DE19539106A1 - Wärmeübertrager mit durch Sorptionsmaterial gefüllten Zwischenräumen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit durch Lamellen und Rohren gebildeten Zwischenräumen, die wenigstens teilweise mit Sorptionsgranulat gefüllt sind sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen.

Derartige Sorptionswärmeübertrager wurden bislang dadurch hergestellt, daß Sorptionsgranulat in Form einer losen Kugelschüttung zwischen die Lamellen eingebracht wurde oder alternativ dazu in Form einer dünnen Schicht aus Sorptionspulver unter Verwendung eines Klebers auf die Lamellen aufgebracht wurde. Bei der ersten bekannten Ausführungsform ergibt sich ein hoher Volumenanteil von Sorptionsmaterial gemessen am Gesamtvolumen des Wärmeübertragers. Jedoch hat ein derartiger Wärmeübertrager aufgrund der schlechten Wärmeleitungseigenschaften des Sorptionsmaterials eine schlechte Dynamik. Bei der zweiten bekannten Variante mit in dünnen Schichten aufgeklebtem Sorptionsmaterial ist zwar die Wärmeleitung zwischen Sorptionsmaterial und den Lamellen verbessert. Nachteilig ist dort jedoch, daß der Volumenanteil des Sorbens am Gesamtvolumen des Wärmeübertrager zu wünschen übrig läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sorptionswärmeübertrager derart auszugestalten, daß gleichzeitig eine hohe Packungsdichte des Sorptionsmaterials und eine gute Wärmeleitung erreicht werden. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sorptionswärmeübertragers angegeben werden.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung mit den in Patentanspruch 1 und hinsichtlich des Verfahrens mit den im Patentanspruch 7 angegebenen Mitteln gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, die Zwischenräume eines Wärmeübertragers nahezu vollständig mit Sorptionsmaterial zu füllen, welches mittels eines Binders (Keramikkleber) verbunden ist. Während bei einer losen Kugelschüttung die im wesentlichen kugelförmigen Sorptionsgranulate untereinander und zu den Wandungen des Wärmeübertragers nur eine Punktberührung aufweisen, werden durch die Verbindung mittels des Binders (Keramikkleber) die Berührungsstellen flächenhaft vergrößert. Durch eine derartige Anordnung wird die Wärmeleitfähigkeit zum Wärmeübertrager erhöht. Die verwendeten Keramikkleber weisen für eine Verbindung der Zeolithgranulate als besonders positive Eigenschaften eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine erhöhte Porosität im ausgehärteten Zustand auf, die ein Verkleben der Poren der Sorptionsmaterialpartikel verhindert.

Vorteilhafterweise weist der Keramikkleber in ausgehärtetem Zustand eine Wasseraufnahmefähigkeit von mindestens 10% auf.

Vorteilhaft ist es ferner, wenn der Keramikkleber eine hohe Affinität zu Metallen aufweist. Dadurch wird eine Verklebung der Sorptionsgranulate mit den Lamellen und den Wänden der Wärmeübertragerrohre erreicht, was sich in einem zusätzlich verbesserten Wärmeübergang auswirkt.

Als ein geeigneter Keramikkleber bei einer gleichzeitigen Verwendung von Zeolith vom X-Typ als Adsorptionsmaterial hat sich ein Kleber mit dem Handelsnamen Kerathin Härter 1260 der Firma August Rath jun. AG, A-1015 Wien, erwiesen.

Vorteilhaft ist es ferner, wenn das Sorptionsgranulat aus verschieden großen Körnungen besteht. Dadurch kann aufgrund des Eindringens kleinerer Körner in die Zwischenräume der größeren Körner eine erhöhte Packungsdichte erreicht werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform beträgt der Abstand zweier benachbarter Lamellen etwa das Doppelte des größten Granulatkornes.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Sorptionswärmeübertragers ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

• a) Einfüllen von trockenem Sorptionsgranulat in durch Lamellen und Rohre gebildete Zwischenräume eines Wärmeübertragers,
• b) Verdichten des Granulats durch Rütteln und/oder Klopfen,
• c) Einfüllen des flüssigen Keramikklebers in die Zwischenräume und
• d) Aushärten des Keramikklebers und dadurch Schaftung einer festen Verbindung zwischen den Sorptionspartikeln untereinander und zu den Rohren und den Lamellen des Wärmeübertragers.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen horizontalen Querschnitt durch eine Sorptionswärmeübertrageranordnung mit acht Sorptionswärmeübertragern,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Sorptionswärmeübertrager gemäß der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische perspektivische Darstellung eines Sorptionswärmeübertragers (mit nur vier dargestellten Rohren),

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Sorptionswärmeübertrager zur Verdeutlichung der Granulatfüllung in den Zwischenräumen,

Fig. 5 einen nochmal vergrößerten Teilausschnitt aus der Fig. 4 vor Einbringen des Keramikklebers und

Fig. 6 einen vergrößernden Teilausschnitt aus der Fig. 5 zur Verdeutlichung der Anordnung des Keramikklebers zwischen den Zeolithgranulaten.

In Fig. 1 ist eine Sorptionswärmeübertrageranordnung 1 gezeigt, die in einem Außengehäuse 2 insgesamt acht im Querschnitt ziehharmonikaartig zueinander angeordnete Adsorptionswärmeübertrager 3 beherbergt.

Jeder Sorptionswärmeübertrager 3 setzt sich aus einem Paket gleichmäßig zueinander beabstandeter, horizontal übereinander liegender Lamellen 4 und aus dieses Lamellenpaket vertikal durchdringenden Rohren 5 zusammen. Von den gleichmäßig zueinander beabstandeten Lamellen 4 und den Rohren werden Zwischenräume 6 gebildet, die mit Sorbens 7 in Form von Granulat gefüllt sind.

Die Sorptionswärmeübertrageranordnung 1 dient in bekannter Weise dazu, bei Zufuhr von Wasserdampf, der vom Sorptionsmaterial 7 adsorbiert wird, Wärme freizusetzen, welche an einen durch die Rohre 5 strömenden Wärmeträger abgegeben wird. Umgekehrt erfordert ein Austreiben von Wasser aus dem Zeolith 7 während einer Desorptionsphase eine Energiezufuhr durch den durch die Rohre 5 strömenden Wärmeträger.

Da bei einem erfindungsgemäßen Sorptionswärmeübertrager die Zwischenräume 6 durch Sorptionsgranulat 7, welches durch Rütteln oder Klopfen zusätzlich verdichtet wurde, nahezu vollständig gefüllt sind, ergibt sich eine hohe Packungsdichte einer solchen Sorptionswärmeübertrageranordnung 1. Die im wesentlichen kugelförmigen Sorptionsgranulate 7 haben dabei zunächst, wie aus Fig. 5 ersichtlich, zueinander und zu den benachbarten Wandungen nur punktförmige Berührungsstellen A mit dem damit verbundenen schlechten Wärmeübergang. Da ein nach dem Verdichten des Sorptionsmaterials 7 in die Zwischenräume 6 eingebrachter Keramikkleber 8 nach dem Aushärten für eine gitterartige Vernetzung der einzelnen Sorptionsmaterialpartikeln 7 und zusätzlich für flächenhafte Verbindungsstellen B zu den Wänden der Lamellen 4 und der Rohre 5 sorgt, läßt sich hier eine hohe Packungsdichte mit einer verbesserten Wärmeleitung verbinden, wobei aufgrund der gitterartigen Struktur der vom Keramikkleber 8 gebildeten Brücken zwischen den Sorptionsmaterialpartikeln 7 untereinander sowie zwischen den Sorbenspartikeln 7 und der Wand der Lamellen 4 genügend große Poren für ein Durchdringen des Wasserdampfes beim Adsorptions- bzw. beim Desorptionsvorgang verbleibt. Die Oberfläche eines Sorptionsgranulates 7 wird durch den Keramikkleber 8 zum einen nicht vollständig abgedeckt; zum anderen bewirkt eine erhöhte Wasseraufnahmefähigkeit des Keramikklebers 8, daß auch in den Bereichen, in denen Keramikkleber 8 am Sorptionsgranulat 7 anliegt, ein Diffundieren von Wasserdampf stattfinden kann.

Der Abstand der Lamellen 4 zueinander, der die Breite der Zwischenräume 6 definiert, wird je nach Anwendungszweck eines Adsorptionswärmeübertragers 1 größer oder kleiner ausfallen. Wenn der Speichereffekt in Vordergrund steht, so daß ein Be- und Entladen relativ langsam stattfinden kann, wird man einen größeren Abstand der Lamellen wählen. Steht hingegen eine hohe Dynamik im Vordergrund, so wird eine geringere Breite der Zwischenräume 6, d. h. ein engerer Abstand der Lamellen 4 gewählt werden. Für verschiedene Sorptionsmaterialien sind dabei unterschiedliche Keramikkleber geeignet. Für einen Zeolith vom X-Typ hat sich insbesondere ein Keramikkleber 8 mit dem Handelsnamen Kerathin Härter 1260 der Firma August Rath jun. AG, A-1015 Wien, als vorteilhaft erwiesen. Für andere Sorptionsmaterialien können andere Keramikkleber vorteilhaftere Eigenschaften aufweisen. Vorteilhaft ist es in jedem Fall, wenn die Wasseraufnahmefähigkeit des verwendeten Keramikklebers in ausgehärtetem Zustand größer als 10% - bezogen auf sein eigenes Volumen - ist. Vorteilhaft ist es ferner, wenn der Keramikkleber verdünnbar ist, um dadurch die Menge und die Verteilung des Klebers in der Sorptionmaterialschüttung einstellen zu können, um die für die jeweilige Anwendung geforderte Festigkeit und den gewünschten Dampfwiderstand einstellen zu können.

Auch durch die Siebkurve des Sorptionsgranulats 7 kann die Packungsdichte eines Sorptionswärmeübertragers beeinflußt werden. Eine höhere Packungsdichte ergibt allerdings auch automatisch einen höheren Dampfströmungswiderstand, bei dem zwar aufgrund des größeren Sorptionsmaterialvolumens das Speichervermögen erhöht wird, bei dem jedoch gleichzeitig die Be- und Entladevorgänge verlangsamt werden.

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Adsorptionswärmeübertragers wird im ersten Verfahrensschritt trockenes Sorptionsgranulat 7 in durch Lamellen 4 gebildete Zwischenräume 6 eines Wärmeübertragers 3 eingefüllt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird das Granulat 7 durch Rütteln und/oder Klopfen zur Erhöhung der Packungsdichte verdichtet. In einem dritten Verfahrensschritt wird Keramikkleber 8, ggfs. verdünnt, in die Zwischenräume 6 eingefüllt. Nach dem Aushärten des Keramikklebers 8 wird durch diesen eine feste Verbindung zwischen den Zeolithpartikeln 7 untereinander und von diesen zur Wand der Lamellen 4 bzw. der Rohre 5 geschaffen.

Durch eine Variierung der Lamellendicke, des Abstandes der Lamellen zueinander, der Korngröße des Sorptionsmaterials 7, der Auswahl des Sorbenstyps und des dafür geeigneten Keramikklebers mit dessen durch eine Verdünnung hergestellten Konzentration steht dem Fachmann eine große Bandbreite von Möglichkeiten zur Dimensionierung einer Sorptionswärmeübertrageranordnung 1 offen, die in jedem Falle gegenüber allen bekannten Sorptionswärmeübertragern über eine wesentlich erhöhte Packungsdichte im Verhältnis zur Dynamik verfügt.

Bezugszeichenliste

1 Sorptionswärmeübertrageranordnung
2 Außengehäuse
3 Sorptionswärmeübertrager
4 Lamellen
5 Rohre
6 Zwischenräume
7 Sorptionsmaterial (z. B. Zeolith)
8 Binder (z. B. Keramikkleber)
A punktförmige Berührungsstellen
B flächenhafte Verbindungsstellen

Claims (7)

1. Sorptionswärmeübertrageranordnung (1) mit durch Lamellen (4) und Rohre (5) gebildete Zwischenräume (6), die wenigstens teilweise mit Sorptionsgranulat (7) als Sorptionsmaterial gefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume (6) nahezu vollständig mit dem Sorptionsmaterial (z. B. Zeolith 7) gefüllt sind, welches mittels eines Binders, vorzugsweise eines Keramikklebers (8) verbunden ist.

2. Sorptionswärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkleber (8) im ausgehärteten Zustand eine Wasseraufnahmefähigkeit von mindestens 10% aufweist.

3. Sorptionswärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkleber (8) eine hohe Affinität zu Metall aufweist.

4. Sorptionswärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Keramikkleber (8) Kerathin Härter 1260 und als Adsorptionsmaterial Zeolith vom X-Typ verwendet wird.

5. Sorptionswärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sorptionsmaterial (7) aus verschieden großen Körnungen besteht.

6. Sorptionswärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Lamellen (4) etwa das doppelte des größten Granulatkornes beträgt.

7. Verfahren zur Herstellung eines Sorptionswärmeübertragers, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte

• a) Einfüllen von trockenem granulatförmigen Sorptionsmaterialmaterial in durch Lamellen und Rohre gebildete Zwischenräume eines Wärmeübertragers
• b) Verdichten des Sorptionsmaterials durch Rütteln und/oder Klopfen
• c) Einfüllen des Keramikklebers in die Zwischenräume
• d) Aushärten des Keramikklebers und dadurch Herstellen einer festen Verbindung zwischen den Zeolithpartikeln untereinander und zu den Rohren und Lamellen des Wärmeübertragers