EP2379978B1 - Rotationssymmetrischer fluidverteiler - Google Patents

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EP2379978B1
EP2379978B1 EP09795934.0A EP09795934A EP2379978B1 EP 2379978 B1 EP2379978 B1 EP 2379978B1 EP 09795934 A EP09795934 A EP 09795934A EP 2379978 B1 EP2379978 B1 EP 2379978B1
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EP
European Patent Office
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aperture
tube
fluid distributor
inner tube
sectors
Prior art date
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EP09795934.0A
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English (en)
French (fr)
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EP2379978A2 (de
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Michael Hermann
Constanze Bongs
Hans-Martin Henning
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of EP2379978B1 publication Critical patent/EP2379978B1/de
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
    • B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
    • B01F25/432—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa
    • B01F25/4321—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa the subflows consisting of at least two flat layers which are recombined, e.g. using means having restriction or expansion zones
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0012—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the apparatus having an annular form
    • F28D9/0018—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the apparatus having an annular form without any annular circulation of the heat exchange media
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0052—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for mixers

Definitions

  • the present invention relates to a fluid distributor and to an apparatus which has at least one fluid distributor and a heat and / or material exchanger arranged thereon.
  • Fluid distributors are known inter alia from FR 983.419. Apparatuses for exchanging heat and / or substances between different fluids are state of the art. These include, for example, plate heat exchangers in which numerous flat fluid channels are arranged parallel to one another and thus offer a large exchange surface. This design is widely used, especially in air-air heat exchangers, which are used for example for heat recovery. In the case of two fluids A and B, the channels are arranged alternately, that is to say in the sequence ABABAB. A special challenge exists It is to distribute the volume flow of fluids from the respective supply lines evenly on these channels. At the same time this should be streamlined, so that the pressure loss remains as low as possible. The prior art often requires a transition from circular cross-section tubes to numerous parallel channels of rectangular cross-section, with only every second channel allowed to flow therethrough.
  • a rotationally symmetrical fluid distributor is understood to mean a device which always has a round (ie circular) cross-section, but the diameter in the longitudinal direction of the fluid distributor does not have to be constant, but can be constant.
  • the entire fluid distributor seen from the outside may have a cylindrical shape, but also have an increasing diameter, for example from the first to the second aperture.
  • the fluid distributor has at its two ends on the first aperture and the second aperture.
  • the fluid manifold consists essentially of two nested tubes, the inner tube enclosing a space A and the outer and inner tubes enclosing a space B, while the second aperture is segmented, with the respective segments alternating with the first Rooms A and B, so the spaces that are enclosed at the first aperture of the inner tube or of the two tubes, in conjunction.
  • a transition takes place between the first and second apertures, in which the inner tube has increasing indentations and protuberances, the notches, ie the trajectories of the respective indentations, extending in the longitudinal direction from the first to the second aperture in the direction of the center of the fluid distributor and at the latest at the second Aperture converge with the center of the fluid manifold.
  • the trajectory of the protuberances ie the radial course of the protuberances, in the longitudinal course of the first to the second aperture in the direction of the outer tube, wherein at the latest at the second aperture, the trajectory of the protuberances merges with the outer tube.
  • a fluid transition between the circular / annular spatial distribution towards a segment-like spatial distribution of the spaces A and B is provided with the fluid distributor.
  • the outer diameter of the entire fluid distributor can remain the same over the entire length of the distributor, but also vary.
  • such a preferred arrangement of the cuts or protuberances that the resulting segments that represent the space A, each having an equal area, (in the cross section of the second aperture), but also the segments that represent the space B always one have the same area.
  • the area of a segment representing the space A and the area of a segment representing the space B (in each case relative to the cross section of the second aperture) can always be the same size, ie the spatial relationship of the spaces A and B to one another is 1: 1, but it can also deviate cross-sectional area ratios occur.
  • 1 ⁇ n ⁇ 1000 preferably 3 ⁇ n ⁇ 500, particularly preferably 30 ⁇ n ⁇ 100, ie the fluid distributor has the corresponding number of segments.
  • the ratio of the cross-sectional areas with respect to space A and space B remains constant over the entire length of the fluid distributor.
  • This preferred embodiment thus provides that at each point of the cross section of the fluid distributor, the ratio of the area which originates from room A to the area which originates from room B, is the same.
  • the cross-sectional area of A / B at each point of the fluid distributor is equal to 1 in cross-section.
  • the respective segments A and B resulting at the second aperture also have exactly the same areas.
  • the cross-sectional areas of the space A can be much larger than those of B and vice versa (eg 50: 1 or 100: 1).
  • the area ratio of A to B over the entire length of the fluid distributor is exactly the same, this means that, for example, in the case that space A is greater than space B, the inner tube relative to the outer tube has a relatively large diameter.
  • the trajectories of the incisions and / or the protuberances are "sinusoidal"
  • the trajectories of the protuberances which, starting from the original tube diameter of the inner tube at the first aperture, lead to a widening of the tube at this point, much like a sinusoid between 0 and ⁇ /.
  • Such guidance of the trajectories results in excellent flow characteristics of the respective fluids within the fluid manifold.
  • the incisions preferably run in such a way that a wedge-shaped structure results, wherein the acute angle of the wedge can also be rounded or arcuate concave. The same can preferably apply to the protuberances.
  • webs may be present in the region between the outer and inner tubes which connect the outer and inner tubes and / or webs are present in the inner tube which connect the inner wall of the inner tube and the central axis of the inner tube, ie the webs run in the middle axis together.
  • This embodiment applies to the entire fluid distributor except at the level of the second aperture, since starting from the first aperture, the webs, which are present for example between the outer and inner tube, have run together with the wall of the outer tube or the webs, the inner tube are arranged coincide at the level of the second aperture with the center of the fluid manifold.
  • a core tube or a solid axis is arranged concentrically in the inner tube over the entire length of the fluid distributor, with the proviso that in this case the second aperture in cross-section instead of the circular sectors circular sectors, said trajectories the incisions on the core tube or the solid axis terminate and, in the case that webs are present in the inner tube, these connect the surface of the core tube or the solid axis with the notch base of the inner tube and the trajectories of the incisions on the core tube or the solid axis branch as soon as the notch bottom touches the surface of the core tube or the solid axis.
  • the core tube has openings for mass transfer.
  • the respective exchange openings can be fluidically connected to either one of the rooms A or B, but a mass transfer can take place with both rooms.
  • the mass transfer openings of the core tube can be arranged over the entire length of the fluid distributor, but also only in certain areas.
  • the fluid distributor comprises a further tube arranged longitudinally from the first aperture or the second aperture concentrically around the outer tube and enclosing a space C lying between the further tube and the outer tube, as well as a tube in the longitudinal direction after the second aperture arranged third aperture having in cross section 3n circular sectors, where n is an integer ⁇ 1, preferably ⁇ 2, and the sectors alternately with space A, space C, space B and space C and so on stand between the second and the third aperture, the outer tube in the longitudinal direction around the tube circumference around n incisions at the level of the boundaries of the circular sectors and alternately arranged n protuberances of the circular sectors, each incision having a trajectory which the radius of the outer tube starting from the original radius of the outer tube at the level of the second aperture along the direction of the third aperture, with all the trajectories of the incisions converging at the level of the third aperture in the center of the cross section of the fluid distributor, and each protuberance having a trajectory which the radius of the outer
  • This embodiment of the invention is based on the same principle as the general principle of the present invention, namely that by the transition from an outer tube disposed around an inner tube by notches or protrusions of the tube therein, a course of the spaces between these tubes lie, can be adjusted so that at the exit aperture a segment-like side by side of the previously concentric arranged spaces can be done.
  • the inventive concept described in the preceding paragraph is However, not limited to the three spaces mentioned A, B and C, it can connect to the third aperture described therein, which is in fluidic contact with three different rooms A, B and C, even more concentric tubes, so that the concept any number of different spaces can be expanded.
  • the fluid distributor according to the invention can be used in a rotationally symmetrical heat and / or material exchanger whose cross section has at least 2n sectors separated from one another by a membrane, where n is an integer 1, preferably ⁇ 2.
  • the membrane may be cloth-impermeable or at least partially permeable to fabric. In the event that a heat exchange is to take place with this exchanger, it is preferred if the membrane is material-impermeable, but has good heat-conducting properties. Particularly suitable materials for the membrane in this case are, for example, metals or metal sheets. In the event that a mass transfer should take place, semipermeable membranes or porous membranes are preferred.
  • At least a portion of the sectors may be at least partially equipped with sorbent materials on the inside and / or outside.
  • the heat and / or material exchanger comprises a core tube arranged in the center of the heat and / or mass exchanger in the longitudinal direction, with the proviso that annular sectors are present instead of the circular sectors, wherein the core tube openings for mass transfer with at least one part may have the circular sectors.
  • This heat and / or material exchanger thus correlates with the previously described embodiment of the fluid distributor, in the event that it also has a core tube or a solid tube in the center.
  • a heat and / or mass exchange apparatus comprising a heat and / or mass heat exchanger as described above, wherein at least one end or both ends of the heat and / or mass exchanger is one as described above Fluid distributor is positively mounted over the second aperture, wherein the number of sectors of the heat and / or mass exchanger and the fluid distributor is identical.
  • the two components are joined together in such a way that the respective sectors of the fluid distributor and of the heat and / or mass exchanger congruently come to rest, ie not only the number of sectors of the fluid distributor and of the heat and / or mass exchanger must be identical the geometry of the sectors (for example, in the case where the sectors representing space A and the sectors representing space B are in cross section must not be the same area at the height of the second aperture) must be identical.
  • positive fit can also include that distributor and heat / material exchanger firmly connected to each other, e.g. welded, glued, etc., are.
  • the heat and / or material exchanger and the at least one fluid distributor are axially rotatable relative to one another, wherein the rotation is preferably carried out by means of a motor.
  • the individual components can also be separated by a small gap.
  • the invention described herein relates, in a first aspect, to a fluid distributor I, which starts from concentric inlet and outlet tubes for the fluids A (inner tube) and B (annular space between the inner and outer tube) and can be completely accommodated in a straight tube, which corresponds in outer diameter to the outer inlet and outlet pipe.
  • Heat exchange usually refers to the exchange of heat between the non-mixing fluids through impermeable walls.
  • Substance exchange refers to applications in which substances are transferred through the walls (eg filter processes). There are also combinations of heat and mass transfer conceivable; In this case, heat can also be transferred via fabric particles transferred through the walls.
  • Stoff cap includes adsorptive processes.
  • a substance is attached to the sorptive coating, but not transferred to the secondary side.
  • the expulsion of the adsorbed substance takes place, for example, via thermal desorption with a hot medium, which flows through the same (primary) channels following adsorption.
  • Such a fluid distributor I is for example in FIG. 1 shown in detail.
  • the fluid distributor I is limited by an outer tube 3 and has at the level of the first aperture 1 an inner tube 2.
  • the viewing direction is shown on the second aperture 4, which has the various segments (in this case 6) resulting from the transition from the two tubes 2 and 3 present on the first aperture side 1.
  • the segments corresponding to the spaces A (this is the space enclosed by the pipe 2) and B (this is the space between the pipes 2 and 3) are the same in this case, ie the individual segments are at an angle of 60 ° to each other.
  • the transition between the first aperture 1 and the second aperture 4 is designed such that the inner tube 2 has both notches 5 and protuberances 6, wherein the notches of the tube 2 with increasing course from the first aperture 1 to the second aperture 4 towards Center converge and meet at the height of the aperture 4 in the center.
  • the notches 5 thereby taper the diameter of the tube 2.
  • the tube 2 also has protuberances 6, which expand from the original tube diameter of the tube 2, the tube diameter and converge at the level of the aperture 4 with the outer tube 3. In this way, through the flowing transition between the one another ordered tubes 2 and 3 at the level of the first aperture 1 achieved a segmental structure according to the aperture 4.
  • the ratio of the cross-sectional areas of the inner tube 2 (fluid A) and the annular space between tube 2 and 3 (fluid B) may be 1, for example, with the same fluids and similar mass flows, so that both cross-sectional areas are equal.
  • the fluid distributor is constructed in such a way that the fluids A and B located in the inner tube 2 and in the annular space are alternately adjacent to one another in circular sectors at the end of the distributor, ie ABABAB .
  • FIG. 3 shows the inlet and the outlet cross-section (inlet aperture 1 and outlet aperture 4) of a distributor I with 6 circular sectors.
  • the peculiarity of the distributor is that the cross section continuously changes from concentric circles to circular sectors, on the one hand increases the diameter of the inner tube and on the other hand, for example, wedge-shaped incisions 5 are introduced, which are advantageously dimensioned such that they increase the area increase by the growing diameter again compensate. This ensures that the cross-sectional areas for fluid A and B and thus also their flow rates remain the same throughout the distributor.
  • FIG. 4 A transition from the aperture 1 to the aperture 4 is based on several cross-sectional images in FIG FIG. 4 shown, which represent the changes in the circumference of the inner tube 2 in more detail. It can clearly be seen that, although the diameter of the outer tube 3 remains constant over the entire length from the aperture 1 to the aperture 4, but in the tube 2 Notches 5 and protuberances 6 are mounted, wherein the notches 5 converge at the aperture 4 at the center of the fluid distributor, while the protuberances 6 converge at the level of the aperture 4 with the outer tube 3, whereby the transition of two concentric tubes 2 and 3 in the Aperture 1 to a segment-like juxtaposition of the spaces A and B takes place at aperture 4.
  • the fixed ratio of the cross-sectional areas for the fluids A and B may also differ significantly from 1, e.g. when fluid A is water and fluid B is air (e.g., an air-water heat exchanger).
  • the narrow sectors get e.g. the character of water-cooled ribs (see Fig. La).
  • a fluid distributor with 15 channels A and 16 channels B with an area ratio A / B >> 1 is shown.
  • the diameter increase and the course of the wedge tips are advantageous to determine the diameter increase and the course of the wedge tips.
  • a sinusoidal course is, for example, a sinusoidal course.
  • the cuts 5 need not be wedge-shaped; they may also be rounded, for example, which may have a positive effect on the flow ( Fig. 5 ).
  • the main advantage of the invention is that the distributor has a dual function: it distributes the fluids continuously and at the same time already serves as a pre-heat and / or mass exchanger. Heat and / or fabric can be transferred from the beginning. Initially, this takes place only over the outer surface of the inner tube 2; the exchange surface between the fluids is then increased continuously until the final cross-section is reached with circular sectors, where she finally reaches her maximum. The number of sectors determines the absolute maximum of the exchange area. By design, none of the sectors are excellent over the others and the flow is gradually diverted without abrupt changes of direction. As a result, a uniform flow is achieved with low pressure drop, so that together with an efficient heat and / or mass transfer a high overall efficiency can be achieved with a compact, modular design.
  • the inlet and outlet cross sections 1 and 4 are circular, eliminates the otherwise often common transition pieces that increase pressure loss, cost and space requirements.
  • only the inner tube 2 must be performed before and after the distributor I through the wall of the outer tube 3 (eg via elbows), or the inlet or outlet of the annular space takes place axially or (semi-) radially in one Distance to the inlet or outlet of the inner tube.
  • Various such guides of the fluids A and B and the corresponding tubes 2 and 3 are in Fig. 6 illustrated, wherein the guide is not limited to the arrow directions.
  • FIG. 7 illustrated variant of the construction described above has in the inner and / or in the outer part of the manifold webs (ribs) 7 and 8, which are internally connected to the central axis and outside to the outer tube 3.
  • the inner webs 8 each lead from the wedge base radially to the central axis; the outer webs 7 lead radially from the outer contour of the distributor to the outer tube 3 and lie in each case on the bisector between two inner webs.
  • the webs increase both the stability of the construction and, in the case of a heat exchanger, the heat transfer between the fluids, because heat is transported radially by heat conduction through this fin construction to the exchange surface between the fluids.
  • FIG. 8 are in analogy to the comments regarding FIG. 4 a plurality of cross sections along the fluid distributor from aperture 1 to aperture 4 shown as a course of the geometric configuration of the inner tube 2 is designed when both between the inner tube 2 and the outer tube 3 webs 7 and in the interior of the inside lying tube 2 webs 8 are arranged. It can be seen that the webs 8 in course on the aperture 4 also due to the fact that the incisions 5 converge toward the center of the fluid distributor towards the center converge and disappear, while the webs 7 between the protuberances 6 and the outer tube 3 are and even here at the aperture 4 disappear. As a result, an extremely stable structure of the fluid distributor, in particular because the inner tube 2 is firmly fixed by the webs 7 in the outer tube 3.
  • a third fluid C is introduced, so that finally at the outlet of the distributor all three fluids in the order ACBCACBC ... are adjacent ( Fig. 11 ).
  • This cascading can theoretically be continued as desired; with another fluid D, for example, the order ADCDBDCDADCDBDCD ... would be achieved.
  • the fluid C can also be supplied in an annular space surrounding the first manifold, as in eg Fig. 11 indicated in the fifth picture from the left.
  • the first distributor is enclosed by a further tube 10 and fed to a third fluid C.
  • A cold sea water
  • B warm sea water
  • C permeate
  • semipermeable membrane between B and C capacitor film between A and C.
  • the webs between A and B should in this case a low Have thermal conductivity, so that the least possible heat exchange between A and B takes place.
  • Another application is that two fluids A and B heat a third fluid C (eg heating of the supply air C by two exhaust streams A and B, which should not mix).
  • the apparatus could be used as a fuel cell in which A (oxygen) and C (hydrogen) react to B (water). Between A and C is an electrolyte membrane, between C and B is a water-permeable membrane.
  • Both fluid manifolds I and heat exchangers can also be constructed with a core tube K or a solid axis.
  • the core tube must be taken into account when calculating the cross-sectional areas. Once the wedge touches the core tube, the tip is replaced by a circular arc, so that eventually no longer circular sectors, but circular sectors arise at the outlet of the distributor. The transition from the wedge to the annulus sector must also be taken into account when calculating the cross-sectional areas.
  • Fig. 12 shows sections through a fluid distributor I with core tube K; in Fig. 13 is the three-dimensional impression of the transition from the wedge to the circular sector sketched.
  • a special construction of the manifold there are openings between the fluid channels and the core tube provided, which allow fluid can flow into the core tube. This may be useful, for example, if fluid A is used for cooling fluid B and accumulates in this condensate, which is to be removed via the core tube K.
  • vertical installation of the apparatus may be advantageous.
  • the channels can be drained one after the other by turning the distributor.
  • the device can be installed at any angle.
  • the core tube can also be used to supply fluids.
  • a heat and / or material exchanger II the in FIG. 2a is shown as a separate component which can be arranged with two fluid distributors Ia and Ib, which can be arranged in each case at the ends of the heat and / or mass exchanger II.
  • the respective circular sectors which can be connected to the fluid distributors Ia and / or Ib, are arranged identically to the resulting divisions of the circular segments on the aperture 4 of the fluid distributor Ia or Ib.
  • the segments of the heat and / or mass exchanger II are parallel to each other.
  • the membranes may be permeable to material and / or fabric impermeable.
  • a core tube may be arranged in the heat and / or material exchanger II.
  • the present invention relates to an apparatus for heat and / or material exchange III, the example in FIG. 2b is shown, and from the assembled parts, in the FIG. 2a are presented, is arranged.
  • the apparatus consists of two fluid distributors Ia and Ib flanking a heat and / or material exchanger II at its respective ends.
  • the apparatus III consists of at least one, usually two symmetrically arranged fluid distributors Ia and Ib and as a rule, but not necessarily, from an intermediate heat and / or material exchanger II ( Fig. 2b ). It can be operated both in DC and in countercurrent.
  • the construction of the apparatus makes it possible to divert the fluid streams into different channels by rotating at least one distributor Ia and / or Ib and / or the heat or material exchanger II around the angle of a circular sector. For example, it is possible to allow fluid A in the inner tube and fluid B to enter the annular space and, depending on the rotation, either fluid A in the inner tube and fluid B in the annular space or fluid A in the annular space and fluid B in the inner tube. In this way, different channel connections can be switched using stepper motors, so that valves can be omitted.
  • the distributor receives a third function; he is thus fluid distributor, heat and / or material exchanger and actuator in a component. This function can be used especially if the channels have different functions and the fluids alternately have these functions should use.
  • a sorption heat exchanger in conventional design with parallel plates is in EP 1 508 015 B1 described.
  • This has heat exchanger and sorption channels which are in thermal contact (eg alternately stacked).
  • a sorption material is applied on the inner surfaces of the sorption channels.
  • the heat exchange channels include a cooling fluid, the sorption channels a fluid from which at least one component to be extracted from the sorbent material is to be extracted.
  • the sorptive heat exchanger also contains humidifying components for humidification or supersaturation of the cooling fluid.
  • both fluids are air of different temperature and humidity; the medium to be extracted is water, and various sorbents (for example, silica gel) can be used as the sorbent material.
  • the sorption heat exchanger of the prior art requires a plurality of valves to distribute different air streams to heat exchange or sorption channels. In the apparatus III described here, this can be done by rotation of the distributor Ia and / or Ib.
  • a possible mode of operation is shown below as an example for a ventilation mode (supply air is conditioned ambient air) in DC configuration:
  • the fluids at the inlet are exhaust air (inside) and ambient air (outside), the middle piece here consists of heat exchanger and sorption sectors, at the outlet are the fluids exhaust air (inside) and supply air (outside).
  • the ambient air e.g., by heat from solar panels
  • the heating of the ambient air may already take place in a component upstream of the distributor or e.g. take place over the outer surface of the outer tube at the entrance.
  • the heat exchanger ducts must be able to be humidified, therefore humidifiers, e.g. Nozzle to provide, which provide radially every other sector with water.
  • the heat exchanger and the sorption channels can be provided with further internal ribs (radially or parallel to the cylindrical surface) to increase the surface area within each sector.
  • a second apparatus A2 which executes the same steps 1) to 7) with a time delay: while one of the apparatuses performs step 1), the other executes steps 3) to 5).
  • the fluids must be recycled accordingly.
  • This can be done in a third apparatus A3 consisting of only two by one sector staggered distributors without center piece exists and is flowed through in the reverse direction in comparison to the apparatuses A1 and A2.
  • A3 / Manifold 1 (inside)
  • A3 / distributor 2 (inside)
  • A3 / distributor 2 (inside) must be connected to A1 / distributor 1 and A2 / distributor 1 via a changeover valve so that the exhaust air is blown into either A1 or A2 depending on the process step.
  • distribution channels eg those for fluid A in Fig. 9 can be made for example by hydroforming (hydroforming, hydroforming).
  • IHU is state of the art and is widely used for the production of complex components. It is conceivable to make the channels out of a tube ( Fig. 15 ) or from a partially plated sheet metal composite, which is formed by generating an internal pressure in the areas not connected by a previously applied release agent ( Fig. 16 ). In both cases, the shaping is achieved by forming in a suitable tool (pressing into the tool by internal pressure).
  • Another possibility is to weave the channels three-dimensionally (this technology already exists) and, if appropriate, subsequently with a hardening material, such as e.g. Epoxy resin, to stabilize.
  • a hardening material such as e.g. Epoxy resin

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fluidverteiler sowie einen Apparat, der mindestens einen Fluidverteiler sowie einen daran angeordneten Wärme- und/oder Stofftauscher aufweist.
  • Fluidverteiler sind unter anderem aus der FR 983.419 bekannt. Auch Apparate zum Austausch von Wärme und/oder Stoffen zwischen unterschiedlichen Fluiden sind Stand der Technik. Zu ihnen zählen beispielsweise Plattenwärmetauscher, bei denen zahlreiche flache Fluidkanäle parallel zueinander angeordnet sind und dadurch eine große Austauschfläche bieten. Diese Bauart ist vor allem bei Luft-Luft-Wärmetauschern, die z.B. für die Wärmerückgewinnung eingesetzt werden, weit verbreitet. Dabei sind im Falle von zwei Fluiden A und B die Kanäle abwechselnd, also in der Abfolge ABABAB..., angeordnet. Eine besondere Herausforderung besteht darin, den Volumenstrom der Fluide aus den jeweiligen Zuleitungen gleichmäßig auf diese Kanäle zu verteilen. Gleichzeitig sollte dies strömungsgünstig erfolgen, so dass der Druckverlust möglichst gering bleibt. Beim Stand der Technik ist oft ein Übergang von Rohren mit kreisförmigem Querschnitt auf zahlreiche parallele Kanäle mit rechteckigem Querschnitt notwendig, wobei nur jeder zweite Kanal durchströmt werden darf.
  • An sich ist die Verteilung der Fluidströme bei Plattenwärmeübertragern schon durch die Geometrie gelöst (nur jeder zweite Kanal ist für die Strömung zugänglich). Insofern ist hier die Verteilung der Fluide nicht durch komplizierte Übergangsstücke zu lösen. Allerdings erfolgt durch dieses Prinzip eine schlagartige Querschnittsänderung (Halbierung), da jeder zweite Kanal verschlossen ist und das Fluid diese Bereiche umströmen muss. Dies führt zu hohen Druckverlusten. Die Übergangsstücke führen von einem runden auf eine eckigen Querschnitt und zur Trennung der Fluide werden unterschiedliche Querschnitte angeströmt. Beim Stand der Technik ist oft ein Übergang von Rohren mit kreisförmigem Querschnitt auf einen rechteckigen Anströmquerschnitt erforderlich.
  • Zudem sind bei derartigen Wärmetauschern, wie sie beispielsweise auch in der WO 03/095917 beschrieben sind, zahlreiche Ventile zur Ansteuerung bzw. zum Betrieb des Wärmetauschers notwendig.
  • Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Fluidverteiler bereitzustellen, der den Aufbau eines Wärmetauschers dentlich vereinfacht und den Betrieb des Wärmetauschers ohne Ventile ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird bezüglich des Fluidverteilers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie bezüglich eines Apparats zum Wärme- und/oder Stofftausch mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst, wobei jeweils die abhängigen Patentansprüche vorteilhafte Weiterbildungen darstellen.
  • Erfindungsgemäß wird somit ein rotationssymmetrischer Fluidverteiler bereitgestellt, der in Längsrichtung
    • eine erste Apertur, die im Querschnitt zwei konzentrisch angeordnete Rohre aufweist, wobei das innere Rohr einen ersten Raum A einschließt, das äußere und das innere Rohr einen Raum B umschließen und das äußere Rohr den Durchmesser des Fluidverteilers vorgibt, sowie
    • eine zweite Apertur, die im Querschnitt 2n Kreissektoren aufweist, wobei n eine ganze Zahl ≥ 1, vorzugsweise ≥ 2, ist und die Sektoren abwechselnd mit Raum A oder Raum B in Verbindung stehen, wobei zwischen der ersten und der zweiten Apertur das innere Rohr in Längsrichtung um den Rohrumfang herum angeordnet n Einschnitte und alternierend angeordnet n Ausstülpungen aufweist, umfasst,
    • wobei jeder Einschnitt eine in Längsrichtung von der ersten zur zweiten Apertur verlaufende Trajektorie aufweist, die den Radius des inneren Rohres ausgehend vom ursprünglichen Radius des inneren Rohres auf Höhe der ersten Apertur längs in Richtung der zweiten Apertur stetig verkleinert, wobei alle Trajektorien der Einschnitte auf Höhe der zweiten Apertur im Mittelpunkt des Querschnitts des Fluidverteilers zusammenlaufen, und jede Ausstülpung eine in Längsrichtung von der ersten zur zweiten Apertur verlaufende Trajektorie aufweist, die den Radius des inneren Rohres ausgehend vom ursprünglichen Durchmesser des inneren Rohres auf Höhe der ersten Apertur längs in Richtung der zweiten Apertur stetig vergrößert, wobei alle Trajektorien der Ausstülpungen auf Höhe der zweiten Apertur mit dem äußeren Rohr zusammenlaufen.
  • Erfindungsgemäß wird unter einem rotationssymmetrischen Fluidverteiler eine Vorrichtung verstanden, die stets einen runden (d.h. kreisförmigen) Querschnitt aufweist, wobei jedoch der Durchmesser in Längsrichtung des Fluidverteilers nicht konstant sein muss, aber sein kann. Beispielsweise kann der gesamte Fluidverteiler von außen gesehen Zylinderform aufweisen, jedoch auch beispielsweise von der ersten zur zweiten Apertur einen zunehmenden Durchmesser aufweisen. Der Fluidverteiler weist an seinen beiden Enden die erste Apertur bzw. die zweite Apertur auf. An der ersten Apertur besteht der Fluidverteiler im Wesentlichen aus zwei ineinander geschachtelten Rohren, wobei das innen liegende Rohr einen Raum A und das äußere mit dem inneren Rohr einen Raum B einschließt, während die zweite Apertur segmentartig aufgebaut ist, wobei die jeweiligen Segmente alternierend mit den Räumen A bzw. B, also den Räumen, die an der ersten Apertur vom Innenrohr bzw. von den beiden Rohren eingeschlossen werden, in Verbindung stehen. Im Fluidverteiler findet zwischen erster und zweiter Apertur ein Übergang statt, in dem das innen liegende Rohr zunehmende Einkerbungen und Ausstülpungen aufweist, wobei die Einkerbungen, d.h. die Trajektorie der jeweiligen Einkerbungen, im Längsverlauf von der ersten zur zweiten Apertur in Richtung des Mittelpunktes des Fluidverteilers verlaufen und spätestens an der zweiten Apertur mit dem Mittelpunkt des Fluidverteilers zusammenlaufen. Im Gegenzug dazu verläuft die Trajektorie der Ausstülpungen, d.h. der radiale Verlauf der Ausstülpungen, im Längsverlauf von der ersten zur zweiten Apertur in Richtung des außen liegenden Rohres, wobei spätestens an der zweiten Apertur die Trajektorie der Ausstülpungen mit dem außen liegenden Rohr zusammenläuft. Insofern wird mit dem Fluidverteiler ein fließender Übergang zwischen der kreisförmigen/ringförmigen räumlichen Verteilung hin zu einer segmentartigen räumlichen Verteilung der Räume A und B bereitgestellt. Der Außendurchmesser des gesamten Fluidverteilers kann dabei über die gesamte Länge des Verteilers gleich bleiben, aber auch variieren.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind dabei die Einschnitte um das innere Rohr bei Winkeln α von α = 0 , 2 , … , 2 ⁢ n - 2 ⁢ 360 ⁢ ° 2 ⁢ n
    Figure imgb0001
     und die Ausstülpungen um das innere Rohr bei Winkeln α von α = 1 , 3 , … , 2 ⁢ n - 1 ⁢ 360 ⁢ ° 2 ⁢ n
    Figure imgb0002
     angeordnet, d.h. es findet eine gleichmäßige Verteilung der Einschnitte und Ausstülpungen statt. Weiter bedingt eine derartige bevorzugte Anordnung der Einschnitte bzw. Ausstülpungen, dass die daraus resultierenden Segmente, die den Raum A repräsentieren, jeweils eine gleiche Fläche, (im Querschnitt der zweiten Apertur) aufweisen, aber auch die Segmente, die den Raum B repräsentieren stets eine gleiche Fläche aufweisen. Die Fläche eines Segmentes, das den Raum A repräsentiert, und die Fläche eines Segmentes, das den Raum B repräsentiert (jeweils bezogen auf den Querschnitt der zweiten Apertur), können dabei immer gleich groß sein, d.h. das räumliche Verhältnis der Räume A und B zueinander ist 1:1, es können jedoch auch hiervon abweichende Querschnittsflächenverhältnisse auftreten.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist 1 ≤ n ≤ 1000, bevorzugt 3 ≤ n ≤ 500, besonders bevorzugt 30 ≤ n ≤ 100, d.h. der Fluidverteiler weist die entsprechende Anzahl an Segmenten auf.
  • Weiter ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis der Querschnittsflächen bezüglich Raum A und Raum B über die gesamte Länge des Fluidverteilers konstant bleibt. Diese bevorzugte Ausführungsform sieht somit vor, dass an jeder Stelle des Querschnitts des Fluidverteilers das Verhältnis der Fläche, die von Raum A herrührt, zur Fläche, die von Raum B herrührt, gleich groß ist. Für den Fall, dass die Volumina A und B gleich groß sind, ist somit die Querschnittsfläche von A/B an jeder Stelle des Fluidverteilers im Querschnitt gleich 1. Als Schlussfolgerung weisen auch die jeweiligen Segmente A und B, die an der zweiten Apertur resultieren, genau die gleichen Flächen auf. Allerdings ist es jedoch auch möglich, dass die Querschnittsflächen des Raumes A sehr viel größer als die von B sein können bzw. umgekehrt (z.B. 50:1 oder 100:1). Im Fall der oben genannten bevorzugten Ausführungsform, dass das Flächenverhältnis von A zu B über die gesamte Länge des Fluidverteilers genau gleich groß ist, bedeutet dies, dass beispielsweise für den Fall, dass Raum A größer als Raum B ist, das innen liegende Rohr bezüglich des außen liegenden Rohres einen relativ großen Durchmesser aufweist. Für die Segmente, die an der zweiten Apertur vorliegen, bedeutet dies, dass die Segmente, die den Raum A repräsentieren, einen größeren Querschnitt aufweisen, als die Segmente, die den Raum B repräsentieren, so dass die Segmente A wesentlich breiter ausfallen als die Segmente, die den Raum B repräsentieren. Die Trajektorien der Einschnitte und/oder der Ausstülpungen verlaufen "sinusförming" Dabei verlauft die Trajektorie, die den Einschnitt repräsentiert und somit zu einer Verkleinerung des Rohrdurchmessers des inneren Rohres ausgehend vom originalen Rohrdurchmesser bis hin zu 0 (an der zweiten Apertur) führt, ungefähr so, wie eine Sinuskurve zwischen n/2 und n. Andererseits verlaufen die Trajektorien der Ausstülpungen, die ausgehend vom originalen Rohrdurchmesser des inneren Rohres an der ersten Apertur zu einer Aufweitung des Rohres an dieser Stelle führen, ungefähr so wie eine Sinuskurve zwischen 0 und π/2. Eine derartige Führung der Trajektorien führt zu ausgezeichneten Strömungseigenschaften der jeweiligen Fluide innerhalb des Fluidverteilers.
  • Die Einschnitte verlaufen dabei bevorzugt so, dass eine keilförmige Struktur resultiert, wobei der spitze Winkel des Keils auch abgerundet oder bogenförmig konkav sein kann. Gleiches kann bevorzugt für die Ausstülpungen gelten.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können im Bereich zwischen Außen- und Innenrohr Stege vorhanden sein, die Außen- und Innenrohr miteinander verbinden und/oder im Innenrohr Stege vorhanden sein, die die Innenwand des Innenrohres und die Mittelachse des Innenrohres miteinander verbinden, d.h. die Stege laufen in der Mittelachse zusammen. Diese Ausführungsform gilt selbstverständlich für den gesamten Fluidverteiler mit Ausnahme auf Höhe der zweiten Apertur, da hier ausgehend von der ersten Apertur die Stege, die beispielsweise zwischen Außen- und Innenrohr vorhanden sind, mit der Wandung des Außenrohres zusammengelaufen sind bzw. die Stege, die im Innenrohr angeordnet sind, auf Höhe der zweiten Apertur mit dem Mittelpunkt des Fluidverteilers zusammenfallen.
  • In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass konzentrisch im inneren Rohr über die gesamte Länge des Fluidverteilers ein Kernrohr oder eine massive Achse angeordnet ist, mit der Maßgabe, dass für diesen Fall die zweite Apertur im Querschnitt anstelle der Kreissektoren Kreisringsektoren aufweist, wobei die Trajektorien der Einschnitte auf dem Kernrohr oder der massiven Achse enden und für den Fall, dass im Innenrohr Stege vorhanden sind, diese die Oberfläche des Kernrohrs oder der massiven Achse mit dem Kerbgrund des Innenrohrs verbinden und die Trajektorien der Einschnitte sich auf dem Kernrohr oder der massiven Achse verzweigen, sobald der Kerbgrund die Oberfläche des Kernrohrs oder der massiven Achse berührt.
  • Vorteilhaft kann dabei sein, wenn das Kernrohr Öffnungen zum Stoffaustausch aufweist. Die jeweiligen Austauschöffnungen können dabei entweder mit einem der Räume A oder B fluidisch in Verbindung stehen, jedoch kann auch ein Stoffaustausch mit beiden Räumen stattfinden. Die Stoffaustauschöffnungen des Kernrohres können dabei über die gesamte Länge des Fluidverteilers, jedoch auch nur in bestimmten Bereichen angeordnet sein.
  • Eine weiter bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Fluidverteiler ein weiteres in Längsrichtung von der ersten Apertur oder der zweiten Apertur an konzentrisch um das äußere Rohr angeordnetes Rohr, das einen zwischen dem weiteren Rohr und dem äußeren Rohr liegenden Raum C umschließt, umfasst, sowie eine in Längsrichtung nach der zweiten Apertur angeordnete dritte Apertur, die im Querschnitt 3n Kreissektoren aufweist, wobei n eine ganze Zahl ≥ 1, vorzugsweise ≥ 2 ist, und die Sektoren abwechselnd mit Raum A, Raum C, Raum B und Raum C usw. in Verbindung stehen, wobei zwischen der zweiten und der dritten Apertur das äußere Rohr in Längsrichtung um den Rohrumfang herum angeordnet n Einschnitte auf Höhe der Grenzen der Kreissektoren und alternierend angeordnet n Ausstülpungen der Kreissektoren aufweist, wobei jeder Einschnitt eine Trajektorie aufweist, die den Radius des äußeren Rohres ausgehend vom ursprünglichen Radius des äußeren Rohres auf Höhe der zweiten Apertur längs in Richtung der dritten Apertur stetig verkleinert, wobei alle Trajektorien der Einschnitte auf Höhe der dritten Apertur im Mittelpunkt des Querschnitts des Fluidverteilers zusammenlaufen, und jede Ausstülpung eine Trajektorie aufweist, die den Radius des äußeren Rohres ausgehend vom ursprünglichen Durchmesser des äußeren Rohres auf Höhe der zweiten Apertur längs in Richtung der dritten Apertur stetig vergrößert, wobei alle Trajektorien der Ausstülpungen auf Höhe der dritten Apertur mit dem weiteren Rohr zusammenlaufen.
  • Diese Ausführungsform der Erfindung basiert auf dem gleichen Prinzip wie das allgemeine Prinzip der vorliegenden Erfindung, nämlich dass durch den Übergang von einem um ein innen liegendes Rohr angeordnetes äußeres Rohr durch Einkerbungen bzw. Ausstülpungen des darin liegenden Rohres ein Verlauf der Räume, die zwischen diesen Rohren liegen, so eingestellt werden kann, dass an der Austrittsapertur ein segmentartiges nebeneinander der vormals konzentrisch angeordneten Räume erfolgen kann. Das erfindungsgemäße Konzept, das im voranstehenden Absatz beschrieben wurde, ist jedoch nicht auf die drei genannten Räume A, B und C beschränkt, es können sich an die dort beschriebene dritte Apertur, die in fluidischem Kontakt mit drei verschiedenen Räumen A, B und C steht, noch weitere konzentrische Rohre anschließen, so dass das Konzept auf eine beliebige Anzahl verschiedener Räume ausweitbar ist.
  • Der erfindungsgemäße Fluidverteiler kann bei einem rotationssymmetrischen Wärme- und/oder Stofftauscher, dessen Querschnitt mindestens 2n voneinander durch eine Membran separierte Sektoren aufweist, wobei n eine ganze Zahl ≥ 1, bevorzugt ≥ 2 ist, eingesetzt werden.
  • Bezüglich der Sektoren, die für den zuvor beschriebe-Bezüglich der Sektoren, die für den zuvor beschriebenen Wärme- und/oder Stofftauscher ebenso Kreissektoren darstellen, gelten die auch schon für den Fluidverteiler genannten besonderen Ausführungsformen, beispielsweise hinsichtlich der gleichmäßigen Verteilung der jeweiligen Segmente bzw. der Flächenquerschnitte der einzelnen Segmente, die mit den Räumen A oder B in Verbindung gebracht werden sollen.
  • Die Membran kann stoffundurchlässig oder zumindest teilweise stoffdurchlässig sein. Für den Fall, dass ein Wärmetausch mit diesem Austauscher erfolgen soll, ist es bevorzugt, wenn die Membran stoffundurchlässig ist, jedoch gute wärmeleitende Eigenschaften hat. Besonders geeignete Materialien für die Membran sind in diesem Fall beispielsweise Metalle bzw. Metallbleche. Für den Fall, dass ein Stoffaustausch stattfinden soll, bieten sich bevorzugt semipermeable Membranen bzw. poröse Membranen an.
  • Zumindest ein Teil der Sektoren kann zumindest teilweise auf der Innenseite und/oder Außenseite mit Sorptionsmaterialien ausgestattet sein.
  • Weiter vorteilhaft umfasst der Wärme- und/oder Stofftauscher ein im Mittelpunkt des Wärme- und/oder Stofftauschers in Längsrichtung angeordnetes Kernrohr oder eine massive Achse, mit der Maßgabe dass anstelle der Kreissektoren Kreisringsektoren vorhanden sind, wobei das Kernrohr Öffnungen zum Stoffaustausch mit zumindest einem Teil der Kreisringsektoren aufweisen kann. Dieser Wärme-und/oder Stofftauscher korreliert somit mit der vorher beschriebenen Ausführungsform des Fluidverteilers, für den Fall, dass dieser ebenso ein Kernrohr bzw. ein massives Rohr im Mittelpunkt aufweist.
  • Weiter wird erfindungsgemäß ein Apparat zum Wärme- und/oder Stofftausch bereitgestellt, der einen Wärme- und/oder Stofftauscher, wie er zuvor beschrieben wurde, umfasst, wobei zumindest an ein Ende oder an beide Enden des Wärme- und/oder Stofftauschers ein vorstehend beschriebener Fluidverteiler über dessen zweite Apertur formschlüssig angebracht ist, wobei die Zahl der Sektoren des Wärme- und/oder Stofftauschers und des Fluidverteilers identisch ist. Die beiden Bestandteile sind dabei so zusammengefügt, dass die jeweiligen Sektoren des Fluidverteilers und des Wärme- und/oder Stofftauschers deckungsgleich aufeinander zum Liegen kommen, d.h. nicht nur die Anzahl der Sektoren des Fluidverteilers und des Wärme- und/oder Stofftauschers muss identisch sein, auch die Geometrie der Sektoren (beispielsweise für den Fall, dass die Sektoren, die den Raum A repräsentieren und die Sektoren, die den Raum B repräsentieren, im Querschnitt auf Höhe der zweiten Apertur nicht die gleiche Fläche aufweisen) muss identisch sein.
  • Unter formschlüssig kann auch umfasst sein, dass Verteiler und Wärme-/Stofftauscher fest miteinander verbunden, z.B. verschweißt, verklebt, etc., sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Wärme- und/oder Stofftauscher und der mindestens eine Fluidverteiler relativ zueinander axial drehbar, wobei die Drehung bevorzugt mittels eines Motors durchgeführt wird. Die einzelnen Bauteile können auch durch einen kleinen Spalt voneinander getrennt sein.
  • Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme der beigefügten Figuren nachstehend näher erläutert, ohne die Erfindung auf die dort dargestellten Parameter zu beschränken.
  • Die hier beschriebene Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt einen Fluidverteiler I, der von konzentrischen Eintritts- bzw. Austrittsrohren für die Fluide A (inneres Rohr) und B (Ringraum zwischen innerem und äußerem Rohr) ausgeht und vollständig in einem geraden Rohr untergebracht werden kann, das im Außendurchmesser dem äußeren Eintritts- bzw. Austrittsrohr entspricht. "Wärmeaustausch" bezieht sich dabei in der Regel auf den Austausch von Wärme zwischen den sich nicht mischenden Fluiden durch undurchlässige Wände. Unter "Stoffaustausch" sind Anwendungen zu verstehen, bei denen Stoffe durch die Wände übertragen werden (z.B. Filterprozesse). Es sind auch Kombinationen aus Wärme- und Stoffaustausch denkbar; in diesem Fall kann Wärme auch zusätzlich über durch die Wände übertragene Stoffpartikel übertragen werden. Ebenso werden durch die hier gegebene Definition des "Stoffaustauschs" adsorptive Prozesse mit umfasst. Bei der Adsorption wird ein Stoff an der sorptiven Beschichtung angelagert, aber nicht auf die Sekundärseite übertragen. Die Austreibung des adsorbierten Stoffes erfolgt z.B. über thermische Desorption mit einem heißen Medium, welches im Anschluss an die Adsorption dieselben (Primär)kanäle durchströmt.
  • Ein derartiger Fluidverteiler I ist beispielsweise in Figur 1 im Detail dargestellt. Der Fluidverteiler I wird dabei von einem äußeren Rohr 3 begrenzt und weist auf Höhe der ersten Apertur 1 ein innen liegendes Rohr 2 auf. In Figur 1 ist die Blickrichtung auf die zweite Apertur 4 dargestellt, die die verschiedenen Segmente (in diesem Fall 6) aufweist, die durch den Übergang aus den beiden Rohren 2 und 3, die auf der ersten Aperturseite 1 vorliegen, resultieren. Die Segmente, die den Räumen A (dies ist der vom Rohr 2 umschlossene Raum) sowie B (dies ist der zwischen den Rohren 2 und 3 liegende Raum) entsprechen, sind in diesem Fall gleich groß, d.h. die einzelnen Segmente sind unter einem Winkel von 60° zueinander angeordnet. Der Übergang zwischen der ersten Apertur 1 und der zweiten Apertur 4 ist derart gestaltet, dass das innere Rohr 2 sowohl Einkerbungen 5 als auch Ausstülpungen 6 aufweist, wobei die Einkerbungen des Rohres 2 mit zunehmendem Verlauf von der ersten Apertur 1 zur zweiten Apertur 4 hin zum Mittelpunkt zusammen laufen und sich in Höhe der Apertur 4 im Mittelpunkt treffen. Die Einkerbungen 5 verjüngen dabei den Durchmesser des Rohres 2. Andererseits weist das Rohr 2 ebenso Ausstülpungen 6 auf, die ausgehend vom ursprünglichen Rohrdurchmesser des Rohres 2 den Rohrdurchmesser aufweiten und auf Höhe der Apertur 4 mit dem äußeren Rohr 3 zusammenlaufen. Auf diese Weise wird durch den fließenden Übergang zwischen den ineinander geordneten Rohren 2 und 3 auf Höhe der ersten Apertur 1 ein segmentieller Aufbau gemäß der Apertur 4 erzielt.
  • Das Verhältnis der Querschnittsflächen des inneren Rohrs 2 (Fluid A) und des Ringraums zwischen Rohr 2 und 3 (Fluid B) kann bei gleichen Fluiden und ähnlichen Massenströmen beispielsweise 1 betragen, so dass beide Querschnittsflächen gleich sind. Der Fluidverteiler ist derart konstruiert, dass die im inneren Rohr 2 und im Ringraum befindlichen Fluide A und B am Ende des Verteilers in Kreissektoren abwechselnd nebeneinander liegen, also ABABAB.......
  • Figur 3 zeigt den Ein- und den Austrittsquerschnitt (Eintrittsapertur 1 und Austrittsapertur 4) eines Verteilers I mit 6 Kreissektoren. Die Besonderheit des Verteilers besteht darin, dass sich der Querschnitt kontinuierlich von konzentrischen Kreisen zu Kreissektoren ändert, indem einerseits der Durchmesser des Innenrohrs zunimmt und andererseits z.B. keilförmige Einschnitte 5 eingebracht werden, die vorteilhafterweise derart dimensioniert sind, dass sie die Flächenzunahme durch den wachsenden Durchmesser wieder kompensieren. Dadurch wird erreicht, dass die Querschnittsflächen für Fluid A und B und damit auch deren Strömungsgeschwindigkeiten im gesamten Verteiler gleich bleiben.
  • Ein Übergang von der Apertur 1 zur Apertur 4 ist anhand mehrerer Querschnittsbilder in Figur 4 dargestellt, die die Veränderungen des Umfangs des innen liegenden Rohres 2 genauer darstellen. Deutlich erkennbar ist, dass zwar der Durchmesser des äußeren Rohres 3 über die gesamte Länge hin von der Apertur 1 zu der Apertur 4 konstant bleibt, jedoch im Rohr 2 Einkerbungen 5 und Ausstülpungen 6 angebracht werden, wobei die Einkerbungen 5 bei der Apertur 4 beim Mittelpunkt des Fluidverteilers zusammenlaufen, während die Ausstülpungen 6 in Höhe der Apertur 4 mit dem äußeren Rohr 3 zusammenlaufen, wodurch der Übergang von zwei konzentrischen Rohren 2 und 3 bei der Apertur 1 zu einem segmentartigen Nebeneinander der Räume A und B bei Apertur 4 erfolgt.
  • Das festgelegte Verhältnis der Querschnittsflächen für die Fluide A und B kann auch deutlich von 1 abweichen, z.B. wenn es sich bei Fluid A um Wasser und bei Fluid B um Luft handelt (z.B. bei einem Luft-Wasser-Wärmetauscher). In diesem Fall bekommen die schmalen Sektoren z.B. den Charakter wassergekühlter Rippen (siehe Fig. la). Hier ist ein Fluidverteiler mit 15 Kanälen A und 16 Kanälen B mit einem ein Flächenverhältnis A/B >> 1 dargestellt.
  • Um strömungstechnisch günstige Geometrien zu erhalten, ist es vorteilhaft, den Durchmesserzuwachs und den Verlauf der Keilspitzen festzulegen. Günstig ist hier beispielsweise ein sinusförmiger Verlauf. Die Einschnitte 5 müssen nicht keilförmig sein; sie können z.B auch abgerundet sein, was sich möglicherweise positiv auf die Strömung auswirkt (Fig. 5).
  • Der Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, dass der Verteiler eine Doppelfunktion hat: Er verteilt die Fluide kontinuierlich und dient gleichzeitig bereits als (Vor-)Wärme- und/oder Stofftauscher. Von Beginn an kann Wärme und/oder Stoff übertragen werden. Zunächst findet dies nur über die Außenfläche des Innenrohrs 2 statt; die Austauschfläche zwischen den Fluiden wird danach kontinuierlich erhöht, bis der Endquerschnitt mit Kreissektoren erreicht wird, wo sie schließlich ihr Maximum erreicht. Die Anzahl der Sektoren bestimmt das absolute Maximum der Austauschfläche. Durch die Konstruktion ist keiner der Sektoren gegenüber den anderen ausgezeichnet und die Strömung wird allmählich - ohne abrupte Richtungsänderungen - umgelenkt. Dadurch wird eine gleichmäßige Durchströmung bei geringem Druckverlust erzielt, so dass zusammen mit einer effizienten Wärme- und/oder Stoffübertragung eine hohe Gesamteffizienz bei gleichzeitig kompakter, modularer Bauweise erreicht werden kann. Da die Ein- bzw. Austrittsquerschnitte 1 bzw. 4 kreisförmig sind, entfallen die sonst oft üblichen Übergangsstücke, die Druckverlust, Kosten und Platzbedarf erhöhen. Bei der dargestellten Erfindung muss lediglich das Innenrohr 2 jeweils vor und nach dem Verteiler I durch die Wand des Außenrohrs 3 geführt werden (z.B. über Bogenstücke), oder aber der Ein- bzw. Austritt des Ringraums erfolgt axial oder (halb-)radial in einem Abstand zum Ein- bzw. Austritt des Innenrohrs. Verschiedene derartige Führungen der Fluide A und B bzw. der entsprechenden Rohre 2 und 3 sind in Fig. 6 dargestellt, wobei die Führung nicht auf die Pfeilrichtungen beschränkt ist.
  • Eine in Fig. 7 dargestellte Variante der oben beschriebenen Konstruktion weist im Innen- und/oder im Außenteil des Verteilers Stege (Rippen) 7 bzw. 8 auf, die innen mit der Mittelachse und außen mit dem Außenrohr 3 verbunden sind. Die inneren Stege 8 führen jeweils vom Keilgrund radial zur Mittelachse; die äußeren Stege 7 führen radial von der äußeren Kontur des Verteilers zum Außenrohr 3 und liegen dabei jeweils auf den Winkelhalbierenden zwischen zwei inneren Stegen. Die Stege erhöhen sowohl die Stabilität der Konstruktion als auch - im Falle eines Wärmeübertragers - die Wärmeübertragung zwischen den Fluiden, weil Wärme radial durch Wärmeleitung über diese Rippenkonstruktion zur Austauschfläche zwischen den Fluiden transportiert wird.
  • In Figur 8 sind in Analogie zu den Ausführungen bezüglich Figur 4 mehrere Querschnitte entlang des Fluidverteilers von Apertur 1 zu Apertur 4 hin dargestellt, wie ein Verlauf der geometrischen Ausgestaltung des innen liegenden Rohres 2 gestaltet ist, wenn sowohl zwischen dem innen liegenden Rohr 2 und dem außen liegenden Rohr 3 Stege 7 als auch im Innenraum des innen liegenden Rohres 2 Stege 8 angeordnet sind. Erkennbar ist, dass die Stege 8 bei Verlauf auf die Apertur 4 hin ebenso aufgrund der Tatsache, dass die Einschnitte 5 zum Mittelpunkt des Fluidverteilers hin zusammenlaufen, zum Mittelpunkt zusammenlaufen und verschwinden, während die Stege 7 zwischen den Ausstülpungen 6 und dem äußeren Rohr 3 angeordnet sind und auch hier bei der Apertur 4 verschwinden. Resultierend ist eine äußerst stabile Struktur des Fluidverteilers, insbesondere da das innen liegende Rohr 2 durch die Stege 7 im äußeren Rohr 3 fest fixiert wird.
  • Dies wird insbesondere bei Verteilern mit vielen Sektoren deutlich (Fig. 9). Allerdings steigt auch der Druckverlust, so dass die Entscheidung, ob Stege verwendet werden, auch von der Betrachtung der Gesamtenergiebilanz abhängt. Auch Konstruktionen mit Stegen können abgerundet gestaltet werden (Fig. 10).
  • Die Einführung von Stegen führt dazu, dass bereits die Eintrittsquerschnitte in mehrere Sektoren aufgeteilt werden. Dadurch ist es möglich, sowohl Innenrohr als auch den äußeren Ringraum mit mehr als einem Fluid zu durchströmen. Diese Tatsache kann genutzt werden, um beispielsweise durch eine Kaskadierung drei Fluide A, B und C derart zu verteilen, dass sie schließlich in Sektoren in der Reihenfolge ACBCACBC... nebeneinander liegen. Dies wird erreicht, indem die Fluide A und B wie bisher in einem ersten Verteiler verteilt werden und der Austritt dieses ersten Veteilers direkt an den Eintritt eines größeren Verteilers angeschlossen wird, dessen Innenrohrdurchmesser dem Außenrohrdurchmesser des ersten Verteilers entspricht und dessen Innenrohr in ebenso viele Sektoren aufgeteilt ist wie der Austritt des ersten Verteilers. Im Ringraum des zweiten Verteilers wird ein drittes Fluid C eingeführt, so dass schließlich am Austritt des Verteilers alle drei Fluide in der Reihenfolge ACBCACBC... nebeneinander liegen (Fig. 11). Diese Kaskadierung ist theoretisch beliebig fortsetzbar; mit einem weiteren Fluid D würde beispielsweise die Reihenfolge ADCDBDCDADCDBDCD... erreicht werden. Das Fluid C kann auch schon in einem Ringraum, der den ersten Verteiler umgibt, zugeführt werden, wie dies z.B. in Fig. 11 im fünften Bild von links angedeutet ist. Hier wird der erste Verteiler von einem weiteren Rohr 10 umschlossen und ein drittes Fluid C zugeführt. Dabei erfolgt eine Verformung des ersten Fluidverteilers auf Höhe der die Segmente bildenden Trennwände (Einkerbungen 12) sowie Ausstülpungen 13 auf Höhe der Segmente hin zum weiteren Rohr 10, so dass ein segmentartiges alternierendes Nebeneinander der drei Fluide A, B und C auf Höhe der dritten Apertur 11 resultiert. Durch die Stege ist es prinzipiell auch möglich, bereits am Eintritt des ersten Verteilers nicht nur jeweils ein Fluid A und ein Fluid B einzuführen, sondern -je nach Anzahl der Sektoren - mehrere Fluide A1, A2, A3,......... bzw. B1, B2, B3,.......... Entsprechendes gilt für Fluid C. Die Kaskadierung könnte beispielsweise für chemische Reaktionen oder Membran- bzw. Filterverfahren nützlich sein. Ein Beispiel ist die Membrandestillation zur Meerwasserentsalzung: A (kaltes Meerwasser), B (warmes Meerwasser), C (Permeat), semipermeable Membran zwischen B und C, Kondensatorfolie zwischen A und C. Die Stege zwischen A und B sollten in diesem Fall eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen, damit möglichst wenig Wärmeaustausch zwischen A und B stattfindet. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit besteht darin, dass zwei Fluide A und B ein drittes Fluid C aufheizen (z.B. Erwärmung der Zuluft C durch zwei Abgasströme A und B, die sich nicht mischen sollen). Des Weiteren könnte der Apparat als Brennstoffzelle eingesetzt werden, bei der A (Sauerstoff) und C (Wasserstoff) zu B (Wasser) reagieren. Zwischen A und C liegt eine Elektrolytmembran, zwischen C und B liegt eine wasserdurchlässige Membran.
  • Sowohl Fluidverteiler I als auch Wärmetauscher können auch mit einem Kernrohr K oder einer massiven Achse konstruiert werden. Das Kernrohr ist bei der Berechnung der Querschnittsflächen zu berücksichtigen. Sobald der Keil das Kernrohr berührt, wird die Spitze durch einen Kreisbogen ersetzt, so dass schließlich am Austritt des Verteilers nicht mehr Kreissektoren, sondern Kreisringsektoren entstehen. Der Übergang vom Keil zum Kreisringsektor muss ebenfalls bei der Berechnung der Querschnittsflächen berücksichtigt werden.
  • Fig. 12 zeigt Schnitte durch einen Fluidverteiler I mit Kernrohr K; in Fig. 13 ist der dreidimensionale Eindruck des Übergangs vom Keil zum Kreisringsektor skizziert. In einer speziellen Konstruktion des Verteilers sind Öffnungen zwischen den Fluidkanälen und dem Kernrohr vorgesehen, die ermöglichen, dass Fluid in das Kernrohr abfließen kann. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn Fluid A zur Kühlung von Fluid B dient und bei diesem Kondensat anfällt, das über das Kernrohr K abgeführt werden soll. Um das Abfließen zu ermöglichen, kann eine vertikale Installation des Apparats vorteilhaft sein. Bei horizontaler Installation können die Kanäle durch Drehen des Verteilers nacheinander entleert werden. Prinzipiell kann der Apparat unter beliebigen Winkeln installiert werden. Das Kernrohr kann auch verwendet werden, um Fluide zuzuführen.
  • Ein Wärme- und/oder Stofftauscher II, der in Figur 2a als separates Bauteil gezeigt ist, das mit zwei Fluidverteilern Ia und Ib, die jeweils an den Enden des Wärme- und/oder Stofftauschers II angeordnet werden können, ist dargestellt. Dabei sind die jeweiligen Kreissektoren, die mit den Fluidverteilern Ia und/oder Ib verbunden werden können, identisch mit den resultierenden Aufteilungen der Kreissegmente an der Apertur 4 des Fluidverteilers Ia bzw. Ib angeordnet. Im Wesentlichen verlaufen die Segmente des Wärme- und/oder Stofftauschers II parallel zueinander. Die Membranen können stoffdurchlässig und/oder stoffundurchlässig ausgebildet sein. Ebenso ist die Möglichkeit gegeben, dass auch, wie bei den bevorzugt beschriebenen Ausführungsformen der Fluidverteiler I, ein Kernrohr im Wärme- und/oder Stofftauscher II angeordnet sein kann.
  • In einer zweiten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung einen Apparat zum Wärme- und/oder Stofftausch III, der beispielsweise in Figur 2b dargestellt ist, und aus den zusammengebauten Teilen, die in Figur 2a dargestellt sind, arrangiert ist. Somit besteht der Apparat aus zwei Fluidverteilern Ia und Ib, die einen Wärme- und/oder Stofftauscher II an dessen jeweiligen Enden flankieren.
  • Der Apparat III besteht aus mindestens einem, üblicherweise zwei symmetrisch angeordneten Fluidverteilern Ia und Ib und in der Regel, aber nicht notwendigerweise, aus einem dazwischen liegenden Wärme- und/oder Stofftauscher II (Fig. 2b). Er kann sowohl im Gleich- als auch im Gegenstrom betrieben werden.
  • Die Konstruktion des Apparats ermöglicht es, die Fluidströme durch Drehung mindestens eines Verteilers Ia und/oder Ib und/oder des Wärme- oder Stoffaustauschers II um den Winkel eines Kreissektors in unterschiedliche Kanäle zu lenken. So ist es beispielsweise möglich, Fluid A im Innenrohr und Fluid B im Ringraum eintreten zu lassen und je nach Drehung entweder wiederum Fluid A im Innenrohr und Fluid B im Ringraum oder aber Fluid A im Ringraum und Fluid B im Innenrohr austreten zu lassen. Auf diese Weise können unterschiedliche Kanalverbindungen unter Verwendung von Schrittmotoren geschaltet werden, so dass dadurch Ventile entfallen können. Aufgrund der abwechselnden Anordnung der Sektoren wird dabei nur eine Drehrichtung benötigt; jedes Weiterschalten um den Winkel eines Sektors wechselt zwischen Innenrohr und Ringraum, eine weitere Drehung in dieselbe Richtung um denselben Winkel schaltet wieder in den Ursprungszustand zurück. Auf diese Weise erhält der Verteiler eine dritte Funktion; er ist somit Fluidverteiler, Wärme- und/oder Stoffaustauscher und Stellglied in einem Bauteil. Diese Funktion kann vor allem dann genutzt werden, wenn die Kanäle unterschiedliche Funktionen haben und die Fluide abwechselnd diese Funktionen nutzen sollen.
  • Neben der klassischen Wärmetauscheranwendung im Gleich- oder Gegenstrom bietet der dargestellte Apparat in Kombination mit der Stellgliedfunktion durch Drehen die Möglichkeit, einen Sorptionswärmetauscher zu bauen, der beispielsweise für die solare Klimatisierung eingesetzt werden kann. Ein solcher Sorptionswärmetauscher in üblicher Bauart mit parallelen Platten wird in EP 1 508 015 B1 beschrieben. Dieser weist Wärmetauscher- und Sorptionskanäle auf, die in thermischem Kontakt sind (z.B. abwechselnd gestapelt). Auf den inneren Oberflächen der Sorptionskanäle ist ein Sorptionsmaterial aufgebracht. Die Wärmetauscherkanäle enthalten ein Kühlfluid, die Sorptionskanäle ein Fluid, von dem mindestens eine Komponente zu extrahieren ist, die von dem Sorptionsmaterial aufgenommen werden kann. Der Sorptionswärmetauscher enthält außerdem Befeuchtungskomponenten für die Befeuchtung oder die Übersättigung des Kühlfluids. Typischerweise handelt es sich bei beiden Fluiden um Luft unterschiedlicher Temperatur und Feuchte; das zu extrahierende Medium ist Wasser, und als Sorptionsmaterial können verschiedene Sorbentien (beispielsweise Silicagel) eingesetzt werden. Der Sorptionswärmetauscher nach dem Stand der Technik benötigt eine Vielzahl von Ventilen, um verschiedene Luftströme auf Wärmetauscher- bzw. Sorptionskanäle zu verteilen. Bei dem hier beschriebenen Apparat III kann dies durch Drehung der Verteiler Ia und/oder Ib erfolgen. Eine mögliche Betriebsweise wird im Folgenden exemplarisch für einen Ventilationsbetrieb (Zuluft ist konditionierte Umgebungsluft) in Gleichstromkonfiguration dargestellt:
  • Die Fluide am Eintritt sind Abluft (innen) und Umgebungsluft (außen), das Mittelstück besteht hier aus Wärmetauscher- und Sorptionssektoren, am Austritt sind die Fluide Fortluft (innen) und Zuluft (außen). Zur Regeneration des Sorptionsmaterials sollte die Möglichkeit bestehen, die Umgebungsluft aufzuheizen (z.B. durch Wärme aus Sonnenkollektoren). Die Erwärmung der Umgebungsluft kann bereits in einem dem Verteiler vorgeschalteten Bauteil oder z.B. über die Mantelfläche des Außenrohrs am Eintritt erfolgen. Die Wärmetauscherkanäle müssen befeuchtet werden können, daher sind Luftbefeuchter, z.B. Düsen, vorzusehen, die radial jeden zweiten Sektor mit Wasser versorgen. Die Wärmetauscher- und die Sorptionskanäle können zur Vergrößerung der Oberfläche innerhalb jedes Sektors mit weiteren internen Rippen versehen werden (radial oder parallel zur zylindrischen Mantelfläche).
  • Im Folgenden sollen die verschiedenen Schaltzustände unter Bezugnahme auf Fig. 14 dargestellt werden. Dabei werden folgende Abkürzungen verwendet:
    • UL =
    Umgebungsluft
    AL =
    Abluft
    ZL =
    Zuluft
    FL =
    Fortluft
    WK =
    Wärmetauscherkanäle
    SK =
    Sorptionskanäle
    1. 1) Konditionierung Frischluft Mantelheizung am Eintritt aus (bzw. keine Zufuhr von heißer Regenerationsluft) Befeuchtung in WK an
      UL → SK (Adsorption) → ZL
      AL → WK → FL
    2. 2) Drehung von Verteiler 2 (Austritt)
    3. 3) Regeneration Adsorbens
      Mantelheizung am Eintritt an (bzw. Zufuhr von heißer Regenerationsluft)
      Befeuchtung in WK aus
      UL → SK (Desorption) → FL
      AL → WK → ZL (WK in Apparat A1 nicht durchströmt, AL wird auf zweiten Apparat geschaltet)
    4. 4) Drehung von Verteiler 1 (Eintritt) und Verteiler 2 (Austritt)
    5. 5) Vorkühlung Wärmetauscher
      Mantelheizung am Eintritt aus (bzw. keine Zufuhr von heißer Regenerationsluft)
      Befeuchtung in WK an
      UL → WK → FL
      AL → SK → ZL (WK in Apparat A1 nicht durchströmt, AL wird auf zweiten Apparat geschaltet)
    6. 6) Drehung von Verteiler Ia (Eintritt)
    7. 7)=1)
  • Zusätzlich zu dem beschriebenen Apparat A1 wird ein zweiter Apparat A2 benötigt, der die gleichen Schritte 1) bis 7) zeitlich versetzt ausführt: Während einer der Apparate Schritt 1) ausführt, führt der andere die Schritte 3) bis 5) aus. In dem Fall, dass die Abluft aus demselben Raum entnommen wird, in den auch die Zuluft geführt wird, und die Fortluft in die Umgebung geführt werden muss, aus der auch die Umgebungsluft entnommen wird, müssen die Fluide entsprechend rückgeführt werden. Dies kann in einem dritten Apparat A3 erfolgen, der nur aus zwei um einen Sektor versetzt angeordneten Verteilern ohne Mittelstück besteht und in umgekehrter Richtung im Vergleich zu den Apparaten A1 und A2 durchströmt wird. Die Fortluft des Austritts von A1/Verteiler 2 bzw. A2/Verteiler 2 (innen) wird in A3/Verteiler 1 (innen) eingeführt und bläst schließlich offen aus dem Ringraum in die Umgebung aus (weil die Verteiler gekreuzt wurden). Die Abluft des Raums wird wiederum offen in den Ringraum von A3/Verteiler 1 eingesaugt und endet in A3/Verteiler 2 (innen), der wiederum mit A1 bzw. 2/Verteiler 1 (innen) verbunden wird. A3/Verteiler 2 (innen) muss mit A1/Verteiler 1 und A2/Verteiler 1 über ein Umschaltventil verbunden werden, so dass die Abluft je nach Prozessschritt entweder in A1 oder A2 geblasen wird.
  • Die Geometrie der Verteiler ist sehr komplex. Aufgrund von Hinterschneidungen ist die Fertigung daher anspruchsvoll. Es kann daher vorteilhaft sein, einzelne Verteilerkanäle herzustellen, die anschließend radial auf eine Achse aufgebracht werden. Diese Verteilerkanäle, die z.B. jenen für Fluid A in Fig. 9 entsprechen, können beispielsweise durch Innenhochdruckumformung (IHU, z.B. Hydroforming) gefertigt werden. IHU ist Stand der Technik und wird vielfältig zur Herstellung komplexer Bauteile eingesetzt. Es ist vorstellbar, die Kanäle aus einem Rohr zu fertigen (Fig. 15) oder aber aus einem partiell plattierten Blechverbund, der durch Erzeugen eines Innendrucks in den durch ein vorher aufgebrachtes Trennmittel nicht verbundenen Bereichen umgeformt wird (Fig. 16). In beiden Fällen wird die Formgebung durch Umformen in einem geeigneten Werkzeug erreicht (Einpressen in das Werkzeug durch Innendruck).
  • Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Kanäle dreidimensional zu weben (diese Technologie existiert bereits) und sie gegebenenfalls anschließend mit einem aushärtenden Werkstoff, wie z.B. Epoxidharz, zu stabilisieren.

Claims (14)

  1. Rotationssymmetrischer Fluidverteiler (I), umfassend in Längsrichtung
    eine erste Apertur (1), die im Querschnitt zwei konzentrisch angeordnete Rohre (2, 3) aufweist, wobei das innere Rohr (2) einen ersten Raum A umschließt, das äußere (3) und das innere (2) Rohr einen Raum B umschließen und das äußere Rohr (3) den Durchmesser des Fluidverteilers (I) vorgibt, sowie
    eine zweite Apertur (4), die im Querschnitt 2n Kreissektoren aufweist, wobei n eine ganze Zahl ≥ 1, vorzugsweise ≥ 2, ist und die Sektoren abwechselnd mit Raum A oder Raum B in Verbindung stehen, wobei
    zwischen der ersten und der zweiten Apertur das innere Rohr (2) in Längsrichtung um den Rohrumfang herum angeordnet n Einschnitte (5) und alternierend angeordnet n Ausstülpungen (6) aufweist,
    jeder Einschnitt (5) eine in Längsrichtung von der ersten (1) zur zweiten Apertur (4) verlaufende Trajektorie aufweist, die den Radius des inneren Rohres (2) ausgehend vom ursprünglichen Radius des inneren Rohres (2) auf Höhe der ersten Apertur (1) längs in Richtung der zweiten Apertur (4) stetig verkleinert, wobei alle Trajektorien der Einschnitte (5) auf Höhe der zweiten Apertur (4) im Mittelpunkt des Fluidverteilers zusammenlaufen, und
    jede Ausstülpung (6) eine in Längsrichtung von der ersten (1) zur zweiten Apertur (4) verlaufende Trajektorie aufweist, die den Radius des inneren Rohres (2) ausgehend vom ursprünglichen Durchmesser des inneren Rohres (2) auf Höhe der ersten Apertur (1) längs in Richtung der zweiten Apertur (4) stetig vergrößert, wobei alle Trajektorien der Ausstülpungen (6) auf Höhe der zweiten Apertur (4) mit dem äußeren Rohr (3) zusammenlaufen,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Trajektorien der Einschnitte (5) und der Ausstülpungen (6) sinusförmig verlaufen, wobei die Trajektorie, die den Einschnitt (5) repräsentiert, im Wesentlichen so verläuft wie eine Sinuskurve zwischen n/2 und n, und
    die Trajektorie, die die Ausstülpung (6) repräsentiert, im Wesentlichen so verläuft wie eine Sinuskurve zwischen 0 und n/2.
  2. Fluidverteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Einschnitte (5) um das innere Rohr (2) bei Winkeln α von α = 0 , 2 , … , 2 ⁢ n - 2 ⁢ 360 ⁢ ° 2 ⁢ n
    Figure imgb0003
     und
    die Ausstülpungen (6) um das innere Rohr (2) bei Winkeln α von α = 1 , 3 , … , 2 ⁢ n - 1 ⁢ 360 ⁢ ° 2 ⁢ n
    Figure imgb0004
     angeordnet sind.
  3. Fluidverteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 1 ≤ n ≤ 1000, bevorzugt 3 ≤ n ≤ 500, besonders bevorzugt 30 ≤ n ≤ 100 ist.
  4. Fluidverteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Querschnittsflächen bezüglich Raum A und Raum B über die gesamte Länge des Fluidverteilers (I) konstant bleibt.
  5. Fluidverteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschnitte (5) im Wesentlichen keilförmig sind, wobei der spitze Winkel des Keils auch abgerundet oder bogenförmig konkav sein kann.
  6. Fluidverteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich zwischen Außen- (3) und Innenrohr (2) Stege (7) vorhanden sind, die Außen- (3) und Innenrohr (2) verbinden und/oder im Innenrohr (2) Stege (8) vorhanden sind, die die Innenwand des Innenrohres (2) und die Mittelachse des Innenrohres (2) verbinden.
  7. Fluidverteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass konzentrisch im inneren Rohr (2) über die gesamte Länge des Fluidverteilers ein Kernrohr (K) oder eine massive Achse angeordnet ist, mit der Maßgabe, dass für diesen Fall die zweite Apertur (4) im Querschnitt anstelle der Kreissektoren Kreisringsektoren aufweist, wobei die Trajektorien der Einschnitte (5) auf dem Kernrohr (K) oder der massiven Achse enden und für den Fall, dass im Innenrohr (2) Stege (8) vorhanden sind, diese die Oberfläche des Kernrohrs oder der massiven Achse mit dem Kerbgrund des Innenrohrs (2) verbinden und die Trajektorien der Einschnitte (5) sich auf dem Kernrohr (K) oder der massiven Achse verzweigen, sobald der Kerbgrund die Oberfläche des Kernrohrs (K) oder der massiven Achse berührt.
  8. Fluidverteiler nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernrohr (K) Öffnungen zum Stoffaustausch aufweist.
  9. Fluidverteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein weiteres in Längsrichtung von der ersten Apertur (1) oder der zweiten Apertur (4) an konzentrisch um das äußere Rohr (3) angeordnetes Rohr (10), das einen zwischen dem weiteren Rohr (10) und dem äußeren Rohr (3) liegenden Raum C umschließt,
    sowie eine in Längsrichtung nach der zweiten Apertur (4) angeordnete dritte Apertur (11), die im Querschnitt 3n Kreissektoren aufweist, wobei n eine ganze Zahl ≥ 1, vorzugsweise ≥ 2 ist und die Sektoren abwechselnd mit Raum A, Raum C, Raum B und Raum C usw. in Verbindung stehen
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwischen der zweiten (4) und der dritten (11) Apertur das äußere Rohr (3) in Längsrichtung um den Rohrumfang herum angeordnet n Einschnitte (12) auf Höhe der Grenzen der Kreissektoren und alternierend angeordnet n Ausstülpungen (13) der Kreissektoren aufweist,
    wobei jeder Einschnitt (12) eine Trajektorie aufweist, die den Radius des äußeren Rohres (3) ausgehend vom ursprünglichen Radius des äußeren Rohres (3) auf Höhe der zweiten Apertur (4) längs in Richtung der dritten Apertur (11) stetig verkleinert, wobei alle Trajektorien der Einschnitte (12) auf Höhe der dritten Apertur (11) im Mittelpunkt des Fluidverteilers zusammenlaufen, und
    jede Ausstülpung (13) eine Trajektorie aufweist, die den Radius des äußeren Rohres (3) ausgehend vom ursprünglichen Durchmesser des äußeren Rohres (3) auf Höhe der zweiten Apertur (4) längs in Richtung der dritten Apertur (11) stetig vergrößert, wobei alle Trajektorien der Ausstülpungen (13) auf Höhe der dritten Apertur (11) mit dem weiteren Rohr (10) zusammenlaufen.
  10. Apparat zum Wärme- und/oder Stofftausch (III), umfassend einen rotationssymmetrischen Wärme- und/oder Stofftauscher (II), dessen Querschnitt mindestens 2n voneinander durch eine Membran separierte Sektoren aufweist, wobei n eine ganze Zahl ≥ 1, bevorzugt ≥ 2 ist,
    wobei zumindest ein Ende des Wärme- und/oder Stofftauschers (II) mit einem Fluidverteiler (I) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 über dessen zweite Apertur formschlüssig verbunden ist,
    wobei die Zahl der Sektoren des Wärme- und/oder Stofftauschers (II) und des Fluidverteilers (I) identisch sind.
  11. Apparat (III) nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärme- und/oder Stofftauscher (II) und der mindestens eine Fluidverteiler (I) relativ zueinander axial drehbar sind, wobei die Drehung bevorzugt mittels eines Motors durchgeführt wird.
  12. Apparat (III) nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran des Wärme- und/oder Stofftauschers (II) stoffundurchlässig oder zumindest teilweise stoffdurchlässig ist.
  13. Apparat (III) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Sektoren des Wärme- und/oder Stofftauschers (II) zumindest teilweise auf der Innenseite und/oder Außenseite mit Sorptionsmaterialien ausgestattet ist.
  14. Apparat (III) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, umfassend ein im Mittelpunkt des Wärme- und/oder Stofftauschers (II) in Längsrichtung angeordnetes Kernrohr oder massive Achse, mit der Maßgabe dass anstelle der Kreissektoren Kreisringsektoren vorhanden sind, wobei das Kernrohr Öffnungen zum Stoffaustausch mit zumindest einem Teil der Kreisringsektoren aufweisen kann.
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