DE2654450A1

DE2654450A1 - Speichermaterial fuer waerme- und stoffuebertragung

Info

Publication number: DE2654450A1
Application number: DE19762654450
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Phys Dr Fetzer
Original assignee: Kraftanlagen AG
Current assignee: Kraftanlagen AG
Priority date: 1976-12-01
Filing date: 1976-12-01
Publication date: 1978-06-22

Description

Kraftanlagen AG., 6900 Heidelberg 1, Im Breitspiel 7
Speichermaterial für äime- und Stoffübertragung.
Die erfindung betrifft ein Speichermaterial für Wärme- und Stoffübertragung zwischen Gasströmen, insbesondere Speichermaterial für die Verwendung in umlaufenden Regenerativ-Wärmetauschern mit wärme- und stoffübertragenden Flächen.
Es ist bekannt, nichtmetallische, die Wärme schlecht leitende Werkstoffe, wie Kunststoffe, Asbest, Papier oder Textilgewebe je nach den Arbeitstemperaturen auszuwahlen und als Speicherstoff in umlaufenden liegenerativ-Wärmetauschern, beispielsweise für den Wärme-und Feuchtetausch zwischen Haumab- und -zuluft, einzusetzen (CH-PS 334 078).
Papier und Textilgewebe haben sich nicht durchsetzen können, nachdem einem breiten einsatz dieser Werkstoffe eine geringe Naßfestigkeit und Formbeständigkeit, leichte Entflammbarkeit, geringe Beständigkeit gegen Agentien, z.B.
mineralische oder organische Säuren, entgegenstehen und darüber hinaus die Gefahr der Verrottung besteht, wodurch das Material zugleich auch zu hygienischen Bedenken Anlaß gibt.
Wenngleich Kunststoffe wiederholt als Austauschmaterial genannt wurden, so liegen für Kunststoffwerkstoffe keine Erfahrungen über den technischen Einsatz vor. i)em Einsatz von Kunststoffen als Wärmespeichermaterial stchen die Kunststoffen in der Regel eigenen wärmeisolierenden und dem Einsatz als Stoffaustauschmaterial ihre wasserabweisenden Eigenschaften entgegen.
Von allen belcannten Werkstoffen hat sich in der Praxis allein Asbestpapier mit den unterschiedlichsten Imprägnierungen zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit und/oder zur Verbesserung der hygroskopischen Eigenschaften technisch durchsetzen können und seine vorzüglichen Eigenschaften hinsichtlich Austauschwirkungsgrad und Festigkeit gegenüber mechanischen Beanspruchungen sowie Entflammbarkeit über viele Jahre hinweg unter Beweis gestellt. Andererseits bedarf es aufwendiger lIerstellungsverfahren, insbesondere zahlreicher hintereinander geschalteter Verfahrensstufen der unterschiedlichsten Art, um dem Asbestpapier diejenigen mechanischen und hygròskopischen Eigenschaften zu verleihen, die den erfolgreichen Einsatz als Austauschmaterial in umlaufenden Regenerativ-Wärmetauschern für den Wärme- und Feuchtetausch erst ermöglicht haben.
In der Trocknungstechnik werden in den unterschiedlichsten apparativen Anordnungen und Verfahrensstufen feuchte, adsorbierende Stoffe, unter anderem auch Kiesel-Xerogel in Granulatform verwendet. Hierbei wird absatzweise das Bett der Schüttung in einem Arbeitszyklus beladen und in einem Re generations zyklus anschließend wieder thermisch getrocknet.
Die im Betriebszyklus aufgenommene Feuchte wird im Regenerationszyklus entweder durch einen heißen Gasstrom allein oder unter Zuhilfenahme von Heizchlangen oder -spiralen im Inneren des Adsorberbettes mit Dampf oder elektrischer Energie an einen Gasstrom übertragen.
Für die Regeneration eines derartigen Adsorberttes werden von den Herstellern des Adsorbermaterials Temperaturen von 100-300° vorgeschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Speichermaterial für Wärme- und Stoffübertragung anzugeben, das sich im Vergleich zu den bekannten Asbestmaterialien einfacher und billiger herstellen läßt, größere hygroskopische Kapazität besitzt, nicht zusätzlich mit hygroskopischen Salzen zu beaufschlagen ist und sich durch hohe Naß- und Quellfestigkeit sowie große Korrosionsfestigkeit auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Wärmetauschflächen aus Folien und/oder einem Gewirk bestehen und daß die Wärmetauschflächen Kiesel-Xerogel in Granulatform zur Ausbildung der stoffaustauschenden Oberflächen tragen oder umschließen. Die wärmetauschenden Folien oder Gewirke können hierbei aus metallischen Werkstoffen oder aus Kunststoff bestehen und die Oberflächen plan oder geprägt ausgeführt sein.
Hinsichtlich des gewählten Granulats für den Stoffaustausch liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß Kiesel-Xerogels in besonderen Maße geeignet sind, als Stoffaustauschmedium zwischen Gas strömen eingesetzt zu werden. Entgegen der herrschenden Meinung müssen nämlich Kiesel-Xerogele selbst bei Verwendung im Klimabereich zur Regeneration nicht auf hohe Temperaturen erhitzt werden. In überraschender Weise wurde festgcstellt, daß feuchte Übertragung zwischen zwei Gasströmen mittels Kiesel-Xerogelen schon dann erfolgt, wenn z.B. beide Gasströme gleiche Temperatur (200C) besitzen und sich nur in ihrem Feuchtegehalt unterscheiden (dx = 0,5 g/kg) trockene Luft. Die zu beobachtende Übertragungsrate ist in diesem Bereich mehr als doppelt so groß wie bei optimal präpariertem Asbestpapier.
lür die Herstellung des Speichermaterials bestehen untorschiedliche Möglichkeiten, so können Folien über einen Kleber als Bindeglied das Granulat tragen, indem eine 1"olienbahn zunächst mit dem Kleber beschichtet und anschließend das Granulat aufgestreut wird. Um die Adsorbtionsfläche des Granulats möglichst weitgehend auszunutzen, ist eine Schichtstärke des Kleberauftrags zwischen 15 und 80 µm und eine Körnung des Granulats zwischen 20 und 100 µM anzustreben.
sinne andere Möglichkeit besteht darin, daß eine Mischung von Granulat und Kleber hergestellt und anschließend das Gemisch auf eine Folienbahn aufgespritzt wird, bevor der Kleber abbindet. Um die hygroskopische Kapazität des Iiiesel-Xerogel-Granulats möglichst weitgehend auszunutzen-, ist es zweckmäßig, den Anteil des Klebers im Gemisch auf 2#10% zu beschränken.
Zur Herstellung des Speichermaterials kann die beschichtete Folie derart mit einer weiteren Folie verbunden werden, daß Durchgangskanäle für die Gasströme entstehen, so daß eine oder beide Folien mit Abstand mit den abstandhaltenden Ausprägungen versehen sind und die Folien über illrc Berührungsstellen miteinander verklebt werden.
Auf diese Weise können Speicherpakete oder aber auf ein in Dorn oder eine Nebenwelle aufgewickelte Ringspeicher hergestellt werden.
Das Speichermaterial läßt sich auch in der Weise herstellen, daß Folien und Gewirk genicinsani bloße Schüttungen eines gröberen Granulats umschließen. Zu diesem Zweck kann auf eine Folienbahn das Granulat aufgestreut und mit einem Gewirk überdeckt und dainit fixiert werden, wobei die Maschenweite geringer ist als der Durchmesser der Körnung des Granulats, worauf zumindest in den j?andzonen Gewirk und Folienbahn miteinander durch Kleben oder Schweißen zu verbinden sind. Derartiges Ausgangsmaterial - Verbund voii Bahnen und Gewirk, dio das Granulat gemeinsam tragen - eignet sich im besonderen Maße durch Wickeln dieses Verbunds auf eine Nabenwelle oder ein Nabenrohr das Speicherniaterial herzustellen.
Andererseits besteht die Möglichkeit nach Verbinden eines geprägten und eines cbenen Folienbandes diese gemeinsam auf eine Welle oder Nabe aufzuwickeln, die unteren axialen Öffnungen der gebildeten Hohlräume mit einem Gewirk zur Abstützung zu überdecken und die Hohlräume mit einer losen Schüttung des Granulats zu verfüllen. Je nach der betrieblichen Lage der Achse des Speichers - vertikal oder horizontal - ist eine einseitige Abstützung der Schüttung des Granulats oder ihr beidseitiges Einschließen erforderlich.
Zur Herstellung eines Granulats in gröberer Körnung wird das in pulveriger Konsistenz vorliegende Kiesel-Xerogel zunächst mit Wasser befeuchtet und dann das Bindmittel zugemischt. Das Befeuchten verhindert ein Eindringen des Bindemittels in den Adsorberkörper. Der Dindemittelzusatz soll hierbei vorzugsweise zwischen 2#10% betragen.
Als Billdemittel eignen sich Polyurethan, Epoxydharz oder anorganisches Glas mit niedriger Brlfeichungstemperatur, sogenanntes Glaslot mit Schmelztemperaturen zwischen 200 und 6000C. Das Gemisch aus Adsorbens und bindemittel wird pelletisiert und bei an den Binder angepaßten Temperaturen getrocknet bzw. gebrannt.
Zur Brläuterung der Erfindungsgedanken werden verschiedene Ausführungsformen des Speichermaterials schematisch dargestellt, und zwar zeigt: Fig. 1 eine Schnittansicht durch eine Folie mit über einen Kleberauftrag gebundenem Granulat; Fig. 2 eine Schnittansicht durch ein Speichermaterial in Form eines Verbunds von Folie und Gewirk, die eine Granulatschicht einschließen; Fig. 3 eine Schnittansicht durch eine Folie in Form eines Vielfachprofils mit Granulatschüttungen in den Profilhohlräumen und Abstützung auf einem Gewirk; und Fig. 4 einen Teilbereich eines grobkör-nigen Granulats.
Das in Fig. 1 dargestellte Speichermaterial wurde in der Weise hergestellt, daß zunächst eine Folie 11 aus Metall oder Kunststoff mit einem Kleberauftrag 13 versehen wird.
Noch vor Abbinden des Klebers erfolgt dann das Aufstreuen des Granulats. Die Schichtstärke des Kleberauftrags wird hierbei derart gewählt, daß eine ausreichende haftung des Granulats erzielt wird, der Kleber jedoch nicht in die itäume zwischen den einzelnen Körnern des Granulats einzudringen vermag. In die Zwischenräume eindringender Kleber würde die stoffaustauschende Oberfläche bedecken und damit für den Austausch unwirksam machen. Das auf diese Weise hergestellte Speichermaterial wird zur Herstellung des Speiherkörpers mit einem nicht dargestellten weiteren, gewellt ausgcführten folienband kombiniert.
Auch dieses zweite gewellte Band wird zunächst mit einem Kieberauftrag versehen und vor Abbinden des Klebers auf das Granulat 15 des ersten Folienbandes 11 autgelegt. Die Verbindung beider Folienbänder erfolgt somit über die llellenberge der zweiten Folie und das Granulat 15, mit dem die erste Folie 11 beschichtet urde. Der auf das zweite, gewellt ausgeführte Folienband aufgetragene Kleber bildet hierbei das Bindeglied.
Aus Fig. 2 ist eine abgewandelte Ausführung des Speichermaterials zu entnehmen, bei der zwischen einer Folie 21 und einem Gewirk 27 eine Granulatschicht 25 eingeschlossen ist. Für ein sicheres Abstützen der Granulatschicht ist eine punktförmige Verbindung des Gewirks 27 mit der Folie 21 vorzusehen. Ein derartiger Verbund wird mit einer geprägten Folie kombiniert, um die Durchgangskanäle für die wärme- und stoffaustauschenden Gasströme zti erhalten.
In Fig. 3 ist eine Ausführung des Speicherniaterials dargestellt, bei der eine Folie 31 mit Ausprägungen in Form eines Vielfachprofils versehen wurde. Der Schnitt ist senkrecht zur ilauptachse der Hohlprofile geführt. Die hohlräume der Profile sind mit Schüttungen eines grobkörnigen Granulats 35 verfüllt, so daß zwischen dem Granulat sowie zwischen diesem und den Profilwänden Durchgangswege für die wärme- und stoffaustauschenden Gase vorhanden sind. Die Schüttungen des Granulats stützen sich auf einem Gewirk 37 vor den unteren Öffnungen der Itohlprofile ab.
Eig. 4 zeigt in vergrößertem Maßstab Granulat 45 gröberer Körnung. Diese Granulatform wird in der Weise hergestellt, daß das in pulveriger Konsistenz vorliegende Kiesel-Xerogel zunächst befeuchtet und erst dann mit dem Bindemittel 49 vermischt wird. Das Befeuchten des Iviesel-Xcrogelpulvcrs verhindert ein Eindringen des Bindemittels in den Adsorberkörper beim Pelletisieren. Das aufgenommene Wasser wird beim anschließenden Trocknen bzw. Brennen des Granulats gröberer Körnung wieder verdampft, so daß die volle Wirksamkeit für den Stoffaustausch wieder hergestellt ist.
Wenngleich unter Verwendung des erfindungsgemäßen Speichermaterials hergestelite Tauscher besondere Bedeutung für die Verwendung in Klimaanlagen haben, so ist mit den gleichen vorteilhaften Wirkungen auch der Einsatz derartiger Speichermat-erialien in Trocknungsanlagen gegeben.
An die Stelle eines Zu- und Abluftstroms treten in diesem Falle der zu trocknende Gasstrom einerseits und der die Regeneration bewirkende Gasstrom andererseits.
Von wesentlicher Bedeutung ist auch in diesem Falle, daß in Anpassung an den Betriebstemperaturbereich der stoffaustauschenden Gasströme die Regeneration bis herab zur itaumtemperatur vorgenommen werden kann, d.h. keine besonderen Einrichtungen zur Erzeugung eines Gasstromes hoher Temperatur oder zur Beheizung des Speichermaterials zum Zweck der Regenerierung des Granulats erforderlich sind.
L e e r s e i t e

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Speichermaterial für die Verwendung in tunlaufendon ltegenerativ-Tauschern für AJärme- und Stoffübertragung zwischen Gasströmen, insbesondere Zu- und AbluStströmen von klimatisierten Gebäuden, dadurch gckennzeichnet, daß die wärmetauschflächen aus Folien (11; 21; 31) und/oder einem Gewirk (27; 37) bestehen und daß diese Wärmetauschflächen Kiesel-Xerogel in Granulatform (15; 35; 45) für die Ausbildung der stoffaustauschenden Oberflächen tragen oder umschließen.
2. Speicllerr.laterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Folien (11) über einen Kleber (13) als bindeglied das Granulat (15) tragen.
3. Speichermaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Granulat (15) in Mischung mit einem Kleber (13) auf die wärmetauschenden Flächen aufgespritzt ist und der Anteil des Klebers (13) am Gesamtgemisch 2#10% beträgt.
4. Speichermaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleber (13) eine Schichtstärke zwischen 15 und 80µm und das Granulat (15) eine Körnung zwischen 20 und 100 µm aufweist.
5. Speichermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Folien (21; 31) und Gewirk (27; 37) eine Schüttung des Granulats (25; 35) umschließen.
6. Speichermaterial nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Folien (31) Hohlprofile bilden, die Schüttungen des Granulats (35) radial begrenzen, während Gewirke (37) ein- oder beidseitig die axialen Öffnungen der Hohlprofile überdecken.
7. Speichermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Granulat (45) in Nischung mit einem Trägermaterial (49) geformt und zur Ausbildung is Wärme- und Stoffaustauschflächen ausgehänet is
8. Verfahren zur Herstellung von Speichermaterial zur umlaufende Regenerativ-Tauscher für Wärme- und Stoffübertragung zwischen Gasströmen, dadurch gekennzeichnet, daß granulatförmiges Kiesel-Kerogel mit einem Trägermaterial zu bahnförmigen, we rverarbeitbaren peichermaterialbahnen vebunden wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennz-ichnet, daß eine als Trägermaterial diemende Folienbahn zunächst mit einem Kleber beschichtet, dann die Kleber schicht mit Kiesel-Xerogel in Granulatform bestreut und der Kleber anschließend zum Abbinden gebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnc , daß aer Kleber in einer Schichtstärke zwischen 15 un aufgetragen und die Kleberschicht mit Granulat Körnung zwischen 20 und 100µM bestreut wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beschichtete Folie mit einer weiteren Folie so verbunden wird, daß Durchgangskanäle für Gasströme entstehen.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Durchgangskanäle wenigstens eine Folie verwendet wird, die mit abstandshaltenden Ausprägunsen versehen ist, daß diese Folie mit de Ausprägungen zur anderen Folie weisend auf diese andere Folie aufgebracht wird und daß die beiden Folien im Bereich ihrer Berührungsstellenmiteinander verklebt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung von Iiiesel-Xerogel-Granulat und Kleber hergestellt, das Gemisch dann auf eine als Trägermaterial dienende Folienbahn aufgespritzt und der Kleber anschließend zum Abbinden gebracht wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Klebers im Granulat-Kleber-Gemisch auf 2 bis 10% eingestellt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine als Trägermaterial dienende Folie Kiesel-Xerogel in Granulatform aufgestreut und die aufgestreute Granulatschicht mit einem Gewirk überdeckt wird, dessen Maschenweite kleiner als die Korngröße des Granulats ist, und daß Gewirk und Folie zumindest im Randbereich miteinander verklebt oder verschweißt werden.
16. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit Ausprägungen versehene Folienbahn mit den Ausprägungen auf eine ebene Folienbahn aufgebracht und im Bereich der Berührungsstellen mit der ebenen Folienbahn verbunden wird, daß die zwischen den Folien und den Ausprägungen gebildeten Zwischenr«-iumc mit Kles el-Xcrogel in Granulatform verfüllt werden, unddaß wenigstens eine der offenen Stirnseiten des miteinander verbundenen Folicnpaares durch ein Gewirk abgeschlossen wird, dessen Maschenweite geringer als die Korngröße des Granulats ist.
17. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kiesel-Xerogel-Granulat mit einem aushärtbaren flüssigen oder pasteusen Trägermaterial vermischt wird, daß das Gemisch dann in die gewünschte Form gebracht wird, und daß das Trägermaterial dann ausgehärtet wird.