DE112004000878T5

DE112004000878T5 - Adsorptionsgenerator zur Verwendung in Sorptionspumpenprozessen

Info

Publication number: DE112004000878T5
Application number: DE112004000878T
Authority: DE
Inventors: Stephan R. Des Plaines Dunne; Steven A. Des Plaines Bradley
Original assignee: UOP LLC
Current assignee: Honeywell UOP LLC
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2004-05-18
Publication date: 2006-04-06
Also published as: WO2004106818A3; WO2004106818A2; US6973963B2; US20050061483A1; US20040231828A1

Abstract

Sorptionswärmepumpenaustauschmodul, umfassend:
a) eine Anzahl von Metallplatten mit einer ersten und einer zweiten gegenüberliegenden Seite und einer Adsorberbeschichtung, die im wesentlichen die gesamte Fläche der ersten gegenüberliegenden Seite überdeckt, und wobei eine erste und eine zweite der Metallplatten zusammengruppiert sind, um eine Untereinheit mit einer Durchführung zwischen den beiden Metallplatten für das Durchtreten eines Wärmeaustauschmediums zu bilden, und wobei eine Anzahl der Untereinheiten in einer übereinanderliegenden Anordnung beabstandet angeordnet sind, welche einen Kontakt zwischen den Untereinheiten eliminiert;
b) eine Anzahl von Rohren, die mit den Untereinheiten in Kontakt stehen, wobei ein Wärmeaustauschmedium in den Rohren zu und aus Öffnungen in den Rohren zu Öffnungen in den Untereinheiten strömt, und
c) eine Durchführung zwischen jeder der Untereinheiten, wobei ein Kühlmittel in der Durchführung strömt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verwendung in adsorptions- und desorptionsbasierten Sorptionswärmepumpenprozessen.
Bei Sorptionswärmepumpenprozessen wird typischerweise etwas Adsorber verwendet, der in einem Metallgefäß und auf einem Metallsieb oder einer Fläche angeordnet ist, welche für den Adsorber eine Unterlage bietet und es gestattet, daß der Adsorber in Kontakt mit dem die adsorbierbare Komponente enthaltenden Flüssigkeitsstrom über den Bereich von für die Adsorption und Desorption erforderlichen Bedingungen angeordnet wird. Die Metallstrukturen und die physikalische Anordnung dieser Vorrichtungen hat gewisse Prozeßeinschränkungen gesetzt, welche die Menge des Adsorbers beschränken, die tatsächlich mit der Flüssigkeitsströmung in Kontakt gelangt oder von der Anordnung des Adsorbers innewohnenden Wärmeübertragungsunzulänglichkeiten begleitet ist.
Bei dem Betrieb von Sorptionswärmepumpensystemen gibt es im allgemeinen zwei oder mehr Festbetten, die einen festen Adsorber enthalten. Die Festadsorberbetten desorbieren Kühlmittel, wenn sie erwärmt werden, und adsorbieren Kühlmitteldampf, wenn sie gekühlt werden. Auf diese Weise können die Betten dazu verwendet werden, das Kühlmittel um ein Wärmepumpensystem zum Erwärmen oder Kühlen einer anderen Flüssigkeit wie eines Prozeßstroms oder zum Liefern einer Raumheizung oder -kühlung angetrieben werden. Bei dem Wärmepumpensystem, auf das üblicherweise als Wärmepumpenschleife Bezug genommen wird, oder einem Sorptionskühlmittelkreislauf wird das Kühlmittel einem ersten Bett aus desorbiert, wenn es erwärmt wird, um das Kühlmittel aus dem ersten Bett auszutreiben, und der Kühlmitteldampf wird zu einem Kondensator gefördert. In dem Kondensator wird der Kühlmitteldampf gekühlt und kondensiert. Das Kühlmittelkondensat wird dann durch ein Expansionsventil auf einen niedrigeren Druck expandiert und das Niederdruckkondensat gelangt zu einem Verdampfer, wo das Niederdruckkondensat mit dem Prozeßstrom wärmegetauscht wird, oder zu konditionierenden Raum um das Kondensat wieder zu verdampfen. Wenn eine weitere Erwärmung kein weiteres desorbiertes Kühlmittel aus dem ersten Bett erzeugt, wird das erste Bett isoliert und es gestattet, daß es zu den Adsorptionsbedingungen zurückkehrt. Wenn die Adsorptionsbedingungen im ersten Bett hergestellt sind, wird der Kühlmitteldampf aus dem Verdampfer wieder zum ersten Bett eingeführt, um den Zyklus abzuschließen. Allgemein werden in einem typischen Kreislauf zwei oder mehr Feststoffadsorberbetten verwendet, wobei ein Bett während des Desorptionshubs erwärmt wird und das andere Bett während des Adsorptionshubs gekühlt wird. Die Zeit für die Vollendung eines vollen Adsorptions- und Desorptionszyklus ist als "Zykluszeit" bekannt. Die höheren und niedrigeren Temperaturen werden sich abhängig von der Wahl des Kühlmittelfluids und des Adsorbers ändern. Bei einigen thermodynamischen Prozessen zur Kühlung und Erwärmung durch Adsorption eines Kühlmittelfluids auf einem Feststoffadsorber werden Zeolith und andere Sorptionsmaterialien wie Aktivkohle oder Silikagel verwendet. Die US 4 138 850 betrifft ein System zur Nutzung von Solarwärme, bei dem ein Feststoff-Zeolithadsorber verwendet wird, der mit einem Bindemittel gemischt, gepreßt und in Teilerplatten gesintert und in Behältern hermetisch abgedichtet wurde. Die US 4 637 218 betrifft ein Wärmepumpensystem, bei dem Zeolithe als Feststoffadsorber und Wasser als Kühlmittel verwendet werden, wobei der Zeolith in Ziegel abgeschnitten oder in eine gewünschte Konfiguration gepreßt ist, um einen hermetisch abgedichteten Raum einzurichten und hierdurch die Ausbreitung einer Temperaturfront oder Wärmewelle durch das Adsorberbett einzurichten. Die US 5 477 705 offenbart eine Kühlvorrichtung, bei der ein in Abteile eingeteilter Reaktor und eine wechselweise Zirkulation von heißen und kalten Fluiden verwendet werden, um eine Wärmewelle zu erzeugen, die durch die einen Feststoffadsorber enthaltenden Abteile zum Desorbieren und Adsorbieren eines Kühlmittels läuft. Die US 4 548 046 betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen oder Erwärmen mittels Adsorption eines Kühlfluids auf einem Feststoffadsorber. Bei den Vorgängen wird eine Anzahl von Rohren verwendet, die mit parallelen radialen Rippen versehen sind, deren Zwischenräume mit Feststoffadsorbern wie Zeolith 13X gefüllt oder überdeckt sind, welches sich auf der Außenseite der Rohre befindet. Die US 5 518 977 , die hierdurch mittels Bezugnahme eingebracht wird, betrifft Sorptionskühlvorrichtungen, bei denen mit Adsorber überdeckte Oberflächen verwendet werden, um einen hohen Kühlleistungskoeffizienten zu erhalten.
Die US 5 585 145 offenbart ein Verfahren zum Liefern einer Adsorberbeschichtung auf einem Wärmetauscher, welches das Aufbringen einer fließfähigen Emulsion, enthaltend ein Bindemittel, Wasser und ein Feststoffadsorbermaterial auf die Oberfläche des Wärmetauschers umfaßt. Die Offenbarung stellt fest, daß das Bindemittel ein Klebstoff sein kann und daß die Dicke der Adsorberbeschichtung getaucht, angestrichen oder aufgesprüht sein kann, wobei ein Trockenschritt die Erwärmung der Lage bei Temperaturen größer als 150°C umfaßt, um eine haltbare Adsorberbeschichtungsstruktur zu erhalten.
Viele Sorptionskühler sind mit Kügelchen oder Extrudat als Adsorber konzipiert. Bei der vorliegenden Erfindung, wie bei der US 6 102 107 , sind keine Kügelchen oder Extrudate mit ihrem Wärmeübertragungswiderstand vorhanden, sondern stattdessen liegt ein kompaktes Wärmetauschermodul vor, das ein Adsorberlaminat, insbesondere Zeolith, in einer Polymer- oder Polymerfasermatrix umfaßt. Dieses Laminat ist auf einem Substrat, welches das Laminat tragen kann und das in der heißen und nassen Umgebung des Adsorbers/Generators verwendet werden kann.
Die hier als Ganzes inkorporierte US 6 102 107 lehrt die Verwendung einer Platten-Rippen-Rohr-Anordnung, bei der ein Laminat, bestehend aus einer dünnen Polymerfasermatrix, auf einer Metallrippenstruktur verwendet wird. Eine herkömmliche Rohranordnung wird durch die Rippen eingeführt, indem in der Rippenstruktur Löcher gestanzt und Bundringe des Rippenmetalls gebildet werden, welche in sehr gutem thermischen Kontakt mit den Rohroberflächen gehalten werden. Während dieses Patent vorgesehen ist, um die Wärmeübertragung stark zu vergrößern, und einen signifikanten Fortschritt bei der Konstruktion und Leistung von Adsorber/Generatoren bei sorptionsbasierten Wärmepumpen darstellte, versagte sie bei der Behandlung des Problems der Maximierung der Wärmeübertragung, wenn Materialien verwendet werden, die nicht die stark wärmeleitenden Rippenplatten sind.
Außer dem Problem des Wärmeübergangswiderstandes in einigen Materialien tritt ein zweites mögliches Problem auf, wenn reines, unbeschichtetes Aluminium unter Vakuumbedingungen Wasserdampf ausgesetzt wird. Dies ist das Problem der Korrosion der Aluminiumoberfläche und Bildung von AlOH-Radikalen auf der Oberfläche. Diese Reaktion setzt Wasserstoffgas frei und ist ein Grund für den Verlust von Vakuum unter einigen Bedingungen, die im Adsorber/Generator eines Sorptionskühlers oder einer Wärmepumpe vorliegen können. Es könnte rostfreier Stahl zur Lösung dieses Mangels verwendet werden, aber die geringe Leitfähigkeit von rostfreiem Stahl ändert den Wärmeübergangswiderstand. Dies setzt aus rostfreiem Stahl hergestellte Adsorber/Generatoren außerstande, die benötigte Wärme zu übertragen, und kann zu Strukturen führen, die kostspieliger und nur geringfügig effizienter als Füllkörpersysteme sind. Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Verwendung von Aluminium mit seinen höheren Wärmeübertragungseigenschaften, jedoch ohne die Korrosionsprobleme der Wärmetauscher gemäß Stand der Technik zu gestatten.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten kompakten Wärmetauscher vorzusehen, bei dem die Adsorbermatrix direkt mit den Platten verbunden ist. Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, die Verwendung einer dünnen gleichmäßigen Lage von Adsorbermaterial zu ermöglichen, welche lediglich mit einer Wärmeübertragungsfläche verbunden ist. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen raschen Erwärmungs- und Abkühlzyklus zu dem Zweck zu ermöglichen, eine hohe spezifische Leistung und einen hohen Leistungskoeffizienten für den Sorptionskühlzyklus zu erzielen. Ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmetauschergeometrie zu liefern, die ungeachtet der Wärmeleitfähigkeit des Rippenmaterials, welches gewählt ist, effektiv ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine hocheffiziente Sorptionswärmepumpenmodul-Vorrichtung zur Verwendung bei Sorptionswärmepumpenprozessen, welche effektiv mit einem raschen Kühl- und Erwärmungszyklus verwendet werden kann. Es wird ein Sorptionswärmepumpenaustauschmodul verwendet, umfassend eine Anzahl von Metallplatten mit einer ersten und einer zweiten gegenüberliegenden Seite und einer Adsorberbeschichtung, die im wesentlichen die gesamte Oberfläche der ersten gegenüberliegenden Seite überdeckt, und wobei eine erste und eine zweite der Metallplatten zusammengruppiert sind, um eine Untereinheit mit einer Durchführung zwischen den beiden Metallplatten für das Durchtreten eines Wärmeaustauschmediums zu bilden, und bei der eine Anzahl der Untereinheiten voneinander beabstandet in einer übereinanderliegenden Anordnung angeordnet ist, die einen Kontakt zwischen den Untereinheiten ausschaltet; wobei eine Anzahl von Rohren mit den Untereinheiten in Kontakt steht, wobei ein Wärmeaustauschmedium in den Rohren zu und von Öffnungen in den Rohren zu Öffnungen in den Untereinheiten strömt, und eine Durchführung zwischen jeder der Untereinheiten, wobei ein Kühlmittel in der Durchführung strömt.
Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung hat es sich herausgestellt, daß die Verwendung von Metallplatten, die ein korrosionsbeständiges Aluminium wie eloxiertes Aluminium umfassen, einen hocheffizienten Wärmetauscher liefert, der gegen Korrosion beständig ist. Mehr im einzelnen, das Sorptionswärmepumpenaustauschmodul umfaßt eine Anzahl von eloxierten Aluminiumrippenplatten mit einer ersten und zweiten gegenüberliegenden Seite und einer Adsorptionsbeschichtung, die wenigstens einen Adsorber umfaßt, der aus der Gruppe bestehend aus Zeolith X, Zeolith Y, Zeolith A, Silikagel, Kieselsäureanhydriden, Aluminiumoxiden und Mischungen davon besteht. Die Adsorptionsbeschichtung überdeckt im wesentlichen die gesamte Oberfläche jeder gegenüberliegenden Seite zur Bildung beschichteter Rippenplatten, und die Rippenplatten befinden sich in einer übereinanderliegenden Anordnung voneinander beabstandet angeordnet, welche eine Adsorptionsüberbrückung zwischen sämtlichen beschichteten Oberflächen eliminiert. Es gibt wenigstens 300 beschichtete Rippenplatten pro Meter der übereinanderliegenden Anordnung. Eine Anzahl von Rohren erstreckt durch Öffnungen in den Rippenplatten, wobei die Außenseite der Anzahl der Rohre direkt mit dem Umfang der Öffnungen in Kontakt steht, um das Sorptionswärmepumpenaustauschmodul zu bilden, wobei ein erster Strömungsweg für ein Wärmeaustauschmedium in der Anzahl der Rohre und ein zweiter Strömungsweg für ein Kühlmittel zwischen den beschichteten Rippenplatten abgegrenzt ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Sorptionswärmepumpenaustauschmodul eine Anzahl von eloxierten Aluminiumrippenplatten mit einer ersten und zweiten gegenüberliegenden Seite und einer Adsorptionsbeschichtung, die im wesentlichen die gesamte Oberfläche jeder gegenüberliegenden Seite überdeckt. Es gibt eine Anzahl von Öffnungen, die durch die eloxierten Aluminiumrippenplatten abgegrenzt sind und sich durch die eloxierten Aluminiumrippenplatten und die Beschichtung erstrecken. Eine Anzahl von Rohren, die unbeschichtete Außenwände aufweisen, erstreckt sich in Querrichtung durch die eloxierten Aluminiumrippenplatten und steht in direktem Kontakt mit den eloxierten Aluminiumrippenplatten, die in einer übereinanderliegenden Anordnung mit Abstand voneinander angeordnet sind, welche eine Adsorptionsüberbrückung zwischen sämtlichen beschichteten Flächen eliminiert, und enthalten wenigstens 300 eloxierte Aluminiumrippenplatten pro Meter der übereinanderliegenden Anordnung. Die Anzahl der Rohre erstreckt sich durch die Öffnungen in den eloxierten Aluminiumrippenplatten, wobei die Außenseite der Anzahl der Rohre direkt in Kontakt mit dem Umfang der Öffnungen zur Bildung des Sorptionswärmepumpenaustauschmoduls steht, wobei ein erster Strömungsweg für ein Wärmeaustauschmedium in der Anzahl der Rohre und ein zweiter Strömungsweg für ein Kühlmittel zwischen den beschichteten eloxierten Aluminiumrippenplatten abgegrenzt ist. Der Adsorber ist aus der Gruppe ausgewählt, die aus Zeolith X, Zeolith Y, Zeolith A, Silikagel, Kieselsäureanhydriden, Aluminiumoxiden und Mischungen davon besteht.
Bei noch weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung umfaßt das Sorptionswärmepumpenaustauschmodul eine Anzahl von Rippenplatten mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite gegenüberliegend der ersten Seite, wobei die Rippenplatten in der Gestalt etwa rechteckförmig sind. Die Rippenplatten haben zwei lange Kanten und zwei kurze Kanten. Eine Adsorptionsbeschichtung überdeckt einen überwiegenden Teil der ersten Seite und der zweiten Seite ausgenommen dort, wo ein Spalt in der Adsorptionsbeschichtung ist, der sich von einer der langen Kanten zur anderen der langen Kanten erstreckt. Die Rippenplatten sind entlang der Spalte gebogen, um eine geriffelte Struktur zu bilden, und die Rippenplatten stehen mit einer oberen und unteren Außenfläche eines Paars von parallelen Wärmeübertragungsdurchführungen in Kontakt. Für diesen Aufbau haben sich hocheffiziente Wärmeübertragungseigenschaften herausgestellt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Ansicht eines einseitigen Laminats einer Zeolith enthaltenden Matrix, die mit einem Substrat verbunden ist.
2 ist eine Querschnittsansicht eines Paars einseitiger Laminate, die zusammen mit einem Wärmeübertragungskanal zwischen den beiden Laminaten gepaart sind.
3 zeigt eine Ansicht der Wärmeübertragungsdurchführung zwischen zwei Lagen des Laminats der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine Anordnung von sich wiederholenden Einheiten der in 3 gezeigten Einheiten.
5 zeigt ein doppelseitiges Laminat einer Zeolith enthaltenden Matrix, die mit beiden Seiten eines Substrats verbunden ist.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Spalten in der Laminierung, um ein Verbinden einer Oberfläche mit einer benachbarten Wärmeübertragungsdurchführung zu gestatten.
7 zeigt, wie die unbeschichteten Spalte in dem in 6 gezeigten Aufbau mit der Außenseite von Wärmeübertragungsflächen gepaart sind.
8 zeigt eine Kombination der Wärmeübertragungsdurchführungsanordnung von 4 mit dem Zusatz von Rippenwerkstoff, der mit den Außenflächen der Wärme übertragungsflächen verbunden ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei der vorliegenden Erfindung umfaßt die Adsorptionszone dünne Bahnen aus Adsorptionspapierlagen, die mit einem Substrat verbunden sind. Für Sorptionswärmepumpenprozesse umfaßt die Adsorptionszone eine Anzahl derartiger Platten, die auf Rohren zur Bildung eines Rohr- und Flachplattenwärmetauschers angeordnet sind. Die Adsorptionslage umfaßt eine Adsorptionspapierlage. Ein Beispiel für den Adsorptionspapierlagentyp zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung ist in der US 5 650 221 offenbart, die hier durch Bezugnahme inkorporiert wird. Die Adsorptionspapierlage der US 5 650 221 besteht aus einem verbesserten Trägermaterial, Fasermaterial, Bindemitteln und hohen Pegeln von Trockenmittel- oder Adsorptionsmaterial. Die Fasermaterialien umfassen Zellulosefasern, synthetische Fasern und Mischungen davon. Fibrillierte Fasern, d.h. Faserschäfte, die an ihren Enden gespalten sind, um Fibrillen zu bilden, d.h. feine Fasern oder Filamente viel feiner als die Faserschäfte sind bevorzugt. Beispiele für fibrillierte synthetische organische Fasern, die bei dem Adsorptionspapier der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, sind fibrillierte Aramid- und Acrylfasern. Ein besonders bevorzugtes Beispiel für eine solche Faser ist von E.I. du Pont de Nemours & Company unter der Bezeichnung KEVLAR^® erhältlich. Das Trockenmittel oder der Adsorber können während der Herstellung des Papiers dort eingebracht werden oder das Papier kann gebildet und das Trockenmittel oder der Adsorber darauf beschichtet werden oder es kann eine Kombination von Adsorbereinbau während der Papierherstellung und Beschichtung mit Adsorber anschließend benutzt werden. Da die Dicke des Adsorptionspapiers bis zu einem optimalen Wert zunimmt, ist dann die Wärmekapazität vergrößert. Da jedoch die Kosten auch mit zunehmender Dicke höher werden, ist ein Ausgleich zwischen der Wärmekapazität und den Kosten erforderlich. Vorzugsweise umfaßt das Adsorptionspapier der vorliegenden Erfindung eine Dicke von 0,13 bis 0,75 mm und umfaßt wenigstens 50 Gew.% Adsorber. Weiter bevorzugt umfaßt das Adsorptionspapier eine Dicke von ausgehend von 0,25 bis 0,6 mm und umfaßt mehr als 70 Gew.% Adsorber. Am bevorzugtesten hat das Adsorptionspapier eine Dicke von 0,5 mm und umfaßt mehr als 70 Gew.% Adsorber. Der Adsorber kann ein beliebiges Material sein, das in der Lage ist, eine adsorbierbare Komponente wie ein Kühlmittel zu adsorbieren. Der Adsorber kann pulverisierte feste kristalline Zusammensetzungen umfassen, die in der Lage sind, die adsorbierbare Komponente zu adsorbieren und zu desorbieren. Beispiele für derartige Adsorber umfassen Silikagels, aktivierte Aluminiumoxide, Aktivkohle, Molekularsiebe und Mischungen davon. Molekularsiebe umfassen Zeolith-Molekularsiebe. Andere Materialien, die als Adsorber verwendet werden können, umfassen halogenhaltige Zusammensetzungen wie Halogensalze, enthaltend Chlorid-, Bromid- und Fluoridsalze als Beispiele. Die bevorzugten Adsorber sind Zeolithe. Vorzugsweise ist wenigstens 70 Gew.% des Adsorptionspapiers ein Zeolith-Molekularsieb.
Die Porengröße der Zeolith-Molekularsiebe kann durch Verwendung unterschiedlicher Metallkationen variiert werden. Beispielsweise hat Natriumzeolith A eine scheinbare Porengröße von 4 Å-Einheiten, während Calciumzeolith A eine scheinbare Porengröße von 5 Å-Einheiten hat. Der Begriff "scheinbare Porengröße", wie er hier verwendet wird, kann definiert werden als die maximale kritische Abmessung des betreffenden Molekularsiebs unter normalen Bedingungen. Die scheinbare Porengröße wird stets größer als der effektive Porendurchmesser sein, der als der freie Durchmesser des geeigneten Silikatrings in der Zeolithstruktur definiert werden kann. Zeolith-Molekularsiebe in der calcinierten Form können dargestellt werden durch die allgemeine Formel: Me_2/nO : Al₂O₃ × SiO₂ : yH₂O wobei Me ein Kation ist, x einen Wert von 2 bis Unendlich hat, n die Kationenvalenz ist und y einen Wert von 2 bis 10 hat.
Die allgemeine Formel für eine Molekularsiebzusammensetzung, die im Handel als Typ 13X bekannt ist, ist: 1,0 ± 0,2 Na₂O : 1,00 Al₂O₃ : 2,5 ± 0,5 SiO₂ plus Hydrationswasser. Der Typ 13X hat eine kubische Kristallstruktur, die charakterisiert ist durch ein dreidimensionales Netzwerk mit wechselweise verbundenen intrakristallinen Leerräumen, die durch Porenöffnungen zugänglich sind, welche Moleküle mit kritischen Abmessungen bis zu 10 Å zulassen. Das Leerraumvolumen ist 51 Vol.% des Zeoliths und die meiste Adsorption findet in den kristallinen Leerräumen statt. Typische wohlbekannte Zeolithe, die verwendet werden können, umfassen Chabasit, auf den als Zeolith D Bezug genommen wird, Klinoptilolith, Erionit, Faujasit, auf den auch als Zeolith X und Zeolith Y Bezug genommen wird, Ferrierit, Mordenit, Zeolith A und Zeolith P. Andere für die Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung geeignete Zeolithe sind diejenigen, die einen hohen Silikagehalt haben. Der Adsorber kann aus der Gruppe gewählt werden, bestehend aus DDZ-70, Y-54, Y-74, Y-84, Y-85, mit Seltenerdmetall mit niedrigem Zergehalt ausgetauschtem Y-84, mit calciniertem Seltenerdmetall ausgetauschtem LZ-210 bei einem SiO₂/Al₂O₃-Gerüst mit Moläquivalentverhältnis von weniger als 7,0 und Mischungen davon.
Der auszuwählende geeignete Adsorber hängt von den geplanten Betriebsbedingungen der Wärmepumpe ab, die die Sorptionswärmepumpenaustauscher der vorliegenden Erfindung enthält. Unter den die Auswahl des Adsorbers bestimmenden Faktoren ist die Leistungs- bzw. Energiequelle und -menge für die Wärmepumpe, die gewünschte Regenerationstemperatur und die allgemeinen klimatischen Bedingungen, die auftreten, wenn die Wärmepumpe benutzt wird. Beispielsweise sind bei höheren Regenerationstemperaturen Zeolith (X) (ab einem Si/Al₂-Verhältnis von 2,3 und höher) oder Zeolith (Y) (ab einem Si/Al₂-Verhältnis von 5 und höher) aufgrund größerer Wärmeadsorption und des resultierenden größeren Vermögens effektiver, eine hohe Beladung bei verhältnismäßig hohen Adsorptionstemperaturen zu erhalten. Wenn die Regenerationstemperatur und Adsorptionstemperatur beide verhältnismäßig niedrig sind, dann ist der bevorzugte Adsorbertyp Zeolith DDZ-70 (erhältlich von UOP LLC, Des Plaines, Illinois) aufgrund dessen niedriger Adsorptionswärme und demzufolge seines Vermögens, sich bei relativ niedrigen Temperaturen zu regenerieren.
Wenn beispielsweise die Regenerationstemperatur und Kondensations- und Adsorptionstemperaturen unterhalb von 40° bis 50°C liegen, dann ist der Zeolith DDZ-70 eine gute Adsorberwahl. Bei höheren Temperaturen wie 150°C, Regenerationstemperatur und Adsorptionstemperatur oberhalb von 50°C arbeitet der Zeolith NaY gut.
Es wird ein Wärmeübertragungsfluid, beispielsweise ein kaltes Fluid zum Kühlen der Adsorptionszone auf Adsorptionsbedingungen der Adsorptionstemperatur bei einer kalten Fluidtemperatur in die Wärmeübertragungszone eingeführt. Ein heißes Wärmeübertragungsfluid wird zur Wärmeübertragungszone eingeführt, wenn es erforderlich ist, die Temperatur der Adsorptionszone auf Desorptionsbedingungen, beispielsweise eine Desorptionstemperatur, anzuheben. Das kalte Wärmeübertragungsfluid und das heiße Wärmeübertragungsfluid können aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Wasser, Alkoholen, Ammoniak, leichten Kohlenwasserstoffen, Chlorfluorkohlenwasserstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen und Mischungen davon besteht. Vorzugsweise reagieren die Wärmeübertragungsfluide und die Kühlmittel nicht mit den Materialien der Wärmeübertragungsfläche. Additive und Inhibitoren, beispielsweise Amine, können zu den Wärmeübertragungsfluiden hinzugegeben werden, um derartige Reaktionen zu beruhigen oder zu verhindern.
Bei Betrieb des Sorptionswärmepumpensystems der vorliegenden Erfindung kann sich ein Teil der Adsorptionszonen in einem Adsorptionsmodus, einem Zwischenmodus oder einem Desorptionsmodus befinden. Bei der typischen Anlage ist dann wenigstens ein Teil der Adsorptionszonen in jeder der Betriebsarten zu einer beliebigen gegebenen Zeit aktiv, um einen fortlaufenden Prozeß zu liefern. Der Desorptionsmodus umfaßt einen Desorptionstemperaturbereich von 80° bis 350°C und einen Desorptionsdruckbereich von 2 kPa bis 1,5 MPa (220 psia).
Die Sorptionszone kann mit einer Anzahl von Sorptionsmittel/Kühlmittel-Kombinationen oder Paaren betrieben werden. Beispiele von Paarungen derartiger Sorptionsmittel/Kühlmittel-Paare umfassen Zeolith/Wasser, Zeolith/Ethanol, Zeolith/Methanol, Kohlenstoff/Ethanol, Zeolith/Ammoniak, Zeolith/Propan und Silikagel/Wasser. Die Betriebsbedingungen ändern sich dann mit der Auswahl des Sorptionsmittel/Kühlmittel-Paars.
1 zeigt ein einseitiges Laminat 10 mit wenigstens zwei Lagen, umfassend eine Substratlage 12 und eine adsorberhaltige Lage 14. Die Adsorberlage umfaßt einen Adsorber. Vorzugsweise wird der Adsorber aus der Gruppe ausgewählt, die aus Zeolith X, Zeolith Y, Zeolith A, Silikagel, Kieselsäureanhydriden, Aluminiumoxid und Mischungen davon besteht. Weiter bevorzugt wird der Adsorber aus der Gruppe ausgewählt, die aus Zeolith Y-54, Zeolith Y-74, Zeolith Y-84, Zeolith Y-85, wasserdampfkondensierte Seltenerdmetall-ausgetauschtem Y-54, einem mit Seltenerdmetall mit niedrigem Zergehalt ausgetauschten Y-84, einem mit Seltenerdmetall mit niedrigem Zergehalt ausgetauschten Zeolith LZ-210, Zeolith DDZ-70 und Mischungen davon besteht. Am bevorzugtesten wird der Adsorber aus der Gruppe, bestehend aus Zeolith Y mit einem dreiwertigen Kation im β-Käfig der Zeolithstruktur ausgewählt. Die Adsorberlage kann mittels herkömmlicher Beschichtungsverfahren wie Gleitbeschichtungsvorgängen, Tauchen, Sprühbeschichten, Streich/Gießbeschichten und Kombinationen davon gebildet werden. Ein bevorzugtes Verfahren zur Bildung einer Adsorberlage auf der Rippenplatte besteht darin, eine Lage von Adsorberpapier aufzubringen, wie es hier oben offenbart wurde, wobei das Papier den Adsorber in einer gleichmäßigen Lage enthält. Die Adsorberpapierlage kann auf die Rippenplatten mittels beliebiger Mittel, beispielsweise wärme- und feuchtigkeitsbeständigen klebstoffartigen Epoxid laminiert werden. Durch Aufbringen der Adsorberlager auf die Rippenplatte vor der Montage des Sorptionswärmepumpenmoduls wird der Aufbau oder Fluten von Adsorber am Fuß, wo das Rohr die Rippenplatte kontaktiert, verhindert. Typischerweise hat die Adsorberpapierlage eine Dicke zwischen 0,25 und 6,0 mm. Für Lagen dieser Dicke können übereinanderliegende Anordnungen von Rippenplatten mit 300 bis 800 Rippenplatten pro Meter Rohrlänge montiert werden. Die Anordnung von Rippenplatten bei jedem der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist auf Wärmeleistung und Kostenfaktoren optimiert. Insbesondere sind die Rippendicke, das Rippenmaterial und die Rippenabstände sowie die Dicke der Adsorberlage optimiert, um die Kosten auf ein Minimum herabzusetzen, während die Leistung einer Adsorptionswärmepumpe maximiert ist. Rippen, die dicker als die optimale Dicke sind, liefern nicht die gewünschte Wärmeübertragung. Die Rippen müssen für ein leichtes Strömen des Kühlmittels geeignet beabstandet sein. Eine optimale Anordnung bestand aus 0,31 mm (0,012 Inch) dicken Aluminiumrippen mit 0,51 mm (0,02 Inch) dicken Adsorptionsmitteln.
2 zeigt ein Paar von einseitigen Laminaten von 1, die so orientiert sind, daß die Substratlagen 12 jedem Paar der einseitigen Laminate gegenüberliegen. Ein Wärmeübertragungskanal 16 befindet sich zwischen jedem Paar der einseitigen Laminate.
3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem zwei einseitige Laminate geriffelt und dann miteinander zusammengepaart sind, um Strömungskanäle für ein Kühlmittel in einer Unteranordnung 20 zu bilden. Die Unteranordnung 20, die gebildet ist, ist an zwei oder drei der vier Kanten abgedichtet. Es sind abgedichte Kanten 22, 24 gezeigt. In der in 3 gezeigten Perspektive strömt dann ein Wärmeübertragungsfluid in und aus der in einem Wärmeübertragungsdurchlaß 26 gezeigten Ebene. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel be findet sich die unbeschichtete Substratlage 12 auf dem Inneren der Unteranordnung 20 und die adsorberhaltige Lage 14 befindet sich auf der Außenseite der Unteranordnung 20 wie gezeigt.
4 zeigt eine Ansicht der Unteranordnungen 20 von 3, die in einer Anordnung 30 angeordnet sind. Die Unteranordnung 22 ist gedreht worden, so daß der Strömungsweg des Wärmeübertragungsfluids nun durch die Seite mit der Adsorberlage verläuft. Pfeile zeigen die Strömungsrichtung des Wärmeübertragungsfluids. Ein Einlaßsammler 32 und ein Auslaßsammler 34 sind mit Öffnungen an beiden Enden der Unteranordnung 20 gepaart und dichten diese ab und gestatten es, daß Wärmeübertragungsfluid die Sammler aufwärts und durch die Innenflächen der Unteranordnung 20 strömt. In einer Wärmepumpe ist die in 3 dargestellte Gesamtanordnung im Inneren eines Vakuumgefäßes angeordnet, und die Räume 36 zwischen den Unteranordnungen 20 enthalten das Kühlmittel, welches auch die offenen Teile des Vakuums führt, welches die Anordnung umgibt. Der Primärflächenbereich für die Wärmeübertragung ist die gesamte Innenfläche sämtlicher Unteranordnungen 20.
5 zeigt ein doppelseitiges Laminat 40, welches eine Einzelbahn 42 eines Basismaterials, beispielsweise Aluminium, und Lagen 44, 46 einer Zeolithmatrix umfaßt, die mit jeder gegenüberliegenden Fläche des Basismaterials verbunden ist.
6 zeigt eine spezielle Anordnung des doppelseitigen Laminats von 5, wobei Spalte 48 in den Lagen 44, 46 vorhanden sind, um eine Wellung zu gestatten, die nicht beschichtete (unlaminierte) Abschnitte des Basismaterials freiliegend beläßt. Das Vorhandensein dieser Spalte gestattet das Verbinden der unlaminierten Abschnitte des Laminats mit der Außenfläche einer Wärmeübertragungsdurchführung.
7 zeigt, wie die Zwischenräume 48 mit Außenflächen 52, 54 von Wärmeübertragungsfluiddurchlässen in einer Einheit 56 gepaart sind. Es ist ein Kühlmittel 58 gezeigt, das direkt neben dem Laminat strömt. Das doppelseitige Laminat von 6 ist in einem Riffelmuster zum Maximieren des Oberflächenbereichs gezeigt.
8 zeigt, wie die sich wiederholenden Einheiten eines Wärmeübertragungsdurchlasses mit Rippenmaterial, welches mit den Außenflächen der Wärmeübertragungsdurchführung wie in 7 verbunden ist, übereinander angeordnet sind, um einen Gesamtwärmetauscher zu bilden. Ein Einlaßsammler 42 und ein Auslaßsammler 64 sind für die Strömung des Wärmeaustauschfluids zu den Wärmeübertragungsfluiddurchlässen der Einheit 56 gezeigt. Diese Konstruktion kombiniert den Vorteil einer großen Rippenfläche mit dem Wärmetauscher kompakten Stils, welcher einen großen Primärflächenbereich hat. Bei einem Ausführungsbeispiel von 8 sind die Metallagen Aluminiumplatten, die eloxiert worden sind, um jegliche möglichen Korrosionsreaktionen mit Wasser zu verhindern. Der Eloxierschritt wurde vor der Laminierung und der Montage des Wärmetauscherkerns ausgeführt.
Zusammenfassung
Diese Erfindung liefert einen kompakten Wärmetauscher, der eine effektive Geometrie für Wärmeübertragungsvorgänge ungeachtet der Wärmeleitfähigkeit des für die Rippenmaterialien gewählten Materials aufweist. Es hat sich weiter herausgestellt, daß die Verwendung von mit Adsorber beschichtetem eloxierten Aluminium für die Rippenmaterialien einen sehr effizienten Wärmetauscher ergibt.

Claims

Sorptionswärmepumpenaustauschmodul, umfassend: a) eine Anzahl von Metallplatten mit einer ersten und einer zweiten gegenüberliegenden Seite und einer Adsorberbeschichtung, die im wesentlichen die gesamte Fläche der ersten gegenüberliegenden Seite überdeckt, und wobei eine erste und eine zweite der Metallplatten zusammengruppiert sind, um eine Untereinheit mit einer Durchführung zwischen den beiden Metallplatten für das Durchtreten eines Wärmeaustauschmediums zu bilden, und wobei eine Anzahl der Untereinheiten in einer übereinanderliegenden Anordnung beabstandet angeordnet sind, welche einen Kontakt zwischen den Untereinheiten eliminiert; b) eine Anzahl von Rohren, die mit den Untereinheiten in Kontakt stehen, wobei ein Wärmeaustauschmedium in den Rohren zu und aus Öffnungen in den Rohren zu Öffnungen in den Untereinheiten strömt, und c) eine Durchführung zwischen jeder der Untereinheiten, wobei ein Kühlmittel in der Durchführung strömt.
Sorptionswärmepumpenaustauschmodul nach Anspruch 1, bei dem die Adsorberbeschichtung eine Papierlage, umfassend den Adsorber, umfaßt.
Sorptionswärmepumpenaustauschmodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste gegenüberliegende Seite der ersten Metallplatte der ersten gegenüberliegenden Seite der zweiten Metallplatte in jeder der Untereinheiten gegenüberliegt oder bei dem die zweite gegenüberliegende Seite der ersten Metallplatte der zweiten gegenüberliegenden Seite der zweiten Metallplatte in jeder der Untereinheiten gegenüberliegt.
Sorptionswärmepumpenaustauschmodul nach Anspruch 1, bei dem die Metallplatten eine Adsorberbeschichtung aufweisen, die im wesentlichen die Gesamtfläche der zweiten gegenüberliegenden Seite überdeckt.
Sorptionswärmepumpenaustauschmodul nach Anspruch 1, bei dem in den Untereinheiten die erste Metallplatte mit der zweiten Metallplatte auf jeder von zwei Kanten zur Bildung einer Abdichtung in Kontakt steht, um die Durchführung für das Wärmeübertragungsmedium zu bilden, und bei dem die Metallplatten gebogen sind, um die Durchführung zu bilden.
Sorptionswärmepumpenaustauschmodul nach den Ansprüchen 1 – 5, bei dem die Adsorberbeschichtung einen Adsorber umfaßt, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Zeolith X, Zeolith Y, Zeolith A, Silikagel, Kieselsäureanhydriden, Aluminiumoxiden und Mischungen davon.
Sorptionswärmepumpenaustauschmodul nach den Ansprüchen 1 – 6, bei dem die Adsorberbeschichtung eine Lage umfaßt, bestehend aus Zeolith Y, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Zeolith Y-54, Zeolith Y-74, Zeolith Y-84, wasserdampfcalciniertem Seltenerdmetall-ausgetauschtem Zeolith LZ-210 und Zeolith DDZ-70.
Sorptionswärmepumpenaustauschmodul nach Anspruch 1, bei dem das Substrat eloxiertes Aluminium umfaßt.
Sorptionswärmepumpenaustauschmodul nach Anspruch 1, bei dem die Adsorberbeschichtung im wesentlichen die gesamte Fläche beider gegenüberliegender Seiten der Metallplatten überdeckt.
Sorptionswärmepumpenaustauschmodul nach Anspruch 1, bei dem die Metallplatten Rippenplatten umfassen, wobei die Rippenplatten in der Gestalt etwa rechteckförmig sind und wobei die Rippenplatten zwei lange Kanten und zwei kurze Kanten aufweisen, wobei eine Adsorberbeschichtung einen Großteil der ersten Seite und der zweiten Seiten der Rippenplatten überdeckt, wobei ein Spalt in der Adsorberbeschichtung sich von einer der langen Kanten aus zu der anderen der langen Kanten erstreckt, wobei die Rippenplatten entlang der Spalte zur Bildung einer gewellten Struktur gebogen sind und wobei die Rippenplatten mit einer oberen und einer unteren Außenseite eines Paars paralleler Wärmeübertragungsdurchführungen in Kontakt stehen.