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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpe mit Gaszentrifugeneinrichtung und ein Verfahren zum Gewinnen von Nutzwärme aus der Luftfeuchtigkeit von insbesondere Umgebungsluft oder auch aus Abgasen. Es ist aber auch möglich, die Erfindung Abluft von industriellen oder handwerklichen oder sonstigen Prozessen zu betreiben.
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Im Stand der Technik sind verschiedenste Wärmepumpen bekannt geworden, die Wärmequellen Wärme entziehen und auf einem höheren Temperaturniveau als Nutzwärme abgeben können. Typische Wärmepumpenprozesse umfassen einen Verdampfer, in dem zuvor verflüssigtes Kältemittel vollständig verdampft wird, bevor es einem Verdichter zugeführt wird, in dem der Druck auf ein Vielfaches erhöht wird. In dem Verdampfer wird nicht nur der Druck, sondern auch die Temperatur des gasförmigen Kältemittels erhöht. Das gasförmige Kältemittel wird auf dem hohen Druck- und Temperaturniveau einem Kondensator zugeführt, wo das Kältemittel auf hohem Temperaturniveau kondensiert. Die Kondensationswärme kann als Nutzenergie abgeführt werden. Dem Kondensator schließt sich ein Drosselorgan an, in dem der Druck erheblich gesenkt wird, wodurch das Kältemittel zu einem geringen Anteil verdampft. Dadurch sinkt die Temperatur des Kältemittels erheblich, sodass anschließend in dem Verdampfer wieder auf einem niedrigen Temperaturniveau der Wärmequelle Wärme entzogen werden kann.
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Dieser Wärmepumpenprozess ist gut bekannt. Nachteilig daran ist beispielsweise, dass regelmäßig Kältemittel eingesetzt werden muss, um den Wärmepumpenprozess beispielsweise für Heizzwecke zu betreiben. Die
DE 10 2010 008 325 A1 beschreibt zum Beispiel eine Wärmepumpe mit einer Gaszentrifuge, in welcher ein Arbeitsgas vorgesehen ist. Ein weiterer Nachteil ist der nötige Einsatz eines Verdichters. Dabei kann zur Verdichtung auch eine Gaszentrifuge zum Einsatz kommen, wie in der
DE 10 2004 013 349 A1 beschrieben. In der
DE 198 34 551 A1 ist ein Lufttrockner mit einem mit Kühlwasser durchströmten Rotationskondensator beschrieben.
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Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Wärmepumpe zur Verfügung zu stellen, welche ohne den Einsatz eines separaten Kältemittels auskommt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wärmepumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der allgemeinen Beschreibung sowie der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
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Die erfindungsgemäße Wärmepumpe umfasst wenigstens eine Zufuhr für Luft und/oder Abgase und weist wenigstens einen Wärmetauscher zur Abfuhr von Nutzwärme auf. Wenigstens eine Gaszentrifugeneinrichtung ist vorgesehen, der die Luft und/oder die Abgase zugeführt werden und welche dazu geeignet und bestimmt ist, die in der Luft und/oder den Abgasen enthaltene Feuchte wenigstens teilweise zu kondensieren. Die Gaszentrifugeneinrichtung weist wenigstens ein zentrales Kondensationsrohr auf, an welchem wenigstens ein Teil der Luftfeuchte kondensiert. Das Kondensationsrohr führt die Energie der kondensierten Luftfeuchte ab. Die zugeführte Luft wird in der Gaszentrifugeneinrichtung in wenigstens zwei austretende Fraktionen mit unterschiedlicher Luftfeuchte aufgeteilt.
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Die erfindungsgemäße Wärmepumpe hat viele Vorteile. Ein erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Wärmepumpe besteht darin, dass kein separates Kältemittel nötig ist. Hier wird die zum Betrieb der Wärmepumpe banötigte Luft der Wärmepumpe direkt zugeführt und die darin enthaltene Feuchte wenigstens teilweise kondensiert, um die Kondensationswärme als Nutzwärme abzuführen. Ein separates Kältemittel ist dazu nicht erforderlich. Das senkt den Aufwand bei der Herstellung und auch beim Betrieb einer solchen Wärmepumpe, da auch der regelmäßige Austausch von Wärmepumpenfluid nicht nötig ist.
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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.
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Die Gaszentrifugeneinrichtung ermöglicht die Aufkonzentration der in der Luft enthaltenen gasförmigen Feuchtigkeit derart, dass über die Erhöhung der Konzentration auch eine lokale Temperaturerhöhung ermöglicht wird. In geeigneter Weise können mehrere Stufen vorgesehen sein, um das Temperaturniveau entsprechend zu erhöhen. Vorzugsweise wird dazu die der Gaszentrifugeneinrichtung zugeführte Luft in wenigstens zwei austretende Fraktionen mit unterschiedlicher Luftfeuchte aufgeteilt. Wird die Luftfeuchtigkeit in der der Wärmepumpe zugeführten Luft aufkonzentriert, so kann bei Kondensation der Luftfeuchtigkeit eine erhebliche Nutzwärme abgeführt werden.
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Vorzugsweise umfasst der Wärmetauscher wenigstens ein zentrales Rohr um wenigstens eine zentrale Achse. Es ist eine Rotationseinrichtung vorgesehen, mit der die Luft um die zentrale Achse in Rotation versetzt wird. Vorzugsweise wird das zentrale Rohr in Rotation versetzt. Möglich ist es, dass die das zentrale Rohr umgebende Luft durch die Rotation des zentralen Rohres in Rotationsbewegung versetzt wird. Möglich ist es aber auch, dass die das zentrale Rohr umgebende Luft über eine separate Einrichtung in Rotation versetzt wird.
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Es ist bevorzugt, dass die Gaszentrifugeneinrichtung wenigstens zwei Zentrifugenstufen umfasst. Möglich und bevorzugt sind auch 3, 4 oder mehr Zentrifugenstufen. Die Zentrifugenstufen können sich jeweils radial umgeben, sodass eine radial äußerste und eine radial innerste Zentrifugenstufe vorgesehen sind. Möglich und bevorzugt ist es aber auch, dass einzelne Zentrifugenstufen in axialer Richtung hintereinander oder sonst wie zueinander angeordnet sind. Möglich und bevorzugt ist es auch, dass einzelne Zentrifugenstufen als Zentrifugengruppe sich jeweils radial umgeben, während mehrere Zentrifugengruppen axial hintereinander oder sonst wie versetzt angeordnet sind.
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In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass die aus einer Zentrifugenstufe austretende Fraktion mit höherer Luftfeuchte der nächsten Zentrifugenstufe zugeführt wird.
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In der Gaszentrifugeneinrichtung und insbesondere in jeder Zentrifugenstufe rotiert die eingebrachte Fraktion um eine entsprechende zentrale Achse. Dabei wirkt auf jedes einzelne Molekül der eingebrachten Fraktion die Fliehkraft ein. Die eingebrachte Fraktion besteht bei Einsatz von Umgebungsluft im Wesentlichen aus Stickstoff-, Sauerstoff- und gasförmigen Wassermolekülen. Es können noch weitere Bestandteile in der Luft enthalten sein, die hier jedoch weniger interessieren. Während das Molgewicht von Stickstoffmolekülen bei etwa 28 g/Mol und das Molgewicht von Sauerstoffmolekülen bei ca. 32 g/Mol liegt, beträgt das Molgewicht von gasförmigem Wasser etwa 18 g/Mol. Durch einen Gewichtsvergleich der einzelnen Bestandteile wird deutlich, dass ein Molekül gasförmigen Wassers eine erheblich geringere Masse aufweist. Deshalb wird in einer Zentrifugenstufe eine Aufkonzentration des enthaltenen Wasserdampfes radial innen erfolgen, während im radial äußeren Bereich sich die Stickstoff- und Sauerstoffkonzentration erhöht. Falls die eingebrachte Fraktion noch Bestandteile mit höherem Molgewicht umfasst, wie beispielsweise Abgase mit CO2, lassen sich solche Bestandteile aufgrund des höheren Molgewichtes leichter trennen. CO2 hat beispielsweise ein Molgewicht von 44 und kann deshalb leicht von Wasserdampf separiert werden.
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Die für die Entmischung und die damit verbundene Entropieverringerung notwendige Energie wird aus einer Schwerpunktverlagerung des gesamten Gasvolumens bezogen. Da sich das schwerere Gas außen sammelt, wandert auch der Schwerpunkt des Gasvolumens nach außen. Dieser Vorgang findet in jeder Zentrifuge statt, so auch in Gaszentrifugen zur Urananreicherung mit Uranhexafluorid.
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Entgegen den Fliehkräften wirkt eine Entmischung der Gase durch Diffusion nach dem Fick'schen Gesetz. Je größer die Entmischung und somit die Konzentrationsunterschiede werden, desto schneller diffundieren die Moleküle entgegen der Entmischungsrichtung. Deshalb lässt sich mit einer Zentrifugenstufe praktisch keine reine Fraktion herstellen. Es wird darum vorgeschlagen, einer ersten Zentrifugenstufe wenigstens eine weitere Zentrifugenstufe nachzuschalten, wobei der zweiten Zentrifugenstufe nur die Fraktion mit dem höheren Wasserdampfanteil zugeführt wird. Dann ist bei der der zweiten Zentrifugenstufe zugeführten Fraktion kein Diffusionsdruck mehr vorhanden. In der zweiten Zentrifugenstufe kann das Gemisch aus Sauerstoff, Stickstoff und Wasserdampf wieder entmischt werden.
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Eine Berechnung anhand der Auftriebskräfte und Diffusionskräfte hat in einem konkreten Beispiel ergeben, dass in einer ersten Zentrifugenstufe Luft mit einem Taupunkt von 15°C in zwei Fraktionen mit Taupunkten von 18°C bzw. 12°C aufgeteilt werden kann. Die unterschiedlichen Konzentrationen (Partialdrücke) kann man mit der Magnusformel in Taupunkte umrechnen. Solche Werte gelten für eine Zentrifuge mit einem Durchmesser von 0,4 m und 25.000 Umdrehungen pro Minute (UpM), wobei die Zentrifuge eine Länge von 1,2 m aufweist und ein Volumenstrom von 360 m2/h zugrunde gelegt wurde. Erreicht bei der Aufkonzentration der konzentrierte Wasserdampf den Taupunkt, so werden einzelne Moleküle und insgesamt ein sehr geringer Anteil kondensieren und dabei ihre Kondensationswärme abgeben. Das führt lokal zu einer Temperaturerhöhung, sodass der angestrebte Wärmepumpeneffekt erreicht wird.
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Gemäß des Joule Thomson Effektes hat eine Veränderung des mittleren Abstandes zwischen den Molekülen eine Änderung der inneren Energie zur Folge. Ursache dafür sind die van der Waalskräfte die über die Längenänderung des mittleren Abstandes wirken. Da das Gas nicht komprimiert wird, bleibt der mittlere Abstand (mittlere freie Weglänge) zwischen allen Molekülen gleich. Lediglich der Abstand zwischen den Molekülen eines Gases ändert sich aufgrund der Konzentrationsunterschiede. Die van der Waalskräfte von Wasser sind größer als die von N2 oder O2. Das hat zur Folge, dass innen die Temperatur steigt und außen fällt.
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Dieser Vorgang kann beliebig wiederholt werden, bis die gewünschte Temperatur der Nutzwärme und die entsprechende Konzentration an Wasserdampf erreicht werden.
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Wenn die Nutztemperatur erreicht wird, wird der enthaltene Wasserdampf wenigstens teilweise kondensiert und gibt die Energie in den Kondensator ab, wo die Energie als Nutzwärme abgeführt wird.
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Vorzugsweise umfasst die Gaszentrifugeneinrichtung deshalb wenigstens ein zentrales Kondensationsrohr, an welchem wenigstens ein Teil der Luftfeuchte kondensiert. Die Energie der kondensierten Luftfeuchte wird von dem Kondensationsrohr abgeführt.
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Vorzugsweise kann die niederwertigere Fraktion einer Zentrifugenstufe einer vorgeordneten Zentrifugenstufe wieder zugeführt werden, die mit einer ähnlichen Konzentration an Wasserdampf gespeist wird.
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Da der Wasserdampf in einem radial inneren Querschnittsanteil aufkonzentriert wird, ist es bevorzugt, dass der innere Querschnittsanteil am Ausgang einer Zentrifugenstufe der nächsten Zentrifugenstufe zugeführt wird. Vorzugsweise beträgt der innere Querschnittsanteil zwischen etwa einem Zehntel und der Hälfte des gesamten Querschnittsanteils. Besonders bevorzugt wird zwischen etwa einem Viertel und der Hälfte des gesamten Querschnittsanteils der nächsten Zentrifugenstufe zugeführt.
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Der Gaszentrifugeneinrichtung kann eine Feuchteanreicherungseinrichtung vorgeschaltet sein. Eine solche Feuchteanreichungseinrichtung kann beispielsweise als Ultraschallvernebler ausgeführt sein und dazu dienen, der Gaszentrifugeneinrichtung zugeführte Luft mit Feuchte anzureichern. Durch die Feuchteanreicherung sinkt die Temperatur der Luft. Deshalb kann zwischen der Feuchteanreicherungseinrichtung und der Gaszentrifugeneinrichtung wenigstens ein Wärmetauscher vorgesehen sein, der beispielsweise der Umgebung Energie entzieht, um die mit Feuchte angereicherte Luft vorzuwärmen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren entzieht Wärmeenergie der zugeführten Luft. Es wird ein Wärmetauscher eingesetzt, um Nutzwärme abzuführen. Einer Gaszentrifugeneinrichtung wird die Luft zugeführt und mittels der Gaszentrifugeneinrichtung wird die in der Luft enthaltene Feuchte kondensiert. Insbesondere wird die Feuchte lokal konzentriert und kondensiert. Die Gaszentrifugeneinrichtung weist dabei wenigstens ein zentrales Kondensationsrohr auf, an welchem wenigstens ein Teil der Luftfeuchte kondensiert. Das Kondensationsrohr führt die Energie der kondensierten Luftfeuchte ab.
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Auch das erfindungsgemäße Verfahren hat viele Vorteile, da es das Entziehen von Wärmeenergie aus Luft ohne Einsatz eines Kältemittels erlaubt.
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Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren dient ebenfalls zum Entziehen von Wärmeenergie aus Luft und/oder Abgasen. Dabei wird die in der Luft und/oder den Abgasen enthaltene Feuchtigkeit konzentriert bzw. aufkonzentriert und dadurch eine Temperaturerhöhung erreicht.
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Auch dieses erfindungsgemäße Verfahren hat viele Vorteile, da es ebenfalls das Entziehen von Wärmeenergie aus Luft ohne Einsatz eines Kältemittels erlaubt.
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In bevorzugten Ausgestaltungen erlaubt es die Erfindung, der feuchten Umgebungsluft Wärme zu entziehen und die Temperatur der zugeführten Umgebungsluft zu erhöhen. Über einen Wärmetauscher wird die Wärme auf einem höheren Temperaturniveau abgegeben. Die Temperaturerhöhung in der angesaugten feuchten
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Luft erfolgt ohne Verwendung eines Kältemittels. Das System stellt ein offenes System dar und ist nicht wie ein geschlossenes System mit Kältemittel aufgebaut, wie es im Stand der Technik üblich ist. Die Temperaturerhöhung wird nicht durch eine Volumenänderungsarbeit erreicht, sondern durch Trennung der feuchten Luft in eine trockenere und eine feuchtere Fraktion und den dadurch auftretenden Joule-Thompson-Effekt, mittels dessen die Temperatur in der feuchten Fraktion erhöht wird. Dabei kann die Trennung einmal oder auch mehrfach wiederholt werden. Dabei wird jeweils nur die feuchtere Fraktion der folgenden Zentrifugen- bzw. Rotationsstufe zugeführt. Die trockenere Fraktion kann einer vorhergehenden Zentrifugen- bzw. Separationsstufe zugeführt werden, sofern ihr Feuchtegehalt höher ist als der der Umgebungsluft bzw. der der entsprechenden Separationsstufe zugeführten Luft.
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Insgesamt wird die feuchte Luft in einer Gaszentrifuge entmischt, wobei die innere Fraktion als wärmeübertragendes Fluid genutzt wird.
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Die Zentrifugenstufen der Gaszentrifugeneinrichtung können einen gemeinsamen Antrieb und eine gemeinsame konzentrische Achse aufweisen. Im Zentrum der Gaszentrifugeneinrichtung ist insbesondere der Wärmetauscher bzw. der Kondensator vorgesehen.
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Die Nutzwärme kann durch den Kondensator abgeführt werden, der insbesondere als Hohlachse ausgeführt ist und durch den ein zu erwärmendes Medium geführt wird.
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In allen Ausgestaltungen ist es möglich, dass die kinetische Energie der austretenden beschleunigten Luft genutzt wird, um die angesaugte Luft in Richtung der Rotation der Zentrifuge zu beschleunigen.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 ein sonstige Gase eingesetzt werden, um Abwärme zu nutzen und/oder Prozesswärme zu erzeugen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Hier eingezeichnet ist eine erste Zentrifugenstufe 14, der eine zweite Zentrifugenstufe 15 und schließlich die dritte und die letzte Zentrifugenstufe 16 folgt.
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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.
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Beispielhaft sind hier außen kleine Kreise zur Andeutung der Luftfeuchte 6 und im Inneren des Kondensationskörpers kleine Kreise für das Kühlmedium 33 angezeichnet.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 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
