СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГО ПЕРЕНОСА ТЕПЛА И ВЛАГИ МЕЖДУ, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, ДВУМЯ РАЗНЫМИ ГАЗОВЫМИ ПОТОКАМИ
METHOD AND DEVICE FOR CONCURRENT TRANSFER OF HEAT AND MOISTURE BETWEEN AT LEAST TWO DIFFERENT GAS STREAMS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу и устройству для одновременного переноса тепла и влаги между, по меньшей мере, двумя разными газовыми потоками, причем газовые потоки сообщены между собой, по меньшей мере, одной текстильной обменной поверхностью.
Уровень техники
Оба газовых потока, как правило, выполнены по-разному в том отношении, что они имеют разные температуры и/или разную влагоемкость. Например, в родовом уровне техники по DE 102009000617 А1 речь идет об устройстве для удаления влаги, нагрева и/или охлаждения текучей среды, оснащенном текстильным полотном в качестве обменной поверхности, вдоль которого течет поток жидкости. Кроме того, к текстильному полотну подается поток газа. Выше по потоку перед обменной поверхностью предусмотрено распределительное устройство для жидкости. С помощью жидкости нагружается обменная поверхность. Таким образом, в частности, в выполненном в качестве абсорбера устройстве достигается удаление влаги из газа поглощающей ее жидкостью.
В действительности удаление влаги из воздуха происходит на основе гигроскопического водно-солевого раствора, который приводится в контакт с подводимым воздухом. В этой связи абсорбер предоставляет в распоряжение максимально большую удельную обменную поверхность, чтобы обеспечить эффективный массо- и теплоперенос между воздухом и водно-солевым раствором. Известный способ, возможно, и зарекомендовал себя для удаления влаги из воздуха, однако предполагает применение и подачу водно-солевого раствора.
Помимо этого, в DE 19752709 А1 описан преобразователь отходящих газов, который должен уменьшить потери отходящих газов в традиционных топочных установках. Здесь речь идет, в целом, о получении из горячих и влажных отходящих газов котла с рекуперацией тепла теплых и сухих отходящих газов дымовой трубы, чтобы, в частности, предотвратить конденсацию в дымовой трубе. Для этого первоначальные газообразные продукты сгорания или отходящие газы котла после максимальной отдачи их теплосодержания за счет теплообмена с окружающим или свежим воздухом еще больше охлаждаются в воздушно-конденсационном охладителе и за счет этого обезвоживаются. Затем часть этого подогретого воздуха смешивается в качестве внешнего воздуха с так называемыми отходящими газами дымовой трубы, причем, в целом, должна быть исключена конденсация воды внутри дымовой трубы. Однако связанные с этим конструктивные затраты, в том числе, за счет дополнительного конденсационного охладителя велики, так что соответствующие установки не смогли до сих пор зарекомендовать себя на практике.
Раскрытие изобретения
В основе изобретения лежит задача усовершенствования способа одновременного переноса тепла и влаги между, по меньшей мере, двумя разными газовыми потоками и дополнительного устройства так, чтобы можно было достичь максимально эффективного тепло- и влагопереноса при одновременно конструктивном и простом выполнении.
Для решения этой задачи способ одновременного переноса тепла и влаги между, по меньшей мере, двумя разными газовыми потоками в рамках изобретения отличается тем, что, помимо протекающего и следующей температурному градиенту между обоими разными газовыми потоками теплопереноса, дополнительно происходит еще влагоперенос, причем содержащаяся в одном газовом потоке влага, следуя градиенту влажности или концентрационному градиенту влажности, переносится на другой газовый поток, и для этого текстильная обменная поверхность имеет поверхностную основу, которая покрывается водосвязывающим наполнителем.
Следовательно, в рамках изобретения происходит одновременный тепло- и влагоперенос между обоими разными газовыми потоками. При этом газовые потоки могут происходить, в принципе, от любого технического устройства или вести к нему. Решающим фактором является то, что оба газовых потока, как правило, обладают разными температурами и разной влагоемкостью. За счет этого между обоими газовыми потоками имеют место упомянутый выше температурный градиент и градиент влажности. Оба градиента обеспечивают нужный перенос тепла и влаги.
При этом изобретение дополнительно исходит из того, что собственную влажность одного газового потока, т.е. так и так имеющуюся в данном газовом потоке влагоемкость, можно предпочтительно использовать, чтобы увлажнить другой (обычно сухой) газовый поток. Т.е. в рамках изобретения не происходит никакого дополнительного теплоподвода или теплоотвода, а происходит лишь влагообмен между обоими газовыми потоками, а именно, следуя градиенту влажности.
Находящаяся между обоими газовыми потоками текстильная обменная поверхность выполнена для этой цели в виде поверхностной основы, которая покрывается водосвязывающим наполнителем. Водосвязывающий наполнитель поглощает влагу одного газового потока и отдает ее за счет проницаемого характера текстильной обменной поверхности другому газовому потоку в соответствии с градиентом влажности. При этом на основе расчета водосвязывающего наполнителя можно, в принципе, управлять скоростью диффузии влаги через реализованную таким образом мембрану.
В действительности в этой связи зарекомендовало себя, если поверхностная основа выполнена в виде текстильного поверхностного образования из фетра и/или волокнистого холста и/или ткани и/или трикотажа. При этом покрытие поверхностной основы водосвязывающим наполнителем происходит, как правило, таким образом, что наполнитель наносится на основу в виде суспензии и, в частности, водной суспензии. Здесь особенно зарекомендовало себя, если поверхностная основа пропускается через погружную ванну и покрывается наполнителем. В случае погружной ванны речь идет, следовательно, об упомянутой водной суспензии, т.е. смеси из воды и мелко распределенного в ней наполнителя, который, таким образом, по желанию покрывает текстильное поверхностное образование.
Сам наполнитель состоит, как правило, из гигроскопичного наполнительного материала и связующего. С помощью гигроскопичного наполнительного материала влага в одном газовом потоке связывается и может соответственно отдаваться другому, более сухому по сравнению с ним газовому потоку. В этой связи связующее заботится о том, чтобы наполнительный материал сцеплялся с поверхностной основой и одновременно открывал возможность приведения полученной таким образом и покрытой водосвязывающим наполнителем поверхностной основы практически в любую, также трехмерную, форму.
Для этой цели в качестве связующих обычно применяются адгезивы на полимерной основе, такие как акрилаты или другие полимерные адгезивы. В сочетании с применяемыми наполнительными материалами это связующее, вообще, заботится о том, чтобы покрытую наполнителем основу можно было, в принципе, привести в любую форму. Возможно также трехмерное формование покрытого наполнителем поверхностной основы. При этом обращение к полимерным адгезивам, таким как акрилаты, открывает дополнительную опцию, а именно возможность применения известных способов формования полимеров, например глубокой вытяжки.
В случае гигроскопичных наполнительных материалов существуют разнообразные возможности их выбора. Так, в качестве наполнительных материалов могут применяться неорганические минеральные вещества, такие как алюмосиликаты или же каркасные силикаты. В этой связи, согласно изобретению, рекомендуется применение, например, пемзы, бентонита, цеолита и т.д. В качестве альтернативы или дополнительно, согласно изобретению, рекомендуется применение гигроскопичных наполнительных материалов, а также неорганических солей, например хлорида лития, карбоната натрия и т.д. Дополнительно или в качестве альтернативы, согласно изобретению, рекомендуется также применение органических абсорберов или сопоставимых гигроскопичных материалов, например так называемых суперабсорберов, т.е. полимеров, которые при поглощении жидкостей разбухают, образуя гидрогель. Здесь применяются преимущественно сополимеры из акриловой кислоты и акрилата натрия, например полианилин.
В любом случае применяемый гигроскопичный наполнительный материал или водоаккумулирующий и водоотдающий наполнительный материал в сочетании способен поглощать лишнюю влагу одного газового потока и отдавать другому, более сухому п сравнению с ним газовому потоку. Об этом заботится выполненная, в целом, пористой текстильная обменная поверхность, посредством которой между собой сообщаются оба разных газовых потока.
Чтобы наполнитель в сочетании со связующим можно было безупречно нанести в виде водной суспензии на поверхностную основу для ее покрытия, наполнитель, обычно в виде гранул или порошка, смешивается с водой в упомянутую суспензию или водную суспензию. Здесь особенно оптимальными оказались гранулы диаметром максимум около 500 мкм или соответствующие порошки тониной 100 мкм и менее. Кроме того, к выполненному таким образом наполнителю могут быть добавлены аддитивы, которые также в виде гранул или порошка добавляются с учетом указанной выше зернистости. Упомянутые аддитивы могут представлять собой поверхностно-активные вещества для снижения поверхностного натяжения воды и, следовательно, улучшения смачивания основы, пигменты, например для окрашивания, а также антибактериальные добавки. В случае антибактериальных добавок особенно оптимальными оказались биоциды или соединения серебра, которые эффективно предотвращают возможный бактериальный рост на текстильной обменной поверхности.
2
2
2
Покрытая наполнителем текстильная основа имеет обычно плотность 20-400 г/м. Предпочтительна плотность 50-150 г/м и особенно предпочтительна 50-90 г/м. Следовательно, покрытую наполнителем текстильную основу и реализованную таким образом мембрану можно нетрудно встроить, например, в теплообменник или скомбинировать с ним. В действительности зарекомендовало себя, если газовый поток является, с одной стороны, потоком отходящих газов, например источника тепла и, в частности, домашнего источника тепла, а, с другой стороны, - потоком приточного воздуха для обогрева помещений. В случае источника тепла и, в частности, домашнего источника тепла речь идет предпочтительно о так называемом терме или системе отопления, которая используется для этажного отопления жилых единиц. Как правило, такой терм работает на газе или природном газе. Часто такие термы имеются в распоряжении в виде комбинированных терм, которые, в первую очередь, дают горячую воду по проточному принципу и дополнительно могут эксплуатироваться в режиме отопления.
В любом случае такие термы обычно отличаются тем, что вырабатываемый ими поток отходящих газов имеет относительно высокую влагоемкость, которая, в том числе, соответствует тому, что точка росы водяного пара в дымовых газах при сжигании природного газа составляет лишь около 60°С. Это объясняется, в принципе, тем, что при сжигании содержащегося в природном газе метана возникает большое количество водяного пара за счет окисления атомов водорода метана. Эта высокая влагоемкость почти 100% относительной влажности нередко приводит к уже описанному также в рамках уровня техники по DE 19752709 А1 сажеобразованию в дымовых трубах и каминах. На практике этому стремятся противостоять за счет дополнительно включенных дымовых труб, например из полипропилена или высококачественной стали.
Согласно изобретению, влажные отходящие газы такого источника тепла и в большинстве случаев домашнего источника тепла и, в частности, термы используются для того, чтобы увлажнить приточный воздух для обогрева помещений. В действительности, приточный воздух в большинстве случаев сухой, во всяком случае, не обладает необходимой для общего хорошего самочувствия человека относительной влажностью 40-60%. Чтобы увлажнить этот сухой приточный воздух, в предложенном способе используется специальная мембрана, которая заботится об удалении влаги из влажного потока отходящих газов терма и одновременного увлажнения сухого приточного воздуха.
Таким образом, имеющаяся в потоке отходящих газов, присущая им влажность, а именно первично вызванная сжиганием природного газа или метана, используется предпочтительно для увлажнения приточного воздуха. Это можно использовать, разумеется, как в технических процессах, так и для кондиционирования жилых помещений.
Кроме того, в изобретении использован тот факт, что в случае имеющейся в потоке отходящих газов терма воды речь идет об обессоленной воде, т.е. такой воде, которая схожа с дистиллированной водой. Это объясняется тем, что вода происходит от уже описанного процесса окисления природного газа или метана и, следовательно, в результате процесса не содержит или практически не содержит никаких солей. Т.е., могут отпасть сложные мероприятия по подготовке для обессоливания, например, воды в ходе увлажнения приточного воздуха. Благодаря этому становится ненужным обязательное иначе полное обессоливание обычно используемой для увлажнения воздуха водопроводной воды.
К тому же между обоими газовыми потоками происходит влаго- и теплоперенос, а именно при одновременно полном отделении обоих газовых потоков или приточного воздуха от вытяжного воздуха. Это полное отделение объясняется тем, что используемая и покрытая водосвязывающим наполнителем основа непроницаема для компонентов отходящих газов или может быть соответственно настроена. Лишь описанная и содержащаяся в отходящих газах конденсатная влага способна диффундировать через реализованную таким образом мембрану или текстильную обменную поверхность.
В целом, наблюдаются заметное повышение эффективности и существенное сокращение производственных расходов. Уменьшается также расход материала, поскольку, как правило, может отпасть дополнительное использование труб в дымовых трубах, как в уровне техники. С помощью дополнительных вентиляторов, например приточного вентилятора и/или вытяжного вентилятора или вентилятора отходящих газов, можно, при необходимости, повысить скорости течения отдельных газовых потоков и эффективность.
За счет использования соответственно выполненной текстильной обменной поверхности или поверхностной основы, покрытой водосвязывающим наполнителем, наблюдается повышенная долговременная стабильность, поскольку для обоих газовых потоков в описанном примере терма или газового терма наблюдаются температуры выше примерно 130°С, которые соответствующие материалы без проблем выдерживают. Это относится, в частности, к случаю, когда поверхностная основа изготавливается, например, из полиэфирных нитей. В любом случае текстильная обменная поверхность обычно обеспечивает то, что влажный газовый поток или поток отходящих газов в зоне текстильной обменной поверхности не достигает точки росы. Это объясняется одновременным теплопереносом.
Таким образом, конденсат в одном газовом потоке или потоке отходящих газов осаждается на текстильной обменной поверхности и поглощается водосвязывающим наполнителем. Поскольку реализованная таким образом мембрана, в целом, выполнена проницаемой, осажденная влага может диффундировать через текстильную обменную поверхность к противоположной стороне, попадая там в более сухой по сравнению с ней другой газовый поток или, например, поток приточного воздуха.
Поверхностная основа покрывается водосвязывающим наполнителем одно- или многократно. Это позволяет варьировать толщину слоя. Таким образом, согласно изобретению, возникает возможность варьирования пористости такой мембраны. Благодаря этому можно установить скорости прохождения влаги для данной мембраны, как и скорости проникновения газа. В этом следует усматривать основные преимущества изобретения.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно поясняется со ссылкой на чертежи, на котором изображен лишь один пример его осуществления. На чертежах представляют:
- фиг. 1: предложенное устройство в общем виде;
- фиг. 2: теплообменник, включая реализованную, согласно изобретению, мембрану при виде сверху по стрелке X из фиг. 1.
Осуществление изобретения
На чертежах изображено устройство для одновременного переноса тепла и влаги между, по меньшей мере, двумя разными газовыми потоками 1, 2. Оба газовых потока 1, 2 представляют собой, с одной стороны, поток 1 приточного воздуха, а, с другой стороны, - поток 2 отходящего воздуха. В примере на фиг. 1 к потоку 1 приточного воздуха дополнительно подмешивается поток 3 циркуляционного воздуха, что, однако, не является обязательным и считается лишь примером. С помощью потока 1 приточного воздуха и, при необходимости, потока 3 циркуляционного воздуха, по меньшей мере, частично обогревается лишь схематично обозначенное жилое помещение 4.
В действительности для отопления или подготовки горячей воды дополнительно предусмотрен еще так называемый терм или конденсационный котел 5. В данном примере терм или конденсационный котел 5 представляет собой так называемый газовый терм, т.е. такой, который работает на природном газе. При сжигании природного газа окисляется, главным образом, метан, так что покидающий терм 5 поток 2 отходящих газов имеет высокую влагоемкость.
В данном примере и на фиг. 2 видно, что поток 2 отходящих газов и поток 1 приточного воздуха направляются перпендикулярно друг другу. В действительности здесь может использоваться теплообменник 9, который на фиг. 2 обозначен лишь схематично и располагает отдельными, показанными вертикально в разрезе каналами для потока 2 отходящих газов, между которыми в плоскости фиг. 2 пропускается поток 1 приточного воздуха, чтобы, таким образом, перенести на поток 1 приточного воздуха содержащееся в потоке 2 отходящих газов тепло.
Лишь схематично обозначенные вентиляторы 6, 7, а именно, с одной стороны, приточный вентилятор 6, а, с другой стороны, вытяжной вентилятор 7, заботятся о том, чтобы можно было наблюдать требуемые скорости течения потока 1 приточного воздуха, с одной стороны, и потока 2 отходящих газов, с другой стороны. Оба вентилятора 6, 7, разумеется, излишни.
Особое значение имеет то обстоятельство, что оба газовых потока 1, 2 сообщены между собой текстильной обменной поверхностью 8. Текстильная обменная поверхность 8 может представлять собой в данном примере часть стенки соответствующего канала для потока 2 отходящих газов. Вместо терма 5 могут использоваться, разумеется, также иные системы отопления, ТЭЦ, дровяные печи, газогенераторные печи, мазутные горелки, газовые горелки и т.д. Кроме того, описанная установка не ограничена, разумеется, применением для обогрева жилых помещений, а может использоваться, разумеется, также в сочетании с промышленными установками.
Видно, что текстильная обменная поверхность 8 выполнена в виде мембранной поверхности 8 воздухо-воздушного теплообменника 9. В действительности воздухо-воздушный теплообменник 9 заботится в данном примере о том, чтобы от потока 2 отходящих газов на поток 1 приточного воздуха происходил тепло- и влагоперенос. Это происходит одновременно, а именно следуя соответственно температурному градиенту и градиенту влажности.
Текстильная обменная поверхность или мембрана 8 выполнена, согласно изобретению, так, что здесь используется поверхностная основа, например, из волокнистого холста. Волокнистый холст может быть изготовлен путем пневмосоединения и, при необходимости, взаимной фиксации полиэфирных нитей. Затем волокнистый холст покрывается водосвязывающим наполнителем.
Для этой цели волокнистый холст или соответствующее удлиненное нетканое полотно направляется через погружную ванну. Погружная ванна представляет собой водную суспензию наполнителя. Т.е., наполнитель находится в воде в виде взвешенных частиц и наносится, таким образом, на волокнистый холст погружением. Сам наполнитель состоит, в основном, из одного или нескольких наполнительных материалов и связующего. Для погружной ванны рассматривается, например, состав из 30-50 мас. % воды и 30-50 мас. % наполнителя. Дополнительно может быть добавлено еще 10-20 мас. % связующего.
Наполнитель, связующее и, при необходимости, дополнительные аддитивы имеют вид гранул или порошка, чтобы удалось описанное покрытие погружением. В действительности здесь особенно хорошо зарекомендовали себя гранулы диаметром не более 500 мкм или порошки тониной менее 100 мкм. Таким образом, в процессе погружения наполнитель в виде покрытия ложится как на верхнюю, так и на нижнюю сторону текстильного поверхностного образования или волокнистого холста. За счет этого можно задавать и выбирать толщину покрытия. Кроме того, разумеется, можно многократно покрывать поверхностную основу или волокнистый холст. Таким образом, можно варьировать скорости прохождения газа и влаги для мембраны 8 и приспосабливать их к данным условиям.
В действительности в рамках изобретения речь идет о том, что мембрана 8 является непроницаемой для газов, содержащихся в потоке 2 отходящих газов, или для отходящих газов, т.е. они не могут проникнуть в поток 1 приточного воздуха. В противоположность этому содержащейся в потоке 2 отходящих газов влаге удается диффундировать через мембрану 8 и, тем самым, увлажнить поток 1 приточного воздуха. Благодаря использованию полимерного связующего или адгезива в наполнителе, например акрилата, дополнительно существует возможность структурировать мембрану 8 также трехмерно, как это обозначено в увеличенном виде на фиг. 2. За счет этого, в целом, увеличивается поверхность мембраны 8, и, тем самым, можно оптимизировать влагоперенос. В действительности мембрана 8 имеет в данном примере в сечении зигзагообразный профиль. Кроме того, измерения показали, что мембрана 8 допускает отличия давлений между обоими газовыми потоками 1, 2 более чем в 2000 Па без возникновения выравнивания давлений. Благодаря этому отсутствует опасность того, что возможные отходящие газы из потока 2 будут перенесены и перейдут в поток 1 приточного воздуха. Напротив, мембрана 8 является проницаемой лишь для описанного влагопереноса.
Формование мембраны 8 может осуществляться посредством глубокой вытяжки или подобной техники формования пластиков. Для этого покрытая основа может нагреваться до температур, например, 140-240°С. При таких температурах связующее и основа деформируются.