DE3432181C2

DE3432181C2 -

Info

Publication number: DE3432181C2
Application number: DE3432181A
Authority: DE
Inventors: Yoshiharu Nagoya Aichi Jp Sago; Masaji Chiba Jp Kurosawa; Nobutaka Tokio/Tokyo Jp Kanamori
Original assignee: Nichias Corp; Toho Gas Co Ltd
Current assignee: Nichias Corp; Toho Gas Co Ltd
Priority date: 1983-09-02
Filing date: 1984-08-31
Publication date: 1992-03-19
Also published as: US4595403A; JPS6062598A; JPS6255600B2; US4650621A; DE3432181A1

Description

Die Erfindung betrifft Gaswärmeaustauscher, insbesondere sogenannte Total-Wärmeaustauscherelemente zum Austausch von Wärme sowie Feuchtigkeit; ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen derartiger Wärmeaustauscherelemente.

Bisher werden Metallfolien oder Metallsiebe in der Matrix bei Total-Wärmeaustauscherelementen bei Wärmeaustauschern eingesetzt, um den Austausch von Wärme oder Feuchtigkeit zwischen Gasen zu ermöglichen. Wärmeaustauscherelemente unter Verwendung von Papier, beispielsweise aus Asbest, Glasfasern oder Keramikfasern, weisen eine große Kapazität zum Festhalten hygroskopischer Materialien auf, um einen Feuchtigkeitsaustausch zu ermöglichen; ferner sind sie leicht und haben eine hohe Lebensdauer, selbst beim Einsatz zum Austausch von Wärme von säurehaltigen Gasen. Bei Untersuchungen im Hinblick auf hygroskopische Materialien zeigt sich, daß neben Lithiumchlorid und Kieselsäuregel auch Molekularsiebe verwendet werden (vgl. JP 5 40 19 548 A2). Im Vergleich zu Wärmeaustauscherelementen mit Lithiumchlorid als hygroskopisches Material zeigen Elemente mit Molekularsieben folgende Vorteile:

1. Die hydroskopischen Eigenschaften verschlechtern sich über einen längeren Zeitraum nur gering,
2. da sich bei der Regenerierung die hygroskopischen Eigenschaften nur geringfügig verschlechtern, selbst wenn man direkt Stadtgas als Verbrennungsgas einsetzt, kann die Regenerierung mit weniger Energieeinsatz erfolgen,
3. die Elemente werden nicht angefeuchtet, selbst bei Einsatz in sehr feuchter Luft.

Wärmeaustauscherelemente mit Molekularsieben sind bezüglich des Vorteils 1) selbst im Vergleich mit solchen Elementen überlegen, bei denen Kieselsäuregel als hygroskopisches Material verwendet wird.

Verwendet man Papier als Träger, das gemäß vorstehender Erläuterung mehrere Vorteile aufweist, erhält man übliche Wärmeaustauscherelemente mit Molekularsieben durch Vermischen von Papierrohstoffen und Molekularsiebpartikeln mit anschließender Herstellung von Papierbahnen aus diesem Gemisch. Derartige Papierbahnen haben jedoch keine solche Feuchtigkeitsabsorptionsfähigkeit, wie man sie im Hinblick auf die Menge der eingesetzten Molekularsiebpartikel erwarten würde, und zwar vermutlich deshalb, da die Molekularsiebagglomerate während der Papierherstellung grobe Sekundärpartikel bilden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die vorstehend erwähnten Nachteile zu vermeiden, die sich aus der Feuchtigkeitsabsorptionseigenschaft von Wärmeaustauscherelementen ergeben, wenn Papier als Trägermaterial und ein Molekularsieb als Feuchtigkeitsabsorptionsmaterial eingesetzt werden, um ein Wärmeaustauscherelement hoher Kapazität zu erhalten, das sowohl hinsichtlich der Wärmebeständigkeit als auch hinsichtlich der Feuchtigkeitsabsorptionsfähigkeit überlegen sind.

Diese Aufgabe wird insbesondere mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst. Bei der Lösung geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, daß das Wärmeaustauscherelement entweder ein papierartiges Material aus Keramikfasern oder ein daraus geformtes Produkt als Matrix aufweisen sollte; die Zwischenräume zwischen den Keramikfasern sind gleichförmig mit Molekularsiebpartikeln mit einem mittleren Teilchendurchmesser von höchstens 5,5 µm gefüllt; die Keramikfasern und die Molekularsiebpartikel werden mit einem Kieselsäuregel gebunden.

Das erhaltene Wärmeaustauscherelement erfüllt die gestellte Aufgabe.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 elektronenmikroskopische Aufnahmen eines Querschnitts bzw. einer Oberfläche eines Wärmeaustauscherelements;

Fig. 3 eine beispielhafte Verteilungskurve von Molekularsiebpartikeln,

Fig. 4 eine Teilansicht einer offenen Fläche des ausgeformten Zustandes eines Wärmeaustauscherelements und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für den Eigenschaftstest.

Das Wärmeaustauscherelement kann mit dem nachstehend erläuterten Verfahren hergestellt werden; mit bekannten Verfahren ist die Herstellung des Wärmeaustauscherelements schwierig, bei denen die Papierbahn aus Keramikfasern und das Einfüllen des Molekularsiebes gleichzeitig erfolgt.

Es wird ein wasserbeständiges, dickes Papierblatt (Papierbahn) unter Verwendung eines organischen Bindemittels und eines Fasergemisches hergestellt, das Keramikfasern als Hauptbestandteil und andere organische Fasern enthält. Danach wird die erhaltene Papierbahn mit einer wäßrigen Dispersion aus Molekularsiebpartikeln, d. h. feinen Partikeln, imprägniert; anschließend wird das imprägnierte Papier ausgeformt und danach das Papier mit kolloidalem Siliziumoxid oder Äthylsilikat imprägniert. Die erhaltene Siliciumverbindung wird dann zu Kieselsäuregel umgesetzt und schließlich wird das erhaltene Papier gebrannt, um jegliches organisches Material in dem Papier abzubrennen.

Die Schritte des Verfahrens zum Herstellen des Wärmeaustauscherelements werden nachstehend erläutert. Zunächst werden Papierbahnen aus einem Gemisch von organischen und Keramikfasern in bekannter Weise hergestellt. Als Keramikfasern können sogenannte wärmebeständige, anorganische Fasern, wie Siliziumdioxidfasern, Aluminiumoxidfasern, Aluminiumoxid-Silikatfasern und Zirkoniumoxidfasern, beispielsweise FINEFLEX-Fasern (Handelsname der Nichias Corp.) oder REFRASEAL-Fasern (Handelsname der HITCO Inc.) verwendet werden. Als organische Fasern können solche verwendet werden, die hydrophil sind, gut in Wasser dispergieren, sowie nicht-thermoplastische Fasern, wie beispielsweise Celluloidfasern, von denen Rayon oder Holzzellstoff besonders bevorzugt sind; auch können verschiedene synthetische Fasern, wie Vinylon, Polyäthylen, Acryl oder Polyester verwendet werden. Hinsichtlich der wäßrigen Dispergierbarkeit und Papierfestigkeit ist eine Faserfeinheit von ¹/₃ tex oder weniger und eine Faserlänge von etwa 3 bis 10 mm bevorzugt.

Die wäßrige Dispersion zum Herstellen des Papiers aus den vorstehend beschriebenen faserartigen Rohmaterialien enthält das organische Bindemittel. Dieses organische Bindemittel wird beim Herstellen von Papier aus derartigen Fasern verwendet und bewirkt sowohl eine Erhöhung der Dispersionsfähigkeit der Fasern beim Herstellen des Papiers als auch eine Erhöhung der Formstabilität des Papiers durch Fixieren der Papierstruktur, indem die Fasern nach dem Ausformen der Papierbahn miteinander gebunden werden. Es ist jedoch bevorzugt, daß zumindest ein Teil des organischen Bindemittels in einem im wesentlichen wasserunlöslichen Zustand umgewandelt wird, indem entweder das Papier nach dem Herstellen der Papierbahn getrocknet oder einem weiteren Behandlungsschritt nach dem Trocknen ausgesetzt wird, um die Papierbahn ausreichend wasserbeständig zu machen, damit diese dem Imprägnieren mit der wäßrigen Dispersion des Molekularsiebs wiederstehen kann (insbesondere mit einer Feuchtigkeitsfestigkeit von vorzugsweise mindestens 0,2 kg/15 mm). Bevorzugt sind Bindemittel, wie Acrylharze, Vinylacetatharze und Äthylenvinylacetatharze, zur wirksamen Herstellung von wasserbeständigem Papier, da diese Bindemittel durch die einwirkende Wärme beim Trocknen des Papiers selbst wasserunlöslich werden. Andererseits sind Polyvinylalkoholharze, CMC oder Stärke, selbst nach dem Trocknen wasserlöslich, so daß Papier aus Keramikfasern, das derartige Bindemittel enthält, eine außerordentlich schlechte Formbeständigkeit während der Imprägnierung der wäßrigen Dispersion des Molekularsiebs haben würde, da diese Bindemittel aufquellen und sich in Wasser lösen. Wenn man daher derartige wasserlösliche Bindemittel verwendet, so sollten sie aus solchen Verbindungen ausgewählt werden, die nach dem Trocknen durch Erwärmen in einen wasserunlöslichen Zustand umgewandelt werden können; alternativ könnten diese wasserlöslichen Bindemittel verwendet werden, nachdem man sie einer weiteren Behandlung unterworfen hat, bei der sie in einen wasserunlöslichen Zustand überführt worden sind, beispielsweise durch Trocknen bei etwa 200°C oder durch anderweitiges Formulieren des Polyvinylalkohols. Wenn das beim Herstellen der Papierbahn verwendete organische Bindemittel kein wasserbeständiges Papier bilden kann, so kann das Papier dadurch wasserbeständig gemacht werden, indem man ein Bindemittel aus einem wasserbeständigen Kunstharz, wie Harnstoffharze, Melaminharze oder Phenolharze auf der vorbereiteten Papierbahn aufträgt. Das organische Bindemittel kann jeweils in Form von wäßrigen Lösungen, Emulsionen, Pulvern oder Fasern vorliegen.

Geeignete Mengenverhältnisse der Rohmaterialien des Papiers sind folgende: 80 bis 96 Gewichtsprozent Keramikfasern, 2 bis 10 Gewichtsprozent, vorzugsweise 3 bis 6 Gewichtsprozent organische Fasern, 2 bis 10 Gewichtsprozent, vorzugsweise 3 bis 6 Gewichtsprozent organisches Bindemittel. Die Papierherstellung sowie die Verformung, die vor dem nachstehend erläuterten Abbrennen erfolgen, werden jeweils einfacher, wenn der Anteil an organischem Material zunimmt, da dies jedoch zu einer Verringerung der Festigkeit des erhaltenen Produkts führt, ist es bevorzugt, daß die Gesamtmenge an organischen Materialien 15 Gewichtsprozent nicht übersteigt.

Neben den vorstehend erwähnten Papierrohmaterialien können auch übliche Papierhilfsstoffe eingesetzt werden. Die Papierrohmaterialien werden in üblicher Weise aufgeschlemmt mit einer Konzentration von etwa 0,1 bis 0,3% und dann zu einer relativ dicken Papierbahn mit einer Dicke von vorzugsweise etwa 0,15 bis 0,50 mm und einer Dicke von etwa 0,2 bis 0,4 g/cm³ (beide Werte bezogen auf das getrocknete Produkt) verarbeitet, beispielsweise unter Verwendung einer rechteckigen oder zylindrischen Papiermaschine mit anschließender Trocknung. Wenn lediglich wasserlösliche Bindemittel, wie Polyvinylalkoholharze, CMC oder Stärke, als organische Bindemittel verwendet werden, muß ein weiterer Verfahrensschritt ausgeführt werden, um aus den vorstehenden Gründen die Wasserbeständigkeit zu verbessern.

Danach erfolgt die Imprägnierung des erhaltenen, wasserbeständigen, dicken Papiers mit der wäßrigen Molekularsieb- Dispersion. Ein besonders wesentliches Merkmal der bei diesem Verfahren verwendeten wäßrigen Molekularsiebdispersion ist die Teilchengröße des Molekularsiebs. Insbesondere sollte das Molekularsieb stabil in Form kleiner Partikel, einschließlich sekundärer Agglomerate, innerhalb der Dispersion dispergiert sein.

Vorzugsweise sind praktisch keine groben Partikel von über 10 µm (d. h. weniger als etwa 5%, vorzugsweise weniger als 3%) in dem dispergierten Zustand vorhanden, wobei der mittlere Teilchendurchmesser höchstens 5,5 µm beträgt. Falls grobe Partikel vorhanden sind, ist es wegen deren Sedimentation vor dem Imprägnieren des Papiers mit der wäßrigen Dispersion nicht nur schwierig, eine gleichförmige Imprägnierung zu erreichen, sondern darüber hinaus ergibt sich eine Erhöhung der Molekularsiebmenge, die lediglich an der Oberfläche anhaftet, ohne in die Faserzwischenräume des Papiers eindringen zu können; dadurch ergibt sich eine Reduktion des Molekularsiebs im stabilen Zustand innerhalb der Papierstruktur. Durch Wiederholen des Imprägniervorganges können sogar größere Mengen des Molekularsiebs zum Anhaften an der Oberfläche gebracht werden, jedoch im Vergleich zu dem Fall, bei dem die gleiche Molekularsiebmenge, jedoch ausreichend fein, verwendet wird, wird die Bahn lediglich dicker; dies erschwert nicht nur ein präzises Verformen, sondern erhöht auch die Molekularsiebmenge, die während der Verarbeitung und der Benutzung anfällt, so daß man ein Produkt mit reduzierter hygroskopischer Eigenschaft und Lebensdauer erhält.

Selbst bei einem handelsüblichen Molekularsieb mit größtem Feinheitsgrad der Partikel mit normaler Partikelgröße von höchstens 10 µm ergibt sich gemäß der Partikelverteilung A in Fig. 3 eine erhebliche Partikelanzahl mit Durchmessern größer als 10 µm nach Dispergierung in Wasser (die Kurve A zeigt etwa 15%), und es kann angenommen werden, daß die meisten dieser Partikel sekundäre Agglomerate sind. Ferner kann angenommen werden, daß diese sekundären Partikel sich mit der Zeit vergrößern. Daher erfolgt selbst beim Einsatz eines ausreichend feinpulverisierten Molekularsiebes die Präparation einer wäßrigen Dispersion durch Mahlen der groben Partikel und Disagglomeration von agglomerierten Partikeln in Gegenwart eines dispersionsstabilisierenden Mittels in einer Kugelmühle, um die Molekularsiebpartikel in primäre Partikel oder sehr nahe an diesem Niveau zu dispergieren. Als dispersionsstabilisierendes Mittel können hierfür verschiedene Produkte verwendet werden, jedoch bevorzugt sind Casein, Sojabohnenprotein usw., mit der Fähigkeit zur Bildung eines Schutzkolloids, die besonders überlegene dispersionsstabilisierende Eigenschaften aufweisen; bevorzugt ist als Menge etwa 4 bis 30 Gewichtsprozent des Molekularsiebes, wobei 5 bis 10 Gewichtsprozent besonders bevorzugt ist. Die Partikelgrößenverteilung der so erhaltenen Molekularsiebe ist mit der Kurve B in Fig. 3 eingezeichnet, wo keine Partikel mit Partikelgrößen wesentlich größer als 10 µm vorliegen.

Neben den vorstehenden Merkmalen bezüglich der Partikeldurchmesser ist die Absorptionsfähigkeit des Molekularsiebes vorzugsweise besonders hoch. Eine überlegene Absorptionskapazität erhält man mit einem Molekularsieb mit einer Porengröße von etwa 3 bis 13 Å; Beispiele für derartige handelsübliche Molekularsiebe sind das Molekularsieb ′4A′ (Pulver) und ′13X′ (Pulver) von Union Carbide.

Die Konzentration des Molekularsiebes in der Dispersion kann in vorteilhafter Weise im Bereich von 20 bis 50 Gewichtsprozent liegen. Neben dem vorstehend erwähnten dispersionsstabilisierenden Mittel kann der Molekularsiebdispersion eine beliebige Hilfskomponente zugegeben werden, die eine Erhöhung der Permeabilität, der Adhäsion oder der Beschichtungseigenschaften der Dispersion auf der Papierbahn bewirkt und die Feuchtigkeitsabsorptionskapazität des fertigen Produkts erhöht.

Beim Imprägnieren der Molekularsiebdispersion in das Papier ist es besonders einfach, das Papier in die Dispersion einzutauchen; die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Verfahren beschränkt. Die Imprägnierungsmenge ist vorzugsweise derart, daß die Molekularsiebmenge 100 bis 140 g/m² beträgt. Das gleichmäßige Eindringen einer derartig großen Menge an Molekularsieb in die innere Struktur des Papiers beim Eintauchen in die Dispersion während eines ausreichenden Zeitraums für die Penetration ist erstmals möglich geworden durch Verwenden einer Molekularsiebpartikel- Dispersion und eines dicken, wasserbeständigen Papiers aus Keramikfasern, das nach dem vorstehenden Verfahren hergestellt worden ist. Ferner können 140 g/m² des Molekularsiebes imprägniert werden, jedoch erreicht man keine weitere Verbesserung der feuchtigkeitsabsorbierenden Kapazität des Produkts wegen der abnehmenden Verfügbarkeit des Molekularsiebes.

Unmittelbar nach dem Fertigstellen des wasserbeständigen Papiers muß die Imprägnierung der Molekularsiebdispersion erfolgen. Erfolgt die Imprägnierung nach dem Verformungsschritt, beispielsweise dem Ausbilden von Riffelungen, so erschwert dies das Eindringen der Dispersion in die Teile, deren Strukturen durch das Verformen verdichtet worden sind; dadurch ergibt sich eine ungleichförmige Imprägnierung; darüber hinaus kann die beim Verformen ausgebildete Form wieder verloren gehen. Wenn andererseits das Molekularsieb in die Struktur des Papiers vor dem Verformen gefüllt wird, so wird die Verformbarkeit des Papiers aus Keramikfasern, wobei das Papier an sich inhärent starr ist und es somit schwierig ist, die integralen Keramikfasern zu verformen, erheblich verbessert werden mit dem Ergebnis, daß der genannte Verfahrensschritt sowie das Verformen des Papiers einfacher werden und die Formintegrität während jedes weiteren Verfahrensschrittes wird erreicht in Kombination mit der Wirkung der zugegebenen organischen Fasern.

Papier mit fertiger Imprägnierung der Molekularsiebdispersion wird dann je nach Notwendigkeit geformt. Beispiele für derartige Verformungen sind: Riffelung unter Verwendung von Riffelungsmaschinen zum Herstellen von Karton, eine Verformung zum Ausbilden einer beliebigen Form für das Wärmeaustauscherelement, beispielsweise Wickelverfahren zum Herstellen von Wärmeaustauscherelementen für rotierende Wärmeaustauscher, oder Verkleben von geformten Papierbahnen oder geformten Bahnen mit nicht geformten Bahnen. Fig. 4 zeigt ein Beispiel des Zustandes nach dem Verformen. Organische Klebstoffe sind weniger geeignet, während anorganische Klebstoffe bevorzugt sind, da sie dem Abbrand widerstehen können. Folgende Klebstoffe sind bevorzugt:

1. Klebstoffe aus gereinigtem Bentonit oder solche mit Titanoxid, Siliciumdioxidpulver oder Aluminiumoxidsol als Zugabe;
2. Klebstoffe, hergestellt aus Siliciumoxidpulver und Aluminiumoxidpulver;
3. Klebstoffe aus Aluminiumoxidpulver und/oder Kaolin, dem kolloidales Siliciumoxid und/oder Keramikfasern zugegeben worden sind;
4. Klebstoffe aus Zirkoniumoxidpulver und/oder kolloidalem Siliciumdioxid.

Jeder der vorstehenden Klebstoffe verwendet Wasser als Lösungsmittel.

Handelsübliche Produkte hierfür sind ′FF Adhesive′ (Nichias Corp.) SUMICERUM (Sumitomo Kagakukogyop. KK.).

Beim Herstellen von Ausgangsmaterial für tafelartige Wärmeaustauscherelemente ist ein Verformen nicht nötig, und man kann sofort zum nächsten Verfahrensschritt übergehen.

Nachdem das Verformen des Papiers abgeschlossen ist oder das Papier ohne Verformen die Plattenform erhalten hat, wird es zunächst gleichförmig mit kolloidalem Siliciumoxid oder Äthylsilikat imprägniert, worauf die imprägnierten Siliciumverbindungen in Kieselsäuregel umgewandelt werden und dadurch zu einer Aushärtung führen.

Erfolgt das Imprägnierem mit kolloidalem Siliciumdioxid, so erfolgt das Aushärten beim Trocknen bei 150 bis 170°C.

Beim Imprägnieren mit Äthylsilikat wird Kieselsäuregel innerhalb der Struktur des Papiers durch Hydrolysieren des Äthylsilikats gebildet. Hierfür können mehrere Verfahren angewendet werden: So kann die Äthylsilikat-Vorratslösung oder die Lösung nach dem Imprägnieren Heißdampf ausgesetzt werden, oder es wird ein Katalysator, wie Salzsäure zu der zu imprägnierenden Äthylsilikatlösung zugegeben und nach der Imprägnierung mehrere Stunden so belassen.

Zum einfachen Erreichen gleichförmiger Verfahrensergebnisse ist das Verfahren unter Verwendung von Äthylsilikat mehr bevorzugt als das Verfahren unter Verwendung von kolloidalem Siliziumoxid. Die erstgenannte Verfahrensführung wird vorzugsweise so ausgeführt, daß man festes 60 bis 100 g SiO₂/ 100 g Papier erhält.

Nach der Ausbildung des Kieselsäuregels werden die Papierbahn oder das hieraus geformte Produkt in oxidierender Atmosphäre bei etwa 100°C oder darunter gebrannt, um jegliche organische Substanzen, wie das organische Bindemittel und organische Fasern, abzubrennen; dadurch bilden die Keramikfasern eine Matrix, an der die Molekularsiebpartikel durch das Kieselsäuregel gebunden werden und man das Wärmeaustauscherelement gemäß der Erfindung erhält. Das erhaltene Wärmeaustauscherelement behält die Identität der Konfiguration bei, die ihm während des Verformungsvorganges erteilt worden ist.

Das so hergestellte Wärmeaustauscherelement wird entweder so eingesetzt oder es wird noch weiter verarbeitet, beispielsweise geschnitten, gestanzt oder wiederverklebt, um die Form, die Abmessung oder die Konstruktion zu erhalten, die in bestimmtes Wärmeaustauscherelement haben soll.

Es gibt drei Gründe zum Einsatz von organischen Fasern bei den vorstehenden Herstellungsverfahren, die an sich in dem fertigen Wärmeaustauscherelement überflüssig sind. Diese Gründe sind:

1. Die organische Faser unterstützt aufgrund synergistischer Wirkung mit dem organischen Bindemittel die Dispersion der Keramikfasern, die starr sind, und die selbst nicht kleben; dadurch wird die Herstellung des Papiers erleichtert;
2. die organischen Fasern verbessern die Verarbeitbarkeit bei Verwendung einer Riffelungsmaschine und verbessern die Formhaltung eines geformten Produkts nach dem Formen.
3. Die Nutzung des Molekularsiebes wird erhöht aufgrund der feinen Poren, die in dem fertigen Produkt nach dem Abbrennen der organischen Fasern verbleiben.

Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren kann ein Wärmeaustauscherelement in einfacher Weise und mit großem Wirkungsgrad und ohne wesentliche Verluste an dem teuren Molekularsieb hergestellt werden, wobei eine große Menge an wirksamen Molekularsieb sicher und gleichförmig innerhalb der Bahn fixiert ist. Da ferner die Verformung während der Herstellung außerordentlich einfach ist, obwohl ein integriertes, starres Keramikfaserpapier verarbeitet wird, können praktisch beliebige bevorzugte Formen des Wärmeaustauscherelements hergestellt werden.

Das Wärmeaustauscherelement weist eine hohe Absorptionsfähigkeit auf, da es eine große Menge an Molekularsiebpartikeln enthält, wobei das Keramikfaserpapier als Matrix dient; ferner erhält man ein sehr wärmebeständiges Produkt aus Keramikfasern, Kieselsäuregel und dem Molekularsieb, wobei das Molekularsieb sich nicht auf der Oberfläche befindet, sondern große Mengen gleichförmig innerhalb der Bahn verteilt sind, d. h., das Molekularsieb kann als Komponente der Bahn selbst angesehen werden. Selbst wenn man das Wärmeaustauscherelement während eines langen Zeitraums unter extrem hohen Temperaturbedingungen hält, so zeigt es dennoch eine hohe Stabilität ohne Abfall der Eigenschaften aufgrund von Auflösung oder Delamination.

Aus den anliegenden Fotografien zeigt sich, daß die Molekularsiebpartikel in dem Wärmeaustauscherelement keine groben Agglomerate bilden, da die Zwischenräume zwischen den Keramikfasern gleichmäßig ausgefüllt sind und da eine große Anzahl feiner kommunizierender Luftporen vorhanden sind, die Luftkanäle bilden. Der Wirkungsgrad des Molekularsiebs ist so hoch, daß die Feuchtigkeitsabsorption gegenüber bekannten Wärmeaustauscherelementen mit der gleichen Menge an Molekularsieb wesentlich höher ist.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Beispiele 1 und 2 sowie die Vergleichsbeispiele 1 und 2 näher erläutert.

Beispiele 1 und 2 und Vergleichsbeispiele 1 und 2

Ein Teil eines Gemisches von 90 Gewichtsprozent FINEFLEX, eine Aluminiumdioxid-Siliziumoxid-Keramikfaser (ein Produkt der NICHIAS Inc., mit einer Dicke von 2,6 bis 3,0 µm und 5 bis 30 mm Länge), 5 Gewichtsprozent Rayon-Faser (1,5 d×5 mm) und 5 Gewichtsprozent Polyvinylalkoholharz in Faserform als organisches Bindemittel wird in 340 Teile Wasser dispergiert; danach wird eine Papierbahn in üblicher Weise unter Verwendung einer kreisförmigen Papiermaschine hergestellt. Nach dem Aufsprühen eines Harnstoffharz-Bindemittels auf das erhaltene Papier mit 2,5 g/m² wird das Papier durch eine wäßrige Dispersion eines Molekularsiebs gezogen (Verweildauer 10 Sekunden). Die Molekularsiebdispersion ist eine wäßrige Dispersion und wird mit einer Kugelmühle zum Mahlen des Molekularsiebpulvers (das Molekularsiebpulver ′13X′ der Union Carbide) hergestellt, und zwar als wäßrige Dispersion mit der Zusammensetzung gemäß Tabelle I.

Tabelle I

Zusammensetzung der wäßrigen Molekularsiebdispersion

Nach dem Trocknen wird das mit dem Molekularsieb imprägnierte, erhaltene Papier unter Verwendung einer Kartonmaschine bei 180°C geriffelt (die Höhe der Riffelungen beträgt 2,2 mm). Dann wird das geriffelte Papier zu einer Zylinderform mit 500 mm Durchmesser und 200 mm Höhe gerollt und in eine Mischlösung eingetaucht (enthaltend 8,0 Teile Äthylsilikat (40% Siliziumoxid-Feststoffe), 13 Teile Äthylalkohol, 6 Teile Wasser sowie 1 Teil 5prozentige Salzsäure), um die vorstehende Mischlösung als SiO₂ im Verhältnis 100 g/100 g Papier zu absorbieren. Das erhaltene Produkt wird dann für 3 Stunden in feuchte Luft gebracht und dann getrocknet. Das Papier wird anschließend bei 800°C in einer oxidierenden Atmosphäre gebrannt, um das organische Material abzubrennen.

Mit dem vorstehenden Verfahren (Beispiele 1 und 2) werden zwei Arten von Wärmeaustauscherelementen hergestellt. Für das Vergleichsbeispiel 1 wird ferner ein Wärmeaustauscherelement in der vorstehenden Weise hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß die verwendete, wäßrige Molekularsiebdispersion nicht mit einer Kugelmühle bearbeitet worden ist; für das Vergleichsbeispiel 2 wurde ein Wärmeaustauscherelement gemäß vorstehender Erläuterung hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß das ursprünglich hergestellte Papier nicht mit einem Harnstoffharz-Bindemittel behandelt worden ist.

Die Ergebnisse sind in Tabelle II dargestellt.

Beispiel 3

Ein Wärmeaustauscherelement wird wie bei Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit Ausnahme, daß nach dem Riffeln des mit dem Molekularsieb imprägnierten Papiers es nicht aufgerollt wurde, sondern in Bahnenform verblieb und daß die anschließende Äthylsilikatimprägnierung auf dem bahnenförmigen Papier erfolgte; die Äthylsilikatbehandlung erfolgte dabei nicht durch Eintauchen, sondern durch Sprühen.

Die Ergebnisse sind in Tabelle II dargestellt.

Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 3

Für das Beispiel 4 wurde ein Wärmeaustauscherelement wie bei Beispiel 3 hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß ein Vinylacetat als Bindemittel zum Herstellen der Papierbahn verwendet wurde und daß danach der Auftrag des Harnstoffharz- Bindemittels nicht erfolgte.

Für das Vergleichsbeispiel 3 wurde ein Wärmeaustauscherelement wie bei Beispiel 4 hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß die wäßrige Molekularsiebdispersion nicht in einer Kugelmühle behandelt wurde.

Die Ergebnisse sind in Tabelle II dargestellt.

Beispiel 5

Für das Beispiel 5 wurden Wärmeaustauscherelemente wie bei Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß die Molekularsiebmenge in nachstehender Weise eingestellt wurde, indem man die Konzentration der wäßrigen Molekularsiebdispersion veränderte.

Beispiel
5A	110 g/m²
5B	140 g/m²
5C	170 g/m²

Eigenschaftstest

Die Wärmeaustauscherelemente der Beispiele 1, 2, 5 und des Vergleichsbeispiels 1 wurden hinsichtlich ihrer potentiellen Wärmeaustauschfähigkeit mit dem nachstehenden Verfahren getestet. Fig. 5 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Versuchsanordnung, wobei ein rotierender Wärmeaustauscher 1 mit einem zu testenden Wärmeaustauscherelement versehen ist. Das Wärmeaustauscherelement rotiert mit ¹/₃ min^-1 in Pfeilrichtung; die zu entfeuchtende Außenluft mit hoher Feuchtigkeit strömt von links in der Darstellung in die Luftkanäle unterhalb des Teilers 2, das Molekularsieb absorbiert die Feuchtigkeit, und die entfeuchtete Außenluft tritt aus der rechten Seite aus. Der Abschnitt oberhalb des Teilers 2 wird mittels eines heißen Regenerationsgases (Mischgas aus Luft und Verbrennungsgas, das man durch Verbrennen von Stadtgas in der Heizvorrichtung 3 erhält, mit einer Temperatur von 150 bis 200°C) erwärmt und die Feuchtigkeit wird aus dem Molekularsieb abgegeben, so daß das Wärmeaustauscherelement seine Feuchtigkeitsabsorptionsfähigkeit wieder zurückgewinnt. Ferner ist ein sensibler Wärmeaustauscher 4 vorgesehen, um die von der Umgebungsluft aufgenommene Wärme zurückzugewinnen, die auf etwa 60°C angewärmt worden ist. Die latente Wärmeaustauschfähigkeit wird aufgrund der zur Regenerierung verbrauchten Stadtgasmenge berechnet, um eine Einheitsmenge von Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft zu entfernen.

Die Ergebnisse der Versuche sind in Tabelle III dargestellt. Der vorstehende Stadtgasverbrauch in der gleichen Tabelle beruht auf Beispiel 5 mit dem Relativwert 1.

Tabelle II

Tabelle III

Claims

1. Wärmeaustauscherelement mit einer Matrix aus papierartigem Material aus Keramikfasern oder aus einem daraus geformten Produkt, wobei die Zwischenräume zwischen den Keramikfasern gleichmäßig mit Molekularsieb-Partikeln mit einem mittleren Teilchendurchmesser von höchstens 5,5 µm gefüllt und die Keramikfasern und die Molekularsieb- Partikel durch ein Kieselsäuregel gebunden sind.

2. Wärmeaustauscherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Molekularsiebpartikel im wesentlichen keine Grobkörner oder agglomerierte Partikel mit einer Teilchengröße von über 10 µm enthalten.

3. Wärmeaustauscherelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Porendurchmesser der Molekularsiebpartikel 3 bis 13 Å betragen.

4. Wärmeaustauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Molekularsiebpartikeln von 100 bis 170 g/m² beträgt.

5. Verfahren zum Herstellen eines Wärmeaustauscherelements, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) Herstellen einer wasserbeständigen, dicken Papierbahn aus einem organischen Bindemittel und einem Fasergemisch aus Keramikfasern als Hauptbestandteil und anderen organischen Fasern,
b) Imprägnieren der erhaltenen Papierbahn mit einer wäßrigen Dispersion von Molekularsieb-Partikeln,
c) Ausformen des imprägnierten Papiers,
d) Imprägnieren des Papiers mit kolloidalem Siliziumdioxid oder Äthylsilikat,
e) Umsetzen der imprägnierten Siliziumverbindung zu Kieselsäuregel und
f) Brennen des erhaltenen Papiers unter oxidierender Atmosphäre zum Abbrennen jeglichen organischen Materials in dem Papier.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Molekularsieb-Partikel in der wäßrigen Dispersion im wesentlichen keine Partikel enthalten, deren Durchmesser größer ist als 10 µm, und daß der mittlere Partikeldurchmesser höchstens 5,5 µm beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der mit wäßriger Dispersion von Molekularsiebpartikeln zu imprägnierenden Papierbahn von 0,2 bis 0,4 g/cm³ beträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß 80 bis 96 Gewichtsprozent Keramikfasern, 2 bis 10 Gewichtsprozent organische Fasern und 2 bis 10 Gewichtsprozent organisches Bindemittel verwendet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Dispersion von Molekularsiebpartikeln bezogen auf das Gewicht der Molekularsiebpartikel 5 bis 10 Gewichtsprozent einer Substanz, wie Casein oder Sojabohnenprotein, enthält, die einen Kolloidbildnerschutz als dispersionsstabilisierendes Mittel aufweist.