WO2003019081A1

WO2003019081A1 - Stoff- und wärmeaustauscherfläche sowie stoff- und wärmeaustauschreaktor mit einer solchen stoff- und wärmeaustauscherfläche

Info

Publication number: WO2003019081A1
Application number: PCT/EP2002/009459
Authority: WO
Inventors: Matthias Peltzer; Eberhard Lävemann
Original assignee: Zae Bayern Bayrisches Zentrum Für Angewandte Energieforschung E.V.
Priority date: 2001-08-24
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2003-03-06

Abstract

Es wird ein Stoff- und Wärmeaustauschreaktor angegeben, der Stoff- und Wärmeaustauscherflächen aufweist, die die Bildung eines sehr dünnen und kontinuierlich sich über die gesamte Stoff- und Wärmeaustauscherfläche erstreckenden Flüssigkeitsfilm gewährleisten. Der Stoff- und Wärmeaustauschreaktor umfasst zwei stofflich voneinander getrennte und thermisch miteinander gekoppelte Kanalsysteme, von denen das eine Kanalsystem (Wärmeaustausch-Kanalsystem) von einem flüssigen oder gasförmigen Heiz- oder Kühlmedium (KHM) und das andere Kanalsystem (Stoffaustauschkanalsystem) von einem gasförmigen Medium (GM) und von einem weiteren flüssigen Medium (FM) durchströmt wird. Weiter ist wenigstens eine Reaktordoppelplatte (2) vorgesehen, an deren Oberflächen sich die Stoff- und Wärmeaustauscherflächen (18) befinden. Diese Stoff- und Wärmeaustauscherflächen (18) sind mit einer dünnen Schicht (21) aus kleinen Festkörperpartikeln (22) derart beschichtet, dass zwischen den einzelnen Festkörperpartikeln (22) aufgrund von deren Form und deren Anordnung Frei- und Hohlräume (24) verbleiben.

Description

Beschreibung

Stoff- und Wärmeaustauscherfläche sowie

Stoff- und Warmeaustauschreaktor mit einer solchen Stoff- und Wärmeaustauscherfläche

Die Erfindung betrifft eine Stoff- und Wärmeaus- tauscherflache nach Anspruch 1 und einen Stoff- und Warmeaustauschreaktor mit einer solchen Wärmeaustauscherfläche nach Anspruch 10 sowie ein Verfahren zur Entfeuchtung und Kühlung von Luft mit einem solchen Stoff- und Warmeaustauschreaktor .

In lufttechnischen Anlagen zur Gebäudeklimatisierung und in der Prozeßtechnik besteht oft das Problem, daß ein bestimmter Luftstrom gekühlt und entfeuchtet werden soll. Zur Luftentfeuchtung finden Kontaktapparate Verwendung, in denen in der Luft befindlicher Wasserdampf an hygroskopischen Substanzen (Sorbentien) angelagert wird. Die während des Absorbtionsprozesses durch Anlagern von Wasser gesättigten Sorbentien werden in einem anschließenden Desorptionsprozess regeneriert. Dabei wird des Sorbens, und/oder die mit dem Sorbens in Kontakt stehende Luft, auf eine sorbensspezifische Regenerationstemperatur aufgeheizt, wobei das Sorbens das Wasser wieder an die Luft abgibt. Das regenerierte Sorbens wird dann wieder der Ab- sorbtion zugeführt .

In diesen Prozessen finden Absorber Verwendung, die entweder mit geeigneten hygroskopischen Flüssigkeiten (Fa. Kathabar Systems, USA; Fa. Albers Air, USA) oder mit hygroskopischen Feststoffen z.B. Fa. Munters Corporation, Schweden; Fa. Siegle & Epple, DE) arbeiten. Von der Firma Munters ist beispielsweise eine entsprechende Vorrichtung in dem US-Patent 4,002,040 beschrieben. Es sind ebenfalls Anlagen bekannt, bei denen die sorbierende Flüssigkeit auf gekühlten und aufrecht stehenden Platten eines Plat- tenwärmetauscherpaktes verrieselt wird (Fa. Ficom Pty. Ltd. , Australien) . Auch sogenannte Dünnfilmaparate sind bekannt, bei denen ein flüssiges Sorbens mit Hilfe einer mechanischen Wischereinrichtung zu einem dünnen Film verteilt wird.

Diese genannten Vorrichtungen weisen folgende Nach- teile auf, die insbesondere bei der Absorption bzw. Desorption von Wasserdampf mittels flüssiger Sorbentien zu Tage treten. Die verwendeten Sorbentien, in der Regel wässrige Salzlösungen, verhalten sich, besonders bei den höheren Temperaturen während der Desorption, extrem kor- rosiv. Daher müssen entweder spezielle, korrosionsfeste Stähle verwendet oder der Stahl mit einer Schutzschicht versehen werden (z.B. Emaile) . Diese Maßnahmen sind sehr teuer. Wird auf andere, preisgünstigere Materialien, z.B. Kunststoffe ausgewichen, tritt das Problem auf, daß die Kunststoffoberflächen sehr schlecht von den Salzlösungen benetzt werden. Dies führt dazu, daß zur Erzeugung einer großen Stoffaustauschtlache um ein Vielfaches mehr Salzlösung auf diese Flächen aufgebracht werden muß, als für die Wasserdampfaufnähme nötig wäre. Ein Massenstromver- hältnis von Luft- zu Salzlösung nahe dem idealen, physikalisch notwendigen Massenstromverhältnis kann so nicht realisiert werden. Das bedeutet erhöhte Pumpenleistungen und erhöhte Kosten. Ferner kann eine wesentliche Änderung der Konzentration der Salzlösung nicht erfolgen, und da- mit ist auch eine preisgünstige Speicherung von Salzlösung und eine effektive Speicherung von Entfeuchtungse- nergie nicht möglich. Weitere Gründe hiefür sind die oft ungünstige Führung der Medien, die einen optimalen Stoff und Wärmeaustausch verhindert . Auch eine ausreichend hohe Temperaturspreizung des Heiz- und Kühlmediums wird meistens nicht erreicht, was den Kühlwasserbedarf erhöht und die flächenspezifische Effektivität der Rückkühlvorrichtung mindert. Auch dieses hat erhöhte Kosten zur Folge. Weiterhin werden durch Aufgabe des Sorbens mittels Verrieseln oder Versprühen frei von der Stoff- und Wärmeaustauscheroberfläche losgelöste Tropfen erzeugt, die teilweise durch den Luftstrom mitgerissen und aus dem Apparat ausgetragen werden, sofern sie nicht durch eine spezielle Abscheidevorrichtung zurückgehalten werden. Diese Abscheidevorrichtungen führen neben der Erhöhung der Herstellungskosten zu mehr Druckverlust in der Luftströmung und damit zu höheren Betriebskosten durch zusätzlich benötigte Ventilatorleistung.

Die DE 40 36 932 AI offenbart eine Sintermetallbeschichtung auf einer Grundfläche mit kleinen Festkörperpartikeln, die fest mit der Grundfläche verbunden sind und zwischen sich Freiräume aufweisen. Diese bekannte poröse Schicht kann und soll jedoch keinen dünnen Flüssigkeitsfilm ausbilden, sondern im Gegenteil ein Flüssigkeitsvolumen zum Sieden, d. h. zum Verdampfen bringen. Hierzu dient die große innere Oberfläche der Sintermetallbeschichtung. Selbst wenn man wollte, läßt sich mit der bekannten Sintermetallschicht kein extrem dünner und kontinuierlicher Flüssigkeitsfilm ausbilden. Würde man die Sintermetallschicht mit Flüssigkeit beaufschlagen (ohne diese durch entsprechende Wärmezufuhr zu verdampfen) , würde die Flüssigkeit zunächst durch die Sintermetallstruktur wie ein Schwamm aufgesogen werden. Erst wenn die Sintermetallschicht mit Flüssigkeit gesätigt ist, bildet sich auch an der Oberfläche ein Flüssigkeitsfilm aus. Dieser Flüssigkeitsfilm ist jedoch dann keineswegs mehr ein extrem dünner Flüssigkeitsfilm, sondern seine Dicke entspricht der Dicke der Sintermetallschicht. Nur die Oberfläche der flüssigkeitsgetränkten Sintermetallschicht stünde für den Stoffaustausch zur Verfügung. Der größte Teil des Flüssigkeitsvolumens steht für den Stoffaustausch nicht zur Verfügung, da durch die Sintermetallschicht nach D5 eben kein extrem dünner Flüssigkeitsfilm ausgebildet werden kann.

Aus DE 691 01 298 T2 und DE 694 18 915 T2 sind ebenfalls Wärmeübertragungsflächen bekannt, die in ihrer Struktur der Wärmeübertragungsfläche nach DE 40 36 932 AI entsprechen.

DE 692 01 860 T2 offenbart eine offenbart ein Stoff- und Wärmeaustauscherelement bei der auf eine poröse gasdurchlässige Wand ein poröses gut wärmeleitendes

Material aufgebracht ist. Der Stoffaustausch erfolgt hierbei durch die die poröse Wand hindurch.

Der DE 199 49 437 AI liegt die Aufgabe zugrunde, "einen Schichtkörper zu entwickeln, der einerseits mittels in ihm integrierter Stützkörper eine hohe Stabilität und Belastbarkeit aufweist, dabei einen Isolierstoff als mikroporösen Feststoff in schütt- oder rieselfähiger Form enthält, und der andererseits zur Wärmespeicherung nach dem Adsorptions-Desorptionsprinzip eingesetzt werden kann". Je nach Material des Schichtkörpers wirkt dieser isolierend oder als Wärmespeicher, so dass auf jeden Fall ein Wärmeaustausch stattfindet. Da die Wärmespeicherung auf dem Adsorptions- Desorptionsprinzip beruht, ein Stoffübergang statt. Doch findet ein stofflicher Übergang nur bis zur Sättigung (im Falle der Adsorption) eines als Adsorbens wirkende mikroporöse Feststoffs und nicht kontinuierlich statt.

Bei den in den Druckschriften DE 34 39 526, DE 36 27 266, DE 29 18 932, DT 26 05 753 und DE 35 11 126 be- schriebenen Vorrichtungen und Verfahren werden zur Verteilung der verwendeten Flüssigkeit auf der Oberfläche einer Wärme- und Stoffaustauschfläche Vliese verwendet.

Derartige Vliese weisen jedoch die folgenden Nachteile auf :

Bei einem Vlies besteht die Gefahr der Verschmutzung durch die in der zu entfeuchtenden Luft enthaltenen Schmutzpartikel.

Das mechanische Aufrauhen der Oberflächen der Reaktordoppelplatten bzw. der Stoff- und Wärmeaustauscherflächen führt zu Inhomogenitäten bzw. zu einer nicht konti- nuierlichen und vollständig bedeckenden Benetzung der Stoff- und Wärmeaustauscherflächen. Das gleiche gilt für die Oberflächenbehandlung mittels eines Plasmas.

Vliese aus Kunststoff sind nicht genügend hydrophil und besitzen somit im Vergleich zu der Grenzfläche Plat- tenmaterial/Sorbens, kaum grenzflächenspannungsverrin- gernde Eigenschaften, die eine Benetzung entscheidend verbessern. Ihre, die Benetzung verbessernde Wirkung ist in der sogenannten 'Kapillarwirkung' begründet. Zum Teil sind diese Vliese daher mit oberflächenaktiven Substanzen beschichtet, die eine vorübergehende Hydrophilität bewirken, sich aber im Betrieb auswaschen und somit wirkungslos werden. Diese oberflächenaktiven Substanzen reichern sich zusätzlich in dem wiederverwendeten Sorbens an und verändern dessen Stoffeigenschaften nachteilig.

Vliese aus Naturfasern sind, unter den angestrebten Prozessbedingungen in Verbindung mit den verwendeten Flüssigkeiten nicht stabil. Sie werden von diesen Flüs- sigkeiten zersetzt. Viele Vliese sind der gleichzeitigen thermischen Belastung (5°C - 100°C) und chemischen Belastung während der Regeneration der verdünnten Sorbentien nicht gewachsen und werden in diesen Fällen zerstört.

Vliese sind, als benetzungsverbessernde Maßnahme in Luftentfeuchtern, relativ teuer. Technische Fliese werden daher zumeist nicht flächig an der Austauschfläche befestigt, sondern zwischen den Platten des Austauscherpake- tes durch entsprechende Vorrichtungen angepreßt, eingeklemmt oder auf andere Weise gehalten. Solche Vorrichtungen befinden sich im freien Strömungsquerschnitt des Apparates und führen daher zu unnötigem, zusätzlichem Druck- erlust in der Gasströmung. Weiterhin fließt ein großer Teil des Fluidfilms zwischen Vlies und Austauschplatte ab, kommt nicht direkt mit dem Prozeßgas in Kontakt, und nimmt deshalb nicht im vollen Umfang am Stoff- austausch teil. Ein weiteres Problem bei der nur teilweisen Befestigung der Vliese an der Austauschfläche stellt die "Taschenbildung" dar, bei der sich Flüssigkeit in Falten oder Ausbeulungen des Vlieses sammelt, und das Vlies durch die Gasströmung zu Flattern beginnt. Dies führt ebenfalls zu unnötigen Druckverlusten und kann sogar zum teilweisen Verstopfen des freien Querschnitts führen, sowie den Stoffaustausch negativ beeinflussen. Ist das Vlies lose oder nur teilweise an der Platte befestigt, ist zudem die faltenfreie Montage schwierig.

Durch einen Wärme- und Stoffaustauschreaktor gemäß der DE 43 21 743 AI sind ein Großteil der genannten Probleme gelöst. Aus dieser Druckschrift ist ein Wärme- und Stoffaustauschreaktor bekannt, der zwei stofflich von einander getrennte und thermisch miteinander gekoppelte Kanalsysteme, nämlich ein Wärmeaustauschkanalsystem und ein Stoffaustauschkanalsystem aufweist. Der Reaktor besteht aus einer Mehrzahl von stapeiförmig aufrecht im Ab- stand zueinander angeordneten Reaktordoppelplatten in deren Inneren das Wärmeaustausch-Kanalsystem ausgebildet ist und wobei zwischen zwei nebeneinander angeordneten Reaktordoppelplatten das Stoffaustauschkanalsystem ausge- bildet ist. Am oberen Ende der senkrecht angeordneten Reaktordoppelplatten ist ein Flüssigkeitsverteiler angeordnet und die Außenseiten der Reaktordoppelplatten sind als Stoff- und Wärmeaustauscherflächen ausgebildet und werden durch den Flüssigkeitsverteiler benetzt. Um einen dünnen Film auf den Stoff- und Wärmeaustauscherflächen zu gewährleisten sind die Stoff- und Wärmeaustauscherflächen mit einem Vlies versehen, aufgerauht oder plasmabehandelt. Die Verwendung eines Vlieses führt zu einem vergleichsweisen "dicken" dünnen Flüssigkeitsfilm mit den obengenannten Nachteilen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung die aus der DE 43 21 743 AI bekannten Stoff- und Wärmeaustauscherflächen sowie den aus der DE 43 21 743 AI bekannten Stoff- und Warmeaustauschreaktor derart weiterzubilden, dass auf den Stoff- und Wärmeaustauscherflächen die Bildung eines sehr dünnen und kontinuierlich sich über die gesamte Stoff- und Wärmeaustauscherfläche des Stoff- und Wärmeaustauschreaktors erstreckenden Flüssigkeitsfilm gewährleistet wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 10.

Eine Beschichtung bzw. Oberflächenstruktur zur Reduzierung der Wirkung der Oberflächenspannung der Stoff- und Wärmeaustauscherflächen mit kleinen und kleinsten Festkörperpartikeln eignet sich zur Erzeugung eines sehr dünnen und dennoch kontinuierlichen Flüssigkeitsfilms. Die Ausbildung eines extrem dünnen, geschlossenen Flüssigkeitsfilms bedingt eine dünne Beschichtung mit Festkörperpartikeln mit vorzugsweise einer oder nur wenigen Lagen dieser Festkörperpartikel. Die einzelnen Festkörperpartikel sind hierbei nebeneinander und zumindest zum Teil aneinander anstoßend auf der Grundfläche angeordnet und fest mit ihr verbunden, so daß sich zwischen den einzelnen Festkörperpartikeln Frei- und Hohlräume bilden bzw. verbleiben. Diese Frei- und Hohlräume erzeugen die Kapillarwirkung durch die eine vollständige Benetzung der Stoff- und Wärmeaus- tauscherflachen gewährleistet wird.

Diese Festkörperpartikel bilden durch ihre äußere Gestalt in Verbindung mit dieser unmittelbar benachbarten Anordnung, eine Zone starker Kapillarwirkung, die groß genug ist, die entnetzenden Kräfte, welche die Bildung eines geschlossenen Film verhindern, zu überwinden und einen geschlossenen Film zu erzeugen.

Gleichzeitig besitzt die Kontaktfläche Beschichtungs- körper/Flüssigkeit, abhängig von den verwendeten Trägermaterialien, eine niedrigere Grenzflächenspannung als die unbeschichtete Kontaktfläche Trägermaterial/Flüssigkeit, was sich benetzungsfördernd und damit filmbildungsfördend auswirkt .

Ist der Dampfdruck der benetzenden Flüssigkeit oder einer ihrer Komponenten, gegenüber dem umgebenden, gasförmigen Medium verschwindend klein, wird bei Betriebs- stillstand des Apparates auf der Beschichtung befindliche Flüssigkeit, durch die starken kapillaren Kräfte, in den Hohl- und Freiräume zwischen den die Beschichtung bildenden Körpern, und der Trägerfläche festgehalten. Dadurch wird, bei erneutem Anfahren des Prozesses, eine sofortige Koaleszenz der frisch auf die Fläche aufgebrachten Flüs- sigkeit mit der in der Beschichtung verbliebenen Flüssigkeit zu einem flächigen, geschlossenen Dünnfilm erreicht. Dadurch ist zusätzlich die Möglichkeit geschaffen das

Verhältnis zwischen Gas und Flüssigkeitsmassenstrom, durch Variation der Flüssigkeitsmenge während des Betrie- bes, massiv zu verändern, ohne den geschlossenen Film zu zerstören.

Durch die Variation der Größen der verwendeten Be- schichtungskörper kann die Beschichtung, in ihren filmer- zeugenden Eigenschaften, auf Flüssigkeiten mit verschiedenen Stoffeigenschaften und auf verschiedene Prozeßführungen angepaßt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 sind die einzelnen Festkörperpartikel in etwa gleich groß. Dies fördert die Homogenität des Flüssigkeitsfilms. Hierbei ist es nicht notwendig, daß die einzelnen Festkörperpartikel die gleiche Form aufweisen oder regelmäßig geformt sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 bilden die Festkörperpartikel eine einlagige Schicht auf der Oberfläche der Reaktordoppelplatte bzw. auf der Stoff- und Wärmeaustauscherfläche. Durch die Einlagigkeit wird eine sehr dünne Beschichtung und damit ein sehr dünner Flüssigkeitsfilm ermöglicht.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Festkörperpartikel Sandkörner von na- türlichem Sand. Die Oberfläche der Stoff- und Wärmeaustauscherflächen entspricht daher der Oberfläche von Sandpapier. Sand ist preisgünstig und die Herstellungstechnologien für Sandpapier können bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Stoff- und Wärmeaustauscherflächen ge- nutzt werden. Gemäß Anspruch 10 der Erfindung weist der Stoff- und Wärmetauschreaktor zwei stofflich getrennte und thermisch miteinander gekoppelte Kanalsysteme auf, von denen das eine Kanalsystem (Wärmeaustausch-Kanalsystem 14) von ei- nem flüssigen oder gasförmigen Heiz- oder Kühlmedium HKM und das andere Kanalsystem (Stoffaustauschkanalsystem 16) von einem gasförmigen Medium GM und einem weiteren flüssigen Medium FM durchströmt ist. Ferner weist der Stoff- und Wärmetauschreaktor gemäß der Erfindung wenigstens ei- ne im wesentlichen senkrecht angeordnete Reaktordoppel- platte auf, die ein oberes Ende, ein unteres Ende, eine erste und eine zweite Hauptoberfläche und einen Zwischenraum zwischen der ersten und der zweiten Hauptoberfläche aufweist, wobei das Wärmetauscher-Kanalsystem in dem Zwi- schenraum angeordnet ist, wenigstens eine der Hauptoberflächen als Stoff- und Wärmeaustauscheroberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist, an der wenigstens einen Stoff- und Wärmeaustauscheroberfläche das gasförmige Medium und das flüssige Medium im Gegenstrom geführt sind, und wobei am oberen Ende der wenigstens einen Reaktordoppelplatte ein Flüssigkeitsverteiler zum Erzeugen eines dünnen Flüssigkeitsfilms aus dem flüssigen Medium auf der wenigstens einen Stoff- und Wärmeaustauscheroberfläche vorgesehen ist.

Die übrigen Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Aussgestaltungen der Erfindung.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er- findung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung durch eine der Stoff- und Wärmeaustauscheroberflächen,

Fig. 3 eine Aufsicht auf den Flüssigkeitsverteilen von vorne,

Fig. 4a ein Detail der Rückansicht des Flüssigkeitsverteilers ,

Fig. 4b ein Schnitt durch die Darstellung in Fig. 4a entlang der Linie D-D;

Fig. 5a, b und c Schnittdarstellungen entlang der Linien A-A, B-B und C-C in Fig. 3;

Fig. 6 und 7 eine Alternative Ausgestaltung des Flüssigkeitsverteilers; und

Fig. 8 ein Detail aus Fig. 3.

Die in Fig. 1 dargestellte beispielhafte Ausführungs- form der Erfindung weist eine Mehrzahl von senkrecht, im Abstand nebeneinander angeordneten Reaktordoppelplatten 2 auf . Jede der Reaktordoppelplatten 2 weist ein oberes Ende 4, ein unteres Ende 6, eine erste und eine zweite Hauptoberfläche 8 bzw. 10 und einen Zwischenraum 12 zwischen der ersten und zweiten Hauptoberfläche 8 und 10 auf. Der Zwischenraum 12 ist als Wärmeaustauschkanalsy- stem 14 ausgebildet, daß beispielsweise von Wasser als Heiz- oder Kühlmedium HKM durchflössen wird. Zwischen den einzelnen Reaktordoppelplatten 2 ist ein Stoffkanalaus- tauschsystem 16 ausgebildet. Die ersten und zweiten Hauptoberflächen 8 und 10 der Reaktordoppelplatten 2 sind als Stoff- und Wärmeaustauscherflächen 18 ausgebildet. Die Stoff- und Wärmeaustauscherflächen 18 werden von oben her mit einem flüssigen Medium FM oder Sorbens ganzflächig benetzt. Von unten her strömt im Gegenstrom zwischen den Reaktordoppelplatten 2 ein gasförmiges Medium GM, daß im Falle der Absorption eine gasförmige Komponente an das Sorbens FM abgibt und im Falle der Desorption diese gasförmige Komponente von dem Sorbens FM wieder aufnimmt .

Am oberen Ende 4 der Reaktordoppelplatten 2 ist jeweils ein Flüssigkeitsverteiler 20 angeordnet, der das Sorbens FM über die gesammte Breite der Reaktordoppel- platten 2 auf allen Stoff- und Wärmetauscherflächen 18 zur Bildung eines dünnen Flüssigkeitsfilm bereitstellt. Details des Flüssigkeitsverteilers 20 werden in den Fig. 3, 4 und 5 beschrieben.

Die Stoff- und Wärmeaustauscherflächen 18 weisen eine Oberflächenbeschichtung 21 mit kleinen Festkörperpartikeln 22, z. B. Sandkörnern auf, wie dies schematisch in Fig. 2 dargestellt ist. Die Stoff- und Wärmeaustauseher- flächen 18 weisen damit die Struktur bzw. Oberfläche von Sandpapier auf. Zwischen den einzelnen Festkörperpartikeln bzw. Sandkörnern 22 sind aufgrund der Form und der Nebeneinanderanordnung der Sandkörner 22 Frei- und Hohlräume 24 ausgebildet. Diese kleinen Frei- und Hohlräume 24 bedingen durch ihre Kapillarwirkung die gleichmäßige Verteilung des Sorbens FM in Form eines kontinuierlichen dünnen Flüssigkeitsfilms 26 auf den Stoff- und Wärmaus- tauscherflachen 18. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, sind die Sandkörner 22 einzeln nebeneinander auf den Stoff- und Wärmeaustauscherflachen 18 angeordnet. Durch diese einlagige Anordnung wird ein sehr dünner Flüssigkeitsfilm ermöglicht.

Die Beschichtung 21 bzw. die Sandkörner 22 werden mittels eines Klebers dauerhaft auf der Stoff- und Wärmeaustauscherfläche 18 fixiert. Alternativ kann die Be- schichtung 21 auf auf einem nicht näher dargestellten Zwischenträger aufgebracht sein, der dann auf die Stoff- und Wärmeaustauscherflächen 18 aufgeklebt wird.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen eine beispielhafte Ausgestaltung des Flüssigkeitsverteilers 20 mit dem das flüssige Sorbens FM vom oberen Ende 4 der Reaktordoppelplatten 2 auf die Stoff- und Wärmeaustauscherflächen 18 aufgebracht wird. Der Flüssigkeitsverteiler 20 weist eine rechtecki- gen und plattenförmigen Grundkörper 27 mit einer Vorderseite 28 und einer Rückseite 29 auf. Die Breite b und Dicke d des Flüssigkeitsverteilers entspricht der Breite und Dicke der Reaktordoppelplatten 2. An der Oberkannte des Flüssigkeitsverteilers 20 sind in regelmäßigen Ab- ständen vordere und hintere Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 30 und 32 in gleichem Abstand nebeneinander angeordnet, wobei sich vordere und hintere Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 30, 32 in ihrer Abfolge abwechseln. Die vorderen Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 30 benetzen daher die Vorderseite 28 des Flüssigkeitsverteilers 20 und die erste Hauptoberfläche 8 einer Reaktordoppelplatte 2 und die hinteren Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 32 benetzen die Rückseite 29 und die zweite Hauptoberfläche 10.

Den Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 30 und 32 werden über ein Flüssigkeitszuleitungssystem 34 Flüssigkeit bzw. Sorbens FM zugeführt. Das Flüssigkeitszuleitungssystem 34, das auf der Vorderseite 28 zu sehen ist, umfaßt eine gemeinsame FlüssigkeitshauptZuleitung 36 und eine Viel- zahl von Flüssigkeitsunterzuleitungen 38. Hierbei spaltet sich die Flüssigkeitshauptzuleitung 38 durch wiederholte Bisektion an Gabelungsstellen 40 in die Flüssigkeitsunterzuleitungen 38 auf, bis schließlich für jede der Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 30 und 32 eine eigene Flüssig- keitsunterzuleitung 38 vorliegt. In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform weist 64 Austrittsöffnungen 30 zur ersten Hauptoberfläche 8 hin auf und 64 Austrittsöffnungen 32 zur zweiten Hauptoberfläche 10 hin auf. Die Flüssigkeitshauptzuleitung 36 spaltet sich an der ersten Gabelungsstelle 40 in zwei Flüssigkeitsunterzuleitungen 38 auf, die sich noch fünf mal jeweils in zwei Flüssigkeits- Unterzuleitungen 38 aufspalten bis für jede der 128 Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 30 und 32 eine Flüssigkeitsunterzuleitung 38 vorliegt.

Die FlüssigkeitshauptZuleitung 36 weist eine über den oberen Kannte des Flüssigkeitsverteilers 20 liegendes Anschlußstück 42 auf, über das das flüssige Sorbens FM eingespeist wird. Die Flüssigkeitshauptzuleitung 36 endet am tiefsten Punkt des Flüssigkeitszuleitungssystems 34 und die Flüssigkeitsunterzuleitungen 38 erstrecken sich ausschließlich in horizontaler oder in vertikaler Richtung nach oben entgegen der Schwerkraft . Durch diese Anordnung der Flüssigkeitsunterzuleitungen 38 wird eine Blasenbildung in dem Flüssigkeitszuleitungssystem 34 vermieden, was zu diskontinuierlicher Filmbildung führen könnte.

Wie aus den Detaildarstellungen in Fig. 5a und Fig. 5c zu ersehen ist, sind die Austrittsöffnungen 30 bzw. 32 nach außen hin konisch ausgebildet. Durch diese Formge- bung wird Tropfenbildung beim Austreten des flüssigen Sorbens FM aus den Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 30, 32 vermieden und die gleichmäßige Benetzung der Stoff- und Wärmetauscherflächen 18 gewährleistet. Sowohl die Vorderseite 28 als auch die Rückseite 29 des Flüssigkeitsver- teilers 20 sind in dem Bereich unter den Austrittsöffnungen 30 bzw. 32 mit der gleichen Beschichtung 21 versehen, wie die Wärmetauscherflächen 18. Hierdurch wird eine kontinuierliche Filmbildung beginnend an den Austrittsöff- nungen bis zum unteren Ende 6 der Wärmetauscherflächen 18 gewährleistet. Der Flüssigkeitsverteiler 20 wird mittels eines Steckmechanismus 44 auf der jeweiligen Reaktordoppelplatte 2 aufgesteckt. Der Steckmechanismus 44 ist im Querschnitt betrachtet M-förmig - siehe Figuren a, 5b und 5c - und weist einen mittleren nach unten vorstehenden Steckstreifen 46 und links und rechts bzw. vorne und hinten einen vorderen Abdeckstreifen 48 und einen hinteren Abdeckstreifen 50 auf. Der vordere Abdeckstreifen 48 überlappt dabei die erste Hauptoberfläche 8 und der hin- tere Abdeckstreifen 50 überlappt die zweite Hauptoberfläche 10.

Fig. 6 und 7 zeigen Schnittdarstellungen alternativer Ausführungsformen des Flüssigkeitsverteilers 20. Die Aus- führungsformen gemäß den Fig. 6 und 7 unterscheiden sich von der Ausführungsform nach Fig. 5 durch die Ausbildung der Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 30 und 32. Die vorderen und die hinteren Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 30, 32 liegen auf gleicher Höhe und sind nicht, wie bei der Ausführungsform nach Fig. 5, seitlich zueinander versetzt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 führen die unmittelbar mit den Austrittsöffnungen 30, 32 verbundenen Flüssigkeitsunterzuleitungen schräg nach oben und außen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 führen diese letzten Flüssigkeitsunterzuleitungen 38 waagrecht nach außen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 ist die Gabelungsstelle 40 gerundet ausgebildet um Wirbel und Unregelmäßigeiten in der Strömmungsgeschwindigkeit zu vermeiden.

Fig. 8 zeigt eine Detaildarstellung aus Fig. 3 mit gerundeten Ausbildung der Gabelungsstellen 40. Die Flüs- sigeitsunterzuleitungen 38 weisen an den Gabelungstellen keilförmige Einbuchtungen 52 auf, wodurch sich die gerundete Form der Gabelungsstellen ergibt. Um ein Verstopfen der kleinsten Flüssigkeitsunterzuleitungen zu verhindern, wird der Mindestquerschnitt der kleinsten Flüssigkeitsunterzuleitung doppelt so groß wie die größten zu erwartenden Schmutzpartikelabmessungen ge- wählt (typischerweise 1 mm²).

Hinsichtlich weiterer Details der Ausgestaltung des

Flüssigkeitsverteilers wird auf auf die Anmeldung DE

101 41 526.5 mit dem Titel "Kleinstflüssigkeitsmengenverteiler" vollinhaltlich bezug genommen.

Der vorstehend beschriebene Stoff- und Warmeaustauschreaktor ist insbesondere zur Entfeuchtung und Küh- lung von Luft geeignet. Hierbei wird die Luft auf sorpti- vem Weg entfeuchtet und dabei gleichzeitig eine sorptive Flüssigkeit, zumeist eine wässrige Lösung eines oder mehrer Salze, stark verdünnt (Absorption) oder Luft befeuchtet und das verwendete Sorbens dabei stark aufkonzen- triert (Desorption) . Die Heiz- und Kühlflüssigkeit, welche in dem Wärmeaustauschkanalsystem 14 von dem flüssigen Sorbens FM und der Luft GM stofflich getrennt strömt, führt dem Sorptionsprozeß dabei Wärme zu oder ab (Desorption oder Absorption) . Die Kühlflüssigkeit HKM wird zur Erreichung der maximalen Kühltemperatursprei- zung, bei der Absorption im Gegenstrom oder Kreuzgegenstrom zu der Luft GM geführt. Bei der Desorption wird es im Gegenstrom oder Kreuzgegenstrom zum Sorbens FM geführt. Im Fall der Absorption wird dabei das konzentrier- teste Sorbens am stärksten gekühlt, wodurch der Gleichgewichtsdampfdruck des Sorbens so niedrig wie möglich wird. Bei der Desorption wird dagegen das konzentrierteste Sorbens mit dem heißesten Heizmedium HKM in Kontakt gebracht, was die größte mögliche Gleichgewichtswasser- dampfdruckerhöhung in dem Sorbens bewirkt . Beide Maßnahmen stellen jeweils das größtmögliche Stoffaustauschpo- tential des jeweiligen Prozesses (Absorption oder Desorption) zur Verfügung.

Die Stoff- und Wärmeaustauscherflächen 18, die gleichzeitig das Sorbens FM und die Luft GM von der Kühl- flüssigkeit HKM stofflich trennen, stehen zum Zwischenraum 12 zwischen den Reaktordoppelplatten 2 hin vollständig mit dem Kühl- bzw. Heizmedium HKM in Kontakt und die andere Seite, d.h. die Stoff- und Wärmeauscherflachen 18, sind mit dem flüssigen Sorbens FM benetzt. Das flüssige Sorbens FM bildet auf den Stoff- und Wärmeaustauscherflachen 18 einen extrem dünnen, geschlossenen Film 26, der der Schwerkraft folgend an den Stoff- und Wärmeaustauscherflächen 18 herunterläuft. Durch diesen reinen Flussigkeitskontakt sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite der Reaktordoppelplatten 2 wird ein hoher Wärmeübergangskoeffizient erzielt und damit ein hoher Wärmedurchgang von der Kühl- bzw. Heiflüssigkeit HKM durch die trennende Wand auf das Sorbens FM und auf die an dem Sorbensfilm 26 entlang streichende Luft GM erreicht. Dadurch wird gleichzeitig auch ein optimaler Stoffübergang erreicht. Der geschlossene Sorbensfilm 26 wird durch die spezielle Beschichtung 21 mit kleinen Festkörperpartikeln 22 erreicht, die bewirkt, daß eine extrem kleine Sorbensmenge FM die Wärmetauscherflächen 18 benetzt und gleichmäßig und kontinuierlich nach unten läuft. Die extrem kleine Sorbensmenge wird von dem Flüssigkeitsverteiler 20 von der Oberkante der Wärmetauscherflächen 18 her über die gesamte Breite der Reaktordoppel- platten 2 verteilt, ohne dabei Tropfen zu bilden, die von der Luftströmung mitgerissen werden könnten. Der Flüssigkeitsverteiler 20 ragt hierbei nicht oder nur minimal in den freien Luftströmungsquerschnitt zwischen den Reaktordoppelplatten 2 hinein, so daß keine nennenswerte Beein- trächtigung der Strömung auftritt, die zu einer Erhöhung des Strömungsdruckverlustes führen würde. Der gesamte Stoff- und Warmeaustauschreaktor läßt sich aus Kunststoff herstellen und sehr dünn ausführen. Die Dicke der einzelnen Reaktordoppelplatten 2 beträgt beispielsweise 3 mm. In dem Zwischenraum 12 der Reaktordoppelplatten 2 sind in regelmäßigen Abständen Stege - nicht dargestellt - vorgesehen, der von der Kühlflüssigkeit HKM meanderförmig durchströmt wird. Das zwischen den Reaktordoppelplatten 2 ausgebildete Stoffaustauschka- nalsystem 16 wird von der Luft GM entgegen der Schwerkraft und von dem flüssigekn Sorbens FM mit der Schwerkraft in direktem, kontinuierlichen Gegenstrom durchströmt .

Bezugszeichenliste:

2 Reaktordoppelplatte 4 oberes Ende von 2

6 unteres Ende von 2

8 erste Hauptoberfläche von 2

10 zweite Hauptoberfläche von 2

12 Zwischenraum in 2 14 Wärmeaustausch-Kanalsystem

16 Stoffaustausch-Kanalsystem

18 Stoff- und Wärmeaustauscherflachen

20 Flüssigkeitsverteiler

21 Beschichtung von 18, 2 22 kleine Festkörperpartikel, Sandkörner

24 Frei- und Hohlräume

26 Flüssigkeitsfilm aus Sorbens FM

27 Grundkörper von 20

28 Vorderseite 29 Rückseite

30 vordere Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 32 hintere Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 34 Flüssigkeitszuleitungssystem

36 FlüssigkeitshauptZuleitung 38 Flüssigkeitsunterzuleitungen

40 Gabelungsstellen

42 Anschlußstück von 36

44 Steckmechanismus

46 mittlerer Steckstreifen 48 vorderer Abdeckstreifen

50 hinterer Abdeckstreifen

52 keilförmige Einbuchtung

Claims

Ansprüche

1. Stoff- und Wärmeaustauscherfläche zur Ausbildung eines dünnen Flüssigkeitsfilms auf einer Grundfläche und einer auf der Grundfläche aufgebrachten Beschichtung (21) bzw. Oberflächenstruktur zur Reduzierung der Wirkung der Oberflächenspannung, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (21) eine dünne Schicht aus kleinen Festkörperpartikeln (22) aufweist; die Festkörperpartikel (22) fest mit der Grundfläche verbunden sind; und zwischen den einzelnen Festkörperpartikeln (22) aufgrund von deren Form und deren Anordnung auf der Grundfläche Frei- und Hohlräume verbleiben.

2. Stoff- und Wärmeaustauscherfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Festkörperpartikel (22) in etwa gleich groß sind.

3. Stoff- und Wärmeaustauscherfläche nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (21) aus Festkörperpartikeln (22) einlagig ist.

4. Stoff- und Wärmeaustauscherfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperpartikel (22) Sandkörner sind.

5. Stoff- und Wärmeaustauscherfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperpartikel (22) aus Komponenten von natürlichem Sand, insbesondere aus Silikat, Aluminiumsilikat und/oder Siliziumdioxid bestehen.

6. Stoff- und Wärmeaustauscherfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperpartikel (22) mittels eines Haftmittels auf der Grundfläche befestigt sind.

7. Stoff- und Wärmeaustauscherfläche nach Anspruch 6, da- durch gekennzeichnet, dass das Haftmittel ein Klebstoff ist.

8. Stoff- und Wärmeaustauscherfläche nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Haftmittel eine Zwischen- trägerfolie ist, in die die Festkörperpartikel (22) aus dieser hervorstehend eingebettet sind, und wobei die Zwischenträgerfolie auf der Grundfläche befestigt ist.

9. Stoff- und Wärmeaustauscherfläche nach einem der vorher- gehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundfläche eine reversibel thermisch weiche oder reversibel chemisch weiche Oberfläche ist, in die die Fest- körperpartikel (22) aus der Grundfläche hervorstehend eingebettet sind.

10. Stoff- und Warmeaustauschreaktor mit: zwei stofflich voneinander getrennten und thermisch miteinander gekoppelten Kanalsystemen (14, 16), von denen das eine Kanalsystem (Wärmeaustausch-Kanalsy- stem 14) von einem flüssigen oder gasförmigen Heiz- oder Kühlmedium HKM und das andere Kanalsystem (Stoffaustauschkanalsystem 16) von einem gasförmigen Medium GM und einem weiteren flüssigen Medium FM durchströmt ist, - wenigstens einer im wesentlichen senkrecht angeordneten Reaktordoppelplatte (2) , die ein oberes Ende (4) , ein unteres Ende (6) , eine erste und eine zweite Hauptoberfläche (8, 10) und einen Zwischenraum (12) zwischen der ersten und zweiten Hauptoberfläche (8, 10) aufweist, wobei das Wärmeaustausch-Kanalsystem (14) in dem Zwischenraum (12) angeordnet ist; wenigstens eine der Hauptoberflächen (8, 10) als Stoff- und Wärmeaustauscherfläche (18) ausgebildet ist; an der wenigstens einen Stoff- und Wärmeaustauscherfläche (18) das gasförmige Medium GM und das flüssige Medium FM im Gegenstrom geführt sind; und am oberen Ende (4) der wenigstens einen Reaktordop- pelplatte (2) ein Flüssigkeitsverteiler (20) zum Erzeugen eines dünnen Flüssigkeitsfilms (26) aus dem flüssigen Medium FM auf der wenigstens einen Stoff- und Wärmeaustauscherfläche (8, 10) vorgesehen ist

dadurch gekennzeichnet, dass

die wenigtens eine Stoff- und Wärmetauscheroberfläche (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.

11. Stoff- und Warmeaustauschreaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Reaktordoppelplatten (2) mit Abstand zueinander stapeiförmig angeordnet sind; - das gasförmige Medium GM entgegen der Schwerkraft von unten nach oben zwischen den einzelnen Reaktordoppelplatten (2) geführt ist; und das flüssige Medium FM in Richtung der Schwerkraft in einem dünnen Film (26) auf den Stoff- und Wärme- austauscherflachen (18) geführt ist.

12. Stoff- und Warmeaustauschreaktor nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Heiz- oder Kühlmedium HKM in dem Zwischenraum (12) der Reaktordop- pelplatten (2) meanderförmig von oben nach unten geführt ist.

13. Stoff- und Warmeaustauschreaktor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktordoppelplatten (2) aus Kunststoff bestehen.

14. Stoff- und Warmeaustauschreaktor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsverteiler (20) aufweist: eine gerade Anzahl von Flüssigkeitsaustrittsöffnungen, (30, 32) die in gleichem Abstand zueinander in einem oberen Randbereich (4) der Stoff- und Wärmeaustauscherfläche (18) angeordnet sind, ein Flüsigkeitszuleitungssystem (34) , das ausgehend von einer gemeinsamen Flüssigkeitshauptzuleitung (36) durch wiederholte Bisektion an Gabelungstellen (40) in eine Mehrzahl von Flüssigkeitsunterzuleitungen (38) aufzweigt, bis schließlich jeweils eine Flüssigkeitsunterzuleitung (38) in eine der Flüssigkeitsaustrittsöffnungen (30, 32) mündet, wobei die Flüssigkeitsunterzuleitungen (38) unter den Flüssigkeitsaustrittsöffnungen (30, 32) angeordnet sind.

15. Stoff- und Warmeaustauschreaktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussigkeitsaustrittsoff- nungen (30, 32) in den Flüssigkeitsverteilern (20) sich konisch nach außen öffnend ausgebildet sind.

16. Stoff- und Warmeaustauschreaktor nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Längen der einzelnen Flüssigkeitsunterzuleitungen (38) von der Flüssigkeitshauptzuleitung (36) zu der jeweiligen Flüssigkeitsaustrittsöffnung (30, 32) konstant ist.

17. Stoff- und Warmeaustauschreaktor nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssikgeits- unterzuleitungen (38) so ausgebildet sind, dass der Flüs- sigkeitsstrom gegen die Schwerkraft von unten nach oben oder senkrecht zur Schwerkraft quer geführt wird.

18. Stoff- und Warmeaustauschreaktor nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeits-

Unterzuleitungen (38) an den Gabelungsstellen (40) gerundet ausgeführt sind.

19. Stoff- und Warmeaustauschreaktor nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der Flüssigkeitsunterzuleitungen (38) sich bei jeder Bi- sektion halbieren.

20. Stoff- und Warmeaustauschreaktor nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeits-

Verteiler mittels einer Befestigungsvorrichtung (44) an den Reaktordoppelplatten (2) befestigt ist.