DE3728859C2 - Feuchtigkeitsaustauschelement und dessen Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Feuchtigkeitsaus­ tauschelement, um kontinuierlich ein entfeuchtetes Gas wie trockene Luft zu erhalten, indem Zuführungsgas und desorbierendes Gas alternativ durch das Element durchge­ führt werden, das einen Block mit vielen kleinen Kanälen und ein festes Adsorbens aufweist, das die Feuchtigkeit reversibel zu adsorbieren vermag.

In der japanischen Patentanmeldung JP 60-86969 A wurde ein Verfahren zur Herstellung eines Feuchtigkeitsaus­ tauschelementes oder eines Austauschelementes für die gesamte Wärmeenergie vorgeschlagen, in dem Lagen von Papier niedriger Dichte aus anorganischer Faser, bei­ spielsweise Keramikfaser, in der Form eines Feuchtig­ keitsaustauschelementes oder eines Austauschelementes für die gesamte Wärmeenergie mit vielen kleinen Kanälen ge­ schichtet werden, mit Wasserglaslösung vor oder nach dem Herstellungsprozeß imprägniert werden, in wäßriger Lösung von Aluminium-, Magnesium-, oder Calziumsalzen nach der Bildung getränkt werden, so daß das Wasserglas und das Salz reagieren, um ein Silikathydrogel zu erzeu­ gen, und gewaschen und getrocknet werden, um ein Feuch­ tigkeitsaustauschelement oder ein Austauschelement für die gesamt Wärmeenergie zu ergeben, das hauptsächlich aus Silikataerogel mit einer Matrix aus Papier aus anorga­ nischen Fasern besteht.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Feuchtigkeitsaus­ tauschelement verfügbar zu machen, das eine hohe Wirk­ samkeit und einen geringen Druckverlust aufweist, wobei ein festes Adsorbens, das die Feuchtigkeit reversibel zu adsorbieren vermag, in der Form eines Blockes mit vielen kleinen Kanälen vorhanden ist.

Lösungen dieser Aufgabe sind in den Ansprüchen 1 und 6 angegeben. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein Papier mit einer Dicke von 0,18 bis 0,25 mm hergestellt, dessen Hauptkomponente eine an­ organische Faser ist, die aus der Gruppe Keramikfaser, Glasfaser, Schlackenfaser, Karbonfaser und Mischungen daraus ausgewählt wird. Dieses Papier wird als einsei­ tiges Wellpapier mit einer Wellenlänge von 2,5 bis 4,2 mm und einer Wellenhöhe von 1,5 bis 2,3 mm geformt; diese einseitigen Wellpapiere werden geschichtet, um einen Block mit vielen kleinen Kanälen zu bilden, nämlich die Matrix des Feuchtigkeitsaustauschelementes. Der adsorbie­ rende Stoff, der gerade bzw. an Ort und Stelle syntheti­ siertes, aktives Silika-Aluminiumoxid-Aerogel aufweist, das 97 bis 85% Siliciumdioxid und 3 bis 15% Aluminiumoxid enthält, ist an die Oberfläche des Papiers und die Faser­ zwischenräume der Matrix gebunden und mit diesen kombi­ niert, wobei er den Hauptbestandteil des Feuchtigkeits­ austauschelementes ausmacht. Die Länge der Kanäle kann entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit des Zuführungs­ gases in den Kanälen, entsprechend der Zeit, die zum Er­ reichen des Adsorptionsgleichgewichtspunktes des Elemen­ tes nötig ist und entsprechend der Adsorptionsfähigkeit des aktiven Silika-Aluminiumoxid-Aerogels verändert werden. Beträgt die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Wind­ geschwindigkeit 1 bis 4 m/s vor dem Element, so liegt die Länge der Kanäle bei ungefähr 100 bis 400 mm.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand mehrerer dargestellter Ausführungs­ beispiele noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Perspektivansicht eines Rotations-Feuchtig­ keitsaustauschelementes,

Fig. 2 eine Perspektivansicht eines Parallelströmungs- Feuchtigkeitsaustauschelements,

Fig. 3 eine Perspektivansicht eines Rotations-Feuchtig­ keitsaustauschelementes, dessen Kanten mit Ver­ stärkungsmittel imprägniert sind,

Fig. 4 eine Perspektivansicht eines Parallelströmungs- Feuchtigkeitsaustauschelementes, dessen Kanten mit Verstärkungsmittel imprägniert sind,

Fig. 5 eine Perspektivansicht eines einseitigen Well­ papiers,

Fig. 6 eine Perspektivansicht eines Entfeuchters mit einem Rotations-Feuchtigkeitsaustauschelement, wobei ein Bereich der Struktur zum Zweck der Veranschaulichung weggebrochen ist,

Fig. 7 ein Diagramm, das die Entfeuchtungsfähigkeit von verschiedenen Feuchtigkeitsaustauschelementen zeigt,

Fig. 8 ein Diagramm, das die Druckverluste von verschie­ denen Feuchtigkeitsaustauschelementen zeigt,

Fig. 9 ein Diagramm, das die Porengrößenverteilung und die Akkumulation von Porenvolumen in einem Flach­ material aus Keramikfaser zeigt; und

Fig. 10 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Partialdruck von Stickstoffgas und dem Volumen von Stickstoffgas zeigt, das von dem Flachmate­ rial adsorbiert ist.

In den Zeichnungen sind analoge Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Ein in flacher Konfiguration verbliebenes Flachmaterial­ stück 1 und ein in gewellte Konfiguration gebrachtes Flachmaterialstück 2 mit einer Wellenlänge von 2,5 bis 4,2 mm und einer Wellenhöhe von 1,5 bis 2,3 mm, die beide aus sehr porösem Papier bestehen, das zu 70 bis 90% aus wärmebeständigen anorganischen Fasern mit einem Faser­ durchmesser von 3 bis 15 µm, die aus der Gruppe Keramik­ faser, Glasfaser, Schlackenfaser bzw. Steinfaser, Karbon­ faser und Mischungen von diesen ausgewählt sind, zu 5 bis 20% aus Zellstoff (Holzzellstoffe, andere Pflanzenzell­ stoffe oder synthetische Zellstoffe) und zu 5 bis 10% aus Bindemittel hergestellt ist und das eine Dicke von 0,18 bis 0,25 mm und eine Dichte von nicht mehr als 0,5 g/cm³ aufweist, sind mit einem Klebstoff, beispiels­ weise Wasserglaslösung, miteinander verbunden, so daß das Wellpapier 2 mit seinen "Wellentälern" an der flachen Papierlage 1 klebt, wodurch ein einseitiges Wellpapier 3 mit einer Breite von 100 bis 400 mm erhalten wird, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Gemäß Fig. 1 wird das einseitige Wellpapier 3 um eine Welle 4 gewunden, um eine zylin­ drische Form zu bilden, gebrannt, um die organischen Stoffe zu eliminieren, mit einer wäßrigen Lösung von Wasserglas imprägniert, getrocknet, in wäßriger Lösung von Aluminiumsulfat getränkt, mit Wasser gewaschen und getrocknet, um ein zylindrisches Rotations-Feuchtigkeits­ austauschelement zu erhalten, das hauptsächlich aus akti­ vem Silika-Aluminiumoxid (Aluminiumsilikat)-Aerogel, ver­ stärkt mit der Matrix des wärmebeständigen Faserpapiers, besteht. Ein Beispiel der chemischen Zusammensetzung des Elementes ist: SiO₂ 85%, Al₂O₃ 13%, Fe₂O₃ 0,05%, CaO 1,5%, MgO 0,01%, Na₂O 0,1% und K₂O 0,01%. In den Zeichnungen stellt das Bezugszeichen 5 einen klei­ nen Kanal dar.

Fig. 2 zeigt ein Feuchtigkeitsaustauschelement vom Parallelströmungstyp, das durch schichtweises Zusam­ menlaminieren von rechteckigen Wellpapierstücken 2 und von rechteckigen flachen Lagen 1 bzw. schichtweises Zusammenlaminieren von rechteckigen, einseitigen Well­ papierstücken 3 gebildet ist.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel des Feuchtigkeitsaustauschele­ mentes, das durch Imprägnierung beider Kanten 6, 6 des Elementes gemäß Fig. 1, wo kleine Kanäle 5 sichtbar sind, mit Verstärkungsmittel, beispielsweise einem flüs­ sigen synthetischen Harz (z. B. Epoxyharz), Silikasol oder Aluminiumoxidsol, bis zu einer Tiefe von ungefähr 1 bis 5 mm verstärkt ist.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines Feuchtigkeitsaustausch­ elementes, das durch Imprägnierung beider Stirnseiten­ kanten 6, 6 des Elementes gemäß Fig. 2, wo kleine Kanäle 5 sichtbar sind, mit einem Verstärkungsmittel, wie flüs­ sigem synthetischen Harz, Silikasol oder Aluminiumoxid­ sol, bis zu einer Tiefe von ungefähr 1 bis 5 mm verstärkt ist.

Wie oben beschrieben wurde, weist das erfindungsgemäße Feuchtigkeitsaustauschelement eine Matrix in der Form des Austauschelementes und einen adsorbierenden Stoff auf, der an die Matrix gebunden ist und Hauptbestandteil ist, wobei die Matrix aus Papier aus wärmebeständiger Faser besteht, die ausgewählt ist aus der Gruppe Keramikfaser, Glasfaser, Schlackenfaser, Karbonfaser und Mischungen von diesen, wobei das Papier ein sehr poröses Papier ist mit einer (Roh-)Dichte von nicht mehr als 0,5 g/cm³ (im Fall einer Papierdicke von 0,2 mm nicht mehr als 100 g/m²), das in einer Wabenstruktur ausgebildet ist, und wobei der adsorbierende Stoff aktives Silika-Aluminium­ oxid-Aerogel ist, das aus 97 bis 85% synthetischem SiO₂ und 3 bis 15% Al₂O₃ besteht und synthetisiert und gleichzeitig an die Matrix gebunden und mit dieser kom­ biniert ist. Das bekannte Element, das organische Fasern benutzt und sich bei Hitze oder Feuchtigkeit stark aus­ dehnt und zusammenzieht, weist keine Wärmebeständigkeit auf, verschlechtert sich sofort, wenn die desorbierende Luft eine Temperatur von mehr als 100°C aufweist und hält keinen Langzeitgebrauch aus. Das erfindungsgemäße Element besitzt eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit, und es gibt keine Verschlechterungsmöglichkeit, wenn das Element einer Temperatur von nicht weniger als 100°C über eine lange Zeit ausgesetzt wird. Das Element hat einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten, und es gibt keine Möglich­ keit, eine Umweltverschmutzung dadurch hervorzurufen, daß Fasern zusammen mit dem durch die kleinen Kanäle hin­ durchströmenden Gas verstreut werden, wie es bei Asbest­ fasern der Fall ist. Das erfindungsgemäße Element unter­ scheidet sich von dem bekannten Element, das mit einer zerfließlichen absorbierenden Lösung, beispielsweise eine wäßrige Lösung von Lithiumchlorid, imprägniert ist und das nicht für hochfeuchte Zuführungsluft mit einer rela­ tiven Feuchtigkeit von mehr als 75% eingesetzt werden kann, da die Möglichkeit besteht, daß der wasserabsorbie­ rende Stoff zu einer wäßrigen Absorptionsmittellösung wird und ein Übertragen verursacht wird.

Das erfindungsgemäße Element weist insofern ausgezeich­ nete Eigenschaften auf, als ein hinreichendes Volumen des Adsorbenten für eine lange Zeitdauer in den Faserzwi­ schenräumen oder auf den Faserbögen fest zurückgehalten wird, um seine Form beizubehalten, und als Wassermoleküle von den unzähligen kleinen Kanälen mit einem Durchmesser von etwa 15 Å stark adsorbiert werden, und als Was­ sermoleküle durch Erhitzen leicht entfernt werden können.

Wenn das Element durch Schichten von einseitigen Well­ papieren gebildet ist, deren Papierdicke im Bereich von 0,18 bis 0,25 mm liegt, deren Wellenlänge 2,5 bis 4,2 mm und deren Wellenhöhe 1,5 bis 2,3 mm ausmacht, beläuft sich die entstandene wirksame Oberfläche des gebildeten Elementes auf 2000 bis 4000 m²/m³. Wird feuchtes Gas, beispielsweise Luft, durch die vielen kleinen Kanäle 5 des erfindungsgemäßen Feuchtigkeitsaustauschelementes geschickt, kontaktiert das Gas ausreichend den adsorbie­ renden Stoff, der die Wände der kleinen Kanäle ausmacht und in den Faserzwischenräumen des wärmebeständigen Faserpapiers gebunden ist, und die Feuchtigkeit in dem Gas wird von der großen wirksamen Oberfläche des adsor­ bierenden Stoffes adsorbiert. Wenn die Strömungsgeschwin­ digkeit im Bereich von 0,5 bis 5 m/s vor dem Element liegt, ist der Druckverlust klein und entfeuchtete Luft oder andere Gase können sicher mit sehr geringen Be­ triebskosten erhalten werden.

Fig. 6 zeigt einen zusammengebauten Entfeuchter, bei dem ein zylindrisches Feuchtigkeitsaustauschelement 7, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, verwendet wird. Das Feuchtig­ keitsaustauschelement 7 wird in einem Gehäuse 8 rotierbar gehalten, das durch eine Trennwand 9 in einen Prozeßbe­ reich (Entfeuchtung) 10 und in einen Regenerationsbereich 11 unterteilt ist. Das Element 7 wird durch einen Getrie­ bemotor 12 und einen Antriebsriemen 13 gedreht, und hoch­ feuchte Zuführungsluft 14 wird in den Prozeßbereich 10 geführt, und heiße, weniger feuchte, desorbierende Luft 15 wird in den Regenerationsbereich 11 geführt, wobei die Zuführungsluft 14 entfeuchtet wird, so daß trockene Luft 16 erhalten wird. In der Zeichnung ist 17 eine Riemen­ scheibe, 18 eine Spannrolle, 19 eine Gummidichtung und 20 ein Heizgerät für die desorbierende Luft.

Fig. 7 zeigt die Entfeuchtungsfähigkeit eines Entfeuch­ ters, der, wie in Fig. 6 gezeigt ist, konstruiert ist unter Verwendung der Elemente, die, wie oben erwähnt mit wärmebeständigem Faserpapier mit einer Dicke von 0,22 mm erhalten wurden, wobei der Durchmesser des Elementes 320 mm beträgt, die Dicke, d. h. die Länge der kleinen Kanäle, 200 mm beträgt und die Wellenlänge und die Wellenhöhe des Wellpapiers 2 sowie die Bestandteile des aktiven Silika- Aluminiumoxid Adsorbens die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Werte haben:

Die Arbeitsbedingungen sind folgende: Die Strömungsge­ schwindigkeiten der Zuführungsluft 14 und der desorbie­ renden Luft 15 vor dem Element 7 betragen 2,0 m/s, das Verhältnis des Volumens pro Zeiteinheit von desorbieren­ der Luft 15 zu Zuführungsluft 14, die in den Entfeuchter hineingeführt werden, beträgt 1 : 3, die Drehzahl des Elementes beträgt 18 h^-1, die Temperatur der Zufüh­ rungsluft 14 beträgt bei Eintritt in das Element 25°C, die absolute Feuchtigkeit der Zuführungsluft 14 beträgt 4 bis 19 g/kg′, die Temperatur der desorbierenden Luft 15 beträgt beim Eintritt in das Element 140°C, und die abso­ lute Feuchtigkeit der desorbierenden Luft 15 hat beim Eintritt in das Element 7 den gleichen Wert wie die abso­ lute Feuchtigkeit der Zuführungsluft 14 beim Eintritt in das Element 7. In der Zeichnung zeigt die Abszisse die absolute Feuchtigkeit der Zuführungsluft 14 beim Eintritt in g/kg′ und die Ordinate zeigt die Menge der adsorbier­ ten Feuchtigkeit Δx in g/kg′, d. h. die Entfeuchtungsfähig­ keit des Elementes. Daraus geht hervor, daß eine ausrei­ chende Entfeuchtungsfähigkeit bei einem Entfeuchter er­ halten werden kann, wenn die Wellenlänge nicht mehr als 4,2 mm und die Wellenhöhe nicht mehr als 2,3 beträgt.

Fig. 8 zeigt den Druckverlust ΔP in mm Wassersäule, wenn die Strömungsgeschwindigkeiten der Zuführungsluft 14 und der desorbierenden Luft 15 vor dem Element 7 0,5 bis 3 m/s betragen und die anderen Arbeitsbedingungen die gleichen sind wie die oben erwähnten. In der Zeichnung zeigt die Abszisse die Strömungsgeschwindigkeiten in m/s der Zuführungsluft 14 und der desorbierenden Luft 15 beim Eintritt in das Element 7 und die Ordinate den Druck­ verlust ΔP in mm Wassersäule. Es ist ersichtlich, daß der Druckverlust steigt und die Leistungskosten bzw. (Strom-)Verbrauchskosten für den Betrieb des Entfeuchters stark anwachsen, wenn die Wellenlänge weniger als 2,5 mm, z. B. 2,0 mm, und die Wellenhöhe weniger als 1,5 mm, z. B. 1,3 mm, betragen. Wenn die Zusammensetzung des adsorbie­ renden Stoffes aus aktivem Silika-Aluminiumoxid-Aerogel 97 bis 85% SiO₂ und 3 bis ca. 15% Al₂O₃ ist, die Wellenlängen des einseitigen Wellpapiers 2,5 bis 4,2 mm und die Wellenhöhe 1,5 bis 2,3 mm betragen, weist der Entfeuchter daher eine gute Entfeuchtungsfähigkeit auf und kann ökonomisch betrieben werden. Es ist besonders gut, wenn die Wellenlänge etwa 3,5 mm und die Wellenhöhe etwa 1,9 mm betragen.

Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, bewirken die Im­ prägnierung der Kantenflächen des Feuchtigkeitsaustausch­ elementes 7, in dem kleine Kanäle 5 sichtbar sind, mit einem Verstärkungsmittel, beispielsweise einem flüssigen synthetischen Harz, Silikasol oder Aluminiumoxidsol, und Trocknen oder Aushärten des Verstärkungsmittels eine Ver­ stärkung der Kantenflächen und ermöglicht einen Gebrauch des Elementes 7 für lange Zeit.

Fig. 9 zeigt die Porengrößenverteilung dV/dD in cm³/gÅ (die untere Kurve) und das akkumulierte Porenvolumen ΣV in cm³/g (die obere Kurve) eines Materialstücks aus Keramikfaser (Silika-Aluminiumoxid, Faserdurchmesser 3 bis 15 µm mit daran haftendem aktivem Silika-Aluminium­ oxid-Aerogel (Silika 90% und Aluminiumoxid 10%, wirksame Oberfläche, ermittelt nach der in BET-Methode: 453 m²/g). Die Abszisse zeigt den Porendurchmesser.

Fig. 10 zeigt die Adsorptionsisotherme, d. h. das Ver­ hältnis zwischen Partialdruck von Stickstoffgas in atm (Abszisse) und dem Volumen von Stickstoffgas in cm³/g (Ordinate), das an dem Material mit Aerogel, wie oben erwähnt, bei Raumtemperatur adsorbiert wird.

Claims (6)

1. Feuchtigkeitsaustauschelement, aufweisend eine Matrix, die einen Block aufweist, der durch Laminieren von gewellten Flachmaterialstücken (2) gebildet ist, deren Hauptbestandteil anorganische Keramikfasern, Glasfasern, Schlackenfasern, Karbonfasern oder eine Mischung bzw. Mischungen aus diesen ist (sind), wobei die Dicke des Flachmaterials im Bereich von 0,18 bis 0,25 mm liegt, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wellenlänge des gewellten Flachmaterialstücks (2) im Bereich von 2,5 bis 4,2 mm liegt und die Wellenhöhe des gewellten Flachmaterialstücks (2) im Bereich von 1,5 bis 2,3 mm liegt,
und das aktive Silika-Aluminiumoxid-Aerogel, das an Ort und Stelle synthetisiert an den gewellten Flachmaterialstücken (2) und den Zwischenräumen zwischen den Fasern der gewellten Flachmaterialstücke (2) haftet, eine Zusammensetzung des von 97 bis 85% Siliciumoxid und 3 bis 15% Aluminiumoxid aufweist.

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Block zylindrisch ist.

3. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Block quaderförmig ist.

4. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (6) des Elements (7) durch ein anorganisches Verstärkungsmittel verstärkt sind.

5. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Block aus mindestens einem Wellelement (3) gebildet ist, das eine Flachmateriallage (1) und eine damit verbundene, gewellte Flachmateriallage (2) aufweist.

6. Verwendung des Feuchtigkeitswärmeaustauschelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche für einen Rotations-Regenerativ- Wärmeaustauscher.