EP2689201B1 - Verfahren zum ausführen eines alternierenden verdampfungs- und kondensationsprozesses eines arbeitsmediums - Google Patents

Verfahren zum ausführen eines alternierenden verdampfungs- und kondensationsprozesses eines arbeitsmediums Download PDF

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EP2689201B1
EP2689201B1 EP12710253.1A EP12710253A EP2689201B1 EP 2689201 B1 EP2689201 B1 EP 2689201B1 EP 12710253 A EP12710253 A EP 12710253A EP 2689201 B1 EP2689201 B1 EP 2689201B1
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EP
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heat transfer
working medium
transfer surface
evaporation
condensation
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Walter Mittelbach
Ingo DASSLER
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Fahrenheit GmbH
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Fahrenheit GmbH
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    • F28F2245/00—Coatings; Surface treatments
    • F28F2245/02—Coatings; Surface treatments hydrophilic

Definitions

  • the invention relates to a method for carrying out an alternating evaporation and condensation process of a working medium according to the preamble of claim 1.
  • Devices for carrying out this method are used, for example, in air conditioning technology, in particular in thermal adsorption heat pumps or refrigeration systems.
  • a working medium in the form of a refrigerant medium is cyclically adsorbed and desorbed. It is transferred from the gas phase in the liquid state or from the liquid state back into the gas phase. The resulting heat of condensation is dissipated to the outside or must be supplied to the device from the outside.
  • condensation and evaporation are similar in terms of heat technology, they require different conditions for achieving good heat transfer. These are largely determined by the transport of heat through the film of the working medium. The thicker the film, the greater the heat transfer resistances must be overcome.
  • the film which forms is removed from the heat transfer surface by suitable measures, in particular surface coatings or surface structures.
  • suitable measures in particular surface coatings or surface structures.
  • evaporation on the other hand, an attempt is made to produce as thin a film as possible on the heat transfer surface.
  • Such devices are therefore designed, for example, as a falling film evaporator or rotary evaporator, in which the working medium is distributed as thin as possible.
  • the object is achieved with a method for carrying out an alternating evaporation and condensation process of a working medium having the characterizing features of claim 1.
  • the subclaims contain expedient and / or advantageous embodiments of the method according to the invention.
  • the method for carrying out an alternating evaporation and condensation process of a working medium on a heat transfer surface which is simultaneously provided as evaporation and condensation surface is characterized in that a condensate film of the working medium forming during the condensation process becomes permanent during one working cycle of one condensation process and one evaporation process remains on the heat transfer surface and is then evaporated from the heat transfer surface during the evaporation process.
  • the basic idea of the method according to the invention is thus to leave the condensate film of the working medium forming during the condensation on the heat transfer surface and to store it there temporarily. During evaporation, this condensate film is returned to the gas phase. This achieves two effects. On the one hand, the heat transfer in the condensation takes place only until the entire condensate film has formed. At this point, the working fluid is completely condensed and the condensation is completed. The heat transfer from the working medium to the heat transfer surface is thereby affected only to a small extent, because during the condensation of the film has not yet fully formed.
  • the ratio between the amount of the working fluid and the size of the heat transfer surface is set at least such that the thickness of the condensate film remains below a critical film thickness at which dripping of the condensate film begins.
  • the entire working fluid is condensed and stored in situ on the heat transfer surface. Storage steps and later distribution steps are no longer necessary. Also eliminates collection facilities for the condensate.
  • the heat transfer surface itself acts as a storage location.
  • the ratio between the amount of the working fluid and the size of the heat transfer surface is adjusted to achieve substantially homogeneous coverage of the heat transfer surface with a minimum thickness of the condensate film.
  • the coverage of the heat transfer surface with the condensate film is achieved by a hygroscopic / spreading and / or devisvidveriesrnde formation of the heat transfer surface.
  • the condensate film spreads uniformly, and the increase in surface area of the heat transfer surface increases its storage capacity.
  • Fig. 1 shows a basic structure of the device.
  • the device comprises a container wall 1 shown schematically here, which encloses a volume through which the working medium flows. Inside the container wall is a multiply divided heat transfer surface 2, which is arranged on a snake-like laid pipe 2a.
  • the pipe 2a is traversed by a heat transfer medium, which dissipates the heat of condensation of the working medium or the working medium supplies the required heat of evaporation.
  • the heat transfer surface is formed here as a whole of individual lamellae.
  • the fins are oriented so that they can be acted upon by the working medium as effectively as possible. They form the largest possible surface.
  • the heat transfer surface ie the lamellae used here, each have a surface modification 3.
  • the surface modification is formed in various ways. However, it is clear that in the concretely realized embodiment of the device only a respectively preferred and uniform design of the surface modification can be present.
  • the surface modification in the example shown here, consists of a spreading hydrophilic surface coating 4 and a series of porous fillers or porous coverings 5 applied to the heat transfer surface 2, i. the individual slats are applied.
  • both the hydrophilic coating or the porous cover can be provided alone or in combination.
  • the filler or the porous cover can be impregnated with the material of the surface coating 4 or coated at least superficially.
  • the porous cover has a good thermal conductivity. It can be designed, for example, in the form of metal sponges or foams. Use of zeolite materials is also possible and very often proves advantageous. Instead of the sponges or foams and fibrous mats, especially steel wool or the like materials can be used. It is also possible to use tube bundles, lattices, granules, wrinkled films and the like further surface enlargement agents known to the person skilled in the art.
  • the hydrophilic surface coating 4 is formed so that the precipitating thereon, i. Run through condensing droplets of the working medium to a closed film, which covers the entire heat transfer surface and remains there permanently even after the completion of the condensation process.
  • hydrophilic materials are used, which are temperature resistant on the one hand and on the other hand ensure the smallest possible, ideally a vanishing contact angle for accumulated condensate droplets.
  • porous packing ensures an enlarged inner surface of the device.
  • these bodies act as a sponge and act as a condensate reservoir for the entire amount of condensed and vaporized working medium.
  • the shape of the heat transfer surface is further designed so that sharp corners and edges are avoided, which can lead to the tearing of the liquid film and dripping of the film.
  • Fig. 1a shows an exemplary pipe 2a, in which the pipe wall itself is formed as a porous cover. However, this is tight to the pipe internal volume, so that no mass transfer between the inside and outside, but only a heat transfer takes place.
  • a tube can be made by sintering granules on a thin-walled starting tube or by another coating method. Of course, a hydrophilic coating may additionally be present.
  • FIG Fig. 1 The loading of the device with the working medium is shown in FIG Fig. 1 indicated by block arrows and lateral inlets and outlets 5a.
  • the gaseous working medium enters the device and settles on the heat transfer surface.
  • the working medium gives off condensation heat to the heat transfer surface.
  • the entire working medium is deposited on the heat transfer surface as a thin as homogeneous as possible condensate film. Its thickness is adjusted by the amount of the working medium and by the size of the heat transfer surface regardless of the actual process process undergone process so that the condensate film does not drip and adhere by adhesion forces on the heat transfer surface.
  • the condensate film is thin enough to make the heat input during evaporation as efficient as possible.
  • the heat transfer surface thus forms an in situ storage for the condensed working medium. This means that the working medium is not transferred to an additional reservoir, but is stored exactly at the point where the condensation or the evaporation actually takes place.
  • Fig. 2 The course of the condensation and evaporation process is in Fig. 2 shown in more detail.
  • Fig. 3 shows the associated time course of the thickness of the deposited on the heat transfer surface liquid film of the working medium.
  • the evaporation process is in Fig. 2 shown on the left, the process of condensation is through the right part of the image Fig. 2 clarified.
  • the working medium is supplied from the outside via the container wall 1 evaporation heat Q V in a sufficient amount. This converts at least a portion of the surface of the coating 4 located on the working medium in the vapor phase.
  • the evaporation is carried out so that the working fluid has been transferred from the heat transfer surface completely in the vapor phase.
  • the condensation process corresponds to a reversal of the evaporation process.
  • the vaporous working medium is precipitated from the gas phase at the heat transfer surface and releases there the condensation heat Q K.
  • the surface film 6 forms again on the surface coating 4.
  • Fig. 3 shows the associated time course of the existing on the heat transfer surface thickness of the surface film.
  • the surface film grows steadily and finally reaches a maximum film thickness D max of the condensate film of the working medium.
  • the thickness D max is determined essentially only by the ratio of the total volume of the working medium to the size of the available heat transfer surface.
  • the condensation process reaches an absolute end and the entire amount of the working medium has now deposited in the condensate film.
  • the working medium is then stored completely and in situ on the heat transfer surface.
  • the condensate film is degraded again.
  • the working medium returns to the gas phase, so that after a certain time, the thickness of the surface film drops to a value D 0 .
  • D 0 0. In this case, the surface film has completely disappeared and the evaporation process has reached its absolute end.
  • the above-explained process steps represent a running in the device boundary process having a certain control width.
  • the film thickness achieved during the working cycles can thus be changed within the predetermined range between D 0 and D max .
  • condensation process can be driven so that after its completion not the maximum film thickness D max , but a lower deposition thickness D K sets.
  • Such process regimes make it possible either to compensate for certain fluctuations within the heat loads during thermal contact of the device with the environment or to set operating states of the thermodynamic process coupled to the device in a targeted manner.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausführen eines alternierenden Verdampfungs- und Kondensationsprozesses eines Arbeitsmediums nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Vorrichtungen zum Ausführen dieses Verfahrens werden beispielsweise in der Klimatechnik, insbesondere bei thermischen Adsorptionswärmepumpen oder Kälteanlagen, eingesetzt. Bei derartigen Anlagen wird ein Arbeitsmedium in Form eines Kältemediums zyklisch adsorbiert und desorbiert. Es wird dabei aus der Gasphase in den flüssigen Aggregatzustand bzw. aus dem flüssigen Zustand zurück in die Gasphase überführt. Die dabei frei werdenden Kondensationswärme wird nach außen hin abgeführt oder muss der Vorrichtung von außen zugeführt werden.
  • Kondensation und Verdampfung weisen zwar wärmtechnisch ähnlich, sie erfordern jedoch unterschiedliche Voraussetzungen zum Erzielen guter Wärmeübergänge. Diese werden maßgeblich durch den Transport der Wärme durch den Film des Arbeitsmediums bestimmt. Je dicker der Film ist, umso größere Wärmeübergangswiderstände müssen überwunden werden.
  • Bei aus dem Stand der Technik bekannten Kondensatoren und Kondensationsprozessen wird deshalb der sich bildende Film von der Wärmeübertragungsfläche durch geeignete Maßnahmen, insbesondere Oberflächebeschichtungen bzw. Oberflächenstrukturen entfernt. Bei der Verdampfung wird hingegen versucht, einen möglichst dünnen Film auf der Wärmeübertragungsfläche zu erzeugen. Derartige Vorrichtungen sind daher beispielsweise als Fallfilmverdampfer oder Rotationsverdampfer ausgeführt, bei denen das Arbeitsmedium möglichst dünn verteilt wird.
  • Die Entfernung des Filmes beim Kondensationsprozess einerseits und die Notwendigkeit, eine dünne Filmdicken des Arbeitsmediums beim Verdampfen andererseits auszubilden, verhindern es dass beide Prozesse mit einem einzigen Apparat ausgeführt werden können, oder dass einer der beiden Prozesse innerhalb des Apparates bevorzugt ist, während der andere nur mit einer eingeschränkten Effizienz abläuft. Kombinierte Apparate, bei denen sowohl die Kondensation, als auch die Verdampfung ausgeführt werden, sind beispielsweise aus der US 2008/0078532 A1 bekannt, sind jedoch vor allem bei Adsorptionsprozessen, wie sie in der in der Heiz- und Kältetechnik realisiert werden, von großem Interesse, weil dadurch kompakte und kostengünstige wärmetechnische Vorrichtungen, insbesondere Wärmepumpen oder Kältemaschinen, realisiert werden können.
  • Es besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren zum Ausführen eines alternierenden Verdampfungs- und Kondensationsprozesses eines Arbeitsmediums an einer gleichzeitig als Verdampfungs- und Kondensationsfläche vorgesehenen Wärmeübertragungsfläche anzugeben, bei dem sowohl der Kondensationsprozess als auch für der Verdampfungsprozess mit der gleichen Effizienz ausgeführt wird.
  • Die Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Ausführen eines alternierenden Verdampfungs- und Kondensationsprozesses eines Arbeitsmediums mit dem kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige und/oder vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Das Verfahren zum Ausführen eines alternierenden Verdampfungs- und Kondensationsprozesses eines Arbeitsmediums an einer gleichzeitig als Verdampfungs- und Kondensationsfläche vorgesehenen Wärmeübertragungsfläche zeichnet sich dadurch aus, dass während jeweils eines Arbeitszyklusses aus je einem Kondensationsprozess und je einem Verdampfungsprozess ein sich während des Kondensationsprozesses bildender Kondensatfilm des Arbeitsmediums permanent auf der Wärmeübertragungsfläche verbleibt und anschließend während des Verdampfungsprozesses von der Wärmeübertragungsfläche verdampft wird.
  • Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es also, den sich während der Kondensation bildenden Kondensatfilm des Arbeitsmediums auf der Wärmeübertragungsfläche zu belassen und dort zwischenzuspeichern. Während der Verdampfung wird dieser Kondensatfilm wieder in die Gasphase überführt. Dadurch werden zwei Effekte erreicht. Zum einen erfolgt der Wärmeübergang bei der Kondensation nur so lange, bis sich der gesamte Kondensatfilm ausgebildet hat. An diesem Punkt ist das Arbeitsmedium vollständig kondensiert und die Kondensation findet ihren Abschluss. Der Wärmeübergang vom Arbeitsmedium an die Wärmeübertragungsfläche wird dadurch in einem nur geringen Maße beeinträchtigt, weil sich während der Kondensation der Film noch nicht vollständig ausgebildet hat. Zum anderen wird durch die Speicherung des Arbeitsmediums in Form des Kondensatfilms die für den Verdampfungsprozess vorteilhafte dünne und gleichmäßige Verteilung des flüssigen Arbeitsmediums gleichsam von selbst bewirkt und muss nicht erst durch zusätzliche Vorrichtungen oder Verfahrensschritte erzeugt werden. In der Summe werden somit sowohl der Kondensationsprozess als auch der Verdampfungsprozess mit der gleichen Effektivität an ein und derselben Wärmeübertragungsfläche ausgeführt und können ohne Zwischenschritte erfolgen.
  • Zweckmäßigerweise wird das Verhältnis zwischen der Menge des Arbeitsmittels und der Größe der Wärmeübertragungsfläche mindestens so eingestellt, dass die Dicke des Kondensatfilms unterhalb einer kritischen Filmdicke verbleibt, bei der ein Abtropfen des Kondensatfilms einsetzt. Bei einem derartigen Regime wird das gesamte Arbeitsmedium in situ auf der Wärmeübertragungsfläche kondensiert und gespeichert. Speicherschritte und spätere Verteilungsschritte sind damit nicht mehr notwendig. Ebenso entfallen Sammeleinrichtungen für das Kondensat. Die Wärmeübertragungsfläche wirkt selbst als Speicherort.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das Verhältnis zwischen der Menge des Arbeitsmittels und der Größe der Wärmeübertragungsfläche so eingestellt, dass eine im wesentlichen homogene Bedeckung der Wärmeübertragungsfläche bei einer minimalen Dicke des Kondensatfilms erreicht wird. Eine derartige Ausführung gewährleistet eine möglichst hohe Effizenz des Verdampfungsprozesses und gleichzeitig eine maximale Nutzung der Wärmeübertragungsfläche als in situ-Speicher für das Kondensat.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Bedeckung der Wärmeübertragungsfläche mit dem Kondensatfilm durch eine hygroskopisch/spreitende und/oder oberflächenvergrößernde Ausbildung der Wärmeübertragungsfläche erreicht. Dadurch breitet sich der Kondensatfilm gleichmäßig aus, wobei die Oberflächenvergrößerung der Wärmeübertragungsfläche deren Speicherkapazität erhöht.
  • Die Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sollen nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die Figuren 1 bis 3. Es werden für gleiche oder gleichwirkende Teile die selben Bezugszeichen verwendet.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1 einen grundsätzlichen Aufbau der Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • Fig. 1a ein beispielhaftes Rohr für ein Wärmeträgermedium mit einer porösen Ummantelung,
    • Fig. 2 eine Illustration des Verdampfungs- und Kondensationsverlaufs mit einer Darstellung des Gleichgewichtsfilms,
    • Fig. 3 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf der Filmdicke des kondensierten Arbeitsmediums während eines Arbeitszyklus in Abhängigkeit von der Zeit.
  • Fig. 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung. Die Vorrichtung enthält eine hier schematisch gezeigte Behälterwand 1, die ein von dem Arbeitsmedium durchströmtes Volumen umschließt. Im Inneren der Behälterwand befindet sich eine mehrfach unterteilte Wärmeübertragungsfläche 2, die an einer schlangenartig verlegten Rohrleitung 2a angeordnet ist. Die Rohrleitung 2a wird von einem Wärmeträgermedium durchströmt, das die Kondensationswärme des Arbeitsmediums abführt oder dem Arbeitsmedium die erforderliche Verdampfungswärme zuführt.
  • Die Wärmeübertragungsfläche ist hier als eine Gesamtheit einzelner Lamellen ausgebildet. Die Lamellen sind so orientiert, dass diese möglichst wirkungsvoll von dem Arbeitsmedium beaufschlagt werden können. Sie bilden eine möglichst großen Oberfläche aus.
  • Die Wärmeübertragungsfläche, d.h. die hier verwendeten Lamellen, weisen jeweils eine Oberflächenmodifikation 3 auf. Im hier vorliegenden Beispiel ist die Oberflächenmodifikation auf verschiedene Arten ausgebildet. Es ist jedoch klar, dass bei der konkret realisierten Ausführungsform der Vorrichtung nur eine jeweils bevorzugte und einheitliche Gestaltung der Oberflächenmodifikation vorhanden sein kann.
  • Die Oberflächenmodifikation besteht im hier gezeigten Beispiel aus einer spreitenden hydrophilen Oberflächenbeschichtung 4 und einer Reihe poröser Füllkörper oder einer porösen Bedeckung 5, die auf die Wärmeübertragungsfläche 2, d.h. die einzelnen Lamellen, aufgebracht sind. Dabei können sowohl die hydrophile Beschichtung oder die poröse Bedeckung allein oder kombiniert vorgesehen sein. Die Füllkörper oder die poröse Bedeckung können mit dem Material der Oberflächenbeschichtung 4 getränkt oder zumindest oberflächlich beschichtet sein. Die poröse Bedeckung weist eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Sie kann beispielsweise in Form von Metallschwämmen oder -schäumen ausgebildet sein. Eine Verwendung von Zeolith-Materialien ist ebenso möglich und erweist sich sehr oft als vorteilhaft. Anstelle der Schwämme oder Schäume können auch faserige Matten, insbesondere Stahlwolle oder dergleichen Materialien verwendet werden. Es können auch Röhrenbündel, Gitter, Granulate, geknitterte Folien und dergleichen weitere dem Fachmann bekannte Mittel zur Oberflächenvergrößerung verwendet werden.
  • Möglich ist auch die Verwendung eines einzelnen porösen Blocks, der von der Rohrleitung 2a durchzogen wird und der ebenfalls mit einer hydrophilen Beschichten getränkt oder zumindest oberflächlich versehen ist.
  • Die hydrophile Oberflächenbeschichtung 4 ist so ausgebildet, dass die sich darauf niederschlagenden, d.h. kondensierenden Tröpfchen des Arbeitsmediums zu einem geschlossenen Film breitlaufen, der die ganze Wärmeübertragungsfläche bedeckt und dort permanent auch nach dem Abschluss des Kondensationsprozesses verbleibt. Hierzu werden insbesondere hydrophile Materialen verwendet, die einerseits temperaturbeständig sind und andererseits einen möglichst kleinen, im Idealfall einen verschwindenden Kontaktwinkel für angelagerte Kondensattröpfchen sichern.
  • Die porösen Füllkörper sichern eine vergrößerte Innenoberfläche der Vorrichtung. In Verbindung mit einer hydrophilen Beladung wirken diese Körper wie ein Schwamm und fungieren als ein Kondensatreservoir für die gesamte Menge des kondensierten und verdampften Arbeitsmediums.
  • Die Form der Wärmeübertragungsfläche ist weiterhin so ausgeführt, dass scharfe Ecken und Kanten vermieden werden, an denen es zum Abreißen des Flüssigkeitsfilms und zu einem Abtropfen des Films kommen kann.
  • Fig. 1a zeigt eine beispielhafte Rohrleitung 2a, bei der die Rohrwand selbst als poröse Bedeckung ausgebildet ist. Diese ist jedoch zum Rohrinnenvolumen dicht, sodass kein Stoffaustausch zwischen der Innen- und Außenseite, sondern ausschließlich eine Wärmeübertragung stattfindet. Ein derartiges Rohr kann durch das Aufsintern von Granulaten auf ein dünnwandiges Ausgangsrohr oder durch ein anderes Beschichtungsverfahren gefertigt werden. Eine hydrophile Beschichtung kann natürlich zusätzlich vorhanden sein.
  • Die Beschickung der Vorrichtung mit dem Arbeitsmedium ist bei der Darstellung in Fig. 1 durch Blockpfeile und seitliche Zu- und Abführungen 5a angedeutet. Bei der Kondensation tritt das gasförmige Arbeitsmedium in die Vorrichtung ein und schlägt sich auf der Wärmeübertragungsfläche nieder. Dabei gibt das Arbeitsmedium Kondensationswärme an die Wärmeübertragungsfläche ab. Nach Abschluss des Kondensationsprozesses ist das gesamte Arbeitsmedium auf der Wärmeübertragungsfläche als ein dünner möglichst homogener Kondensatfilm abgelagert. Dessen Dicke ist durch die Menge des Arbeitsmediums und durch die Größe der Wärmeübertragungsfläche unabhängig von dem konkret durchlaufenen Prozessregime so eingestellt, dass der Kondensatfilm nicht abtropft und durch Adhäsionskräfte auf der Wärmeübertragungsfläche haften bleibt. Gleichzeitig ist der Kondensatfilm jedoch dünn genug, um den Wärmeeintrag bei der Verdampfung möglichst effizient zu gestalten. Die Wärmeübertragungsfläche bildet damit einen in situ-Speicher für das kondensierte Arbeitsmedium. Das bedeutet, dass das Arbeitsmedium nicht in ein zusätzliches Reservoir überführt wird, sondern genau an der Stelle gespeichert ist, wo die Kondensation bzw. die Verdampfung tatsächlich stattfindet.
  • Der Ablauf des Kondensations- und Verdampfungsvorgangs ist in Fig. 2 näher dargestellt. Fig. 3 zeigt den dazu gehörenden zeitlichen Verlauf der Dicke des auf der Wärmeübertragungsfläche abgeschiedenen Flüssigkeitsfilms des Arbeitsmediums.
  • Der Verdampfungsvorgang ist in Fig. 2 links dargestellt, der Prozess der Kondensation wird durch das rechte Teilbild in Fig. 2 verdeutlicht. Bei der Verdampfung des Arbeitsmediums wird von außen über die Behälterwand 1 Verdampfungswärme QV in einer ausreichenden Menge zugeführt. Diese überführt mindestens einen Teil der auf der Oberflächenbeschichtung 4 gelegenen Menge des Arbeitsmediums in die Dampfphase. In der Regel wird die Verdampfung so ausgeführt, dass das Arbeitsmedium von der Wärmeübertragungsfläche vollständig in die Dampfphase übergegangen ist.
  • Der Kondensationsvorgang entspricht einer Umkehrung des Verdampfungsprozesses. Das dampfförmige Arbeitsmedium schlägt sich aus der Gasphase an der Wärmeübertragungsfläche nieder und gibt dort die Kondensationswärme QK ab. Dabei bildet sich auf der Oberflächenbeschichtung 4 wieder der Oberflächenfilm 6 heraus.
  • Fig. 3 zeigt den dazu gehörenden Zeitverlauf der auf der Wärmeübertragungsfläche vorhandenen Dicke des Oberflächenfilms. Während des Kondensationsprozesses wächst der Oberflächenfilm stetig an und erreicht schließlich eine Maximalfilmdicke Dmax des Kondensatfilmes des Arbeitsmediums. Bei einer vollständigen Kondensation des Arbeitsmediums auf der Wärmeübertragungsfläche ist die Dicke Dmax im wesentlichen nur durch das Verhältnis des Gesamtvolumens des Arbeitsmediums zur Größe der zur Verfügung stehenden Wärmeübertragungsfläche bestimmt. Bei einem Gesamtvolumen Vges des im Prozess befindlichen Arbeitsmediums und einer Wärmeübertragungsfläche mit dem effektiven Flächeninhalt Aeff gilt für die Dicke Dmax näherungsweise die einfache Beziehung Dmax = Vges/ Aeff. Mit dem Erreichen von Dmax erreicht der Kondensationsprozess ein absolutes Ende und die gesamte Menge des Arbeitsmediums hat sich nun im Kondensatfilm niedergeschlagen. Das Arbeitsmedium ist danach vollständig und in situ auf der Wärmeübertragungsfläche gespeichert.
  • Im nachfolgenden Verdampfungsprozess wird der Kondensatfilm wieder abgebaut. Das Arbeitsmedium geht wieder in die Gasphase über, sodass nach einer gewissen Zeit die Dicke des Oberflächenfilms auf einen Wert D0 absinkt. Bei einer vollständigen Verdampfung des Arbeitsmittels beträgt D0 = 0. Der Oberflächenfilm ist in diesem Fall vollständig verschwunden und der Verdampfungsprozess hat sein absolutes Ende erreicht.
  • Sofern der Kondensationsprozess und der Verdampfungsprozess vollständig gefahren werden, schwankt die auf der Wärmeübertragungsfläche abgeschiedene Flüssigkeitsschicht des Arbeitsmediums zeitlich zwischen den Werten D0 und der Maximalfilmdicke Dmax. Beide Werte stellen somit absolute Grenzwerte für die Dicke des gespeicherten Flüssigkeitsfilms dar, die zyklisch zu verschiedenen Zeiten im Arbeitszyklus erreicht werden.
  • Weil der der Kondensatfilm erst zum Ende des Kondensationsprozesses seine vollständige Dicke Dmax erreicht, wird der Wärmeübergang auf die Wärmeübertragungsfläche während des Kondensationsprozesses selbst nicht wesentlich behindert. Es zeigt sich, dass der Übergangswiderstand für den Wärmetransport zwischen der Gasphase im Behälter und der Wärmeübertragungsfläche bei der Kondensation und bei der Verdampfung einen im wesentlichen gleichen Wert aufweist. Damit verlaufen beide Prozesse grundsätzlich mit der gleichen Effizienz.
  • Die vorhergehend erläuterten Prozessschritte stellen einen in der Vorrichtung ablaufenden Grenzprozess dar, der eine gewisse Regelungsbreite aufweist. Durch verschiedene Arten der Prozessführung kann somit die während der Arbeitszyklen erreichte Filmdicke innerhalb des vorgegebenen Bereiches zwischen D0 und Dmax verändert werden. Dabei ist es insbesondere möglich, im Verdampfungsprozess nicht den gesamten Flüssigkeitsfilm in die Gasphase zu überführen, sondern den Verdampfungsprozess so zu gestalten, dass eine endliche Restfilmdicke DRest auf der Wärmeübertragungsfläche verbleibt. Ein derartiger Fall tritt besonders dann ein, wenn der Verdampfungsprozess vorzeitig endet.
  • Ebenso kann der Kondensationsprozess so gefahren werden, dass sich nach dessen Abschluss nicht die Maximalfilmdicke Dmax, sondern eine geringere Abscheidedicke DK einstellt. Derartige Prozessregime bilden die Möglichkeit, entweder gewisse Schwankungen innerhalb der Wärmelasten beim Wärmekontakt der Vorrichtung mit der Umgebung auszugleichen oder Betriebszustände des mit der Vorrichtung gekoppelten thermodynamischen Prozesses gezielt einzustellen.
  • Die Vorrichtung und der Verfahrensablauf wurden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im Rahmen fachmännischen Handelns sind weitere Ausführungsformen möglich. Diese ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Behälter- und Apparatewand
    2
    Wärmeübertragungsfläche
    2a
    Rohrleitung
    3
    Oberflächenmodifikation
    4
    hydrophile Oberflächenbeschichtung
    5
    poröse Füllkörper, poröse Bedeckung
    5a
    Zu- und Abführungen für Arbeitsmedium
    6
    Oberflächenfilm
    QK
    Kondensationswärme
    QV
    Verdampfungswärme
    Dmax
    Maximalfilmdicke
    D0
    Minimalfilmdicke
    DRest
    Restfilmdicke
    DK
    Abscheidedicke

Claims (3)

  1. Verfahren zum Ausführen eines alternierenden Verdampfungs- und Kondensationsprozesses eines Arbeitsmediums an einer gleichzeitig als Verdampfungs- und Kondensationsfläche vorgesehenen Wärmeübertragungsfläche (2), wobei das Arbeitsmedium nicht in ein zusätzliches Reservoir überführt wird, sondern genau an der Stelle gespeichert ist, wo die Kondensation bzw. die Verdampfung tatsächlich stattfindet, und
    während jeweils eines Arbeitszyklus aus je einem Kondensationsprozess und je einem Verdampfungsprozess ein sich während des Kondensationsprozesses bildender Kondensatfilm, welcher sich aus dem kondensierten Arbeitsmedium ausgebildet hat, permanent auf der Wärmeübertragungsfläche (2) in situ gespeichert und anschließend während des Verdampfungsprozesses von der Wärmeübertragungsfläche (2) verdampft wird, wobei die Wärmeübertragungsfläche (2) an einer Rohrleitung (2a) angeordnet ist, die von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird, welches die Kondensationswärme des Arbeitsmediums abführt oder dem Arbeitsmedium die erforderliche Verdampfungswärme zuführt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Verhältnis zwischen der Menge des Arbeitsmittels und der Größe der Wärmeübertragungsfläche (2) mindestens so eingestellt wird, dass die Dicke des Kondensatfilms kleiner als eine kritische Filmdicke ist, bei der ein Abtropfen des Kondensatfilms einsetzt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Verhältnis zwischen der Menge des Arbeitsmittels und der Größe der Wärmeübertragungsfläche so eingestellt wird, dass eine im wesentlichen homogene Bedeckung der Wärmeübertragungsfläche bei einer dabei minimalen Dicke des Kondensatfilms erreicht wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Bedeckung mit dem Kondensatfilm durch eine hygroskopisch/spreitende und/oder oberflächenvergrößernde Ausbildung der Wärmeübertragungsfläche erreicht wird.
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