DE102019134587A1

DE102019134587A1 - Wärmeübertrager und Adsorptionsmaschine

Info

Publication number: DE102019134587A1
Application number: DE102019134587.1A
Authority: DE
Inventors: Rainer Pischel; Walter Mittelbach; Ralph Herrmann
Original assignee: Fahrenheit GmbH
Current assignee: Fahrenheit GmbH
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2021-06-17
Anticipated expiration: 2039-12-17
Also published as: WO2021122327A1; KR20220110849A; CN114761739A; DE102019134587B4; US20220404107A1; EP4078048A1; JP2023506498A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (10) einer Adsorptionsmaschine, umfassend- mindestens zwei Wärmeträgerohre (15) und/oder Wärmeträgerrohrabschnitte, die in einem Abstand (A) derart zueinander angeordnete sind, dass mindestens ein Zwischenraum gebildet ist, der als Dampfströmungskanal (18) ausgebildet ist,- sowie mit den Wärmeträgerohren (15) und/oder Wärmeträgerrohrabschnitten verbundene Rohranhänge (20).Erfindungsgemäß sind die Rohranhänge (20) in dem Zwischenraum angeordnet und als Träger einer direkt aufgewachsenen, binderfreien Aktivmaterialbeschichtung (25) ausgebildet, wobei das aus den beschichteten Rohranhängen (20) zusammen mit den Wärmeträgerohren (15) und/oder Wärmeträgerrohrabschnitten resultierende Wärmeübertragernetz (50) eine dampfseitige äußere Oberfläche von 500 - 3.600 m2/m3aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager einer Adsorptionsmaschine, umfassend mindestens zwei Wärmeträgerrohre oder Wärmeträgerrohrabschnitte, die in einem Abstand derart zueinander angeordnet sind, dass mindestens ein Zwischenraum gebildet ist, der als Dampfströmungskanal ausgebildet ist, und ferner mit den Wärmeträgerrohren und/oder Wärmeträgerrohrabschnitten verbundene Rohranhänge, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Adsorptionsmaschine mit einem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dreidimensionale Wärmetauscherstrukturen oder Wärmeübertrager mit adsorbierenden Aktivschichten, z.B. Zeolithschichten auszubilden. Die Massen an adsorbierenden Aktivstoffen sind in Adsorptionswärmepumpen aus Stoff- und Wärmetransportgründen bei ihrer Herstellung und im Betrieb in ihrer Höhe über der nächstgelegenen Wärmeübertrageroberfläche und damit in ihrer Masse pro Fläche limitiert. Dadurch erreichen bislang bekannte Adsorptionswärmepumpen keine ausreichende Leistung bei anwendungsbedingter Kompaktheit.
Bislang bekannte und erhältliche Adsorberwärmeübertrager weisen oftmals den Nachteil auf, dass diese mit sogenannten aktiven Materialien nur inhomogen beschichtet sind.
Des Weiteren ist es bekannt, dass die im Adsorberwärmeübertrager gebildeten Dampfkanäle durch Aktivmaterial blockiert sind. Dies wiederum führt zu einer schlechten Zugänglichkeit des Aktivmaterials des Absorberwärmeübertragers und außerdem zu ungenügenden Kalzinierungsergebnissen.
Übliche Kupferrohr-Wärmeübertrager, die mit Aluminiumlamellen versehen sind, sind ebenfalls nachteilig, da nur geringe volumenspezifische Oberflächen möglich sind und die thermische Anbindung zwischen den Lamellen und dem Rohr ungenügend ist. Weiter bekannte Wärmeübertrager, die als Rohranhänge Faserschüttungen aufweisen, sind ebenfalls als nachteilig zu bezeichnen, da aufgrund der ungeordneten, größtenteils quer zur Wärmeleitungsrichtung liegenden Faseranordnung eine ungenügende Kontaktierung mit den zugehörigen Wärmeträgerrohren vorliegt.
Ausgehend vom bestehenden Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Wärmeübertrager einer Adsorptionsmaschine derart weiterzuentwickeln, dass die Leistung einer zugehörigen Adsorptionsmaschine bei anwendungsbedingter Kompaktheit gesteigert wird. Des Weiteren soll der erfindungsgemäße Wärmeübertrager derart gestaltet sein, dass ein Aktivmaterial auf Bereiche des Wärmeübertragers im Rahmen eines Aufkristallisationsverfahrens aufgetragen werden kann. Dies soll derart erfolgen, dass keine Dampfkanäle blockiert werden.
Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Adsorptionsmaschine anzugeben, die insbesondere hinsichtlich des Wärmeübertragers weiterentwickelt ist.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf den Wärmeübertrager durch den Gegenstand des Anspruches 1 und im Hinblick auf die Adsorptionsmaschine durch den Gegenstand des Anspruches 13 gelöst. Die Unteransprüche umfassen mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen.
Es wird zunächst von einem Wärmeübertrager einer Adsorptionsmaschine ausgegangen, wobei der Wärmeübertrager umfasst:

- mindestens zwei Wärmeträgerohre und/oder Wärmeträgerrohrabschnitte, die in einem Abstand derart zueinander angeordnete sind, dass mindestens ein Zwischenraum gebildet ist, der als Dampfströmungskanal ausgebildet ist,
- sowie mit den Wärmeträgerohren und/oder Wärmeträgerrohrabschnitten verbundene Rohranhänge.

Erfindungsgemäß sind die Rohranhänge in dem Zwischenraum angeordnet und als Träger einer direkt aufgetragenen, insbesondere aufgewachsenen, binderfreien Aktivmaterialbeschichtung ausgebildet, wobei das aus den beschichteten Rohranhängen zusammen mit den Wärmeträgerrohren und/oder Wärmeträgerrohrabschnitten resultierende Wärmeübertragernetz eine dampfseitige äußere Oberfläche von 500 - 3.600 m²/m³, insbesondere von 800 - 3.200 m²/m³, aufweist.
Zu dem resultierenden Wärmeübertragernetz sind die Sammler bzw. Sammlerrohre, die im Wesentlichen an Stirnseiten des Wärmeübertragers ausgebildet sind, nicht zuzurechnen. Vorzugsweise sind derartige Sammler im Wesentlichen senkrecht zu den Wärmeträgerrohren und/oder Wärmeträgerrohrabschnitten ausgebildet und dienen dem Zu- und Ablauf von durch die Wärmeträgerrohre und/oder Wärmeträgerrohrabschnitten strömendem Wärmeträgermedium.
Mit anderen Worten umfasst der Wärmeübertrager mindestens zwei Wärmeträgerrohre und/oder Wärmeträgerrohrabschnitte, wobei zwischen diesen Wärmeträgerrohren und/oder Wärmeträgerrohrabschnitten Rohranhänge ausgebildet sind. Diese Rohranhänge sind insbesondere mit den Wärmeträgerrohrabschnitten und/oder Wärmeträgerrohren verbunden.
Auf diese Rohranhänge kann wiederum eine Aktivmaterialbeschichtung aufgetragen werden. Durch die daraus resultierende Oberfläche der beschichteten Wärmeträgerrohre und/oder Wärmeträgerrohrabschnitte, die von einem Dampf, der durch den Dampfströmungskanal strömt, kontaktiert werden kann, wird eine dampfseitige äußere Oberfläche des Wärmeübertragers gebildet. Das Auftragen einer Aktivmaterialbeschichtung betrifft insbesondere das Aufwachsen einer Aktivmaterialbeschichtung.
Es ist möglich, dass auch die Wärmeträgerrohre und/oder Wärmeträgerrohrabschnitte mit dem binderfreien Aktivmaterial beschichtet werden. Mit anderen Worten kann sich auch auf den Wärmeträgerrohren und/oder Wärmeträgerrohrabschnitten eine binderfreie Aktivmaterialbeschichtung befinden. Insbesondere betrifft dies die Abschnitte der Wärmeträgerrohre und/oder Wärmeträgerrohrabschnitte, die als Teil eines Dampfströmungskanals ausgebildet sind.
Als Wärmeträgerrohr ist ein derartiges Rohr zu verstehen, das von einem weiteren Rohr separiert angeordnet ist. Als Wärmeträgerrohrabschnitt ist ein Abschnitt eines Wärmeträgerrohrs zu verstehen, das durch Ausbildung von Biegungen von einem weiteren Wärmeträgerrohrabschnitt beabstandet ausgebildet ist. Insbesondere ist es möglich, dass zwei Wärmeträgerrohrabschnitte im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wobei die Wärmeträgerrohrabschnitte fluidtechnisch ein gemeinsames Wärmeträgerrohr bilden oder Teil eines Wärmeträgerrohrs sind.
Das genannte Wärmeübertragernetz besteht in einer möglichen Ausführungsform der Erfindung lediglich aus einer äußeren Oberfläche, die von der Aktivmaterialbeschichtung gebildet wird. Diese Aktivmaterialbeschichtung ist hierbei sowohl auf den Rohranhängen als auch zumindest abschnittsweise auf den zum Dampfströmungskanal weisenden Abschnitten der Wärmeträgerrohre und/oder Wärmeträgerrohrabschnitte ausgebildet.
Vorzugsweise sind die Wärmeträgerrohre und/oder Wärmeträgerrohrabschnitte als Flachkanäle und/oder Kanäle mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet. Es wird somit vorzugsweise von den standardmäßig bekannten runden Rohren abgewichen und ein Flachkanal und/oder Kanal mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet. Als Flachkanal ist ein derartiger Kanal zu verstehen, der beispielsweise ein gestauchtes Rohr darstellt. Die Flachkanäle können auch mit inneren Stegen in mehrere Einzelkanäle unterteilt sein. Mit Hilfe von derartigen Flachkanälen oder Kanälen mit rechteckigem Querschnitt ist es möglich, einen Wärmeübertrager zur Verfügung zu stellen, der hinsichtlich des Zwischenraums und der darin enthaltenen Rohranhänge in bevorzugter Form weitergebildet ist. Aufgrund derartiger Flachkanäle und/oder Kanäle mit rechteckigem Querschnitt können die Rohranhänge stabiler zwischen den Wärmeträgerrohren und/oder Wärmeträgerrohrabschnitten angebracht und fixiert werden.
Erfindungsgemäß wird zum Erreichen bevorzugter Aktivmaterialmassen und damit zur Verbesserung der Leistung der Wärmeübertrager in einer Adsorptionsmaschine die sorptionsseitige Wärmeübertrageroberfläche trotz begrenzter Außenmaße vergrößert.
Die zur Beschichtung zugängliche Fläche pro Volumen des Wärmeübetragers, d. h. die Volumenfläche wird größtmöglich maximiert, wobei gleichzeitig eine Beschichtung mit Aktivmaterial, insbesondere eine Aufkristallisation, ohne Blockierung der gebildeten Dampfkanäle möglich ist.
Die Wärmeträgerrohre und/oder Wärmeträgerrohrabschnitte können aus extrudierten oder gelöteten Flachrohren gebildet sein. Des Weiteren ist es möglich, dass die Wärmeträgerrohre und/oder Wärmeträgerrohrabschnitte aus zueinander angeordneten Platten gebildet werden.
Die Rohranhänge können beispielsweise als Finnen und/oder Lamellen und/oder Gewebeschichten und/oder Gewirkschichten und/oder Faserschichten und/oder Spanschichten ausgebildet sein. Der Begriff der „Finne“ ist als deutsche Übersetzung der aus dem Englischen bekannten, technischen Begrifflichkeit „fin“ zu verstehen.
Die Rohranhänge können auch als oberflächenvergrößernde Elemente oder als oberflächenvergrößernde Anhänge bezeichnet werden.
Bei der Ausbildung von Finnen und/oder Lamellen ist es möglich, dass diese aus einer Metallfolie gebildet werden. Sofern die Rohranhänge als Lamellen ausgebildet sind, sind mehrere Streifen einer Metallfolie beabstandet zueinander angeordnet. Sofern die Rohranhänge als Finnen ausgebildet sind, ist eine Metallfolie mehrfach gefaltet und/oder geknickt und/oder gebogen, so dass beispielsweise eine Zickzackstruktur oder eine Wellenstruktur oder eine Mäanderstruktur oder eine schlangenartige Struktur ausgebildet wird.
Als Lamellen sind insbesondere derartige Rohranhänge zu verstehen, die aus einzelnen streifenartigen Elementen gebildet werden, wobei diese streifenartigen Elemente in dem Zwischenraum beabstandet zueinander angeordnet werden.
Als Finnen sind vorzugsweise derartige Rohranhänge zu verstehen, die aus einem zusammenhängenden Element, das mehrfach gefaltet und/oder gebogen ist und in dem Zwischenraum zwischen zwei Wärmeträgerrohren und/oder Wärmeträgerrohrabschnitten gebildet ist. Das Element, das zu Finnen gebogen und/oder gefaltet ist, kann beispielsweise einen zickzackartigen Verlauf aufweisen. Des Weiteren ist es möglich, dass das Element schlangenartig gebogen ist, so dass eine Vielzahl von Biegungsabschnitten ausgebildet werden, die wiederum die Finnen bilden.
Bei den Gewebeschichten kann es sich um derartige Schichten handeln, die ein aus Metallfasern gebildetes Gewebe betreffen. Auch bei den Gewirkschichten handelt es sich um derartige Schichten, die aus metallischen Endlosfasern hergestellt werden. Mit anderen Worten betreffen derartige Gewebe- und/oder Gewirkschichten keine Anordnung von Kurzfasern. Als Kurzfasern sind derartige Fasern zu verstehen, die beispielsweise eine Länge von 1 cm aufweisen.
Es ist möglich, dass mehrere Gewebeschichten und/oder Gewirkschichten in einem Zwischenraum nebeneinander angeordnet sind, so dass wiederum zwischen den Gewebe- und/oder Gewirkschichten Abstände ausgebildet sein können. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, dass der Zwischenraum vollständig von einer Gewebeschicht und/oder Gewirkschicht gefüllt ist, wobei die Gewebeschichten und/oder Gewirkschichten derart porös ausgebildet sind, dass ein Dampfkanal nicht blockiert wird. Insbesondere ist eine derartige Gewebe- und/oder Gewirkschicht insbesondere derart porös auszubilden, dass auch nach dem Auftrag eines Aktivmaterials keine Dampfkanäle blockiert werden.
Des Weiteren ist es möglich, dass die Rohranhänge als Faserschichten und/oder Spanschichten ausgebildet sind. Derartige Faserschichten und/oder Spanschichten sind derart ausgebildet, dass diese keine lose Schüttungen von Fasern oder Spänen betreffen. Vielmehr sind diese Faserschichten und/oder Spanschichten als eine Art von Filzschichten zu verstehen, die aus Metallfasern oder Metallspänen, die miteinander verpresst und/oder versintert werden, gebildet werden.
Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung kann es sich bei den die Spanschichten bildenden Metallspäne um helixförmige Späne handeln. Diese Fasern und/oder Späne werden derart miteinander verpresst und/oder versintert und/oder verklebt, dass eine Faserschicht und/oder Spanschicht gebildet wird.
Es ist möglich, dass der Zwischenraum jeweils vollständig von einer einzigen Faserschicht und/oder Spanschicht ausgefüllt ist. Auch das Ausbilden mehrerer Faserschichten und/oder Spanschichten, die zueinander beabstandet ausgebildet sind, ist möglich. Bei einer derartigen Ausführungsform der Erfindung ist allerdings wiederum darauf zu achten, dass die Faserschicht und/oder Spanschicht derart porös ausgebildet ist, dass auch nach dem Auftrag eines Aktivmaterials keine Dampfkanäle blockiert werden.
Vorzugsweise sind die Rohranhänge aus Aluminium gebildet. Auch die Wärmeträgerrohre und/oder Wärmeträgerrohrabschnitte können aus Aluminium gefertigt sein. Vorzugsweise sind die Rohranhänge mit den Wärmeträgerrohren und/oder Wärmeträgerrohrabschnitten verlötet und/oder versintert und/oder verklebt. Sofern die Wärmeträgerrohre und/oder Wärmeträgerrohrabschnitte aus den gleichen Materialien gebildet sind, wie die Rohranhänge, beispielsweise Aluminium, kann eine einfache Fixierung der Rohranhänge an den Wärmeträgerrohren und/oder Wärmeträgerrohrabschnitten ermöglicht werden.
Eine übereinstimmende Materialwahl vereinfacht außerdem den Prozess des Auftragens der Aktivmaterialschicht und die Bildung der Aktivmaterialbeschichtung, da keine unterschiedlichen Reaktionen beim Auftrag des Aktivmaterials auftreten.
Die Rohranhänge können als Metallstreifen ausgebildet sein. Es ist möglich, dass derartige Streifen eine eingeschnittene Struktur besitzen.
Die Rohranhänge sind derart angeordnet, so dass sie ausgehend von einer Dampfströmungsöffnung über die gesamte Tiefe des Wärmeübertragers hinweg offen für Flüssigkeiten und/oder Gase und/oder Dämpfe sind.
Die Aktivmaterialbeschichtung kann eine mittlere Schichtdicke von 20 µm bis 500 µm, insbesondere von 30 µm - 300 µm, aufweisen.
Als besonders vorteilhaft erweist sich eine Aktivmaterialmasse von 30 bis 500 g/m², insbesondere von 50 bis 250 g/m². Eine Aktivmaterialbeschichtung mit der angegebenen Schichtdicke und/oder Aktivmaterialmasse erweist sich als besonders vorteilhaft bei der Anwendung in Adsorptionswärmepumpen.
Die Dicke der Rohranhänge, insbesondere der Finnen und/oder Lamellen, beträgt vorzugsweise mehr als 50 µm, insbesondere mehr als 100 µm. Des Weiteren ist diese Dicke der Rohranhänge, insbesondere der Finnen und/oder Lamellen, geringer als 500 µm, insbesondere geringer als 250 µm. Mit anderen Worten beträgt die Dicke der Rohranhänge, insbesondere der Finnen und/oder Lamellen, vorzugsweise 50 µm - 500 µm, insbesondere 100 µm - 250 µm.
Vorzugsweise haben die Rohranhänge im Dampfströmungskanal zueinander einen mittleren Abstand von 0,2 mm bis 3,0 mm. Mit anderen Worten sind die Finnen und/oder Lamellen mit einem mittleren Abstand von 0,2 bis 3,0 mm zueinander beabstandet. Als mittlerer Abstand ist insbesondere bei einer Ausbildung von Finnen der Abstand zu verstehen, der bei der Erstreckung der Finne vertikal zu den beiden Wärmeträgerrohren und/oder Wärmeträgerrohrabschnitten den durchschnittlich mittleren Abstand betrifft. Dieser ist in etwa mittig zwischen den beiden Wärmeträgerrohren und/oder Wärmeträgerrohrabschnitten ausgebildet. Mit anderen Worten ist der mittlere Abstand in etwa auf der Hälfte des Abstandes zwischen den beiden Wärmeträgerträgerrohren und/oder Wärmeträgerrohrabschnitten ausgebildet.
Die Rohranhänge weisen im Dampfströmungskanal vorzugsweise eine Fläche von 800 bis 4.000 m²/m³, insbesondere von 1.100 bis 3.200 m²/m³, auf.
Der Abstand zwischen den Wärmeträgerrohren und/oder Wärmeträgerabschnitten beträgt vorzugsweise 4,0 bis 30,0 mm, insbesondere 8,0 bis 15,0 mm. Dies ermöglicht einerseits eine kompakte Bauweise des Wärmeübertragers und andererseits ausreichend Zwischenraum zum Ausbilden von Rohranhängen.
Eine besonders effektive Form eines Wärmeübertragers kann gebildet werden, sofern eine Pitch-Zahl von in dem Zwischenraum angeordneten Rohranhängen, insbesondere von nebeneinander angeordneten Finnen, zwischen 0,7 und 2,5 beträgt. Die Pitch-Zahl betrifft die Ausbildung von Finnenbögen pro Millimeter. Aufgrund einer derart ausgebildeten Pitch-Zahl wird ausreichend Abstand zwischen den Finnen ermöglicht und eine entsprechende Schichtdicke einer Aktivmaterialbeschichtung.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, dass auf Höhe des mittleren Abstands der Rohranhänge, insbesondere von nebeneinander angeordneten Finnen, der mittlere Abstand zwischen gegenüberliegenden Aktivmaterialoberflächen mindestens 1,5-mal größer als die mittlere Schichtdicke der Aktivmaterialbeschichtung ist. Bei Ausbildung eines derartigen Verhältnisses zwischen dem mittleren Abstand der gegenüberliegenden Aktivmaterialoberflächen und der mittleren Schichtdicke wird ein ausreichend großer Dampfkanal offengelassen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Höhe des mittleren Abstands der Rohranhänge, insbesondere der nebeneinander angeordneten Finnen in Abhängigkeit des Musters der Rohranhänge, insbesondere des Musters der angeordneten Finnen, eine unterschiedliche Position aufweisen kann.
Das Aktivmaterial kann beispielsweise Zeolith und/oder ein poröses Aluminiumphosphat und/oder ein Metal-Organic-Framework (MOF) sein. Besonders sind Aktivmaterialien geeignet, die hohe Adsorptionskapazitäten aufweisen und schnelle Adsorptions- und Desorptionsvorgänge ermöglichen.
Neben der Auswahl eines geeigneten absorbierenden Aktivmaterials ist ein ungehinderter Zugang des gasförmigen Adsorbens zur äußeren Oberfläche des Aktivmaterials, eine sehr gute Zugänglichkeit des Porensystems und dem Verzicht auf Bindermaterial durch direktes Kontaktieren des Aktivmaterials mit den Rohranhängen Voraussetzung. Eine sehr gute Zugänglichkeit des Porensystems ist im Sinne eines Stofftransports zu verstehen. Ein direktes Kontaktieren der Rohranhänge mit dem Aktivmaterial verbessert den Wärmetransport.
Vorzugsweise werden die Aktivmaterialien durch ein Direktbeschichtungsverfahren, insbesondere durch ein Aufkristallisationsverfahren auf die Rohranhänge aufgetragen und somit eine Aktivmaterialbeschichtung hergestellt. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber bekannten Adsorbens-Schüttungen oder Binderbeschichtungen dar. Mit derartigen Adsorbens-Schüttungen oder Binderbeschichtungen können keine derartig guten Sorptionsleistungen, wie diese mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager möglich sind, erzielt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Aktivmaterial mittels Aufkristallisation als in-situ-Verfahren aufgebracht. In EP 1 761 657 B1 wird ein derartiges Zeolith-Wachstum beschrieben. Auf den Offenbarungsgehalt dieses Dokumentes wird hiermit vollständig Bezug genommen.
Ein weiterer nebengeordneter Aspekt der Erfindung betrifft eine Adsorptionsmaschine mit einem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Adsorptionsmaschine ergeben sich ähnliche Vorteile, wie diese bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager angegeben sind.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung anhand von beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Hierbei zeigen:

1a und 1b verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in einer Seitenansicht;
2 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in perspektivischer Ansicht; und
3 die Darstellung eines Wärmeübertragernetzes.

Im Folgenden werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
In 1a und 1b werden erfindungsgemäße Wärmeübertrager 10 bzw. zumindest ein Abschnitt eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 10 dargestellt.
Im Wesentlichen umfasst ein Wärmeübertrager 10 bzw. ein Teilsegment eines Wärmeübertrages 10 zwei Wärmeträgerrohre 15, die in einem Abstand A zueinander angeordnet sind. Der Abstand A zwischen den Wärmeträgerrohren 15 beträgt vorzugsweise 4,0 mm bis 30,0 mm, insbesondere 8,0 mm bis 15,0 mm.
Aufgrund dieses Abstandes A wird zwischen den beiden Wärmeträgerrohren 15 ein Zwischenraum gebildet. Dieser Zwischenraum ist als Dampfströmungskanal 18 ausgebildet. In Blickrichtung auf den Wärmeübertrager 10 gemäß 1a kann somit Dampf in den Dampfströmungskanal 18 hineinströmen.
Des Weiteren ist zu erkennen, dass zwischen den Wärmeträgerrohren 15 Rohranhänge 20 ausgebildet sind. Die Rohranhänge 20 sind in dem Zwischenraum und somit im Dampfströmungskanal 18 angeordnet und dienen als Träger einer direkt aufgetragenen, binderfreien Aktivmaterialbeschichtung 25.
Gemäß der Ausführungsform in 1a sind die Rohranhänge 20 aus Lamellen 30 gebildet. Die Lamellen 30 sind im Wesentlichen aus Metallstreifen gebildet, die zwischen den beiden Wärmeträgerrohren 15 angeordnet sind. Vorzugsweise bestehen die Lamellen 30 aus einem Aluminiummaterial. Auch die Wärmeträgerrohre 15 sind vorzugsweise aus Aluminium gebildet. Die Lamellen 30 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel gleichmäßig zueinander beabstandet angeordnet. Die Lamellen 30 sind mit den Wärmeträgerrohren 15 beispielsweise verlötet.
Die Lamellen 30 weisen im Wesentlichen zwei große Seitenflächen 31 und 32 auf. Beide Seiten 31 und 32 sind mit der Aktivmaterialbeschichtung 25 versehen. Des Weiteren sind auch Oberflächenabschnitte 40 der Wärmeträgerrohre 15 mit Aktivmaterial beschichtet und weisen somit eine Aktivmaterialbeschichtung 25 auf.
Die beschichteten Lamellen 30 bilden zusammen mit den Wärmeträgerrohren 15 ein Wärmeübertragernetz mit einer dampfseitigen äußeren Oberfläche von 500 bis 3.600 qm²/m³.
Die Aktivmaterialbeschichtung 25 weist vorzugsweise eine Schichtdicke von 30 bis 300 µm auf. Die Aktivmaterialmasse beträgt des Weiteren vorzugsweise 30 bis 500 g/m².
Die Dicke der Rohranhänge 20, in diesem Fall der Lamellen 30, beträgt vorzugsweise zwischen 50 µm und 500 µm, insbesondere 100 µm bis 250 µm. Die Dicke der Rohranhänge, insbesondere der Lamellen 30, wird in 1a zwischen den Seitenflächen 31 und 32 ausgebildet. Zwischen jeweils zwei Lamellen 30 ist insbesondere ein mittlerer Abstand mA von 0,2 bis 3,0 mm ausgebildet.
Alle Rohranhänge 20, d. h. im vorliegenden Fall alle Lamellen 30 bilden im Dampfströmungskanal 18 eine Fläche von 800 bis 4.000 m²/m³ aus.
In 1b ist eine alternative Ausführungsform hinsichtlich der Rohranhänge 20 dargestellt.
Diese Rohranhänge werden durch Finnen 35 gebildet. Die Finnen 35 werden insbesondere durch Biegung eines Metallbleches bzw. einer Metalllage gebildet. Diese Finnen 35 weisen zwei Seitenflächen 31, 32 auf, die wiederum mit einer Aktivmaterialbeschichtung 25 versehen sind.
Die Finnen 35 sind mit den Wärmeträgerrohren 15 insbesondere verlötet. Hierzu sind die Finnen 35 beispielsweise an den Spitzen 36 mit den Wärmeträgerrohren 15 verbunden. Diese Spitzen 36 können auch als Peak bezeichnet werden. Die tatsächliche Ausführung muss dabei nicht spitz sein. Tatsächlich können diese Bereiche 36 flach abgerundet ausgebildet sein, so dass eine Verbindung mit den Wärmeträgerrohren 15 einfach möglich ist.
Im Bereich der Höhe HA werden die mittleren Finn-Abstände mA ausgebildet. Der mittlere Abstand mA der Finnen 35 zueinander beträgt vorzugsweise zwischen 0,2 und 3,0 mm. Die Höhe HA betrifft dabei in etwa den mittleren Abstand der beiden Wärmeträgerrohre 15 zueinander.
Die Finnen 35 sind mit einem derartigen Abstand mA zueinander ausgebildet, dass eine Pitch-Zahl von weniger als 2 gebildet wird. Die Pitch-Zahl beschreibt dabei die Anzahl der Finn-Bögen, das heißt von zwei Einzelfinnen pro mm. Insbesondere beträgt die Pitch-Zahl zwischen 0,7 und 2,5
Auf der Höhe HA des mittleren Finn-Abstandes ist der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Aktivmaterialoberflächen AA mindestens 1,5-mal größer als die mittlere Schichtdicke der Aktivmaterialbeschichtung. Der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Aktivmaterialoberflächen AA ist, wie dies in 1b dargestellt ist, geringer als der mittlere Abstand mA. Dieser Abstand AA ist 1,5-mal größer als die mittlere Schichtdicke der Aktivmaterialbeschichtung 25.
In 2 ist der Teil eines Wärmeübertragers 10 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. In dieser Ansicht ist zu erkennen, dass die Wärmeträgerrohre 15 als Flachkanäle bzw. als Kanäle mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sind. Es ist ebenfalls der Dampfströmungskanal 18 dargestellt. Der Dampf kann zwischen den von den Finnen 35 gebildeten Kanälen einströmen und strömt entlang der dargestellten Tiefe im Dampfströmungskanal 18.
Des Weiteren ist auch der Dampfströmungsauslass angedeutet. Aufgrund der Ausbildung der Wärmeträgerrohre 15 als Flachkanäle können die Rohranhänge 20 bzw. im dargestellten Beispiel die Finnen 35 einfach an den Wärmeträgerrohren 15 angebracht werden. Hierzu erfolgt eine Verbindung im Bereich der Spitzen 36.
In 3 ist schematisch dargestellt, welche Bauteile eines Wärmeübertragers 10 zu einem Wärmeübertragernetz 50 gezählt werden. Dabei handelt es sich um alle Wärmeträgerrohre 15 sowie um die zwischen den Wärmeträgerrohren 15 angeordneten Rohranhänge 20.
Nicht dargestellt und auch nicht zum Wärmeübertragernetz 50 zugehörig sind die sogenannten Sammler, die gemäß Darstellung der 3 links und rechts in vertikaler Erstreckung angeordnet wären. Das Wärmeübertragernetz 50 erstreckt sich über die komplette Tiefe (wie in 2 dargestellt) des Wärmeübertragers 10.
Bezugszeichenliste

10: Wärmeübertrager
15: Wärmeträgerrohr
18: Dampfströmungskanal
20: Rohranhang
25: Aktivmaterialbeschichtung
30: Lamelle
31, 32: Seitenfläche
35: Finne
36: Spitze
40: Oberflächenabschnitt
50: Wärmeübertragernetz
A: Abstand Wärmeübertragerrohr
AA: Abstand Aktivmaterialoberflächen
HA: Höhe mittlerer Finn-Abstand
mA: mittlerer Abstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1761657 B1 [0047]

Claims

Wärmeübertrager (10) einer Adsorptionsmaschine, umfassend - mindestens zwei Wärmeträgerohre (15) und/oder Wärmeträgerrohrabschnitte, die in einem Abstand (A) derart zueinander angeordnete sind, dass mindestens ein Zwischenraum gebildet ist, der als Dampfströmungskanal (18) ausgebildet ist, - sowie mit den Wärmeträgerohren (15) und/oder Wärmeträgerrohrabschnitten verbundene Rohranhänge (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Rohranhänge (20) in dem Zwischenraum angeordnet und als Träger einer direkt aufgewachsenen, binderfreien Aktivmaterialbeschichtung (25) ausgebildet sind, wobei das aus den beschichteten Rohranhängen (20) zusammen mit den Wärmeträgerohren (15) und/oder Wärmeträgerrohrabschnitten resultierende Wärmeübertragernetz (50) eine dampfseitige äußere Oberfläche von 500 - 3.600 m²/m³, insbesondere von 800 - 3.200 m²/m³, aufweist.
Wärmeübertrager (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträgerrohre (15) und/oder Wärmeträgerrohrabschnitte als Flachkanäle und/oder Kanäle mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sind.
Wärmeübertrager (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohranhänge als Finnen (35) und/oder Lamellen (30) und/oder Gewebeschichten und/oder Gewirkschichten und/oder Faserschichten und/oder Spanschichten ausgebildet sind.
Wärmeübertrager (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivmaterialbeschichtung (15) eine mittlere Schichtdicke von 20 - 500 µm, insbesondere von 30 - 300 µm, und/oder eine Aktivmaterialmasse von 30 - 500 g/m², insbesondere von 50 - 250 g/m², aufweist.
Wärmeübertrager (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohranhänge (20) aus Aluminium gebildet sind und mit den Wärmeträgerrohren (15) und/oder Wärmeträgerrohrabschnitten verlötet und/oder versintert und/oder verklebt sind.
Wärmeübertrager (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Rohranhänge (20) > 50 µm, insbesondere >100 µm, und < 500 µm, insbesondere < 250 µm, ist.
Wärmeübertrager (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohranhänge (20) im Dampfströmungskanal (18) zueinander einen mittleren Abstand (mA) von 0,2 - 3,0 mm haben.
Wärmeübertrager (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohranhänge (40) im Dampfströmungskanal (18) eine Fläche von 800 - 4.000 m²/m³, insbesondere von 1.100 - 3.200 m²/m³, aufweisen.
Wärmeübertrager (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (A) zwischen den Wärmeträgerrohren (15) und/oder Wärmeträgerrohrabschnitten 4,0 - 30,0 mm, insbesondere 8,0 - 15,0 mm, beträgt.
Wärmeübertrager (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pitchzahl von in dem Zwischenraum angeordneten Rohranhängen (20), insbesondere von nebeneinander angeordneten Finnen (35), zwischen 0,7 und 2,5 beträgt.
Wärmeübertrager (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf Höhe (HA) des mittleren Abstands der Rohranhänge (20), insbesondere von nebeneinander angeordneten Finnen (35), der mittlere Abstand (AA) zwischen gegenüberliegenden Aktivmaterialoberflächen mindestens 1,5 mal größer als die mittlere Schichtdicke der Aktivmaterialbeschichtung (25) ist.
Wärmeübertrager (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivmaterial Zeolith und/oder ein poröses Aluminiumphosphat und/oder ein Metal-Organic-Framework ist.
Adsorptionsmaschine mit einem Wärmeübertrager (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche.