DE2232764A1

DE2232764A1 - Vorrichtung zum waerme- und/oder stoffaustausch

Info

Publication number: DE2232764A1
Application number: DE19722232764
Authority: DE
Inventors: Philipp Dr Katz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-07-04
Filing date: 1972-07-04
Publication date: 1974-01-24

Description

Vorrichtung zum Wärme-und/oder Stoffaustausch Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärme undXoder Stoffaustausch zwischen Flüssigkeiten und Gasen.
Wärmeaustauscher zwischen Flüssigkeiten und Gasen sind sowohl in Form von Kühltürmen als auch als sogenannte trockene Wärmetauscher bereits bekannt. Kühltürme werden z.B. in Kraftwerken zur Rückkühlung des Kühlwassers verwendet. Sie haben jedoch erhebliche Nachteile.
Vor allem erfolgt dabei aus physikalischen Gründen nicht nur eine Abkühlung des Wassers, sondern es tritt gleichzeitig immer auch eine Abkühlung der Luft ein, was an sich gar nicht erwünscht ist, denn dafür wird nutzlos ein Teil der durch Verdunstung gewonnenen Kälte verbraucht. Dieser Teil steht für die Kühlung des Wassers nicht mehr zur Verfügung. Außerdem benötigen Kühltürme außerordentlich viel Platz und stören wegen ihrer Größe das Landschaftsbild erheblich. Und schließlich reichert sich durch die Verdunstung eines zeile des Wassers der Salzgehalt des Kühlwassers an, wodurch weitere Probleme (Korrosionserscheinungen) auftreten.
Bei den ebenfalls bekannten trockenen Wärmetauschern kommen die Flüssigkelt und das Gas ( vornehmlich also Luft und Wasser ) nicht miteinander in Berührung, sondern der Wärmeaustausch erfolgt durch eine feste Wand. Hierbei entfallen zwar teilsweise die im Zusammenhang mit den Kühltürmen beschriebenen Nachteile, dafür habendie trockenen Wärmetauscher aber wieder den Nachteil, daß sie viel teurer Sind.
Es bestand daher die Aufgabe einen Wärmetauscher zu finden, der den Wärmeaustausch zwischen Flüssigkeiten und Gasen nicht nur auf dem Wege der Verdunstung, und der damit zwangsläufig verbundenen Abkühlung des Gases, sondern auf dem Wege des direkten Wärmeaustausches bewirkt, ohne jedoch so aufwendig und teuer zu sein, wie ein trockener Wärmetauscher.
Außerdem ist eines der schwierigsten Zuicunftsprobleme unserer Zeit der Wärmemüll, der durch die immer mehr steigende Energieproduktion zwangsläufig anfällt. Dieser Wärmemüll wird bisher fast ausschließlich in Flüsse oder Seen (und von diesen wieder in die Luft) abgegeben, was eine beträchtliche Störung des biologischen Gleichgewichtes, verbunden mit einer erheblichen Gefahr für die Trinkwasserversorgung herbeiführen kann. Es bestand daher ferner die Aufgabe einen Wärmetauscher zu finden, der es gestattet, den Wärmemüll ohne Umweg über die Vorfluter direkt in die Luft abzugeben, in der diese Abwärme auf ihrem Weg über die Gewässer letztlich ohnehin landet.
Gemaß der Erfindung sind diese beiden vorstehend genannten Aufgaben dadurch gelöst, daß die Vorrichtung einen rotierenden Wärme und/oder Stoffaustsuscher besitzt, bestehend aus einem ventilatorähnlichen Rotor, der an der Stelle des sonst am Umfang angebrachten Schaufelsystems einen in sich geschlossenen Kranz aus einem gas- und flüssigkeitsdurchlässigen Stoff besitzt, in den die Medien gleichzeitig ein- und durchgeführt werden.
Die ein- und durchgeführten Medien, die gasförmig und/oder flüssig sein können, treten in innigste Beruhrung miteinander, wobei Erscheinungen auftreten, die man als Kikroturbulenz bezeichnen könnte. Bei diesen Vorgängen steigt sowohl der tIärne-,als auch der Stoffübergang erheblich an und übertrifft die üblichen Wärme und Stoffübergangszahlen gegebenenfalls um Größenordnungen. Die auftretenden Vorgänge - hilfsweise Mikroturbulenzen genannt - sind derzeit Im einzelnen wissenschaftlich nicht genau zu definieren, sondern derzeit nur als gegeben hinzunehmen.
Durch die innige Vermengung der Medien in dem durchlässigen Kranz erfolgt Stoff- und/oder Warmeaustausch so schnell und intensiv, daß - wenn die durgeführten Medien gasförmig sind, aber eines davon in der Nähe des Verflüssigungspunktes, dessen Verdampfungswärme an das andere Medium übergeht, -sich innerhalb des Austauscherkranzes der Phasenwechsel vollzieht und das eine Medium flüssig austritt. Ist eines der Medien bei der Zu- und Durchführung flüssig, so kann es gegebenenfalls aus dem anderen Verdampfungswärme aufnehmen und dampfförmig austreten. Ebenso tritt - wenn eines der Medien Luft, das andere Wasser ist - ein Stoffübergang von Wasser an Luft auf, durch den die durchgeführte nift befeuchtet wird, also ihren Wasserdampfinhalt erhöht.
Dieser Vorgang kann mit Abkühlung, aber auch mit Aufheizung der Iöuft verbunden sein. D.h. es steigt die Enthalpie des Gases an, während die Flüssigkeit sich abkühlt, so daß nicht gleichzeitig, wie in Kühltürmen, sich Flüssigkeit und Gas abklen0 Es kann durch die innige Verengung der Medien in dem durchlässigen Kranz außerdem nur Warmeaustausch erfolgen, so daß ebenfalls die Enthalpie des Gases und die der Blüssigkeit abkühlt, ohne daß gleichzeitig Verdunstung stattfindet.
Der auf dem Rotor befestigte Kranz kann aus den verschiedensten Materialien bestehen, z.B. aus Kunststoff, Metall- und Faserstoffen verschiedenster Art, die jeweils als Matten oder Gespinste zu dem Kranz geformt sind.
Der Kranz kann aber auch aus Keramik oder Sinterstoffen bestehen.
Je nach Art und Temperatur der Flüssigkeiten und Gase und je nachdem, ob beim Durchtritt dieser Medien durch den Rotor in den Medien ganz oder teilweise ein Zustandswechsel auftritt, kann die erfundene Vorrichtung zu verschiedenen Zwecken eingesetzt werden. Balls z.B. das Gas einen Zustandswechsel erfährt, so kann die Vorrichtung als Kondensator eingesetzt werden, zaBo zur Rckgewinnung des Kesselwassers aus dem Turbinendampf in Kraftwerken.
Erfährt dagegen die Flüssigkeit eine Zustandsänderung zum Gasförmigen hin, wird also z.B. Wasser zu Wasserdampf, so kann die Vorrichtung als Befeuchter in lufttechnischen Anlagern eingesetzt werden.
Erfahren die beiden verwendeten Medien jedoch keine Zustandsänderung, so kann die Vorrichtung als Kühler verwendet werden, insbesondere zur Rückkühlung von Kühlwasser in Kraftwerken und dgl.
In der Zeichmeng ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt und näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Diagramm, das den Vorgang bei der Rückkühlung von Kühlwasser in Kühltürmen nach dem Stand der Technik näher darstellt, Fig. 2 ein Diagramm, das den Abkühlungsverlauf in der erfundenen Vorrichtung zeigt, und Fig. 3 eine schematische Darstellung der erfundenen Vorrichtung im Qtierschnitt.
Bei Fig.1 handelt es sich um ein H;x-Diagramm für feuchte Luft nach Mollier, bei dem auf der Ordinate die Temperatur in ° Celsius aufgetragen ist und auf der Abszisse der Wasserdampfgehalt der Luft in g/kg trockener Luft. Die schräg verlaufenden Geraden zeigen die Enthalpie in kcal/kg trockener Luft. Die Kurven sind die Linien gleicher relativer Feuchte. Es ist zu erkennen, daß nicht nur das zu kühlende Wasser,sondern auch die kühlende Luft bei dem Vorgang abgekühlt wird. Dabei ist der im Diagramm eingetragene Endpunkt praktisch nicht erreichbar.
Fig.2 zeigt ein Diagramm auf dem in der Abszisse das Volumen der durch die Vorrichtung durchtretenden Medien IIuft und Wasser, auf der Ordinate die Temperatur aufgetragen iat. Im Gegensatz zu Fig.1 ist zu erkennen, daß sich hierbei das Wasser zwar abkühlt, die luft sich aber erwärmt. tie eingezeichneten Linien bedeuten nur Beispiele für einen Abkühlungsvorgang.
Die schematisch in Fig.3 dargestellte Vorrichtung besteht vor allen aus einem Rotor 1 in Ringform. Der Rotor 1 besteht z.B. aus einem Metallgespinst oder aus sonstigen Gespinstan oder Matten usw. Auf jeden Fall ist er sowohl gas- als auch flüs sigkeit sdurchlässjg. Durch einen nicht weiter dargestellten Antrieb ist der Rotor 1 mit hoher Tourenzahl drehbar.
Zentrisch in den Rotor 1 hinein ragt ein Zuleitungsrohr 2 für die Flüssigkeit, das im Bereich des Rotors in seiner Wandung Bohrungen 3 besitzt, durch welche die Flüssigkeit in den Rotor hineinspritzt. Im weiteren Verlauf der Erläuterungen soll statt von Flüssigkeiten und Gasen immer nur noch von Wasser und Luft gesprochen werden. Es ist jedoch klar, daß die erfundene Vorrichtung sich grundsätzlich für alle Flüssigkeiten und Gase eignet.
Außen ist der Rotor mit einem Gehäuse 4 umgeben, das zur Abführung sowohl des Wassers als auch der luft dient.
Die Vorrichtung arbeitet in der folgenden Weise: Durch das Rohr wird das zu kühlende Wasser zugeführt und durch die Bolirungen 3 in den sich schnell drehenden Rotor 1 gespritzt. Von der Gegenseite her wird Luft zugeführt und mit dem Wasser vermengt durch die Rotorwand gefördert. Dabei kommt es zu einer innigen Berührung (Mikroturbulenz) zwischen Iiuft und Wasser, in deren Verlauf das Wasser einen Teil seiner Wärme ohne Verdampfung an die Luft abgibt. Die Luft kühlt sich daher nicht ab, sondern nimmt direkt die Wärme des Wassers auf.
Die Vorrichtung arbeitet im vorliegenden Ausführungsbeispiel somit als Kühler, denn es findet keinerlei Zustandsänderung der Medien statt. Würde dabei durch entsprechende Gestaltung und Einstellung der Vorrichtung Wasser verdampfen, so würde sich die Luft mit Wasserdampf anreichern, und die Vorrichtung könnte als Verdampfer benutzt werden.
Findet dagegen in den Medien eine Zustandsänderung von gasförmig nach flüssig statt, so kann die Vorrichtung als Kondensator eingesetzt werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die getrennten Kreisläufe von Luft und Wasser deutlich gezeigt. Beide Medien werden innen zum Rotor 1 zugeführt und fließen außen in dem Gehäuse 4 nach unten (Wasser) und nach oben (Luft) ab.

Claims

A n s p r ü c h e

1. Vorrichtung zum Wärme- und/oder Stoffaustausch zwischen Flüssigkeiten und Gasen, die gegebenenfalls auch einen Phasenwechsel zwischen flüssig und gasförmig und umgekehrt bei einem und/oder mehreren der beteiligten Medien bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen rotierenden Wärme- und/oder Stoffaustauscher besitzt, bestehend aus einem ventilatorähnlichen Rotor (1),der an der Stelle des am Umfang angebrachten Schaufelsystems einen in sich geschlossenen Kranz aus einem gas- und flüssigkeitsdurchlässigem Stoff besitzt, in den die Medien gleichzeitig ein- und durchgeführt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kranz aus einem Kunststoffmatten-Ring besteht 3.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kranz aus einem Ring aus Kunststoffgespinst besteht.

4o Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kranz aus einem Metallgespinst besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kranz aus einem gewirkten Material besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Kranz aus einem keramischen Werkstoff besteht.

7. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kranz aus einem Sinterstoff besteht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als Kondensator verwendet wird, insbesondere zur Eondensation von Abdämpfen verschiedener Stoffe in Kraftwerken oder dergleichen.

90 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als Verdampfer, insbesondere als Befeuchter in lufttechnischen Anlagen verwendet wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als Kühler, insbesondere zur Rückkühlung von Kühlwasser in Kraftwerken oder dergleichen verwendet wird0 L e e r s e i t e