglicht.
-
Es ist möglich, dass der Kondensationskörper massiv ausgebildet ist, z. B. – aber nicht nur – wenn ein stoßweiser Anfall von Luft und insbesondere feuchter Luft vorliegt.
-
Im Sinne dieser Anmeldung ist der Begriff „Luft“ weit zu verstehen. Darunter fallen auch Gemische von Luft und Abgasen oder Abgase oder sonstige Gase an sich.
-
In einer bevorzugten Weiterbildung ist der Kondensationskörper wenigstens teilweise hohl ausgebildet und weist insbesondere einen Durchgangskanal auf. Eine solche Ausgestaltung ist sehr vorteilhaft, da durch das Innere des Kondensationskörpers die Kondensationsenergie abgeführt werden kann. Beispielsweise kann im Inneren des Kondensationskörpers durch den Durchgangskanal ein Kühlmedium oder dergleichen durchgeleitet werden, um die Kondensationsenergie abzuführen. Möglich ist es auch, dass im Inneren des Kondensationskörpers beispielsweise eine Heatpipe oder dergleichen vorgesehen ist, um die Kondensationsenergie wirksam und effektiv weiterzuleiten.
-
Besonders bevorzugt wird durch das Innere des Kondensationskörpers ein Kühlmedium geleitet. Dabei wird die Kondensationsfläche außen auf dem Kondensationskörper vorgesehen. Dadurch wird gewährleistet, dass die Kondensationsenergie effektiv in das Innere des Kondensationskörpers eingeleitet werden kann, während die auf der äußeren Kondensationsfläche kondensierenden Tröpfchen nach außen abtransportiert und z. B. weggeschleudert werden können.
-
Vorzugsweise weist der Kondensationskörper wenigstens abschnittsweise eine unrunde Außenkontur auf. Der Kondensationskörper kann vorzugsweise wenigstens abschnittsweise nach außen abstehende Konturen, Vorsprünge, Zacken oder Spitzen aufweisen. Durch eine unrunde Außenkontur wird das Wegschleudern oder generell das Abführen von kondensierten Tröpfchen erheblich erleichtert. Die durch die Rotation des Kondensationskörpers nach außen beschleunigten Tröpfchen bewegen sich entlang der unrunden Außenkontur radial möglichst weit nach außen. Dadurch findet frühzeitig eine Sammlung kondensierter Tröpfchen statt, sodass sehr schnell solch große Tropfen gebildet werden, die durch die Fliehkraft nach außen wegtransportiert werden. Dadurch wird die Kondensationsfläche des Kondensationskörpers kontinuierlich von einem Kondensationsfilm befreit bzw. dessen Dicke wird minimiert.
-
Zur weiteren Unterstützung des Abführens des Kondensats ist auf wenigstens einem Teil der Kondensationsfläche vorzugsweise wenigstens eine hydrophobe Beschichtung vorgesehen. Eine solche hydrophobe Beschichtung begünstigt das Abgleiten von kondensierten Tröpfchen.
-
In bevorzugten Weiterbildungen erstreckt sich der Kondensationskörper im Installationszustand wenigstens von einem unteren Ende zu wenigstens einem oberen Ende. Der Kondensationskörper kann im installierten Zustand vertikal ausgerichtet werden. Es ist aber auch möglich, dass ein Winkel zur Vertikalen vorliegt. Ein sich von einem unteren Bereich zu einem oberen Ende erstreckender Kondensationskörper bietet den Vorteil, dass an einem den Kondensationskörper umgebenden Gehäuse, Rohr oder dergleichen die von dem Kondensationskörper weggeschleuderten kondensierten Tröpfchen aufgefangen werden und anschließend gesammelt als Film zum unteren Ende abgeleitet werden. Da diese Innenoberfläche des den Kondensationskörper umgebenden Rohres, Gehäuses oder dergleichen nicht als Kondensator wirkt, stört dort ein sich bildender Film den weiteren Verflüssigungsprozess und insbesondere die Wärmeübertragung nicht.
-
In bevorzugten Ausgestaltungen ist der Kondensationskörper wenigstens abschnittsweise als Strangprofil ausgeführt oder umfasst ein Strangprofil. Insbesondere ist es möglich, den Kondensationskörper wenigstens teilweise aus Metall und insbesondere aus einem Stranggussprofil herzustellen.
-
Der Kondensationskörper ist vorzugsweise an wenigstens einem Ende drehbar gelagert. Der Kondensationskörper kann insbesondere mit einer Hohlachse eines Antriebsmotors verbunden sein oder den Rotor des Antriebsmotors fortsetzen. Dadurch wird eine besonders einfache Einleitung eines Kühlmediums ermöglicht.
-
In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass eine Mehrzahl von rotierbar aufgenommenen Kondensationskörpern vorgesehen ist, die jeweils im Betrieb rotieren.
-
Die Verflüssigungseinrichtung bzw. der Kondensationskörper kann wenigstens teilweise aus Metall und/oder einem Wärme leitenden Kunststoff bestehen.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein zu kondensierendes Medium wenigstens teilweise durch wenigstens einen Strömungskanal geleitet. An dem Strömungskanal ist wenigstens eine Kondensationsfläche an einem rotierend aufgenommenen Kondensationskörper vorgesehen. Dabei wird mit einer Gaszentrifugeneinrichtung mit wenigstens zwei Zentrifugenstufen durch Zentrifugalkraft eine gewisse Trennung des in der Gaszentrifugeneinrichtung vorhandenen Gasgemisches bewirkt, wobei sich die schwereren Bestandteile radial außen und die leichteren Bestandteile eher radial innen ansammeln, wodurch eine effektive Aufkonzentration des Feuchteanteils im radial inneren Bereich bewirkt wird. Dabei wird mit einem der Gaszentrifugeneinrichtung als Feuchteanreicherungseinrichtung vorgeschalteten Ultraschallvernebler ein Wasserbad mit einem Ultraschallerreger erregt. Das Medium wird der radial am weitesten außen vorgesehenen ersten Zentrifugenstufe zugeführt, an die sich radial nach innen eine zweite Zentrifugenstufe anschließt, wobei am Ende der ersten Zentrifugenstufe ein radial innerer Querschnittsanteil als innere Fraktion der zweiten Zentrifugenstufe zugeführt wird.
-
Auch das erfindungsgemäße Verfahren hat viele Vorteile, da es die Abfuhr kondensierter Tröpfchen von der Kondensationsfläche auf einfache Art und Weise ermöglicht.
-
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert werden.
-
In den Figuren zeigen:
-
1 eine schematische Prinzipskizze einer Wärmepumpe mit einer Verflüssigungseinrichtung;
-
2 eine schematische Darstellung einer Verflüssigungseinrichtung, welche in der Wärmepumpe nach 1 eingesetzt werden kann;
-
3 eine weitere schematische Darstellung einer Verflüssigungseinrichtung für eine Wärmepumpe nach 1;
-
4 den Verlauf von zwei Taupunktstemperaturen über zwei Zentrifugenstufen;
-
5 eine schematische Darstellung einer Gaszentrifugeneinrichtung für die Wärmepumpe nach 1; und
-
6 eine schematische und vergrößerte Darstellung eines Querschnitts eines Kondensationskörpers der Wärmepumpe nach 1.
-
1 zeigt in einer stark schematischen Ansicht eine Wärmepumpe 1, die eine Gaszentrifugeneinrichtung 5 und einen rotierenden Kondensationskörper 30 umfasst. Es können verschiedene nicht näher bezeichnete Ventile und Pumpen vorgesehen sein, die zur Zufuhr und Abfuhr der verschiedenen Fraktionen und von Kondensat dienen.
-
Die Wärmepumpe 1 bzw. die Gaszentrifugeneinrichtung 5 umfasst eine Rotationseinrichtung 11, die hier mehrere Zentrifugenstufen 12, 13, 14, 15 und 16 aufweist. Die Zentrifugenstufen 12 bis 16 sind hier radial angeordnet, sodass die Zentrifugenstufe 13 radial innerhalb der Zentrifugenstufe 12 und die Zentrifugenstufe 14 radial innerhalb der Zentrifugenstufe 13 angeordnet ist.
-
Möglich ist es aber auch, eine Wärmepumpe 1 mit einer Gaszentrifugeneinrichtung 5 vorzusehen, bei der zwei, drei oder eine Vielzahl von Zentrifugenstufen axial hintereinander angeordnet sind. Möglich ist auch eine gemischte Bauart, bei der sich einzelne Zentrifugenstufen radial umgeben, während einzelne Zentrifugenstufen oder Zentrifugenstufengruppen axial hintereinander oder parallel oder dergleichen angeordnet sind.
-
Möglich ist es dabei, dass einzelne Zentrifugenstufen oder Zentrifugenstufengruppen mit unterschiedlicher Drehzahl rotieren. Die genaue Drehzahl und die Drehzahlverhältnisse einzelner Zentrifugenstufen und Zentrifugengruppen hängen von dem zu bearbeitenden Gas und den weiteren Bedingungen ab.
-
Die Wärmepumpe 1 funktioniert ohne den Einsatz von Kältemitteln und wird hier zur Verarbeitung von beispielsweise Umgebungsluft oder z. B. Abgasen oder sonstiger Restwärme eingesetzt. Möglich und bevorzugt ist aber auch der Einsatz in der Industrie oder im Handwerk zur Erzeugung von Prozesswärme. Dabei kann nicht nur Außenluft eingesetzt werden, sondern ebenso können aus einem Prozess abgeführte Luft oder Abgase oder sonstige Gase eingesetzt werden, um Abwärme zu nutzen und/oder Prozesswärme zu erzeugen.
-
Der eigentlichen Wärmepumpe 1 kann eine Feuchteanreicherungseinrichtung 20 vorgeschaltet sein, die hier ein Wasserbad 24 umfasst. Die Feuchteanreichungseinrichtung 20 ist hier als Ultraschallvernebler 25 ausgeführt und umfasst einen Ultraschallerreger 43, der hier innerhalb des Wasserbades 24 angeordnet ist. Durch den Ultraschallerreger 43 wird die Badoberfläche des Wasserbades 24 in Schwingungen versetzt, sodass feine und feinste Tröpfchen in der oberhalb der Badoberfläche vorhandenen Luft entstehen und dort verdampfen. Dadurch wird der Feuchteanteil in der Luft oberhalb der Badoberfläche erhöht.
-
Die Feuchte 6 ist an sich nicht sichtbar, aber in 1 durch kleine Kreise oberhalb der Badoberfläche des Wasserbades 24 angedeutet. Durch den Ultraschallvernebler 25 kann die Feuchtigkeit der Luft bis zur Sättigung angereichert werden. Dadurch sinkt die Temperatur der von außen durch den Lüfter einströmenden Luft. Deshalb kann der Feuchteanreichungseinrichtung 20 ein entsprechender und hier nicht dargestellter Wärmetauscher nachgelagert sein, der aus der Umgebung Wärme entzieht. Der Wärmetauscher hebt das Temperaturniveau der durch die Feuchteanreichungseinrichtung 20 geleiteten Luft wieder auf das Temperaturniveau der Umgebung an, sodass die Luft an der Zufuhr 2a etwa wieder Umgebungstemperatur aufweist.
-
Die Luft, die durch die Zufuhr 2a oder durch die Zufuhr 2, falls keine Feuchteanreicherungseinrichtung 20 vorhanden ist, der Verflüssigungseinrichtung 50 zugeleitet wird, gelangt hier zunächst in die Zentrifugenstufe 12 der Gaszentrifugeneinrichtung 5. Die Zentrifugenstufe 12 ist hier radial am weitesten außen vorgesehen.
-
Die Gaszentrifugeneinrichtung 5 und insbesondere die Gaszentrifugenstufen 12 bis 16 werden im Betrieb kontinuierlich rotiert. Dadurch wirkt auf die sich in den einzelnen Gaszentrifugenstufen 12 bis 16 befindende Luft die Zentrifugalkraft ein. Die Luft in den Zentrifugenstufen 12 bis 16 enthält im Wesentlichen neben Stickstoff und Sauerstoff auch gasförmigen Wasserdampf. Gegebenenfalls können weitere Bestandteile wie Abgase in geringem oder auch im größeren Umfang vorhanden sein.
-
Wesentlich ist hier jedenfalls, dass das Molekulargewicht von gasförmigem Wasserdampf bei etwa 18 Gramm/Mol liegt, während das von gasförmigem Stickstoff bei etwa 28 Gramm/Mol und das von gasförmigem Sauerstoff bei etwa 32 Gramm/Mol liegt. Damit sind die Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle des Gasgemisches in den Zentrifugenstufen erheblich schwerer als der Bestandteil des gasförmigen Wassers.
-
Durch die Zentrifugalkraft bewirkt, findet so eine gewisse Trennung des in der Gaszentrifugeneinrichtung vorhandenen Gasgemisches statt, wobei sich die schwereren Bestandteile radial außen und die leichteren Bestandteile eher radial innen ansammeln. Dadurch kann eine effektive Aufkonzentration des Feuchteanteils im radial inneren Bereich bewirkt werden.
-
Am Ende der ersten Zentrifugenstufe 12 findet deshalb eine Trennung der radial inneren Fraktion 7 von der radial äußeren Fraktion 8 statt. Möglich und bevorzugt ist es, dass ein innerer Querschnittsanteil weniger als die Hälfte des gesamten Querschnittsanteils ausmacht. Vorzugsweise kann der Anteil, der der nächsten Stufe zugeführt wird, bei etwa 20 % bis 40 % liegen. Gute Ergebnisse wurden mit etwa 1/3 erzielt.
-
Der innere Querschnittsanteil wird der nächsten Zentrifugenstufe 13 zugeführt. Dort findet wiederum eine Aufkonzentration des feuchteren Bestandteils im radial inneren Bereich statt, bis einzelne gasförmige Wassermoleküle den Taupunkt im radial innersten Bereich erreichten, sodass sie spontan kondensieren. Dabei geben sie ihre Kondensationsenergie ab, die lokal zu einer geringen Temperaturerhöhung führt. Das entspricht dem Joule Thomson Effekt. Dadurch wird bewirkt, dass im radial inneren Bereich einer Zentrifugenstufe ein höheres Temperaturniveau vorherrscht als im radial äußeren Bereich. Zusammen mit der Aufkonzentration des Feuchteanteils im radial inneren Bereich führt dies von Stufe zu Stufe zu einer Erhöhung der Temperatur des Gasgemisches und somit zu einem Wärmepumpeneffekt. Dabei sind weder ein Kompressor noch ein Kältemittel erforderlich.
-
Nur für die Rotation der einzelnen Zentrifugenstufen wird Energie benötigt und um die eingeführte Luft in Rotation zu versetzen, damit eine entsprechende Trennung in leichtere und schwere Bestandteile erfolgen kann.
-
Konkrete Berechnungen haben ergeben, dass eine Temperaturerhöhung bis etwa 3°C oder sogar mehr pro Zentrifugenstufe möglich und mit geringem Aufwand realistisch zu erreichen ist. Solche Werte gelten beispielsweise für eine Zentrifuge mit einem Durchmesser von 0,4 m und einer Drehzahl von 25000 Umdrehungen pro Minute (UpM) bei einer Länge von 1,2 m und einem Luftdurchsatz von 360 Kubikmeter pro Stunde (cbm/h) Volumenstrom. Dabei konnte der minimale Eingangstaupunkt von 15 auf 18°C in einer Stufe erhöht werden. Dadurch erhält eine Fraktion einen Taupunkt von etwa 12°C und die andere Fraktion einen von etwa 18°C.
-
In der hier letzten Zentrifugenstufe 16 wird der Strömungskanal 21 radial nach innen durch den rotierenden Kondensationskörper begrenzt, durch den im Inneren ein Kühlmedium strömt. Vorzugsweise wird flüssiges Wasser als Kühlmedium eingesetzt.
-
Die Rotation des Kondensationskörpers 30 bewirkt, dass darauf kondensierende Tröpfchen durch die Fliehkraft nach außen geleitet und abgegeben werden. Dadurch wird bewirkt, dass die Kondensationsfläche 38 auf den Kondensationskörper 30 im Wesentlichen frei von einem Kondensationsfilm bleibt oder das der Kondensationsfilm auf der Kondensationsfläche 38 wenigstens dünn bleibt. Dadurch wird eine hohe Effektivität des Wärmeübergangs gewährleistet, der durch einen dickeren Kondensationsfilm erheblich verringert werden könnte. Es wird eine erheblich niedrige Temperaturdifferenz benötigt.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Verflüssigungseinrichtung 50 mit einer Gaszentrifugeneinrichtung 5. Dabei ist der Kondensationskörper 30 um eine zentrale Achse 10 rohrförmig angeordnet und auf der Außenoberfläche des hier in Drehrichtung 32 drehenden Kondensationsrohres 30 ist die Kondensationsfläche 38 angeordnet. Im Inneren des Kondensationsrohres 30 strömt ein Kühlmedium 33 entweder in Richtung des durchgezogenen Pfeiles oder aber in entgegengesetzter Richtung in Richtung des gestrichelt eingezeichneten Pfeiles. Bei Strömungsrichtung in Richtung des gestrichelt eingezeichneten Pfeiles ergibt sich ein Gegenstromwärmetauscher, wenn die von unten aufströmende feuchte Luft in dem Strömungskanal 21 in Richtung des dort eingezeichneten Pfeiles strömt.
-
Die von dem unteren Ende 51 aus nach oben strömende feuchte Luft gerät in Kontakt mit der Kondensationsfläche 38 des Kondensationskörpers 30. Dadurch kondensiert wenigstens ein Teil der in der Luft enthaltenen Feuchte 6 auf der Kondensationsfläche 38 des Kondensationsrohres 30. Die Kondensationswärme wird durch die dünne Rohrwandung des Kondensationsrohres 30 an das Kühlmedium 33 abgegeben. Der Kondensationskörper 30 wirkt als Tröpfchenkondensator und ermöglicht eine extrem hohe Wärmeübertragung. Dadurch, dass das Kondensationsrohr 30 in Drehrichtung 32 rotiert, werden die auf der Kondensationsfläche 38 kondensierten Tröpfchen gesammelt und nach außen abtransportiert. Die weggeschleuderten Tröpfchen treffen auf die Innenwandung der Rotationseinrichtung 11 der Zentrifugenstufe 16 und können nach unten zum unteren Ende 51 ablaufen und dort abgeführt werden.
-
Der Kondensationskörper 30 kann an einem Antriebsmotor 42 angeflanscht sein oder ist mit der Hohlachse 41 des Antriebsmotors 42 verbunden. Dadurch kann das Kühlmedium 33 besonders einfach eingebracht werden.
-
3 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer solchen Verflüssigungseinrichtung 50 mit einer Zentrifugenstufe 16. Auch hier wird von dem unteren Ende 51 das zu kondensierende Medium nach oben eingeleitet und die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit kondensiert wenigstens teilweise an der Kondensationsfläche 38 des Kondensationskörpers 30. Durch die Kondensation eines zuvor gasförmigen Bestandteils wird der Gasdruck gesenkt. Um Veränderungen im Gasdruck zu begegnen, kann die Zentrifugenstufe 16 vom unteren Ende zum oberen Ende hin beispielsweise konisch verlaufen, sodass sich der Strömungsquerschnitt über der axialen Länge der Kondensationsfläche 38 verringert.
-
Am oberen Ende 52 der Zentrifugenstufe 16 kann der gesamte Querschnittsanteil 19 in zwei Fraktionen 7 und 8 aufgeteilt werden, wobei der innere Querschnittsanteil 17 der inneren Fraktion 7 einer weiteren Zentrifugenstufe und/oder einer weiteren Wärmepumpe zugeführt werden kann. Es ist möglich, dass die Fraktion 8 am Ausgang 46 an die Umgebung abgegeben wird, oder aber die Fraktion 8 am Ausgang 46 wird als Zufuhr 2 einer vorhergehenden Zentrifugenstufe eingesetzt.
-
4 zeigt die Taupunktverläufe 44 und 45, die für zwei Zentrifugenstufen berechnet wurden, die um die zentrale Drehachse 10 drehbar angeordnet sind. Dabei zeigt sich, dass radial nach innen der Taupunkt zunimmt. Im hier dargestellten Beispiel wird in jeder Zentrifugenstufe die Taupunktstemperatur um etwa 3° erhöht. Bei anderen Abmessungen sind auch Temperaturänderungen von 5° oder mehr möglich. Dadurch kann bei mehrstufigen Zentrifugen die Temperatur nahezu beliebig erhöht werden. Die aus einer Zentrifugenstufe austretende Luft wird wenigstens teilweise der nächsten Zentrifugenstufe zugeführt. Die abgeleitete Fraktion kann einer vorhergehenden Zentrifugenstufe zugeführt werden oder aber die Rotationsenergie der rotierenden Luft wird eingesetzt, um die am Anfang zugeführte Luft in Rotation zu versetzen.
-
5 zeigt eine weitere schematische Abbildung einer Verflüssigungseinrichtung 50, wobei auch hier das Kondensationsrohr 30 in Drehrichtung 32 dreht. Auf der Kondensationsfläche 38 kondensierende Luftfeuchte sammelt sich in Tropfen, die durch die Fliehkraft nach außen gedrängt werden. Es kommt zu Ablösungen von flüssigen Wassertröpfchen 47, die in Richtung der eingezeichneten Pfeile nach außen fliegen. Dort treffen sie schließlich auf die innere Wandung der das Kondensationsrohr 30 umgebenden Zentrifugenstufe 15. Dort bildet sich ein Kondensationsfilm 39, der durch die Schwerkraft bedingte vom oberen Ende 52 zum unteren Ende 51 fließt, wo das Kondensat entfernt werden kann.
-
Hier eingezeichnet ist eine erste Zentrifugenstufe 14, der eine zweite Zentrifugenstufe 15 und schließlich die dritte und die letzte Zentrifugenstufe 16 folgt.
-
6 zeigt einen Querschnitt durch einen Kondensationskörper 30, der hier auch rohrförmig ausgebildet ist. Die Außenoberfläche des Kondensationskörpers 30 weist eine unrunde Außenkontur 34 auf. Auf der Außenkontur 30 des Kondensationskörpers 30 können einzelne abstehende Zacken 35 oder Spitzen 36 vorgesehen sein, die einerseits auch dazu dienen, die Luft in Rotationsbewegung zu versetzen und die andererseits insbesondere zur Sammlung kondensierter Wassertröpfchen dienen, die sich durch die Fliehkraft bedingt an den Zacken 35 oder Spitzen 36 oder sonstigen Erhebungen nach außen bewegen und dort sammeln und schließlich als Tropfen nach außen weg fliegen.
-
Beispielhaft sind hier außen kleine Kreise zur Andeutung der Luftfeuchte 6 und im Inneren des Kondensationskörpers kleine Kreise für das Kühlmedium 33 angezeichnet.
-
Auf der Außenoberfläche und somit der Kondensationsfläche 38 kann eine hydrophobe Beschichtung 37 an einzelnen Stellen und insbesondere vollflächig vorgesehen sein, um die Tropfenbildung der kondensierten Wassertröpfchen zu beschleunigen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Wärmepumpe
- 2
- Zufuhr
- 2a
- Zufuhr
- 5
- Gaszentrifugeneinrichtung
- 6
- Feuchte
- 7
- Fraktion
- 8
- Fraktion
- 9
- zentrales Rohr
- 10
- zentrale Achse
- 11
- Rotationseinrichtung
- 12
- Zentrifugenstufe
- 13
- Zentrifugenstufe
- 14
- Zentrifugenstufe
- 15
- Zentrifugenstufe
- 16
- Zentrifugenstufe
- 17
- innerer Querschnittsanteil
- 19
- gesamter Querschnittsanteil
- 20
- Feuchteanreicherungseinrichtung
- 21
- Strömungskanal
- 22
- Lüfter
- 23
- Medium
- 24
- Wasserbad
- 25
- Ultraschallvernebler
- 30
- Kondensationskörper
- 31
- Durchgangskanal
- 32
- Drehrichtung
- 33
- Kühlmedium
- 34
- unrunde Außenkontur
- 35
- abstehende Zacke
- 36
- Spitze
- 37
- hydrophobe Beschichtung
- 38
- Kondensationsfläche
- 39
- Kondensatfilm
- 40
- Strangprofil, Stranggussprofil
- 41
- Hohlachse
- 42
- Antriebsmotor
- 43
- Ultraschallerreger
- 44
- Taupunktverlauf
- 45
- Taupunktverlauf
- 46
- Ausgang
- 47
- Tröpfchen
- 50
- Verflüssigungseinrichtung
- 51
- unteres Ende
- 52
- oberes Ende
- 100
- Wärmetauscher
