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Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen oder quasi-
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kontinuierlichen Wärmetausch zwischen zwei Fluiden Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen Wärmetausch
zwischen zwei Fluiden unterschiedlicher Temperatur durch Transport von Wärmetauschmasse
im geschlossenen Kreislauf in abwechselnder wärmeleitender Verbindung mit dem einen
und dem anderen Fluid unter Ausnutzung von Phasenumwandlungswärme.
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Ein solches Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens
sind aus der gattungsgemäßen DE-OS 30 38 723 bekannt. Die Wärmetauschmasse ist in
einem Rotor angeordnet, und ihr Transport erfolgt durch Drehung dieses Rotors, der
abwechselnd von warmem und kaltem Gas umströmt wird. Als Wärmetauschmasse wird ein
Material aus mindestens zwei Komponenten, nämlich einem Trägermaterial und einem
wärmespeichernden Material, verwendet. Das wärmespeichernde Material ist in gegen
die Fluide abgeschlossenen Hohlräumen oder Waben des Trägermaterials angeordnet,
und seine Wärmespeicherkapazität beruht auf einer Phasenumwandlung und/oder einer
chemischen Reaktion.
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Es sind ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen
oder quasikontinuierlichen Wärmetausch zwischen
zwei Fluiden unterschiedlicher
Temperatur durch Transport von Wärmetauschmasse in abwechselnder wärmeleitender
Verbindung mit dem einen oder anderen Fluid bekannt, bei dem ein Rotor verwendet
wird und Wärme aus einem Warmgasstrom in Form von spezifischer Wärme im Blech des
Rotors gespeichert wird und nach Weiterdrehung des Rotors an einen aufzuwärmenden
Kaltluftstrom abgegeben wird. Diese Regenerativ- oder Ljungström-Luftvorwärmung
ist nicht für hohe Temperaturen geeignet. Ein weiterer Nachteil des Ljungström-Systems
besteht darin, daß eine sehr große Rotormasse bewegt werden muß. Man hat auch schon
vorgesehen, den Wirkungsgrad durch Vollsorption günstig zu gestalten (Prospekt Econovent
und Rototherm der Kraftanlagen AG, Heidelberg).
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Es ist ferner aus der DE-OS 30 06 733 ein Verfahren zum Nutzbarmachen
von Wärme bekannt, bei dem diese zum endothermen Austreiben einer verflüchtigbaren
Substanz aus einer Wärmetauschmasse verwendet wird, die verflüchtigte Substanz kondensiert
wird und die Wärmetauschmasse an einen anderen Ort transportiert und dort zur Erzeugung
von Nutzwärme oder Nutzkälte mit verflüchtigter Substanz wieder exotherm vereinigt
wird. Bevorzugt werden bei diesem Verfahren als Wärmetauschmasse Zeolith und als
verflüchtigbare Substanz Wasser verwendet. Dieses bekannte Verfahren arbeitet mit
einem offenen Stoffsystem, und es ist in der Druckschrift nirgends die Anwendung
auf ein geschlossenes System offenbart.
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In der Diplomarbeit von Eberhard Lävemann (Ludwig-Maximilians-Universität
- München 1981) ist die Konzeption einer Absorptionsheizanlage unter Verwendung
trockener Zeolithe als Energieträger beschrieben. Auch das durch diese Diplomarbeit
bekannte Verfahren und die darin vorgeschlagenen Vorrichtungen arbeiten mit offenem
Kreislauf.
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Bekannt sind ebenfalls rotierende Systeme, deren Oberflächen mit porösen
Substanzen (z.B. Silicagel) beschichtet sind, wodurch aus der Abluft kondensiertes
Wasser zur Luftbefeuchtung an die trockene Zuluft transportiert werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für den Wärmetausch einen
besonders hohen Wirkungsgrad anzustreben.
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Diese Aufgabe ist durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs
1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert folgendermaßen: Befindet
sich die Wärmetauschmasse in wärmeleitender Verbindung mit dem wärmeren Fluid, so
wird das Kältemittel von der Wärmetauschmasse desorbiert. Es wird somit Wärme in
Form von spezifischer Wärme und Absorptionswärme gespeichert. Das desorbierte Kältemittel
wird anschließend zur Wärmetauschmasse transportiert, die sich in wärmeleitender
Verbindung mit dem kälteren Fluid befindet und dort an der Wärmetauschmasse ad-
oder absorbiert. Diese Wärmetauschmasse gibt einerseits die gespeicherte spezifische
Wärme an das kältere Fluid ab, zum anderen wird durch die Absorption des Kältemittels
Absorptionswärme frei, die ebenfalls an das kältere Fluid abgegeben wird.
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Anschließend wird die mit dem Kältemittel beladene Wärmetauschmasse
zum wärmeren Fluid hin transportiert.
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Gleichzeitig mit diesen beiden Schritten läuft der vierte Schritt
ab, bei dem die bisher mit dem wärmeren Fluid in wärmeleitender Verbindung befindliche
Wärmetauschmasse, aus der das Kältemittel desorbiert wurde,
zum
kälteren Fluid hin transportiert wird und sich währenddessen abkühlt. Die Wärmetauschmasse
ist ab Unterschreiten einer bestimmten Temperatur wieder absorptionsfähig und kann
dann das zu ihr hin transportierte Kältemittel, wie oben beschrieben, aufnehmen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren laufen somit zwei einander überlagerte Prozesse
ab, einmal der Absorptions-/Desorptions-Prozeß, der zugleich mit Phasenumwandlungen
(Kondensation und Verdampfung) verknüpft ist, und zum anderen ein Transportprozeß,
der,dem ersten Prozeß überlagert, die Kontinuität des erfindungsgemäßen Verfahrens
schafft. Dieser Transportprozeß beinhaltet einerseits den Transport des desorbierten
Kältemittels zur absorptionsfähigen Wärmetauschmasse, andererseits den Transport
der Wärmetauschmasse in abwechselnd wärmeleitende Verbindung mit dem einen und mit
dem anderen Fluid. Diese gesamten Prozesse spielen sich alle im abgeschlossenen
Kreislauf ab, d.h. die Menge der Wärmetauschmasse und des Kältemittels bleiben im
System konstant.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die
Wärmetauschmasse als Ad- oder Absorber für ein gasförmiges Kältemittel verwendet
wird. In der Wärmetauschmasse wird Wärme in Form von spezifischer Wärme sowie von
Absorptionswärme, d.h. von Verdampfungs- und Lösungswärme, gespeichert. Diese Speichermechanismen
s-ind wesentlich effizienter als die bekannten Speichermechanismen, so daß eine
wesentlich größere Wärmemenge, auf die Wärmetauschmasseneinheit bezogen, transportiert
werden kann. Folglich kann mit einer gleich großen Wärmetauschmassenmenge wie bisher
eine wesentlich größere Wärmemenge vom wärmeren Fluid zum kälteren Fluid transportiert
werden, oder es bietet sich alternativ die Möglichkeit, bei gleichbleibend großer
Wärmeübertragungsmenge die Masse der Wärmetauschmasse zu reduzieren. So ergibt sich
beispielsweise durch die Erfindung
gegenüber dem aus der gattungsgemäßen
DE-OS 30 78 723 bekannten Verfahren eine Reduktion um über 50 %! Für die Übertragung
einer bestimmten Wärmemenge braucht man weniger als halb soviel Energie zum Transport
der Wärmetauschmasse von der wärmeleitenden Verbindung mit dem einen zu der mit
dem anderen Fluid aufzuwenden.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
daß mit ihm Abwärmen auf jedem beliebigen Temperaturniveau zurückgewonnen werden
können, das lediglich durch das jeweilige Wärmetauschmassen-/Kältemittel-System
nach oben und unten begrenzt ist. Beispielsweise liegt der Abwärme-Temperaturbereich
bei einem System von Zeolith und Wasser zwischen etwa 200 und etwa 500"C. Diese
beispielsweise angeführten Zahlenwerte sind jedoch in keiner Weise einschränkend
für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens; sie dienen lediglich zur Veranschaulichung.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit bei warmen Fluiden mit wesentlich höheren
Temperaturen eingesetzt werden, als dies beispielsweise bei dem bekannten Ljungström-Luftvorwärmer
der Fall ist. Entsprechend ist der Anwendungsbereich wesentlich größer.
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Die Temperaturen, bei denen das erfindungsgemäße Verfahren angewendet
werden kann, hängen lediglich von der Wahl des Stoffsystems ab, also von der jeweils
verwendeten Wärmetauschmasse und dem jeweiligen Kältemittel. Es kann somit für den
jeweiligen Anwendungsfall stets mit einem günstigen Stoffsystem gearbeitet werden.
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Eine besonders zweckmäßige Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, daß für den Transport des
desorbierten Kältemittels
zum Ort seiner Absorption nach Anspruch 2 lediglich die Eigenkonvektion des Kältemittels
benutzt wird. Es wird daher zur Durchführung des Verfahrens besonders wenig Energie
benötigt, was sich günstig auf die Energiebilanz auswirkt. Außerdem sind keine kostenaufwendigen
Vorrichtungen für den Transport des Kältemittels erforderlich.
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Gemäß einer anderen zweckmäßigen Variante des Verfahrens nach Anspruch
3 wird der Druckgradient des Kältemittels teilweise zur Energieentnahme genutzt.
In diesem Fall kann von dem Wärmetauschsystem Arbeit geleistet werden, beispielsweise
ein Generator angetrieben werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nach Anspruch 4 vorteilhaft mit
flüssiger Wärmetauschmasse durchgeführt, wobei zweckmäßig ein Wasser-/Ammoniak-
oder Lithiumbromid-Wasser-/Wasserdampf-System verwendet wird (Ansprüche 5 und 6).
Das Verfahren ist aber keinesfalls nur auf diese Wärmetauschmassen-/Kältemittel-Systeme
beschränkt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann ebenfalls vorteilhaft mit einer
festen Wärmetauschmasse angewendet werden, beispielsweise mit einem Zeolith-/Wasserdampf-
oder Zeolith-/ Ammoniak-System (Ansprüche 7 und 8). Zeolith ist ein äußerst günstiger
Werkstoff, da sich sein Volumen mit veränderndem Beladungszustand kaum verändert.
Auf diese Weise ist die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete
Apparatur keinen starken mechanischen Belastungen ausgesetzt und somit wesentlich
verschleißärmer.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch keineswegs
nur
auf Zeolith als feste Wärmetauschmasse beschränkt. Beispielsweise bietet sich das
Stoffsystem CaO-/H2O für hohe Temperaturen, ca. 600 bis 700"cm an.
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Durch die Erfindung wird auch eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8 geschaffen. Diese Yorrichtung weist eine
Einrichtung auf, die die abgeschlossen angeordnete Wärmetauschmasse in abwechselnde
wärmeleitende Verbindung mit dem einen oder anderen Fluid bringt, sowie einen Aufnahmeraum
für das Kältemittel, der mit der Wärmetauschmasse kommuniziert.
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Vorteilhaft ist nach Anspruch 10 der Aufnahmeraum ständig direkt mit
der Wärmetauschmasse verbunden. Dies ermöglicht einerseits, lediglich mit Eigenkonvektion
des Kältemittels zu arbeiten, andererseits sind aufwendigere Umstellarbeiten u.
dgl. nicht erforderlich.
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Vorzugsweise ist nach Anspruch 11 der Aufnahmeraum mit der gesamten
wirksamen Oberfläche der Wärmetauschmasse verbunden. Dies gestattet einen größtmöglichen
Wirkungsgrad des Energieumsatzes, da so das Kältemittel keine großen Transport-
und Diffusionswege zurückzulegen hat und sich somit die Zeit bis zur Absorption
bzw. die Zeit bis zur wirksamen Desorption und völligen Trennung von Kältemittel
und Wärmetauschmasse wesentlich verkürzt.
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Ein anderes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zeichnet sich durch eine vom Druck des Kältemittels beaufschlagte Energieentnahmeeinrichtung
aus. Mit dieser kann beispielsweise der Druckgradient im Kältemittel genutzt werden
und Arbeit geleistet werden, indem beispielsweise ein Generator oder
auch
eine Pumpe für den Umlauf von flüssigen Stoffen im System angetrieben werden können
(Anspruch 12).
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Der Transport von Wärmetauschmasse und Aufnahmeraum für das Kältemittel
kann auf verschiedene Weise geschehen, z.B. durch eine Hin- und Her- oder Auf- und
Abbewegung oder eine Kombination dieser Bewegungen, die beispielsweise auch spiralförmige
Bewegungsbahnen umfaßt. Genauso ist aber auch eine Drehbewegung von Wärmetauschmasse
und Aufnahmeraum für das Kältemittel möglich, und es ist auch eine im wesentlichen
getrennte Bewegung von Kältemittel und Aufnahmeraum möglich, wobei jedoch die Kommunikation
von Kältemittel und Wärmetauschmasse aufrechterhalten bleibt.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
weist einen von beiden Fluiden durchströmbaren Rotor auf, der die Wärmetauschmasse
in abwechselnde wärmeleitende Verbindung mit dem einen oder anderen Fluid bringt
und der im Wechsel angeordnete, miteinander kommunizierende Bereiche mit Wärmetauschmasse
und Durchströmungswege für die Fluide aufweist. Diese Ausbildung ist besonders energiesparend,
da zur Drehung des Rotors besonders wenig Energie in bezug auf die transportierte
bzw. rotierte Wärmespeichermasse aufgewendet werden muß. Die Anordnung ist besonders
einfach und platzsparend. Statt eines durchströmten Rotors kann auch ein lediglich
umströmter Rotor verwendet werden.
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Nach Anspruch 19 ist der Rotor abschnittweise durchströmbar.
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Dies ermöglicht es, die Fluide mit möglichst großen Flächen in Kontakt
zu bringen, über die der Wärmeumsatz bzw. Energietransport zur Wärmetauschmasse
stattfindet, und auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren mit besonders
großem
Wirkungsgrad durchgeführt werden-.
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Zweckmäßig können nach Anspruch 20 für die abschnittsweise Durchströmung
des Rotors Kanäle in der Wärmetauschmasse angeordnet sein. Alternativ kann die Wärmetauschmasse
auch so angeordnet sein, daß durch ihre Anordnung verschiedene Abschnitte für die
Fluide gebildet werden (Anspruch 21), die den Fluiden einen geringeren Strömungswiderstand
bieten.
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Günstig ist z.B. eine segmentartige oder konzentrische Anordnung der
von den beiden Fluiden durchströmbaren Abschnitte (Anspruch 22 und 23). Selbstverständlich
können auch die bislang angeführten Anordnungen miteinander kombiniert werden, oder
es können Schlitze in der Wärmetauschmasse ausgebildet sein, spiralförmige Durchströmungskanäle
vorgesehen sein oder überhaupt irgendwelche unregelmäßige Durchströmungsdurchlässe.
All diese angeführten Anordnungen und viele andere lassen sich selbstverständlich
auch auf eine andere Einrichtung für den Transport der Wärmetauschmasse übertragen,
sie sind also nicht auf einen Rotor beschränkt.
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Vorzugsweise sind in dem von den beiden Fluiden durchströmbaren Raum
mit der Wärmetauschmasse leitend verbundene Lamellen angeordnet (Anspruch 24), wodurch
der Energietransport zwischen den beiden Fluiden wesentlich vergrößert ist.
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Nach Anspruch 25 können auch mehrere Rotoren in Reihe angeordnet sein.
Diese Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist den leicht einzusehenden
Vorteil auf, daß mit mehreren Rotoren mehr Energie übertragen werden kann.
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Außerdem ist es möglich, an verschiedenen Stellen einer Leitung mit
verschieden hoher Fluid-Temperatur mit verschiedenen Stoffsystemen zu arbeiten,
so daß die Abwärme besonders wirksam genutzt werden kann.
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Übrigens muß die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors.entsprechend
den Stoffdaten des jeweiligen Systems sowie den Strömungsgeschwindigkeiten ausgelegt
werden. Ein üblicher Wert für die Drehzahl des Rotors liegt bei ein bis drei Umdrehungen
pro Minute.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
lassen sich vorteilhaft zur Vorwärmung von Luft, beispielsweise auch in Schiffskesseln,
anwenden.
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Ebenfalls vorteilhaft ist eine Erwärmung weiterer Gegenstände durch
das aufzuwärmende Fluid.
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Eine bevorzugte Variante unter diesen Anwendungen ist jedoch nach
Anspruch 26 und 27 die Beheizung. So kann beispielsweise die Abwärme von Maschinen,
Öfen u. dgl.
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verwendet werden, um Räume, beispielsweise Werkhallen u. dgl., zu
beheizen. Hierzu wird vorteilhaft mit einer flüssigen Wärmetauschmasse gearbeitet,
die durch eine Pumpe in Umlauf gesetzt wird und an einer Stelle -im Umlauf system
sich in Wärmetausch mit einem kälteren Fluid und an einer anderen Stelle im Wärmetausch
mit einem wärmeren Fluid befindet. Es ist so einmal möglich, das aufgewärmte Fluid
in Wärmetauscher zu leiten oder es direkt in die zu beheizenden Räume zu führen.
Es ist
aber auch möglich, die Wandung der Wärmetauschmasse direkt
mit den zu beheizenden Räumen oder Gegenständen in Kontakt zu bringen. Eine weitere
Nutzungsmöglichkeit einer solchen Vorrichtung besteht in der Nutzung des Druckgradienten
im Kältemittel, das in einer separaten Leitung zum Absorptions-,ort,geführt werden1
kann. Gegebenenfalls kann über diesen Druckgradienten, der z.B. über eine Drossel,
die Pumpe teilweise mit angetrieben werden, af. auch ein Notstromaggregat.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
in Verbindung mit der Beschreibung und der Zeichnung hervor. In letzterer zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem segmentweise aufgebauten Rotor;
Fig. 2 eine Vorderansicht eines segmentweise aufgebauten Rotors mit abgenommener
Vorderplatte; Fig. 3 eine teilweise weggebrochene Vorderansicht eines von den beiden
Fluiden durchströmbare Kanäle aufweisenden Rotors; Fio. 4 eine Ansicht des in Fig.
3 dargestellten, in Längsrichtung aufgeschnittenen Rotors; Fig. 5 eine Ansicht eines
Rotors mit koaxial um die Drehachse angeordneter Wärmetauschmasse; Fig. 6 eine erfindungsgemäße
Vorrichtung mit mehreren hintereinander angeordneten Rotoren; und Fig. 7 ein Prinzipbild
eines Heizsystems, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung angewendet werden.
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Fig. 1 veranschaulicht eine Vorrichtung zur Durchführuna des erfindungsgemäßen
Verfahrens, mit der einem ersten, wärmeren Fluid Wärme entnommen und diese einem
zweiten, kühleren Fluid zugeführt wird. Die beiden Fluide durchströmen ein durch
eine Trennwand 12 in zwei Strömungsbereiche 14 und 16 aufgeteiltes (;eliäuse 10.
Das wärmere Fluid durchströmt den oberen iStrömungsbereich 14 von links nach rechts,
wie Pfeil 18 veranschaulicht, und das kältere Fluid durchströmt den
unteren
Strömungsbereich von rechts nach links (Pfeil 20).
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In diese beiden Strömungsbereiche ragt ein zylindrischer Rotor 40;
den die Trennwand 12 eng umschließt und dessen mechanische Drehachse 42 in einer
durch eine Auswölbung 22 der Trennwand gebildeten Führuncr drehbar gelagert ist.Ein
Pfeil 44 veranschaulicht die Drehrichtung des Rotors 40.
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Bei dem Rotor 40 sind im Wechsel segmentartige Wärmetauschmassenbereiche
und Durchströmungswege für die beiden Fluide angeordnet, von denen letztere in Form
von segmentförmigen Abschnitten 46 dargestellt sind. In diesen Abschnitten 46 ist
Wellfolie 48 angeordnet, die mit der Wärmetauschmasse bzw. der sie umschließenden
Wandung 50 gut wärmeleitend verbunden ist. Sie dient für den wirksamen Umsatz von
Wärme zwischen dem Rotor bzw. dessen Wärmetauschmasse und den beiden Fluiden. Die
Wärmetauschmasse selbst ist durch den zylindrischen Mantel 52, die Wandung 50 und
kreisförmige Platten 54, in denen Segmentabschnitte für die Kanäle 46 ausgespart
sind, gegenüber den beiden Fluiden völlig abgeschlossen und in Fig. 1 nicht zu sehen.
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Der Rotor 40 wird mittels eines nicht gezeigten Antriebsmotors in
Bewegung versetzt und dreht sich im gezeigten Beispiel, bei dem mit Zeolith und
Wasser gearbeitet wird, mit einer Drehzahl von 1 1/2 Umdrehungen pro Minute. Diese
Drehzahl hängt von den Stoffdaten des Systems (z.B. Wärmeleitfähigkeit, Wärmeübergangszahlen,
usw.) und von der mittleren Temperaturdifferenz zwischen den Fluiden sowie deren
Strömungsgeschwindigkeiten ab.
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Der gezeigte Rotor hat einen Durchmesser von 1 bis 2 m. In dieser
Größe wird er gängig verwendet. Es gibt jedoch auch Ausführungsformen mit Rotoren
größeren Durchmessers, je nach den Gegebenheiten der Bedingungen, etwa PluidströmunasgeschwindigkeiLell,
T'rnpL'raturen, umzusetzende rJarme, StofFdaten, Gehäuseabmessungen,usw. Aus demselben
Grunde gibt es auch Rotoren mit kleineren Durchmessern, bis zum Zentimeterbereich.
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Bei dem in Fig. 2 gezeigten Rotor ist die vordere Platte 54 entfernt
worden, so daB der innere Aufbau des Rotors, insbesondere die wechselweise Anordnung
von Wärmetauschmasse und Durchströmungswegen für die Fluide zu sehen ist. Die Achse
42 ist im Schnitt dargestellt und ist umgeben von einem zylindrischen Hohlraum 56,
der zusammen mit einem zweiten ringförmigen Hohlraum 58 direkt innerhalb des Mantels
52 als Aufnahmeraum für das aus der Wärmetauschmasse ausgetriebene, desorbierte
Kältemittel dient.
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Zwischen den beiden Hohlräumen 56 und 58 erstrecken sich abwechselnd
Segmente, die die Wärmetauschmasse enthalten bzw.
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von den beiden Fluiden durchströmbare Abschnitte 46 darstellen.
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Die Abschnitte 46 sind an ihren Stirnseiten durch Wandabschnitte 60
bzw. 62 ebenfalls hermetisch gegenüber den Hohlräumen 56 und 58 abgeschlossen. In
dem Raum zwischen der die Seitenwände der Abschnitte 46 begrenzenden Wandung 50
ist Wellfolie 48 gut wärmeleitend mit dieser Wandung verbunden.
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Die Wellfolie bildet große Wärmetauschflächen für die Fluide, die
die Abschnitte 46 durchströmen und Übertragen die jeweils umgesetzte Wärme über
die Wandung 50 auf die Wärmetauschmasse in den angrenzenden Segmentabschnitten.
Ein geeigneter Werkstoff für die Wellfolie ist beispielsweise Aluminium. Zusätzlich
oder alternativ können auch die Wandung 50 und die Wandabschnitte 60 und 62 gewellt
ausgebildet sein, um eine grö-Bere übertragungsfläche zu bilden. Statt mit einer
Wellung können diese Flächen auch mit Lamellen bzw. Rippen zur Vergrößeren ihrer
Außen- bzw. Wärmeübertragungsfläche ausgebildet sein. Diese wärmetauschenden Flächen
der Wandung 50 und die Wandabschnitte 60 und 62 sind besonders günstig aus Wärmeübertragungsgründen
aus Metall, beispielsweise a;is xIetallfolie, hergestellt. Sie können aber auch
aus kunststoffummanteltem Metall oder aus Kunststoff direkt,
gegebenenfalls
ebenfalls in Folienform bestehen oder aus keramischem Material, etwa durch Versinterung
oder Glasur gebildet sein, was insbesondere bei aggressiven Medien aus Korrosionsgründen
erforderlich ist. Die Wahl des jeweiligen Materials hängt von den Parametern der
jeweiligen Umgebungsbedingungen, etwa von der Aggressivität der Fluide, den Temperaturen,
usw. ab, ebenfalls von der jeweiligen Konstruktion und Preisvorgaben.
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Es ist möglich, die Wärmetauschmasse direkt fest verbunden mit der
wärmetauschenden Fläche der Wandung 50 auszubilden, beispielsweise durch Verklebung.
In diesem Fall können die Bereiche 80 mit der Wärmetauschmasse und die Abschnitte
46 jeweils sehr dünn ausgebildet sein, was die Wärmeübertragung verbessert. Die
Wärmetauschmasse, im vorliegenden Fall z.B.
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Zeolith, ist in Fig. 2 durch Punkte 82 angedeutet. Sie ist gasdurchlässig
durch Trennabschnitte 84 und 86 von den Hohlräumen 56 und 58 abgetrennt. Die Trennabschnitte
84, 86 sowie die Wandung 50 bilden zusammen mit den Platten 54 eine Halterung für
die Wärmetauschmasse 82, falls diese geschüttet ist bzw. falls die Wärmetauschmasse
aus Granulat oder Pulver besteht. Die Wärmetauschmasse kann aber auch in den Bereichen
80 in Form dünner Platten vorliegen.
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In der Desorptionsphase entweicht das Kältemittel, im vorliegenden
Fall Wasserdampf, aus den Bereichen 80 in die Hohlräume 56 und 58 und gelangt durch
Konvektion in die Nähe der Wärmetauschmasse, die sich in wärmeleitender Verbindung
mit kälteren Fluid befindet und kondensiert gegebenenfalls in den kälteren Bereichen
der Hohlräume 56 und 58. Durch die Absorption des Kältemittels an der Wärmetauschmasse
82 in den kälteren Bereichen wird Wärme in der Wärmetauschmasse erzeugt, die durch
die Wärmetauschflächen an das kältere Fluid abgegeben wird, das außerdem durch die
im Rotor gespeicherte spezifische Wärme erwärmt wird.
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Bei dem in Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Rotors ist die Anordnung von Wärmetauschmasse und den Durchströmungswegen für die
Fluide anders als beim ersten Ausführungsbeispiel. Fig. 3 zeigt in Draufsicht, Fig.
4 in perspektivischer Schnittansicht eine Anordnung, bei der von den beiden Fluiden
durchströmbare Kanäle in der Wärmetauschmasse 82 angeordnet sind. Die Anordnung
dieser Kanäle ist bezüglich der Drehachse 42 konzentrisch, wobei äußere Kanäle jeweils
radial bezüglich weiter innen liegender Kanäle ausgerichtet sind. Bei dieser Anordnung
dient die Wandung 50 dieser Kanäle als Wärmetauschfläche für die zwischen den beiden
Fluiden ausgetauschte Wärme, die in der Wärmetauschmasse zwischengespeichert wird-,
und durch in die Wärmetauschmasse eingelassene Anordnung der Kanäle wird eine größtmögliche
Kontaktfläche zwischen den Fluiden und der Wärmetauschmasse erzielt, ähnlich wie
es Aufgabe der Lamellen im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 ist.
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Die Funktion dieses Rotors mit Kanälen ist ähnlich der eines Rohrbündelwärmetauschers,
der als Kreuzstromwärmetauscher arbeitet. Außerhalb und innerhalb der zylinderförmig
angeordneten Wärmetauschmasse 82 befinden sich, ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel,
ein ringförmiger und ein zylinderförmiger Hohlraum 58 bzw. 56. Die Funktionsweise
ist im wesentlichen dieselbe wie beim ersten Ausführungsbeispiel.
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Selbstverständlich ist die Anordnung der Kanäle nicht auf die gezeigte
Anordnung beschränkt, sie kann unregelmäßig sein, es können verschieden große Kanäle,
Kanäle mit nicht kreisförmigem Querschnitt u.dgl. verwendet werden.
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Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Rotors ist fertigungstechnisch besonders interessant. Um die Drehachse 42 des Rotors
40 ist ein Ringrohrsystem konzentrisch angeordnet, dessen einzelne Ringzwiederum
jeweils abwechselnd aus miteinander kommunizierenden
Ringrohren
88 und plattenförmigen Hohlräumen 66 bestehen. In den Ringrohren 88 ist die Wärmetauschmasse,
gasdurchlässig vom Kältemittel in den plattenförmigen Hohlräumen 66 abgetrennt,
angeordnet. Die in den einzelnen Ringrohren enthaltene Wärmetauschmasse kommuniziert
so jeweils über einen dazwischen befindlichen plattenförmigen Hohlraum 66.
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Eine Kommunikation unter den Ringen des Regenrohrsystems ist bei dieser
Anordnung nicht vorgesehen.
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Zwischen den Ringen des Ringrohrsystems befinden sich frei gelassene
konzentrische Abschnitte, durch die das Fluid, weitgehend ungehindert, jeweils strömen
kann. Diese Anordnung ist somit für die Fluide strömungsgünstig.
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Außerdem ist die Herstelluna eines solchen Rotors relativ preiswert,
insbesondere wenn eine nicht exakt konzentrische Ringrohrsystemanordnung, sondern
vielmehr eine schneckenförmige bzw. spiralförmige Anordnung gewählt wird, bei der
die plattenförmigen Ringrohrschichten, die jeweils nicht sehr dick sind, einfach
um die Drehachse herum aufgewickelt werden.
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In Fig. 6 ist ein erfindungsgemäßes Rotorsystem mit mehreren hintereinander
angeordneten Rotoren 40a, 40b und 40c dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist das Gehäuse 10 zylindrisch ausgeführt. Das Gehäuse 10 ist durch eine Trennwand
12 in einen hinteren und einen vorderen Strömungsbereich 24 bzw. 26 für das wärmere
bzw. kältere Fluid aufgeteilt. Die Rotoren 40a, 40b und 40c sind nur schematischdargestellt.
Der Rotor 40c ist mit abgenommener oberer Platte 54 dargestellt, so daß die Füllung
mit der Wärmetauschmasse 82 ersichtlich ist. Die Durchströmungswege für die Fluide
durch den Rotor sind nicht im einzelnen dargestellt, da mit dieser Figur im wesentlichen
nur die relative
Anordnung mehrerer Rotoren zueinander veranschaulicht
sein soll.
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Diese Art der Anordnung ist beispielsweise angebracht, wenn die Rotoren
im einzelnen für verschiedene Temperaturstufen eingesetzt werden sollen, so daß
in den verschiedenen Temperaturbereichen verschiedene Stoffsysteme von Wärmetauschmasse
und Kältemittel zweckmäßig sind. Im gezeigten Beispiel dient beispielsweise der
Rotor 40c als Vorwärmer und der Rotor 40a als Nachwärmer.
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Im übrigen kann diese Anordnung mehrerer Rotoren hintereinander auch
so ausgebildet sein, daß die einzelnen Rotoren sehr dünn sind und selbst keine eigenen
Durchströmungswege aufweisen, sondern vielmehr ihre Außenwand als Wärmetauschmasse
für die Fluide dient, d.h., daß die Außenwand der Rotoren die Funktion der Lamellen
in den Abschnitten 46 vom Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 übernimmt.
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Eine solche dünnwandige Rotoranordnung kann beispielsweise auch bei
einer mehr seitlichen Ansträmung der Rotoren eingesetzt werden, beispielsweise bei
einem Gegenstromverfahren, bei dem die Fluide voneinander getrennt sind.
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Fig. 7 zeigt ein Beispiel der Anwendung der Erfindung auf ein System
zur Beheizung. Dieses erfindungsgemäße System arbeitet mit Wärmerückgewinnung aus
einem warmen Fluid, das vorzugsweise strömt, wie durch den Pfeil 18 in Fig. 7 angedeutet
ist. Die flüssige Wärmetauschmasse 82 befindet sich in Umlauf (Pfeil 98) durch ein
Umlaufsystem 90, das mit einer ersten Wärmetaus chanordnung 94 zur Aufnahme von
Wärme aus dem warmen Fluid ausgebildet ist. Eine zweite Wärmetauschanordnung 96
des Umlaufsystems 90 dient zur über tragung der in der Wärmetauschmasse 82 gespeicherten
Wärme auf das kältere Fluid, das nicht unbedingt strömen muß,
was
jedoch im gezeigten Ausführungsbeispiel der Fall ist, wie dies durch den Pfeil 20
veranschaulicht ist.
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Die Wärmetauschmasse 82 wird durch eine Pumpe 92 im Umlaufsystem 90
in Umlauf gesetzt. In der ersten Wärmetauschanordnung wird durch aufgenommene Wärme
in der Wärmetauschmasse gespeichertes Kältemittel desorbiert und entweicht gasförmig
in eine als Aufnahmeraum dienende Leitung 68. Der in dieser Leitung aufgebaute Druck
bzw. der Druckunterschied kann zur Energiegewinnung genutzt werden. Zu diesem Zweck
ist ein Ventil 70, alternativ eine Drossel o.dgl. angeordnet.
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ffber dieses kann zumindest teilsweise die Pumpe 92, eventuell ein
Notstromaggregat, o.dgl. angetrieben werden.
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Die erwärmte Wärmetauschmasse 82 strömt nun zur zweiten Wärmetauschanordnung
96, wo sie sich durch die Wärmeabgabe abgekühlt und unter weiterer Wärmeabgabe das
Kältemittel absorbiert. Anschließend strömt die mit dem Kältemittel beladene Wärmetauschmasse
über die Pumpe 92 wieder zur ersten Wärmetauschanordnung 94.
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Mit diesem System kann die Abwärme von Öfen o.dgl. zur Beheizung von
Räumen, beispielsweise Werkhallen o.dgl. ausgenutzt werden. Über diese zweite Wärmetauschanordnung
96 kann entweder direkt zu den zu beheizenden Räumen gelangendes Fluid erwärmt werden
oder auch nur ein Fluid, das über weitere Wärmetauscher diese Räume beheizt.
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Es ist genauso möglich, die zweite Wärmetauschanordnung 96, mehrere
dieser Anordnungen oder ähnliche direkt in den zu beheizenden Räumen anzuordnen,
wodurch Energieverluste durch mehrere Übertragungen eingeschränkt werden.
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Desgleichen ist es möglich, die weitgehend warme Leitung 68 selbst
oder rm Bereiche des Umlaufsystems 90 zur Erwärmung zu verwenden.
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Mit diesem beschriebenen Heizungssystem kann selbstverständlich auch
ein stationäres Fluid, gegebenenfalls auch ein fester Körper, in den die zweite
Wärmetauschanordnung- oder eine ähnliche Anordnung angeordnet ist, erwärmt werden.
-Es kann gegebenenfalls auch statt einer flüssigen Wärmetauschmasse eine feste Wärmetauschmasse
mit entsprechend abgeänderten Transportmechanismen verwendet werden.
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