DE4321743A1 - Wärme- und Stoffaustauschreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärme- und Stoffaustausch­ reaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Wärme- und Stoffaustauschreaktor mit zwei stofflich voneinander getrennten Kanalsystemen ist aus der WO 91/00141 bekannt. Das eine Kanalsystem (Wärmeaustausch- Kanalsystem) wird von einem flüssigen oder gasförmigen Heiz-oder Kühlmedium und das andere Kanalsystem (Stoff­ austausch-Kanalsystem) von einem gasförmigen Medium und einem weiteren flüssigen Medium durchströmt. Bei diesem bekannten Reaktor verlaufen die Ströme durch die beiden Kanalsysteme parallel. Dies hat bei einer Reihe von Anwendungsfällen den Nachteil, daß der Wärmeaustausch nicht besonders effizient ist. Andererseits läßt sich mit dem bekannten Reaktor dann, wenn auf einen guten Wärmeaustausch Wert gelegt wird, kein großes Massenver­ hältnis zwischen Gas- und Flüssigkeitsstrom realisie­ ren. Darüberhinaus hat der bekannte Reaktor einen großen Platzbedarf und ist vergleichsweise aufwendig in der Herstellung.

Stofftauscher und hiervon getrennte Wärmeaustauscher sind ferner aus der Klima- und Verfahrenstechnik be­ kannt:

Als Stoffaustauscher kommen in der Klimatechnik rotie­ rende Trockner mit festen Sorbentien oder Sprühwäscher mit hygroskopischen Flüssigkeiten zum Einsatz. Eine Speicherung von Prozeßenergie zur Lufttrocknung findet dabei nicht statt.

Weiterhin sind indirekte Verdunstungskühler bekannt, die mit Hilfe von durch Düsen benetzten Wärmeaustausch­ flächen realisiert werden. Problematisch ist hier u. a. die Tröpfchenbildung bei der Wasserverteilung: Diese Tröpfchen müssen aufwendig abgeschieden werden. Weiter­ hin ist der oft nicht ausreichende Benetzungsgrad der wärmeaustauschenden Flächen nachteilig.

Die bekannten Niedertemperaturbefeuchter werden durch einen Stoff- und Wärmeaustausch zwischen einem Luft- und einem Wasserstrom realisiert; übliche Ausführungs­ formen sind Luftwäscher und Rieselfilmbefeuchter. Um eine hohe Befeuchtungsleistung zu erzielen, muß ein großer Wasserstrom verwendet werden. Die Temperatur­ spreizung dieses Wasserstroms ist deshalb klein.

In der Verfahrenstechnik werden als Stoffaustauscher ferner Füllkörperkolonnen und Bodenkolonnen eingesetzt. Diese Austauscher sind nicht geeignet, kleine Flüssig­ keitsströme mit großen Gasströmen effizient in Kontakt zu bringen.

Wischersysteme, die prinzipiell dafür geeignet sind, sind auf Grund ihres Aufbaus, ihrer Mechanik und der bewegten Teile technisch aufwendig, störanfällig und teuer. Für eine Niedertemperaturanwendung oder bei Verarbeitung von Strömen geringwertiger Stoffe kommt ein Einsatz daher nicht in Frage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärme- und Stoffaustauschreaktor, bei dem zwei stofflich von­ einander getrennte Kanalsysteme vorgesehen sind, von denen das eine Kanalsystem (Wärmeaustausch-Kanalsystem) von einem flüssigen oder gasförmigen Heiz- oder Kühl­ medium und das andere Kanalsystem (Stoffaustausch- Kanalsystem von einem gasförmigen Medium und einem weiteren flüssigen Medium durchströmt ist, derart wei­ terzubilden, daß hohe Stoff- und Wärmeaustauschraten bei geringem Platzbedarf und Bauaufwand auch bei Nie­ dertemperaturanwendungen realisierbar sind.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß ist das Wärmeaustausch-Kanalsystem horizontal und das Stoffaustausch-Kanalsystem vertikal angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich bei geringem Platzbedarf eine große Wärmeaustauschrate. Weiterhin ist das weitere flüssige Medium (flüssiges Stoffaus­ tauschmedium) in dünner Schicht zumindest auf einem Teil der inneren Oberfläche des Stoffaustausch-Kanal­ systems aufgebracht ist, so daß sich auch eine hohe Stoffaustauschrate ergibt.

Der erfindungsgemäße Reaktor kann dabei unter Verwen­ dung einfacher aus der Wärme- und Klimatechnik bekann­ ter Bauteile so realisiert werden, daß er keine bewegten Teile aufweist. Für die Lufttrocknung muß nur mit dem physikalisch notwendigen Strom der hygroskopischen Flüssigkeit gearbeitet werden, wobei ein sehr kleiner, hydrodynamisch stabiler Flüssigkeitsstrom ohne Tröpf­ chenbildung mit einem Gasstrom in Kontakt gebracht werden kann. Damit ist der Reaktor für eine Vielzahl von Anwendungen in der Klima- und Verfahrenstechnik effektiv einsetzbar.

Eine besonders einfache Realisierung der Erfindung erhält man, wenn der Wärme- und Stoffaustauschreaktor aus Platten aufgebaut ist, die in definierten Abständen parallel zueinander angeordnet sind. Durch diese Anord­ nung lassen sich in einfacher Weise zwei Kanalsysteme schaffen, die stofflich voneinander getrennt sind, und von denen eines der Zu- oder Abfuhr von Reaktionswärme für einen im zweiten Kanalsystem stattfindenden Prozeß dient.

Das eine Wärmeaustausch-Kanalsystem wird von einem flüssigen oder gasförmigen Medium A durchströmt. Über das Heiz- oder Kühlmedium A wird dem Prozeß im anderen Kanalsystem, dem Stoffaustausch-Kanalsystem die Prozeß­ temperatur aufgeprägt und dabei Prozeßwärme zu- oder abgeführt.

Das andere Stoffaustausch-Kanalsystem wird von einem gasförmigen Medium B und- einem weiteren flüssigen Medi­ um C durchströmt, das in dünner Schicht auf der inneren Oberfläche verteilt ist. Zwischen den beiden Medien B und C findet ein Wärme- und Stoffaustausch statt.

Der Aufbau des Wärmeaustausch-Kanalsystems entspricht bevorzugt dem eines Wärmetauschers. Die benötigten Begrenzungsflächen eines einzelnen Kanals können dabei beispielsweise in Form einer Stegdoppelplatte ausgebil­ det sein.

Durch geeignete Maßnahmen im Stoffaustausch-Kanalsystem wird erreicht, daß der Flüssigkeitsstrom C auch bei kleinen Volumenströmen gleichmäßig auf der Wandfläche der Platten verteilt und außerdem der Wärme- und Stoff­ übergang gefördert wird.

Die Aufgabe bzw. Verteilung der Flüssigkeit C auf einen möglichst großen Teil der Oberfläche des Stoffaus­ tausch-Kanalsystems kann durch spezielle Maßnahmen bzw. Einrichtungen gefördert werden:

So kann die Verteilung von kleinsten Flüssigkeitsvolu­ menströmen C auf die Oberflächen durch einen speziellen Aufgabekanal realisiert werden. Dieser kann oberhalb des Wärmeaustausch-Kanalsystems so angebracht werden, daß die Flüssigkeit C auf die das Stoffaustausch-Kanal­ system begrenzenden Oberflächen aufgegeben wird. Durch eine spezielle Ausführung bleibt das Stoffaustausch- Kanalsystem für den Gasstrom B offen.

Der erfindungsgemäße Wärme- und Stoffaustauschreaktor kann damit insbesondere in der Klimatechnik, beispiels­ weise als Lufttrockner, der eine Energiespeicherung ermöglicht, als indirekter Verdunstungskühler und Nie­ dertemperaturbefeuchter sowie in der Verfahrenstechnik eingesetzt werden; in der Verfahrenstechnik kann der erfindungsgemäße Reaktor als Kondensator, als Gaswä­ scher und für Absorptions- und Desorptionsprozesse verwendet werden.

Die Verteilung eines kleinen Flüssigkeitsvolumenstroms auf der Oberfläche der Platten bzw. des Stoffaustausch- Kanalsystems wird durch Oberflächenstrukturen, z. B. Vlies, Plasmabehandlung, Aufrauhen erreicht.

Zur Aufrechterhaltung der Flüssigkeitsverteilung im Stoffaustausch-Kanalsystem und zur ständigen lokalen Durchmischung des Flüssigkeitsstroms C können Einbauten wie beispielsweise Abstandshalter verwendet werden.

Durch geeignete Maßnahmen im Stoffaustausch-Kanalsystem wird erreicht, daß sich der Gasstrom B ständig durch­ mischt. Diese Aufgabe kann durch eine spezielle Ausfüh­ rung der Abstandshalter von diesen mit übernommen wer­ den. Die Durchmischung des Gasstromes B und des Flüs­ sigkeitsstromes C verbessern den Wärme- und Stoffüber­ gang im Reaktor.

Der erfindungsgemäße Wärme- und Stoffaustauschreaktor weist auf den einzelnen Anwendungsgebieten entscheiden­ de Vorteile auf.

So ermöglicht er einen Lufttrocknungsprozeß, bei dem die Lufttrocknung nur mit dem physikalisch notwendigen Strom der hygroskopischen Flüssigkeit realisierbar ist, und bei dem die Konzentration der Flüssigkeit maximal verändert wird. Dadurch wird eine Speicherung von Pro­ zeßenergie zur Lufttrocknung mit hoher Speicherdichte in der konzentrierten hygroskopischen Flüssigkeit er­ möglicht. Eine Kombination des beschriebenen Wärme- und Stoffaustauschreaktors mit einem geeigneten Verdun­ stungskühler ermöglicht die Speicherung und den Trans­ port von Prozeßenergie zur Raumklimatisierung mit hoher Energiedichte in der hygroskopischen Flüssigkeit. Damit können bisher nicht genutzte Niedertemperaturquellen (unterhalb 100°C) für die Lufttrocknung und Klimati­ sierung genutzt werden.

Beim Einsatz als indirekter Verdunstungskühler entste­ hen bei der Wasserverteilung keine Tröpfchen, die auf­ wendig abgeschieden werden müssen. Zum anderen gewähr­ leistet der erfindungsgemäße Reaktoraufbau einen we­ sentlich größeren Benetzungsgrad der wärmeaustauschen­ den Flächen, der darüber hinaus von dem Wasserstrom C weitgehend unabhängig ist. Aufgrund des geringen zur Befeuchtung benötigten Wasserstroms C ist dessen Wärme­ kapazitätenstrom zu vernachlässigen. Damit stellt sich die Kühltemperatur im Strom A aufgrund der angebotenen Luftzustände ein und wird nicht vom Wasserstrom C auf­ geprägt.

Eingesetzt als Niedertemperaturbefeuchter besteht der Vorzug gegenüber dem Stand der Technik darin, daß der Wasserstrom C, der zur Befeuchtung der Luft (Strom B) verwendet wird, klein ist. Dadurch kann über den Aus­ tauscher eine große Temperaturdifferenz in Strom A und B erreicht werden. Dies ist interessant und besonders von Vorteil, wenn z. B. das Fernwärmerücklaufnetz als Energiequelle für die Prozeßwärme dient. Die große Temperaturdifferenz erhöht die Leistung des Netzes.

Außerdem wird aufgrund des kleinen Flüssigkeitsstroms C Hilfsenergie für sonst notwendige große Flüssigkeits- Umlaufpumpen gespart.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs­ beispielen exemplarisch anhand der Zeichnung beschrie­ ben, in der zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels, und

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Stoff- und Wärmeaustauschreaktors.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel ist so aufgebaut, daß es durchgängig aus Kunststoff bestehen kann.

Das horizontal verlaufende Wärmeaustausch-Kanalsystem (1) wird durch eine extrudierte Stegdoppelplatte (4) aus Polypropylen gebildet. Das Heiz- oder Kühlmedium Wasser A strömt horizontal durch die in der Platte ausgebildeten Kanäle.

Das Stoffaustausch-Kanalsystem 2 wird durch die verti­ kalen, parallelen, mit Abstand zueinander angeordneten Stegdoppelplatten 4 ausgebildet. Auf den Stegdoppel­ platten ist eine Einrichtung 5 zur Aufgabe des Flüssig­ keitsstroms C angebracht.

Die Einrichtung 5 besteht aus zwei waagerecht über die gesamte Kanallänge 1 verlaufenden porösen Membran­ schläuchen 7 aus PTFE, die in einem Kunststofformteil 8 fixiert sind. Jeder der Schläuche 7 ermöglicht einen über die gesamte Länge gleichmäßigen Zulauf, d. h. Ver­ teilung des jeweiligen Flüssigkeitsstroms auf eine den Luftkanal 2 bildende Oberfläche. Die Porosität der Schläuche wird den hydrodynamischen Flüssigkeitseigen­ schaften angepaßt.

Die den Luftkanal 2 bildenden Oberflächen der Platten 3 sind mit Vlies 6 aus PES bedeckt. Das Vlies verteilt den Flüssigkeitsstrom C durch Kapillarkräfte. Im Kanal 2 befindet sich ein Abstandshalter 9 aus PE der den Plattenabstand bestimmt und sich über die Länge der vliesbedeckten Fläche erstreckt. Mit dem Abstandshalter wird sowohl das Vlies 6 an der Oberfläche fixiert als auch der poröse Schlauch 7 in Position gehalten. Außer­ dem wird durch den Abstandshalter die mechanische Sta­ bilität der Platten erhöht und gleichzeitig bei ver­ schiedenen Betriebszuständen ein definierter Kanalquer­ schnitt garantiert.

Nicht dargestellt ist in Fig. 1, daß die Kanäle der Stegdoppelplatten auf beiden Seiten in angeschweißte Kunststoffrohre aus Polypropylen münden. Diese Rohre sind an ein Verteil- und Sammelsystem, das gleichfalls aus Polypropylen besteht, angeschlossen.

Die porösen Schläuche 7 sind im Ausführungsbeispiel einseitig verschlossen. Am offenen Ende sind sie an einen gemeinsamen Verteiler angeschlossen.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die horizontalen Wärmeaustausch-Kanäle 1 als Rohre ausgebildet sind, die zwischen Platten 3′ verlaufen, die das vertikale Stoffaustausch-Kanalsystem 2 begren­ zen. Zur Aufgabe der Flüssigkeit in das Kanalsystem 2 sind Rohre 7 mit Sprühverteilern 7′ vorgesehen. Zur Erhöhung der Oberfläche bzw. zur Verteilung der Flüs­ sigkeit im Kanalsystem 2 ist auf den das Kanalsystem 2 durchsetzenden Rohren 1 ein Vlies 6 vorgesehen, das die gleiche Funktion wie beim in Fig. 1 dargestellten Aus­ führungsbeispiel hat. Auch die weitere Funktionsweise entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel.

Der erfindungsgemäße Stoff- und Wärmeaustauschreaktor kann als Lufttrockner mit Speichereffekt zur Entfeuch­ tung von Luft (Strom B) durch eine konzentrierte, hy­ groskopische Flüssigkeit (Strom C) verwendet werden. Die Reaktionswärme des Prozesses wird dabei durch den Strom A abgeführt. Die trockene Luft kann zur Entfeuch­ tung von Räumen oder Produkten eingesetzt werden. Durch ein erneutes Befeuchten, z. B. in einem indirekten Ver­ dunstungskühler, steht sie für Raumklimatisierungs­ zwecke zur Verfügung. Aufgrund des speziellen Aufbaus des Reaktors wird zur Lufttrocknung nur der physika­ lisch notwendige Minimalvolumenstrom hygroskopischer Flüssigkeit benötigt. Dadurch verdünnt sich die Flüs­ sigkeit während des Lufttrocknungsvorgangs stark. Die so erreichbare große Differenz in der Konzentration ermöglicht es, die hygroskopische Flüssigkeit als Spei­ cher- und Transportmedium für Kühl- und Entfeuchtungs­ aufgaben zu verwenden.

Mit dem gleichen Austauschreaktor kann die verdünnte, hygroskopische Flüssigkeit wieder konzentriert werden.

Dabei wird über den Strom A bei erhöhter Temperatur Prozeßwärme zugeführt. Aufgrund des speziellen Aufbaus wird eine Prozeßführung ermöglicht, durch die es ge­ lingt, Abfallwärme aus Industrieprozessen oder Prozeß­ wärme aus Sonnenenergie in der hygroskopischen Flüssig­ keit als Absorptionsenergie zu speichern.

Der Stoff- und Wärmeaustauschreaktor kann auch als indirekter Verdunstungskühler verwendet werden. Strom A ist dabei die zu kühlende Luft, Strom B die zu befeuch­ tende Abluft und Strom C der befeuchtende Wasserstrom.

Ein weiteres Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Stoff- und Wärmeaustauschreaktors ist die Befeuchtung von Luft. Dabei wird Prozeßwärme, z. B. industrielle Abwär­ me, von einem sonst nicht nutzbaren, niedrigen Tempe­ raturniveau unterhalb 100°C verwendet (Strom A).

In der Verfahrenstechnik empfiehlt sich der Einsatz des Stoff- und Wärmeaustauschreaktors als Gaswäscher.

Der vom eingesetzten Kunststoff abhängige Temperaturbe­ reich sowie die Resistenz von Kunststoffen gegen viele, für andere Materialien korrosive Stoffe eröffnet dabei weitere Anwendungsmöglichkeiten.

Der Stoff- und Wärmeaustauschreaktor kann weiterhin vorteilhaft für Absorptions- und Desorptionsprozesse eingesetzt werden. Diese Anwendung ist interessant, wenn die Ströme B und C als Produkt angesehen werden und ein Flüssigkeitsstrom C nicht im Überschuß angebo­ ten werden kann. Die Temperatur des Prozesses kann durch den Strom A aufgeprägt werden.

Claims (12)

1. Wärme- und Stoffaustauschreaktor, bei dem zwei stofflich voneinander getrennte Kanalsysteme (1, 2) vorgesehen sind, von denen das eine Kanalsystem (Wärme­ austausch-Kanalsystem 1) von einem flüssigen oder gas­ förmigen Heiz-oder Kühlmedium A und das andere Kanal­ system (Stoffaustausch-Kanalsystem 2) von einem gasför­ migen Medium B und einem weiteren flüssigen Medium C durchströmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeaustausch-Kanal­ system (1) horizontal und das Stoffaustausch-Kanal­ system (2) vertikal angeordnet ist, und daß das weitere flüssige Medium in dünner Schicht zumindest auf einem Teil der inneren Oberfläche des Stoffaustausch-Kanal­ systems aufgebracht ist.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbringen bzw. Vertei­ len von kleinsten Flüssigkeitsvolumenströmen C auf wenigstens einem Teil der Oberfläche des Stoffaus­ tausch-Kanalsystems (2) ein spezieller Aufgabekanal (5) vorhanden ist.

3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung eines großen Massenverhältnisses von Gas- zu Flüssigkeits­ strom der Aufgabekanal (5) für den Flüssigkeitsstrom C aus horizontal über die gesamte Länge des Kanalsystems (1) verlaufende poröse Membranschläuche (7) besteht, wobei die Membranschläuche (7) in einem Kunststofform­ teil (8) fixiert sind.

4. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor aus Platten (3) aufgebaut ist, die in definierten Abständen parallel zueinander angeordnet sind.

5. Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufgabekanal (5) ober­ halb des Kanalsystems (1) in den Reaktorplatten (3) angeordnet ist.

6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung des kleinen Flüssigkeitsvolumenstromes C auf der Oberfläche des Kanalsystems (2) durch geeignete Oberflächenstrukturen, wie beispielsweise Vlies (6), Plasmabehandlung, Aufrau­ hen erfolgt.

7. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeaustausch-Kanal­ system (1) analog einem Wärmeaustauschers aufgebaut ist, wobei die nötigen Begrenzungsflächen eines einzel­ nen Kanals beispielsweise als Stegdoppelplatte (4) ausgebildet sind.

8. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeaustausch-Kanal­ system (1) jeweils in einer Stegdoppelplatte (4) mit dem darüber liegenden Aufgabekanal (5) zur horizontalen Durchströmung ausgebildet ist, während das Kanalsystem (2) vertikal zwischen den parallelen, mit Abstand zueinander angeordneten Stegdoppelplatten (4) verläuft.

9. Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Aufgabe des Flüssigkeitsstromes C jeweils auf den Stegdoppel­ platten (4) angeordnet ist.

10. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichmäßigen und sta­ bilen Verteilung des Flüssigkeitsstromes C sowie zur ständigen Durchmischung des Gasstromes B und des Flüs­ sigkeitsstromes C Einbauten vorgesehen sind.

11. Reaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten Abstandshal­ ter (9) sind.

12. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er vorzugsweise aus Kunst­ stoff aufgebaut ist und keine beweglichen Teile ent­ hält.