SE462671B - Foerfarande foer framstaellning av ett fuktutbyteselement - Google Patents

Description

462 671 2 har beskrivits ovan tack vare att adsorptionsmedel bestående av aerogeler av metallsilikater, såsom det ovan nämnda aluminium- silikatet, lätt bildas i en reaktion mellan vattenglas och en lösning av ett metallsalt, såsom ett aluminiumsalt.

Vid förfarandet enligt föreliggande uppfinning framstäl- les först ett arkmaterial av ett papper med mycket låg densi- tet (skrymdensitet högst 0,5 g/cm3; för ett papper med tjockle- ken o,2 mm är ytvikten högst 1oo g/m2), vars nuvuabestànasaei utgöres av oorganiska fibrer, såsom keramiska fibrer. tt block med många små kanaler bildas genom att man omväxlande laminerar planskiktsark och vågark av nämnda papper av oorganiska fibrer.

Planskiktsarket och vågarket impregneras med vattenglaslösning och upphettas för torkning så att vattenglaslösningen koncentre- ras före eller efter lamineringen. Laminatet nedsänkes i me- tallsaltlösning, såsom aluminiumsaltlösníng, för bildning av metallsilikat-hydrogel i en reaktion mellan vattenglaset och metallsaltet utan förstöring av blockets ursprungliga form med många små kanaler. Överskott av metallsalt och metallsilikat- -hydrogel som icke uppbäres på papperet av oorganiska fibrer av- lägsnas genom tvättning. Blocket upphettas därefter för tork- ning, varvid man erhåller ett starkt element av bikaketyp, vari metallsilikat-aerogel, som utgör huvudbeståndsdel, är fast för- bundet med pappermatrisen av oorganiska fibrer. Det sålunda framställda elementet kan användas i fuktutbytesanordningar.

Vid detta förfarande förhindras förlust av vattenglas löst i metallsaltlösning genom att blocket upphettas efter impregneringen med vattenglas och före impregneringen med me- tallsaltlösning, så att vattenglaslösningen koncentreras till hydratiserat vattenglas med en vattenhalt av 3-30% eller till halvfast tillstånd.

Uppfinningen beskrives närmare nedan under hänvisning till den bifogade ritningen, på vilken fig 1 schematiskt illustrerar förfarandet enligt föreliggande uppfinning; fig 2 är en perspektivvy av ett fuktutbyteselement framställt i enlighet med föreliggande uppfinning; fig 3 och 7 är diagram som jämför avfuktningsegenskaperna hos element enligt föreliggande uppfinning och kända jäm- 462 671 förelseelement; fig 4 och 5 är diagram som visar avfuktningsegenskaperna hos olika element enligt föreliggande uppfinning; fig 6 är en perspektivvy av en avfuktare innefattande ett så- dant element som visas i fig 2, varvid några delar är avlägsnade för tydlighetens skull; fig 8 .är ett diagram som visar värmeväxlareffektiviteten hos element enligt föreliggande uppfinning och ett känt jäm- förelseelement; L fig 9 är en perspektivvy av ett element av tvärströmstyp; och fig 10 är en perspektivvy av ett element av motströmstyp.

I figurerna betecknar siffrorna 1 och 2 räfflade val- sar, siffran 3 betecknar en pressvals, siffrorna 4 och 5 beteck- nar anordningar för anbringande av bindemedel, siffrorna 7 och 8 betecknar lågdensitetspapper av oorganiska fibrer, siffran 18 betecknar matarluft, siffran 19 betecknar desorberingsluft, och siffran 20 betecknar avfuktad luft.

I fig 1 visas ett par av räfflade valsar 1 och 2 med önskade utspràng längs omkretsen. Dessa valsar griper in i va- randra-såsom visas i fig 1. En pressvals 3 med slät cylindrisk yta pressas mot den räfflade valsen 2, och valsen 3 roterar med i huvudsak samma omkretshastighet som valsen 2. I fig 1 visas även två anordningar 4 och 5 för anbringande av bindemedel.

Dessa anordningar består av bindemedelskärl 4a och 5a samt val- sar 4b och 5b för anbringande av bindemedel. De undre delarna av valsarna 4b och 5b doppas ned i bindemedel 6 i kärlen 4a och 5a. Huvudbeståndsdelen i bindemedlet utgöres företrädesvis av vattenglas. Valsen 4b är monterad alldeles under den räfflade valsen 2.

Man utgår från mycket porösa papper 7 och 8, vilka består av 70-90% keramiska fibrer, 5-20% massa och 5-10% binde- medel, och vilka har en tjocklek av 0,1-0,5 mm och en densitet av högst 0,5 g/cm3.

Papperet 7 ledes mellan de räfflade valsarna 1 och 2 så att man erhåller vágpapper 7a. Vågpapperet 7a föres vidare av valsen 2 och bringas i kontakt med valsen 4b, varvid bindemedel 6 anbringas pá àsarna av vågpapperet 7a. Vágpapperet 7a och planskiktspapperet 8 föres tillsammans mellan den räfflade val- sen 2 och pressvalsen 3, varvid de båda papperen binöês samman 462 671 4 till ett ensidigt korrugerat ark 9. Bindemedel 6 anbringas på åsarna av det ensidigt korrugerade arket 9 med hjälp av valsen Sb i anordningen 5 för anbringande av bindemedel. En cylindrisk bikakematris 11 med många små kanaler genom båda ändarna (se fig 2) framställes därefter genom att det limmade korrugerade arket 9 lindas omkring en axel 10. _Den cylindriska bikakematrisen 11 nedsänkes i en 20-30%- ig vattenlösning av vattenglas nr 1 (SiO2 2,1: Na2O 1) och tor- kas därefter vid 80-100°C under en timme. Härvid erhålles ett bikakeelement försett med ett skikt av hydratiserat eller halv- fast vattenglas innehållande 3-45 vikt-% vatten. Vikten av vat- tenglaset är 2-2,5 gånger pappersmatrisens vikt. Bikakeelemen- tet nedsänkes därefter i en 21%-ig vattenlösning av aluminium- salt under omrörning, varvid aluminiumsilikat-hydrogel bildas på papperet. Genom tvättning avlägsnas det såsom biprodukt bil- dade natriumsaltet, överskott av aluminiumsalt och aluminiumsi- likat-hydrogel som icke uppbäres av papperet. Genom upphettning och torkning erhålles ett avfuktningselement, vars huvudbestånds- del utgöres av aluminiumsilikat-aerogel.

I det ovan beskrivna exemplet nedsänkes den cylindriska bikakematrisen 11 i aluminiumsaltlösning efter det att den har nedsänkts i en vattenlösning av vattenglas och upphettats för torkning av vattenglaslösningen. Enligt en annan utföringsform nedsänkes papperen 7 och 8 av keramiska fibrer i vattenglaslös- ning, varefter de torkas till en lämplig vattenhalt så att ytan blir något klibbig innan man genomför korrugeringsförfarandet. vid denna utföringsform kan en del av det något klibbiga vatten- glaset användas såsom bindemedel vid framställning av det ensi- digt korrugerade arket 9. Den framställda cylindriska bikake- matrisen 11 torkas på nytt och nedsänkes i aluminiumsaltlösning för framställning av aluminiumsilikat-hydrogel_ De papper som användes är papper av oorganiska fibrer. Såsom huvudbestándsdel i dessa papper kan man icke endast använda de ovan nämnda kera- miska fibrerna utan även glasfibrer, mineralfibrer, kolfibrer och blandningar därav. 462 671 Tabell 1 Vattenglas (Na2O'nSiO2'xH2O) enligt japansk industristandard Nr 1 Nr 2 Nr 3 Specifik vikt <°Bé vid 15°c> - ___¿ 54 à 40 sioz 1%) 35-38 "34-36 28-30 Nazo 1%) 17-19 14-15 9-10 Fe 1%) á 0,03 á 0,03 é 0,02 vat-.enolösiigt mteriai 1%) á 0,2 g 0,2 g 0,2 Såsom vattenlösligt aluminiumsalt användes aluminium- sulfat, aluminiumnitrat, primärt aluminiumfosfat eller alumini- umklorid, vilka alla är kommersiellt tillgàrßiga till rimligt pris. Eftersom vattenlösliga kalciumsalter och magnesiumsalter också reagerar med vattenglas under bildning av silikatgeler, har man också provat kalciumnitrat, kalciumklorid, magnesiumsul- fat och magnesiumklorid.

I fig 3 visas de jämviktsmängder av vattenånga som ad- sorberas vid normal temperatur (25°C) av kommersiellt tillgäng- ligt silikagel A och av silikatgeler framställda enligt förelig- gande uppfinning genom omsättning av hydratiserat vattenglas med 20%-iga lösningar av aluminiumsulfat, primärt aluminium- fosfat, aluminiumnitrat, aluminiumklorid, kalciumnitrat, kal- ciumklorid, magnesiumsulfat och magnesiumklorid upphettade till 60-70°C. Nedan anges de jämviktsmängder av vattenånga som ad- sorberas av dessa aerogeler vid en relativ fuktighet av 75%. aluminiumsulfat 37,6% kommersiellt tillgängügt silikagel A 31 % primärt aluminiumfosfat 30,1% aluminiumnitrat 23,7% 462 671 6 magnesiumsulfat 23,5% magnesiumklorid 18,7% aluminiumklorid 17,2% kalciumnitrat 13,9% kalciumklorid 13,0% -Alla aluminiumsalter förutom aluminiumklorid uppvisar en fuktadsorberande förmåga som icke är sämre än den fuktadsor- berande förmågan av kommersiellt tillgängligt silikagel A, och de är tillräckligt verksamma för att kunna användas i avfuktare.

Magnesiumsalterna och kalciumsalterna kan användas i värmeväx- lare. Bland aluminiumsalterna uppvisar aluminiumklorid en låg fuktadsorberande förmåga jämfört med de andra aluminiumsalterna.

Detta beror möjligen på att aluminiumklorid hydrolyseras och att därför den reaktion som ger aluminiumsilikat-gel icke är fullständig.

Natriumsulfat bildas såsom biprodukt när matrisen ned- sänkes i vattenglaslösning och sedan behandlas med aluminium- sulfat. När aluminiumsulfat successivt sättes till samma moder- lut, ökar andelen natriumsulfat i vätskan. För att undersöka verkan av natriumsulfat genomfördes ett försök liknande de ovan beskrivna med användning av en lösning innehållande 19% alumi- niumsulfat och 8,S% natriumsulfat. Av det i fig 3 visade resul- tatet framgår, att Al2(SO4)3+Na2SO4 ger exakt samma resultat som enbart aluminiumsulfat. Även om mängden natriumsulfat ökar i moderluten, är det sålunda tydligt att natriumsulfatet icke alls påverkar det framställda elementets egenskaper.

Silikagel A, som är det vanliga silikagelet, har en kraftig fuktadsorberande förmåga. Silikagel B, som är ett sili- kagel med liten specifik yta, adsorberar stora mängder fukt vid höga relativa fuktigheter.

I nedanstående tabell anges egenskaperna hos de kommer- siellt tillgängliga silikagelerna A och B. 462 671 7 Silikagel A Silikagel B Specifik vikt 2,2* 2,3 2,2~ 2,3 skrymaensitet (kg/m3) eso ~aso voo ~soo Porositet 0,4- 0,45 0,5- 0,6 specifik yta (m2/g) soo ~7so zso ~3so Genomsnittlig pordiameter (Å) 20 ~ 30 50 ~ 60 Fuktadsorption (%) vid en relativ fuktighet av 20% _; 10 ~13 4 ~ 6 50% 25 ~ 30 7 ~ 16 90% 34 ~ 40 40 ~ 75 I fig 4 visas jämviktsmängden av adsorberad vattenånga vid 25°C per m2 papper av keramiska fibrer, varpå adsorberande gel har fixerats på ovan beskrivet sätt genom impregnering med vattenglas och efterföljande behandling med aluminiumsulfatlös- ning vid 60-70°C och vid normal temperatur, med 19-21%-iga lös- ningar av aluminiumklorid, primärt aluminiumfosfat, aluminium- nitrat, magnesiumsulfat, magnesiumklorid, kalciumnitrat och kalciumklorid vid 60-70°C, och med en lösning innehållande 19% aluminiumsulfat och 8,5% natriumsulfat vid 60-700C.

I fig 5 visas jämviktsmängderna i vikt-% av adscrberad vattenånga vid 25°C i avfuktningselement och i värmeväxlarele- ment framställda på ovan beskrivet sätt genom omsättning av_ vattenglas med aluminiumsulfatlösning vid 60-70oC och vid normal temperatur, och med lösningar av primärt aluminiumfosfat, alu- miniumnitrat, aluminiumklorid, magnesiumsulfat, magnesiumklorid, kalciumklorid, kalciumnitrat och aluminiumsulfat-natriumsulfat- -blandning vid 60-70OC, varvid alla dessa lösningar har de ovan angivna koncentrationerna.

I fig 6 visas en avfuktare innefattande det i fig 2 vi- sade cylindriska avfuktningselementet 11. Avfuktningselementet 11 roteras i ett hölje 12, som medelst ett separerande organ 13 är uppdelat i en arbetszon 14 och en regenereringszon 15. Av- fuktningselementet roteras med hjälp av en kuggväxelmotor 16 och 462 671 8 en drivrem 17. Mycket fuktig matarluft 18 ledes in i arbetszo- nen 14, och varm och mindre fuktig desorberingsluft 19 ledes in i regenereringszonen 15, varvid luften 18 avfuktas och torr luft 20 erhålles. I fig 6 betecknar siffran 21 en remskiva, siffran 22 betecknar en spännrulle, siffran 23 betecknar tätningsgummi, och siffran 24 betecknar en upphettningsanordning för desorbe- ringsluften.

Man konstruerade två sådana avfuktare som visas i fig 6 med användning av två olika avfuktningselement. Det ena avfukt- ningselementet framställdes på det sätt som visas i fig 1, var- vid papper av keramiska fibrer formades till ett ensidigt kor- rugerat ark 9 med en våglängd av 3 mm och en våghöjd av 2 mm.

Detta ark rullades till ett element med en diameter av 320 mm och en tjocklek av 200 mm. Elementet nedsänktes först i vatten- glaslösning och sedan i aluminiumsulfatlösning. Det andra av- fuktningselementet framställdes enligt känd teknik genom att samma papper av keramiska fibrer formades till ett element med samma dimensioner, varpå elementet impregnerades med 8 vikt-% (räknat på det formade blocket) litiumklorid såsom adsorptions- medel. I fig 7 visas sambandet mellan den absoluta fuktigheten (9/kg) i matarluften 18 vid inloppet och den absoluta fuktighe- ten i matarluften vid utloppet, när försöksbetingelserna var följande. Matarluften 18 och desorberingsluften 19 hade en has- tighet av 2 m/s framför elementet. Förhållandet mellan mängden desorberingsluft och mängden matarluft per tidsenhet var 1:3.

Elementet roterade med en hastighet av 18 varv/h. Matarluften hade en temperatur av 20°C vid inloppet, och desorberingsluften hade en temperatur av 140°C vid inloppet. Den absoluta fuktig- heten av desorberingsluften vid inloppet var densamma som den absoluta fuktigheten av matarluften vid inloppet.

I fig 8 visas värden på värmeväxlareffektiviteten (to- talt värmeutbyte) vid användning av tre olika värmeväxlarele- ment roterande med en hastighet av 12 varv/min. Lufthastigheten framför elementen varierades mellan 1 och 4 m/s. Två av elemen- ten framställdes i enlighet med föreliggande uppfinning genom att bikakematriser enligt ovan impregnerades med vattenglas och aluminiumsulfat resp med vattenglas och magnesiumsulfat. Det tredje elementet framställdes enligt känd teknik genom att sam- 9 - 462 671 ma bikakematris impregnerades med 3 vikt-% litiumklorid.

Av ovanstående försöksresultat framgår, att tillräcklig adsorptionsförmåga för ett avfuktningselement erhålles vid an- vändning av aluminiumsulfat, primärt aluminiumfosfat eller alu- miniumnitrat. Vid användning av aluminiumklorid, magnesiumsalter eller kalciumsalter var det erhållna elementet icke tillräck- ligt adsorberande för att kunna användas i avfuktare, men det var tillräckligt adsorberande för att kunna användas i värme- växlare. I Vattenglas, som har god kemisk affinitet till oorganiska fibrer, kommer vid genomförande av förfarandet enligt uppfin- ningen icke endast att väta ytan av papperet av oorganiska fib- rer utan även att tränga djupt in i håligheterna mellan de oor- ganiska fibrerna. Vattenglaset reagerar sedan med vattenlös- liga metallsalter, såsom aluminiumsalter, under bildning av si- likatgeleri Silikat-hydrogelerna kommer därför att bindas kraf- tigt även i det inre av matrisen av lågdensitetspapperet av oor- ganiska fibrer. Särskilt när vattenglaset får reagera med me- tallsaltet.efter det att det anbragta vattenglaset har koncentre- rats och torkats till bildning av hydratiserat vattenglas i halvfast tillstånd med en vattenhalt av 5-45%, kommer halten SiO2 i vattenglaset att vara 50-70% innan vattenglaset omvandlas till gel, och vattenhalten i det erhållna silikat-hydrogelet blir 40-50-%. Gelet kommer därför att bli starkt, och det kom- mer att bindas tillräckligt kraftigt till papperet av oorganiska fibrer. Det föreligger därför ingen risk för att det till pap- peret av oorganiska fibrer bundna hydrogelet skall falla av papperet vid tvättning med vatten efter reaktionen. Det på det- ta sätt bildade hydrogelet torkas dessutom till bildning av ett aerogel innehållande 40-50 vol-% mycket små porer, och det krym- per knappast alls under torkningen. Aerogelet uppvisar därför inga sprickor, och det kan icke sönderbrytas till små bitar.

Man erhåller ett starkt aerogel som är kraftigt bundet till papperet.

Eftersom man vid tidigare framställning av fuktutbytes- element har använt organiska eller oorganiska bindemedel utan fuktadsorberande förmåga, bidrager de delar som är belagda med bindemedel icke alls till elementets fuktadsorption, och elemen- 462 671 10 tets effektiva yta minskas med 10-20%. Vid förfarandet enligt föreliggande uppfinning kan man emellertid använda vattenglas såsom bindemedel vid lamineringsprocessen för framställning av matrisen. Detta vattenglas omvandlas till silikat-aerogel till- sammans med det vattenglas varmed hela elementet impregneras.

Genom att allt vattenglas reagerar med metallsaltet minskas icke adsorptionsförmågan hos elementet av oorganiska fibrer.

Elementet enligt uppfinningen har sålunda en 10-20% bättre fukt- adsorberande förmåga än förut kända element. Det vid förfarandet enligt uppfinningen framställda fuktutbyteselementet har en ut- märkt fuktadsorberande förmåga, vilket framgår av de ovan an- givna försöksresultaten. Fuktutbyteselementet enligt föreliggande uppfinning kan icke endast vara av rotationstyp såsom visas i fig 2, utan det kan också vara av tvärströmstyp, såsom visas i fig 9, eller av motströmstyp, såsom visas i fig 10.

Claims (5)

11 462 671 P a t e n t k r a v

1. Förfarande för framställning av ett fuktutbyteselement, k ä n n e t e c k n a t a v att planskiktsark och vågark av lågdensitetspapper, vars huvudbeståndsdel utgöres av oorganiska fibrer valda bland keramiska fibrer, glasfibrer, mineralfibrer, kolfibrer och blandningar därav, lamineras omväxlande till bildning av en matris med många små kanaler; att papperet impregneras med vattenglas före eller efter nämnda laminerings- process; att den formade matrisen upphettas och torkas för koncentrering av vattenglaset till hydratiserat vattenglas med en vattenhalt av 5-45% eller halvfast tillstànd; att den formade matrisen nedsänkes i en vattenlösning av ett metall- salt valt bland aluminiumsalter, magnesiumsalter och kalcium- salter till bildning av silikat-hydrogel på papperet; och att den formade matrisen och silikat-hydrogelet tvättas och torkas till bildning av ett element, vars huvudbestândsdel utgöres av silikat-aerogel avsatt på matrisen av oorganiska fibrer.

2. Föríarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att silikatet är aluminiumsilikat.

3. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att silikatet är kalciumsilikat.

4. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att silikatet är magnesiumsilikat.

5. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att vattenglaslösning användes såsom bindemedel vid lami- neringsprocessen, och att nämnda vattenglas användes för att bilda silikat-hydrogel tillsammans med metallsaltet.