DE69921323T2

DE69921323T2 - Mikrokomponentenvorrichtung zum effizienten kontaktieren eines fluids

Info

Publication number: DE69921323T2
Application number: DE69921323T
Authority: DE
Inventors: K. Monte DROST; S. Robert WEGENG; Michele Friedrich; T. William HANNA; J. Charles CALL; E. Dean KURATH
Original assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Current assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Priority date: 1998-06-10
Filing date: 1999-06-08
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2019-06-09
Also published as: NO20006213L; ATE279972T1; JP5118272B2; CA2334628A1; CA2334628C; EP1093398B1; NO20006213D0; KR20010052760A; US6126723A; EP1093398A2; WO1999064147A3; DE69921323D1; WO1999064147A2; BR9911090A; JP2002517307A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Mikrokomponenteneinheit zum effizienten Kontaktieren eines Fluids. Das Fluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein und eine Flüssigkeit, ein Gas oder einen Feststoff kontaktieren. Die Mikrokomponenteneinheit ist ein poröser Kontaktor in einem Gehäuse, das mindestens eine Mikrokammer zwischen dem porösen Kontaktor und dem Gehäuse bildet. Die Mikrokomponenteneinheit ist bei chemischen Trennungen nützlich, insbesondere bei Trennungen, die eine Grenzflächendiffusion umfassen.
Definitionen
Eine Grenzflächendiffusion ist hier ein Massetransfer über eine Phasengrenzfläche und umfasst eine Sorption, die eine Absorption, eine Adsorption, eine Desorption umfasst; eine Flüssigkeit-Flüssigkeit-Extraktion; eine Destillation und Kombinationen davon. Die Sorption ist ferner für thermische Sorptionsmaschinen geeignet.
Eine thermische Maschine ist hier als Vorrichtung definiert, die mittels eines Arbeitsfluids Wärme oder thermische Energie in Arbeit umwandelt oder die Arbeit in thermische Energie oder Wärme umwandelt.
Grenzflächenspannung ist hier so definiert, dass sie eine Oberflächenspannung, eine Grenzflächenspannung und die Festigkeit eines festen Materials umfasst. Im Allgemeinen betrifft der Begriff Oberflächenspannung eine Gas/Flüssigkeit-Grenzfläche, der Begriff Grenzflächenspannung eine Flüssigkeit/Flüssigkeit-Grenzfläche und der Ausdruck Festigkeit des Feststoffs Feststoff/Gas, Feststoff/Flüssigkeit, Feststoff/Feststoff oder Kombinationen davon.
Adsorption umfasst hier die Sorption eines gelösten Stoffs oder einer Arbeitsverbindung aus einem Gas oder einer Flüssigkeit in einen Feststoff.
Der Begriff "Grenzflächenschicht" bezieht sich hier auf die "Massetransport-Grenzflächenschicht" und diese ist im Allgemeinen kleiner als die entsprechenden Grenzflächenschichten für eine Fluidströmung und eine Wärmeübertragung. Außerhalb der Grenzflächenschicht ist der Konzentrationsgradient für den gelösten Stoff oder die Arbeitsverbindung, oder die Geschwindigkeit der Konzentrationsänderung als Funktion des Abstands von einer Grenzfläche verglichen mit dem Konzentrationsgradienten oder der Geschwindigkeit der Konzentrationsänderung innerhalb der Grenzschicht relativ klein und wirkt sowohl für Fluide als auch für Feststoffe.
Die Grenzflächendiffusion eines Materials innerhalb eines anderen ist für viele chemische Trennverfahren sowie für ausgewählte Energieumwandlungsprozesse von grundlegender Bedeutung. Sorptionsprozesse umfassen eine Absorption, eine Adsorption und eine Desorption. Die Sorption kann allein oder in einer Kombination mit anderen Grundoperationen eingesetzt werden, einschließlich unter anderem mit einem Wärmetausch, chemischen Reaktionen, Pumpen und Verdampfen bzw. Expandieren, um chemische Produkte, eine Raumklimatisierung, einschließlich eine Kühlung, eine Energieerzeugung oder Kombinationen davon bereitzustellen.
Chemische Trennungen
Chemische Trennungen sind industriell wichtige Verfahren für Anwendungen, wie z.B. einschließlich unter anderem die Entfernung von Verunreinigungen aus Produktmaterialien oder die Reinigung von Produktmaterialien, die Entfernung von Verunreinigungen aus Flüssigkeits- und Gasströmen und die Abtrennung von Materialien für ein Recycling oder für eine Verwendung als Nebenprodukte für einen Hauptproduktstrom. Herkömmliche Anlagen sind typischerweise sehr groß und weisen ein Volumen von mehreren zehn bis hunderten Kubikmetern auf, wodurch in großen chemischen Verarbeitungsanlagen die Anwendung von wirtschaftlichen Konstruktionsmaßstäben erforderlich ist, um kostengünstige chemische Trennungen durchzuführen.
Grenzflächendiffusionsprozesse
Viele der am gebräuchlichsten verwendeten Trennverfahren beruhen auf dem physikalischen Phänomen der Grenzflächendiffusion, einschließlich der Sorption (z.B. Adsorption, Absorption, Desorption), Destillation, Flüssigkeit-Flüssigkeit-Extraktion und Kombinationen davon.
Das Verfahren zur Gasabsorption umfasst den Kontakt eines Gases mit einer Flüssigkeit, wobei ein oder mehrere Bestandteile) des Gases innerhalb der Flüssigkeit absorbiert wird bzw. werden. Bei diesem Verfahren findet ein Phasenübergang statt und typischerweise wird eine beträchtliche Wärme abgegeben (d.h. die Absorptionswärme). Da die Löslichkeit der Flüssigkeit typischerweise umgekehrt proportional zu der Temperatur der Flüssigkeit ist, kann diese Wärme ein limitierender Faktor bei der Konstruktion von Gasabsorptionseinheiten sein, falls nicht Verfahren zur Entfernung der Absorptionswärme bei ihrer Erzeugung einbezogen werden.
Die Flüssigkeit-Flüssigkeit-Extraktion ist der Gasabsorption ähnlich, jedoch sind beide Medien Flüssigkeiten. Typischerweise ist eine Flüssigkeit ein erstes Lösungsmittel oder ein erstes Medium, das einen gelösten Stoff enthält, oder eine Arbeitsverbindung, bei der es sich um das zu übertragende oder zu extrahierende Material handelt, und die zweite Flüssigkeit oder das zweite Medium wird häufig als Lösungsmittel bezeichnet, das den gelösten Stoff oder die Arbeitsverbindung aufnimmt. Da kein Phasenübergang stattfindet, wird bei Flüssigkeit-Flüssigkeit-Extraktionsverfahren gewöhnlich nur sehr wenig Wärme erzeugt, falls nicht auch eine andere Grundoperation, wie z.B. eine chemische Reaktion stattfindet.
Eine Adsorption ist einer Gasabsorption in eine Flüssigkeit sehr ähnlich, jedoch wird das Gas dabei innerhalb eines festen Mediums sorbiert. Wie bei der Gasabsorption wird bei der Adsorption des Gases Wärme erzeugt und dies kann die Geschwindigkeit begrenzen, mit der das Gas adsorbiert wird, solange es nicht schnell von den Adsorptionsmedien entfernt wird. Die Adsorption umfasst ferner eine Flüssigkeitsadsorption in einem Feststoff wie z.B. bei einem Ionenaustauscherharz. Folglich umfasst der Begriff Fluidadsorption, wie er hier verwendet wird, sowohl eine Gasadsorption als auch eine Flüssigkeitsadsorption.
Eine Desorption wird allgemein so verstanden, dass es sich um die Entfernung eines Materials aus einem Flüssigkeitsstrom oder von einem festen Medium handelt, wobei dieses als Gas freigesetzt wird und es sich um das Gegenteil der Absorption oder Adsorption handelt. In dem Abfluss von einem Desorber können mehrere Verbindungen vorliegen. Wenn beispielsweise Ammoniak aus einem flüssigen Gemisch aus Wasser und Ammoniak desorbiert wird, liegen in dem gasförmigen Abfluss sowohl Wasser als auch Ammoniak vor. Die Desorption kann durch das Zuführen von Wärme oder eine Änderung des Partialdrucks der Arbeitsverbindung innerhalb des Fluids erreicht werden. Es sollte beachtet werden, dass eine Desorption hier die Prozesse umfasst, die gewöhnlich als Entwässerung, Abstrippen und Dehydratisieren bezeichnet werden.
Destillation ist die Trennung mischbarer Materialien auf der Basis der Differenzen von deren Siedepunkten. Eine Destillation wird typischerweise in mehreren Stufen durchgeführt, wobei die Dampfphase und die flüssige Phase im Gegenstrom strömen und der Nettoeffekt über mehrere oder viele Stufen ein wesentlicher Reinigungsgrad oder eine wesentliche Reinheit sein kann.
Alle diese Verfahren, die eine Grenzflächendiffusion umfassen, können auch chemische Reaktionen umfassen, wie z.B. bei einer Reaktivdestillation, oder sie können frei von chemischen Reaktionen sein.
Im Allgemeinen umfassen Grenzflächendiffusionsprozesse eine Phasengrenzfläche (Gas-Flüssigkeit, Flüssigkeit-Flüssigkeit, Gas-Feststoff oder Flüssigkeit-Feststoff) und den Transport der Arbeitsverbindung oder des gelösten Stoffs durch mindestens eine Fluidgrenzflächenschicht. Für diejenigen Grenzflächenprozesse, die keinen Feststoff umfassen, umfassen die mikroskopischen Schritte, die stattfinden müssen, a) den Transport der Arbeitsverbindungsmoleküle innerhalb des Fluidvolumens zu der Grenzflächenschicht, b) den Transport durch die Grenzflächenschicht zu der Phasengrenzfläche, c) den Transport der Arbeitsverbindungsmoleküle durch die Phasengrenzfläche (was gegebenenfalls einen Phasenübergang erfordert), d) den Transport der Arbeitsverbindungsmoleküle durch die Grenzflächenschicht des Lösungsmittels und e) den Transport der Arbeitsverbindungsmoleküle von der Fluidgrenzflächenschicht weg.
Grenzflächendiffusionsanlagen
Grenzflächendiffusionsprozesse für die Trennung von Massengutchemikalien wurden in der chemischen Verfahrensindustrie herkömmlich durch die Verwendung von Kolonnen durchgeführt, wobei sich zwei Fluide in entgegengesetzten Richtungen durch die Kolonne bewegen. Beispielsweise wird eine Flüssigkeit-Flüssigkeit-Extraktion zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten durchgeführt, wobei typischerweise das leichtere Fluid am Boden der Kolonne und das schwerere Fluid am Kopf der Kolonne eingeführt wird. In diesem Beispiel wird angenommen, dass das leichtere Fluid den gelösten Stoff, d.h. das zu extrahierende Material, enthält, und es wird angenommen, dass das schwerere Fluid ein geeignetes Lösungsmittel enthält. Im Allgemeinen ist für den Abfluss der Kolonne ein hohes Maß an Lösungsmittelbeladung erwünscht. Dabei verursacht die Schwerkraft die Fluidströmung und wenn die beiden Fluide miteinander in Kontakt kommen, wird der gelöste Stoff von dem Beschickungsstrom auf das Lösungsmittel übertragen.
Nachteile, die mit dem Anlagenbeispiel verbunden sind, umfassen die uneinheitlichen Fluidströmungseigenschaften der Kolonne und die signifikante Zeit, die erforderlich ist, um einen Massetransport und dann eine erneute Trennung (durch die Schwerkraft) der beiden Fluide zu ermöglichen. Aus diesen Gründen achten die Konstrukteure von Trennanlagen typischerweise besonders auf die ablaufenden phänomenologischen Prozesse im Betrieb, insbesondere einschließlich der Anwendung der Prinzipien des Massetransports. Beispielsweise fin det der Massetransport bei laminaren Strömungsbedingungen aufgrund einer Diffusion statt, wobei die Zeit für ein Molekül, um sich um einen Nettoabstand zu bewegen, zu dem Quadrat des Abstands direkt proportional und zu dessen Massediffusionsvermögen umgekehrt proportional ist. Entsprechend weist die Verweilzeit für eine vereinigte Menge eines Massetransports und einer Sorption die gleichen Proportionalitätsverhältnisse auf, und im Allgemeinen ist die Kapazität eines gegebenen Trennanlagenteils umgekehrt proportional zur Verweilzeit. Dabei versuchen die Konstrukteure, Geometrien und Strömungsbedingungen zu schaffen, die derart sind, dass kurze Verweilzeiten für die Anlage charakteristisch sind, was für ein gegebenes Anlagenvolumen hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten ermöglicht.
Die kurzen Verweilzeiten für eine herkömmliche Grenzflächendiffusionstrennanlage wurden häufig entweder durch Einbringen von Rühr- bzw. Bewegungsvorrichtungen oder Füllungen bzw. Füllkörper erhalten. Beispielsweise wird in Flüssigkeit-Flüssigkeit-Extraktionseinheiten häufig zusätzlich eine mechanische Mischvorrichtung einbezogen, um dünne Fluidströme und einen engen Kontakt der Fluidströme zu erzeugen, durch die der Massetransport schnell abläuft. Im Fall einer Gasabsorption, bei welcher der beschränkende Transportschritt häufig auf das viel geringere Diffusionsvermögen des flüssigen Lösungsmittels zurückzuführen ist, kann das Gas durch einen Sprühnebel der Lösungsmittelflüssigkeit durchgeleitet oder mit einem Fallfilm des Lösungsmittelfluids in Kontakt gebracht werden. Dies ermöglicht es, dass das Gas oder eine Komponente des Gases schneller sorbiert und innerhalb des Fluidfilms transportiert wird.
Konstruierte Füllungen bzw. Füllkörper werden entsprechend in Sorptionstrennanlagen verwendet, um die Massetransportzeiten zu vermindern. Beispielsweise werden innerhalb von Destillationskolonnen häufig strukturierte Füllungen bzw. Füllkörper aus einem Metallnetz oder einem Metallblech verwendet, um die Massetransporteffizienz zu erhöhen, und für verschiedene Arten von Füllungen bzw. Füllkörpern gibt es eine Anzahl von Konstruktionen. Konstruierte Füllungen bzw. Füllkörper wurden für Destillationseinheiten, Flüssigkeit-Flüssigkeit-Extraktionseinheiten und Gasabsorptionseinheiten gestaltet und auf diese angewandt. Neben der Verminderung der Fluidstromdicke verbessert die Füllung bzw. der Füllkörper auch die Einheitlichkeit der Fluidströmungsfelder, so dass die Verarbeitungsgeschwindigkeiten im gesamten Anlagensystem optimiert werden. Die Fluidstromdicke übersteigt jedoch im Allgemeinen die Grenzflächenschichtdicke, wodurch alle vorstehend beschriebenen Transportschritte beibehalten werden.
In den vergangenen Jahren hat der Entwicklungsfortschritt bei modernen Füllungen bzw. Füllkörpern signifikante Verbesserungen bei den Sorptionseinheitskapazitäten (der Ge schwindigkeit, mit der das Material verarbeitet wird) und -effizienzen (Produktreinheiten) erbracht. Beispielsweise beschreiben Humphrey und Keller („Separation Process Technology", McGraw-Hill, 1997) Membranphasenkontaktoren für die Absorption und zum Abstrippen. In diesen Einheiten sind Hohlfasermembranen enthalten, wobei ein Fluidstrom innerhalb des Hohlraums der Fasern strömt und ein anderer Fluidstrom auf der Außenseite der Fasern strömt. In diesen Fällen enthalten die Membranen statistische Mikroporen, die mit der flüssigen Phase gefüllt sind, und sind typischerweise aus Materialien wie z.B. Polypropylen hergestellt. Die Hauptwiderstände gegen einen Massetransport liegen bei diesen Einheiten innerhalb des Membranmaterials, wo der Diffusionsweg gekrümmt ist und zu einer Blockierung neigt, und außerhalb der Einheit vor, wo die Diffusionslängen signifikant größer sind als innerhalb der Hohlfasern.
Im Allgemeinen ist die Leistung der Grenzflächendiffusionseinheiten für chemische Trennungen hauptsächlich durch die Widerstände gegen einen Massetransport beschränkt. Ein „Totraum" und uneinheitliche Strömungsfelder zusammen mit langen Massetransportabständen führen bei Trennanlagen typischerweise dazu, dass sie Verweilzeiten von Minuten oder Stunden aufweisen, wodurch große Anlagen erforderlich sind, um eine signifikante Produktionskapazität bereitzustellen. Häufig sind aufgrund dieser inhärenten Beschränkungen wesentliche Investitionen erforderlich. Häufig kann eine Wirtschaftlichkeit nur durch die Anwendung eines wirtschaftlichen Maßstabs realisiert werden, was eine große Produktionskapazität erfordert, um das Einbeziehen von Trennanlagen zu rechtfertigen.
Bei einigen Vorgängen (z.B. bei der Absorption, der Desorption, der Adsorption, der Destillation, usw.) können auch Wärmetransportwiderstände die Leistung begrenzen. Wie es aus der fortlaufenden Entwicklung herkömmlicher Anlagen ersichtlich ist, gibt es einen allgemeinen Bedarf für einen effizienten Fluidkontakt, eine Verminderung der Wärme- und Massetransportwiderstände durch kurze Diffusionswege, einheitliche Fluidströmungsfelder, eine Blockierungsbeständigkeit und ein Vermögen zum innigen Zuführen oder Entnehmen von Wärme von den Sorptionsmedien.
Chemische Trennungen des Standes der Technik neigen dazu, wirtschaftlicher zu sein als zentrale Systeme und diese sind auf verteilten Systemen mit kleinerem Maßstab weniger wirtschaftlich.
Raumklimatisierungssteuerung
Chemische Prozesse oder Einheitsvorgänge werden ferner bei der Raumklimatisierung oder in Klimatisierungssteuerungsanlagen verwendet. Mikroklimatisierungssteuerungsanwendungen umfassen unter anderem von Personen tragbare Kühlungen und eine Klimatisierung verteilter Räume, wie z.B. 1) eine Fahrzeugraumklimatisierung, 2) eine verteilte Kühlung von Gebäuden, bei denen die Verwendung mehrere kleiner Wärmepumpen den Bedarf für Leitungssysteme ausschließen kann, die typischerweise 50 % der Kühlung verschwenden, die von einem zentralen Kühlungssystem erzeugt wird, 3) in der Luft transportierbare Raumklimatisierungsvorrichtungen mit geringem Gewicht, 4) unabhängige Kühlungen für Schiffe und 5) unabhängige Kühlungen für tragbare Behälter.
Bei von Personen tragbaren Kühlsituationen müssen Personen eine Schutzkleidung tragen, welche die Wärmeübertragung vom Körper signifikant vermindert. Beispiele umfassen Arbeiter, die gefährlichen Materialien wie z.B. Chemikalien, Rauch und/oder Radionukliden ausgesetzt sind, Polizei mit Körperschutz und Personen, die potenziell chemischen oder biologischen Mitteln ausgesetzt sind. Während Schutzanzüge einen Schutz gegen Gefahren bereitstellen, vermindern sie die Effektivität einer Person signifikant. Personen, die arbeitsintensive Aufgaben in einer heißen Umgebung durchführen, sind gegenüber einer Wärmebelastung empfindlich, insbesondere wenn sie Schutzkleidung tragen. Die Zeit, die mit der Durchführung wichtiger Aufgaben verbracht werden kann, bevor sie eine Hitzeschädigung erleiden, ist unter diesen Bedingungen begrenzt. Eine zusätzliche Kühlung ermöglicht die Durchführung von Aufgaben unter gefährlichen Bedingungen in einem heißen Klima mit erhöhter Effizienz und einer verminderten Wärmebelastung. Thermodynamisch ist ein Kühlzyklus die Umkehrung eines Leistungszyklus. Obwohl es theoretisch viele thermodynamische Zyklen gibt, die gewählt werden können, gibt es drei kommerziell wichtige thermodynamische Kühlzyklen, die in Gebrauch sind: (1) Eine Dampfkomprimierung, die das Einbringen einer großen mechanischen Arbeit (Elektrizität) erfordert und die typischerweise ein hohes Gewicht aufweist, da sowohl die Kühleinheit als auch der Motor (elektrisch) erforderlich ist; und zwei Subtypen wärmebetätigter Wärmepumpen, nämlich (2) die Absorption von und zu einer Flüssigkeit und (3) die Adsorption von und zu einem Feststoff. Es ist natürlich klar, dass ein thermodynamischer Zyklus umgekehrt betrieben werden kann, um thermische Energie in Antriebsenergie umzuwandeln.
Dampfkomprimierungszyklus
Ein Dampfkomprimierungszyklus nutzt einen mechanischen Kompressor zum Komprimieren eines Arbeitsfluids in einer Dampfphase. Der mechanische Kompressor kann mit einem Elektromotor angetrieben werden. Wenn das Arbeitsfluid komprimiert wird, nimmt dessen Temperatur zu. Das komprimierte Arbeitsfluid wird in einem Wärmetauscher kondensiert und gibt Wärme an die Umgebung ab und vermindert die Temperatur des Arbeitsfluids. Das abgekühlte Arbeitsfluid wird durch einen Verdampfer dekomprimiert, bei dem es sich um ein Expansionsventil oder eine Öffnung handelt, die dessen Temperatur unter die Temperatur des zu kühlenden Raums vermindert. Das dekomprimierte abgekühlte Arbeitsfluid wird durch Aufnahme von Wärme von dem zu kühlenden Raum wieder in die Dampfphase überführt und kehrt zu dem mechanischen Kompressor zurück.
Obwohl gegenwärtige Dampfkomprimierungskühlsysteme in Schutzkleidung und verteilte Räume zum Kühlen integriert werden können, sind die gegenwärtigen Kühlsysteme zu schwer, um sie über längere Zeiträume zu tragen. Typischerweise wiegt ein vollständiges System, das für einen vierstündigen Betrieb mit einer Kühlkapazität von 350 W ausgelegt ist, mehr als 10 kg. Dampfkomprimierungszyklen erfordern eine beträchtliche Antriebsarbeit (oder elektrische Energie) zur Komprimierung des Arbeitsfluids. Während Vorteile unter Verwendung von Mikrokomponenten, wie z.B. Kühlern und Verdampfern, erhalten werden können, werden das Gesamtgewicht und die Größe eines Dampfkomprimierungsmikrokanal-Kühlsystems, das einen Motor umfasst, bei der gleichen thermischen Belastung größer sein als bei einem Sorptionszyklus (Absorption oder Adsorption).
Absorptionszyklus
Eine Absorptionswärmepumpe ist der Dampfkomprimierungswärmepumpe ähnlich, jedoch wird der mechanische Kompressor in dem Dampfkomprimierungszyklus durch einen chemischen Kompressor ersetzt. Der chemische Kompressor weist fünf Komponenten auf: Bei zwei der Komponenten handelt es sich um chemische Trenneinheiten, nämlich ein Desorber und ein Absorber, ein Verdampfer, ein regenerativer Wärmetauscher und eine Pumpe. In dem Desorber wird ein Gemisch von Fluiden (zirkulierendes Fluid, z.B. Lithiumbromid, und ein Kühlmittel, z.B. Wasser) erhitzt und das Kühlmittel verlässt das Gemisch als Dampf. Das Kühlmittel steht in dem Kühler unter hohem Druck und stellt in dem Verdampfer eine Kühlung bereit, nachdem es durch den Verdampfer geleitet und dessen Druck vermindert worden ist. Das Kühlmittel mit dem verminderten Druck wird in dem Absorber wieder in dem zirkulierenden Fluid absorbiert. Das absorbierte Gemisch wird durch eine Pumpe unter Druck gesetzt und kehrt in den Desorber zurück, vorzugsweise durch einen regenerativen Wärmetauscher. Da das Gemisch eine Flüssigkeit ist, beträgt die Pumparbeit typischerweise etwa 1/100 der Arbeit (Elektrizität), die zum Komprimieren eines Dampfs erforderlich ist. Folglich weist der Absorptionszyklus geringere Anforderungen bezüglich der elektrischen Energie auf wie der Dampfkomprimierungszyklus. Der Absorptionszyklus erfordert jedoch eine Quelle für thermi sche Energie. Es gibt viele Variationen von Absorptionszyklen, einschließlich unter anderem Einstufen-, Zweistufen-, Generator/Absorber/Wärmetauscher- (GAX-), Diffusion-Absorption-Absorptionszyklen und Kombinationen davon.
Ein herkömmliches Absorptionszyklussystem beruht auf der Schwerkraft zur Bildung von Fallfilmen, die in dem Absorber und Desorber einen Flüssigkeit-Gas-Kontakt bereitstellen. Dieser Ansatz weist für viele tragbare Raumklimatisierungsanwendungen zwei entscheidende Nachteile auf. Erstens muss die Wärmepumpe so ausgerichtet werden, dass die Lösung auf die Wärmetauscherröhren fällt und einen dünnen Film bildet. Abweichungen von der richtigen Ausrichtung führen dazu, dass die Wärmepumpe nicht arbeiten kann. Zweitens weisen Fallfilme eine Filmdicke in einer Größenordnung von 1 mm auf, die einen effektiven Massetransfer mittels Diffusion verhindert und zu einem größeren Absorber und Desorber führt. Für eine verteilte Raumkühlung ist das Gewicht kein so signifikanter Faktor wie für von Personen tragbare Kühlungen, jedoch ist für eine Fahrzeugkühlung, einschließlich für Transportbehälter bzw. -container und Flugzeuge, eine Gewichtsreduzierung ein wichtiger Gesichtspunkt.
Obwohl sich der Absorptionszyklus und der Dampfkomprimierungszyklus bezüglich der Bereitstellung der Komprimierung unterscheiden, weisen beide Systeme den gleichen Ansatz bezüglich der Wärmeabsorption und -abgabe auf. In beiden Zyklen tritt ein überhitztes Kühlmittel in den Kondensationswärmetauscher ein, wo es einer Wärmeabgabe unter konstantem Druck unterliegt. Das resultierende Kondensat oder Kondensatgemisch und der Dampf werden dann entweder durch ein Drosselventil oder eine Kapillare adiabatisch expandiert. Das Gemisch wird dann für eine Wärmeabsorption bei konstantem Druck zu einem Verdampfungswärmetauscher geführt. Die Komprimierung wird bei dem Absorptionswärmepumpensystem mit einem einstufigen thermodynamischen Kompressor oder Desikkator erreicht, der aus einem Absorber, einer Lösungspumpe, einem regenerativen Wärmetauscher und einem Desorber (Gaserzeuger) besteht.
Die Absorptionszyklen können auf der Basis der Fluidkombination und der Zyklusanordnungen eingeteilt werden. Die am gebräuchlichsten verwendeten Fluidkombinationen sind Lithiumbromid (LiBr) und Wasser, wobei Wasser das Kühlmittel ist, und Wasser und Ammoniak (NH₃), wobei Ammoniak das Kühlmittel ist. Zyklusanordnungen umfassen den vorstehend beschriebenen einstufigen Zyklus und effizientere, jedoch kompliziertere mehrstufige Zyklen, wie z.B. einen zweistufigen Zyklus.
Der einstufige LiBr/H₂O-Zyklus erfordert eine Niederdruck-Lösungspumpe (etwa 41 kPa (6 psi) Druckanstieg), jedoch ist dieser Zyklus weniger effizient als der zweistufige Zyklus. Wäh rend der zweistufige LiBr/H₂O-Zyklus effizienter ist, erfordert dieser eine Pumpe mit höherem Druck (etwa 410 kPa (60 psi) Druckanstieg) und ist komplizierter als der einstufige Zyklus. Der für eine H₂O/NH₃-Lösungspumpe erforderliche Druckanstieg (2400 kPa, 350 psi) ist für die gegenwärtig erhältlichen kleinen Pumpen zu hoch und führt zu einem schweren und ineffizienten System. Folglich sind sowohl die einstufigen als auch die zweistufigen LiBr/H₂O-Absorptionszyklen bevorzugte Kandidaten für Kühlanwendungen, bei denen das Gewicht und die Größe Schlüsselkriterien sind. Das H₂O/NH₃-System wird in Fällen benötigt, die sowohl ein Heizen als auch ein Kühlen oder ein Kühlen unter 0°C (32°F) erfordern.
Ein Mikrokanalkondensator und -verdampfer wurde von J.M. Cuts, C.E. McDonald und A. Shekarriz beschrieben, vgl. „Forced Convection Heat Transfer in Parallel Channel Array Microchannel Heat Exchangers", Advances in Energy Efficiency, Heat/Mass Transfer Enhancement, PID-Band 2, HTD-Band 338, American Society of Mechanical Engineering, New York, 1996, vgl. auch das US-Patent 5,611,214. Der Mikrokanalkondensator besteht aus einer Gruppierung von Mikrokanälen mit Kanalbreiten zwischen 100 und 300 μm und Kanaltiefen bis zu 1 mm. Wärmeübertragungsraten von über 30 W/cm² wurden mit einer kleinen Temperaturdifferenz und einem niedrigen Druckabfall erreicht. Der Mikrokanalverdampfer besteht ebenfalls aus einer Gruppierung von Mikrokanälen mit Kanalbreiten zwischen 100 und 300 μm und Kanaltiefen bis zu 1 mm. Ergebnisse zeigen, dass Konvektionswärmeübertragungskoeffizienten von 1,0 bis 2,0 W/cm²·K leicht erreichbar sind und dass Wärmeübertragungsraten bis zu 100 W/cm² mit einer kleinen Temperaturdifferenz erhalten werden können. Diese Wärmeübertragungskoeffizienten und -raten übersteigen diejenigen herkömmlicher Verdampfer um einen Faktor 4 bis 6. Der Druckabfall beträgt typischerweise weniger als 6 kPa (1 psi).
Absorptionssysteme erfordern eine Wärmequelle für den Desorber, vgl. M.K. Drost, C.J. Call, J.M. Cuts und R.S. Wegeng, „Microchannel Integrated Evaporator/Combustor Thermal Processes", vorgestellt auf dem 2. US-Japan Seminar in Molecular and Microscale Transport Phenomena, 8 bis 10. August, Santa Barbara, Kalifornien, 1996, und das US-Patent 6,200,538. Die Mikrokanal-Verbrennungseinrichtung erzeugt thermische Energie mit einer Rate von mindestens 30 W/cm², wobei die thermische Effizienz zwischen 82 und 85 % liegt.
Die Effizienz eines Absorptionssystems wird mit einem regenerativen Wärmetauscher, bei welchen bei dem Arbeitsfluid oder dem Wärmeübertragungsfluid kein Phasenübergang stattfindet, erhöht. Eine Mikrokanal-Wärmeübertragung ohne Phasenübergang ist bekannt, vgl. z.B. T.S. Raviguruajan, J. Cuta, C. McDonald und M.K. Drost, „Single Phase Flow Thermal Performance of a Parallel Micro-Channel Heat Exchanger", vorgestellt bei der American So ciety of Mechanical Engineers 1995 National Heat Transfer Conference, 1995. Mikrokanäle mit Kanalbreiten zwischen 100 und 300 μm und Kanaltiefen bis zu 1 mm stellen einphasige Mikrokanalwärmeübertragung-Konvektionswärmeübertragungskoeffizienten von 1,0 bis 1,2 W/cm²·K bereit. Diese Wärmeübertragungskoeffizienten übersteigen herkömmliche regenerative Wärmetauscherleistungen um den Faktor 3 bis 6.
Adsorptionszyklus
Adsorptionszyklussysteme beruhen auf der Adsorption eines Kühlmittels in einem Feststoff, um einen Wärmepumpeffekt bereitzustellen. Ein typisches System enthält zwei Druckbehälter, die mit dem Adsorptionsmittel gefüllt sind. Das Adsorptionsmittel in einem Behälter weist ein adsorbiertes Kühlmittel auf. Wenn dieser Behälter erwärmt wird, wird das Kühlmittel von dem festen Adsorptionsmittel bei hohem Druck desorbiert, das Kühlmittel wird auf Umgebungstemperatur gekühlt und durchläuft dann einen Verdampfer (Öffnung oder Expansionsventil), wo der Druck (und folglich die Temperatur) des Kühlmittels vermindert wird. Thermische Energie wird dann von dem gekühlten Raum auf das Kühlmittel übertragen und das Kühlmittel wird dann in dem Adsorptionsmittel in dem zweiten Druckbehälter adsorbiert. Der zweite Behälter wird gekühlt, um die Adsorptionswärme zu beseitigen und um einen niedrigen Druck aufrechtzuerhalten. Dies wird fortgesetzt, bis das gesamte Kühlmittel den ersten Tank verlassen hat und in dem zweiten Tank absorbiert worden ist. An diesem Punkt wird der Prozess umgekehrt und der zweite Tank wird erwärmt, wobei das Kühlmittel verdampft, was eine Kühlung bereitstellt, und zu dem ersten Tank zurückgeführt wird. Es gibt viele Variationen des Adsorptionszyklus und als Adsorptionsmittel und Kühlmittel wurden viele verschiedene Materialien untersucht. Alle diese Systeme beruhen jedoch in der einen oder anderen Form auf einer Adsorption. Während der Adsorptionszyklus sowohl in den USA als auch in anderen Ländern intensiv untersucht worden ist, hatte das Konzept praktisch keinen Einfluss und es gibt nur wenige kommerzielle Systeme. Probleme bei den Adsorptionssystemen umfassen Schwierigkeiten beim Zuführen oder Entfernen von thermischer Energie von dem Adsorptionsmittel, die große Menge an erforderlichem Adsorptionsmittel und die Zersetzung des Adsorptionsmittels durch ein wiederholtes Durchlaufen des Zyklus.
Es besteht ein Bedarf für ein grundlegendes Verfahren und eine grundlegende Vorrichtung, welches) die inhärenten Wärme- und/oder Massetransportbeschränkungen von chemischen Trennungen und Kühlsystemen des Standes der Technik beseitigt, und das bzw. die kompakter verteilte chemische Trennungen und durch Personen tragbare Kühlsysteme ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung ist ein grundlegendes Verfahren und eine grundlegende Vorrichtung einer mikroporösen Kontaktoreinheit, welches) die inhärenten Wärme- und/oder Massetransportbeschränkungen von chemischen Trennungen des Standes der Technik beseitigt.
Für chemische Trennungen wird ein poröser Kontaktor mit einer Mikrokammer auf mindestens einer Seite des porösen Kontaktors bereitgestellt, um wesentliche Verbesserungen beim Massetransport bereitzustellen, wodurch verkürzte Verweilzeiten und höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten für ein gegebenes Anlagenvolumen bereitgestellt werden. Eine Mikrokammer ist hier als Kammer definiert, die eine Querschnittshöhe oder -dicke aufweist, die der Dicke einer Massetransfer-Grenzflächenschicht entspricht oder kleiner als diese ist. Dies hat den Vorteil, dass der Massetransport zu und von der Massetransfer-Grenzschicht von einem Massevolumen beseitigt wird, wodurch das Volumen der Anlage durch Vermindern des „Totvolumens" vermindert wird, das nicht zu dem Trennprozess beiträgt. Verglichen mit herkömmlichen Trennanlagen wird eine wesentliche Verminderung des Anlagenvolumens erhalten (typischerweise um ein bis zwei Größenordnungen). In einer Mikrokammer liegt entweder ein Feststoff oder eine Flüssigkeit oder beides vor.
Bei einer Flüssigkeit ist die Grenzflächenschicht die Schicht, die mit einer Grenzfläche oder einer Oberfläche in Kontakt steht, bei der ein parametrischer, räumlicher Gradient vorliegt. Der parametrische, räumliche Gradient kann die Temperatur, die Geschwindigkeit, die Konzentration oder Kombinationen davon sein. Außerhalb der Grenzschicht wird eine Masse oder Masseströmung angenommen, bei welcher der parametrische, räumliche Gradient im Wesentlichen Null ist, oder, mit anderen Worten, bei welcher der Parameter bei sich ändernder Position im Wesentlichen konstant ist. Eine Massetransfer-Grenzflächenschicht bezieht sich auf den Konzentrationsparameter.
Bei einem Feststoff, insbesondere einem Feststoff, der hinter einem porösen Kontaktor eingeschlossen ist, ist es erforderlich, dass der Feststoff durch ein stagnierendes oder nicht-strömendes Fluid umgeben ist. Folglich finden die Adsorption und die Desorption durch eine Grenzflächendiffusion zwischen dem Feststoff und dem Fluid und durch eine direkte Diffusion durch das Fluid, das durch die Kammer gegenüber dem Feststoff strömt, durch den porösen Kontaktor und in die Fluidströmung statt. In diesem Fall ist die Massetransfer-Grenzflächenschicht eine zusammengesetzte Massetransfer-Grenzflächenschicht. Folglich wird die Dicke einer Massetransfer-Grenzflächenschicht und folglich die Tiefe der Mikrokammer für ein Adsorptionsmaterial durch Berücksichtigung der „effektiven Massetransfer-Grenzflächenschicht" bestimmt, bei der es sich um eine Kombination des Massediffusionsvermögens des Feststoffs und des Massediffusionsvermögens des Fluids handelt, anstatt nur das Massediffusionsvermögen entweder des festen Adsorptionsmittels oder des Fluids allein zu berücksichtigen.
Eine bevorzugte Ausführungsform umfasst den porösen Kontaktor, der unter Verwendung von Mikroverarbeitungstechniken als mikroporöser Kontaktor hergestellt worden ist, wobei Mikroporen erhalten werden, die extrem präzise sind und im Wesentlichen keine Krümmung aufweisen. Dies führt zu einem mikroporösen Kontaktor mit einem niedrigen Widerstand gegen einen Diffusionsmassetransport, der zusätzlich blockierungsbeständig ist.
Durch die poröse Kontaktoreinheit wird eine Anzahl von chemischen Trenneinheiten ermöglicht, die auf einer Grenzflächendiffusion beruhen. Diese umfassen Einheiten zur Adsorption und Desorption, einschließlich mehrstufige Einheiten. Neben der Bereitstellung eines Kontakts der beiden Medien stellt die poröse Kontaktoreinheit zusätzlich eine Barriere gegen einen Impulstransport bereit.
Wenn darüber hinaus in einem wesentlichen Ausmaß Wärme erzeugt oder benötigt wird, um das Trennverfahren zu erleichtern, wie z.B. bei einer Gasabsorption, -adsorption, -desorption oder -destillation, kann die Einheit mit konstruierten Mikrokanalwärmetauschern in Kontakt gebracht oder mit diesen hergestellt werden, so dass auch hier eine hohe Trennrate mit einer kompakten Anlageneinheit realisiert werden kann.
In vielen Fällen kann es erwünscht sein, zwei Trennprozesse in Reihe anzuordnen, wie z.B. eine Adsorptionseinheit zur Reinigung eines Gasstroms und einen Desorber zur Entfernung des eingefangenen Gases, was es ermöglicht, dass das Lösungsmittel zu dem Absorber zurückgeführt wird. Wenn eine Pumpe einbezogen wird, wird dieses System zu einem thermochemischen Kompressor, wodurch das ausströmende Gas bei einem Druck freigesetzt wird, der höher ist als der Druck, bei dem es adsorbiert worden ist. Auf diese Weise werden sowohl Temperaturvariationen als auch Druckvariationen bei der Adsorption möglich.
Es gibt eine Anzahl chemischer Trennanwendungen für die poröse Kontaktoreinheit. Beispielsweise werden zur Zeit signifikante Forschungen zur Entwicklung von Brennstoffverarbeitungssystemen für Brennstoffzellen-betriebene Kraftfahrzeuge betrieben. Eines der Erfordernisse für das Kraftfahrzeug-Brennstoffverarbeitungssystem ist die Entfernung von Katalysatorgiften (z.B. Schwefelwasserstoff, Kohlenmonoxid und Kombinationen davon) aus dem Brennstoffstrom, so dass die Katalysatorgifte das Leistungsvermögen der Brennstoffzelle oder anderer an Bord befindlicher katalytischer Reaktoren zur Brennstoffverarbeitung nicht verschlechtern. An Bord befindliche Gasadsorptionseinheiten können diese Funktion bereit stellen, da sie verglichen mit den erforderlichen Verarbeitungsgeschwindigkeiten klein gemacht werden können.
Eine andere Anwendung ist das Einfangen von Kohlendioxid bei der Gewinnung fossiler Brennstoffe auf Bohrinseln. Wenn die Kohlendioxidemissionen in die Atmosphäre vermindert werden sollen, um das Risiko einer globalen Erwärmung zu reduzieren, kann es schließlich erforderlich sein, das CO₂ in der Tiefsee oder in der gleichen (oder einer ähnlichen) geologischen Schicht zu maskieren, aus welcher der fossile Brennstoff erhalten wurde. Eine CO₂-Injektion ist tatsächlich ein gebräuchliches Verfahren zur Erhöhung von Ölfeldproduktionsausbeuten. Gegenwärtig können herkömmliche Trenneinheiten auf dem kleinen Raum, der auf Bohrinseln zur Verfügung steht, nicht vernünftig angeordnet werden, und es besteht daher ein Bedarf für extrem kompakte Gastrenneinheiten, die trotzdem große Materialmengen verarbeiten können.
Zum Kühlen wird der poröse Kontaktor in einer Kombination mit Wärmetauschern und Pumpen verwendet, um eine thermische Mikrokanalsorptionsmaschine zur Steuerung eines Mikroklimas, vorzugsweise in Form einer Miniaturadsorptionswärmepumpe, bereitzustellen. Die erfindungsgemäße thermische Mikrokanalsorptionsmaschine ist kompakt und könnte so klein wie ein Würfelzuckerstück sein. Dies würde es ermöglichen, ein System zum Kühlen elektronischer Komponenten zu verwenden. Wenn das System größer ist, ist es zur Klimatisierung verteilter Räume (Heizen oder Kühlen) geeignet, und zwar insbesondere dann, wenn das Gewicht von entscheidender Bedeutung ist, wie z.B. bei von Personen tragbaren Anwendungen und Klimatisierungsanwendungen für verteilte Räume für Kraftfahrzeuge, Flugzeuge und andere Transportbehälter bzw. -container.
Adsorptionswärmepumpe
Ein Nachteil von Adsorptionszyklussystemen wird durch die Verwendung eines porösen Kontaktors und eines dünnen Adsorptionsmittels (Mikrokammer) beseitigt, das einen raschen Massetransfer zu und von dem Adsorptionsmittel ermöglicht. Selbst wenn sich das Adsorptionsmittel nach einem wiederholten Durchlaufen des Zyklus kräuselt, wird es von dem porösen Kontaktor gehalten. Rasch ist als eine Größenordnung der Zeitreduktion definiert, da die Sorptionszeit umgekehrt proportional zum Quadrat der Sorptionsdicke ist. Folglich stellt ein Reduktionsfaktor der Sorptionsmitteldicke von 10 in der vorliegenden Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik einen Reduktionsfaktor von 100 bei der Sorptionszeit bereit. Darüber hinaus ermöglicht die Verfügbarkeit von Mikroventilen mit sehr hohen Zyklusdurchlaufraten ein schnelles Durchlaufen des Zyklus durch das Adsorptionsmittel. Die vorliegende Erfindung nutzt daher 1) Mikrostrukturen zur Verbesserung der Wärmeübertragung, 2) Mikrostrukturen zur Verminderung des Einflusses einer Adsorptionsmittelzersetzung, 3) Mikrobetätigungseinrichtungen und -ventile, um sehr hohe Zyklusdurchlaufraten zu ermöglichen und 4) kleine Mikrostrukturen und kleine Adsorptionsmittelvolumina zur Verminderung von Verlusten aufgrund der thermischen Trägheit (wiederholtes Heizen und Kühlen des Absorptionsmittels und der Druckbehälter).
Ein Adsorber, der den Zyklus rasch durchläuft, ist ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung, der eine geringe Größe mit einer hohen Effizienz ermöglicht. Ein schnelles Durchlaufen des Zyklus wird durch die Verwendung eines Adsorbermaterials mit einem dünnen Querschnitt und das Einschließen des Adsorbermaterials zwischen Blättern unter Bildung einer Mikrokammer erreicht, wobei eines der Blätter porös oder perforiert ist, wie z.B. ein poröser Kontaktor, so dass das Adsorbermaterial selbst bei einem strukturellen Versagen oder einem Kräuseln des Adsorbermaterials erhalten bleibt. Dünne Filme des Adsorptionsmittels in Kombination mit Mikrokanalwärmetauschern erreichen ein rasches Aufheizen und Kühlen des Adsorptionsmittels. Mikrokanalwärmetauscher werden auch zum Aufheizen und Kühlen des Kühlmittels verwendet.
Da das Massediffusionsvermögen innerhalb eines festen Adsorptionsmittels wesentlich geringer ist als das Massediffusionsvermögen innerhalb eines Fluids (Flüssigkeit oder Gas), ist es bevorzugt, das Adsorptionsmaterial so zu strukturieren, dass das Fluid mit einem großen Teil des festen Adsorptionsmitells in Kontakt kommt. Beispielsweise kann das feste Adsorptionsmittel zu kleinen Kügelchen oder anderen sich wiederholenden oder statistischen Einheitsstrukturen geformt und in die Mikrokammer eingebracht werden, so dass das Fluid die Strukturen umgeben kann. Es sollte jedoch beachtet werden, dass das Fluid, das die Strukturen umgibt, stagnierend oder nicht-strömend ist, so dass ein Massetransfer von den festen Strukturen zu dem Fluid und durch den porösen Kontaktor durch Diffusion stattfindet. In diesen Fällen ist die effektive Massetransport-Grenzflächenschicht stark vergrößert und nähert sich der Massetransport-Grenzschicht innerhalb des Fluids an.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch die Umkehrung des thermodynamischen Zyklus, so dass eine Umwandlung von thermischer Energie in Antriebsenergie erreicht wird, wobei ein Sorptionszyklus eingesetzt wird, um ein Arbeitsfluid unter Druck zu setzen, das dann durch eine Arbeitsaufnahmevorrichtung (Turbine oder Kolben) verdampft bzw. expandiert wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mikrokomponenteneinheit für das effiziente Kontaktieren eines Fluids bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mechanisch eingeschlossenen Dünnfilmadsorber, -desorber, -rektifikator oder -analysator bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, kompakte chemische Trenneinheiten, in denen eine Grenzflächendiffusion eingesetzt wird, bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verteilte chemische Trenneinrichtung bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine thermische Mikrokanalsorptionsmaschine bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine tragbare Kühlvorrichtung mit einem geringen Gewicht bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Sorptionswärmepumpen mit einem geringen Gewicht bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Hochfrequenzmikroventile für einen raschen Zyklusdurchlauf des Adsorptionsmittels bereitzustellen.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist insbesondere in den beigefügten Patentansprüchen dargelegt. Sowohl der Aufbau als auch das Betriebsverfahren zusammen mit weiteren Vorteilen und Zielen der vorliegenden Erfindung können jedoch am Besten durch die folgende Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente beziehen.
1a ist eine isometrische Ansicht eines äußeren dünnen Blatts mit einem darin integrierten mikroporösen Kontaktor.
1b ist eine vergrößerte Ansicht des mikroporösen Kontaktors.
2 ist eine auseinandergezogene Ansicht eines Flüssigkeit/Gas-Sorbers mit einem mikroporösen Kontaktor.
3 ist ein schematisches Diagramm einer experimentellen Vorrichtung zur Demonstration eines Flüssigkeit/Gas-Desorbers für das Beispiel 1.
4 ist ein Querschnitt einer Feststoff-Sorptionszelle.
5 ist ein schematisches Diagramm einer Feststoff-Sorptions-Adsorptions-Wärmepumpe.
Die erfindungsgemäße Mikrokomponenteneinheit ist ein poröser Kontaktor, der in ein Gehäuse eingebracht ist, das mindestens eine Mikrokammer zwischen dem porösen Kontaktor und dem Gehäuse bereitstellt.
Bei chemischen Trennungen wird der poröse Kontaktor oder die poröse Membran, die eine Vielzahl von Poren aufweist, die sich durch die Dicke erstrecken, so ausgewählt, dass die Poren mit einer Grenzflächenspannung von einem oder dem anderen oder beiden eines ersten Mediums und eines zweiten Mediums kooperieren, um die Migration von dem einen, dem anderen oder den beiden durch den porösen Kontaktor zu verhindern und das Durchleiten eines gelösten Stoffs oder einer Arbeitsverbindung zuzulassen.
In einem Feststoff-Sorptionsadsorber ist das erste Medium das feste Sorptionsmittel, das zweite Medium der Gasträger und die Arbeitsverbindung die sorbierte oder desorbierte Verbindung.
Poröser Kontaktor
Der poröse Kontaktor 100 (1a, 1b) ist ein poröses oder perforiertes Material, wobei sich der Ausdruck „mikroporöses Material" auf ein Material bezieht, durch das eine Diffusion stattfindet, jedoch eine Masseströmung oder „Sicker"-Strömung verhindert wird. Wenn die Poren oder Löcher eine Größe aufweisen, die eine Masseströmung oder ein Durchsickern ermöglicht, wird das Material hier als perforiertes Material bezeichnet. Ein perforiertes Material kann zum Mischen von zwei Strömen verwendet werden. Der Begriff „porös" umfasst sowohl mikroporös als auch perforiert. Das poröse oder perforierte Material ist ein festes Material oder weist ein festes Material darauf auf. In einem porösen Material können Poren 102 oder Löcher durch die Dicke des Materials entweder gerade oder nicht gerade als verbundene Porosität verlaufen.
Der mikroporöse Kontaktor 100 kann durch Mikroverarbeitung eines Metalls, einer Keramik oder eines Kunststoffs z.B. mittels LIGA (Lithographie, Galvanoformung (elektrolytische Ab scheidung), Abformung (Spritzgießen)), Lasermikroverarbeitung oder elektrochemische Mikroverarbeitung hergestellt werden. Die Vorteile von mikroverarbeiteten mikroporösen Kontaktoren umfassen eine präzise Steuerung der Porengröße in dem gesamten mikroporösen Kontaktor. Ein Sintern erzeugt eine statistische Porengeometrie und -ausrichtung.
Der poröse Kontaktor 100 kann mit aktiven Mikrokomponenten kombiniert werden, wie z.B. mit Mikrobetätigungseinrichtungen, um ein Fluid zu bewegen, wodurch die Massetransportgeschwindigkeiten erhöht werden. Die Porengeometrie wird so ausgewählt, dass die Grenzflächenspannung von einem oder dem anderen der Medien oder von beiden Medien einen Durchgang des Mediums bzw. der Medien durch die Poren verhindert. Die Porengeometrie bezieht sich sowohl auf die Größe (z.B. den Durchmesser oder die Querschnittsfläche) als auch die Form (z.B. kreisförmig, polygonal, einschließlich ein regelmäßiges Polygon und ein unregelmäßiges Polygon, z.B. ein Schlitz, ein Kreuz) der Pore. Folglich kann die Porengröße diejenige nicht überschreiten, die einen Durchbruch oder eine Masseströmung des nicht-benetzenden Fluids verhindert. Es ist bevorzugt, dass die Poren für eine maximale Diffusion im Wesentlichen die gleiche Geometrie aufweisen. Folglich erlaubt ein mikroporöser Kontaktor kein Durchsickern oder keine Masseströmung des Lösungsmittels oder Mediums durch den Kontaktor. Vorzugsweise ist die Porengeometrie so groß wie möglich und verhindert dennoch den Durchbruch des nicht-benetzenden Mediums. Beispielsweise kann es sich bei der Porengeometrie für eine Flüssigkeit oder einen Feststoff um kreisförmige Löcher handeln, die Durchmesser von der Grenze des Mikroverarbeitungsvermögens (d.h. von etwa 1 μm) bis etwa 30 μm aufweisen. Die geringe Porengröße stellt einen starken Widerstand gegen eine durch das Blatt gerichtete Geschwindigkeit oder einen Druckgradienten bereit. Bei einer Flüssigkeit-Flüssigkeit-Lösungsmittelextraktion kann eines oder können beide Lösungsmittel in die Mikroporen eindringen. Die Grenzflächenspannung am Kontakt innerhalb der Poren verhindert jedoch ein Mischen der Lösungsmittel und ermöglicht es einem gelösten Stoff, zwischen diesen übertragen zu werden.
Da die Dicke der Mikrokammer kleiner als die Dicke einer Massetransfer-Grenzflächenschicht einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs ist, wird die Zeit, welche die Arbeitsverbindung benötigt, um von einem Medium im Wesentlichen vollständig zum anderen Medium übertragen zu werden, im Vergleich zu der Sorption des Standes der Technik wesentlich verkürzt. Die Verweilzeit ist proportional zu dem Quadrat der Fluiddicke (Kammertiefe) und umgekehrt proportional zum Diffusionsvermögen des Fluids. Daher wird bzw. werden die Tiefe(n) oder die Dicke(n) des bzw. der Lösungsmittelströmungswegs bzw. -wege klein gemacht und haben für eine Flüssigkeit oder einen Feststoff einen Wert von etwa 1 μm bis etwa 300 μm und für ein Gas einen Wert von etwa 1 mm.
Aufgrund der erhöhten Massetransfergeschwindigkeiten wird die Verweilzeit im Vergleich mit herkömmlichen Systemen wesentlich vermindert. Eine mikroporöse Kontaktoreinheit ist ein mikroporöses Kontaktorblatt gemäß der 2, das zwischen Deckblättern oder Laminaten angeordnet ist. Jedes Deckblatt oder Laminat weist zwischen dem mikroporösen Kontaktorblatt und dem Laminat eine Mikrokammer auf oder definiert eine Mikrokammer, oder es weist zwischen dem mikroporösen Kontaktorblatt und dem Laminat mindestens eine Mikrokomponente zusammen mit einem Einlass und einem Auslass auf, die eine Fluidströmung über das mikroporöse Kontaktorblatt, jedoch nicht durch dieses, ermöglichen. Anschließend findet eine Massediffusion durch das mikroporöse Kontaktorblatt statt.
Mikrokomponenten, wie z.B. Mikrorillen, können auf einer oder auf beiden Seiten des mikroporösen Kontaktorblatts ausgebildet sein. Zusätzlich kann das mikroporöse Kontaktorblatt selbst keine Mikrokomponenten aufweisen, sondern das bzw. die Deckblatt bzw. Deckblätter oder Laminat(e) kann bzw. können Mikrokomponenten zum Leiten einer Fluidströmung über das mikroporöse Kontaktorblatt aufweisen.
Wenn ein mikroporöser Kontaktor zwischen den Abdeckungen bzw. Deckblättern nicht ausreichend selbsttragend ist, können die Abdeckungen bzw. Deckblätter mit Vorsprüngen und Flächen hergestellt sein, um den mikroporösen Kontaktor zu stützen. Alternativ kann der mikroporöse Kontaktor, wie es vorstehend diskutiert worden ist, Rillen oder Mikrokomponenten aufweisen. In jedem Fall stützen die Vorsprünge oder Flächen den mikroporösen Kontaktor.
In vielen in der Praxis eingesetzten Systemen ist es gegebenenfalls erforderlich, Wärme entweder zu oder von den Adsorptions/Desorptionsfluiden zu übertragen, um hohe Adsorptions/Desorptionsgeschwindigkeiten zu erreichen. Demgemäß kann die Wärmeübertragung, vorzugsweise mit einem Mikrokanal-Wärmetauscher, mit der mikroporösen Kontaktoreinheit kombiniert werden.
Eine mikroporöse Kontaktoreinheit ist in der 2 gezeigt. Ein mikroporöser Kontaktor 200 ist zwischen zwei Abdeckungen 202, 204 angeordnet, die jeweils einen Endblock 206 und ein inneres dünnes Blatt 208 aufweisen, die beim Zusammenbau Mikrokammern zwischen dem mikroporösen Kontaktor 200 und den Endblöcken 206 erzeugen. Es sollte beachtet werden, dass der Einlass und der Auslass in dieser Ausführungsform durch die Seite der inneren dünnen Blätter 208 verlaufen.
Bei Einheiten, bei welchen polymere mikroporöse Kontaktoren eingesetzt werden, können innere dünne Blätter und äußere dünne Blätter aus Metall eingesetzt werden, jedoch würde die Bindung durch Klemmen oder Schrauben erfolgen, wobei der Polymerrand für die Abdichtung verwendet wird. Alternativ können auch die inneren dünnen Blätter und die äußeren dünnen Blätter ein Polymer sein, wobei die gesamte Einheit dann durch Wärme oder chemisch gebunden werden könnte.
Chemische Trennungen
Chemische Trennungen umfassen hier jegliche Grenzflächendiffusion oder jeglichen Grenzflächenaustausch eines gelösten Stoffs oder einer Arbeitsverbindung von einem Lösungsmittel oder Medium zu einem anderen, wobei die Medien Flüssigkeiten, Gase, Feststoffe oder Kombinationen davon sein können.
Im Fall eines Adsorptionssystems kann der Kontaktor ein poröser Kontaktor sein, durch den das erste Medium (Gas oder Flüssigkeit) hindurchtritt und das zweite Medium in der Mikrokammer, die das zweite Medium enthält, umgibt. Das zweite Medium ist ein Adsorptionsmittelfeststoff. Während des nicht-stationären Betriebs, wie z.B. während des Anfahrens, kann das erste Medium in die Mikrokammer, die das zweite Medium enthält, eintreten oder diese verlassen, jedoch wird das erste Medium während des Betriebs im stationären Zustand innerhalb der Mikrokammer, die das zweite Medium enthält, stagnieren.
Rektifikator und/oder Analysator
Ein Rektifikator und/oder Analysator kann bzw. können zur Reinigung eines Stroms verwendet werden, um z.B. Wasserdampf aus einem gasförmigen Ammoniakstrom zu entfernen. Folglich kann dieser einen gemischten gasförmigen Eingangsstrom, einen gereinigten gasförmigen Ausgangsstrom und einen flüssigen Ausgangsstrom aufweisen.
Desorber
Wenn eine Sorptionseinheit als Desorber verwendet wird, treten in den Einlass eine konzentrierte Lösung und zirkulierendes Fluid ein. Die konzentrierte Lösung wird erhitzt und die Arbeitsverbindung verlässt das zirkulierende Fluid durch Verdampfen der Arbeitsverbindung und tritt durch den Kontaktor hindurch zu einem Auslass, während das zirkulierende Fluid bei einem anderen Auslass austritt.
In einer Adsorptionswärmepumpe ist die Arbeitsverbindung ein Kühlmittel.
Beispiel 1
Es wurde ein Experiment durchgeführt, um das Leistungsvermögen eines erfindungsgemäßen Desorbers zu zeigen.
Es wurde LiBr/H₂O verwendet. Ein Diagramm der Prototypentestvorrichtung ist in der 3 veranschaulicht. Der Desorber 400 war eine mikroporöse Kontaktoreinheit gemäß der 2, die zwischen drei Vorratsbehältern 402, 404 und 406 angeschlossen war. Eine Widerstandsheizeinrichtung 408 war auf dem Desorber 400 angeordnet. Eine Vakuumpumpe (nicht gezeigt) erzeugte eine Druckdifferenz für eine Fluidströmung. Ein Kühler 409 wurde verwendet, um den Wasserdampf von dem Desorber 400 einzufangen. Der Vorratsbehälter 402 für die niedrige LiBr-Konzentration und der Vorratsbehälter 404 für das kondensierte Wasser waren auf Waagen 410 aufgesetzt, um die Massenbilanz zu bestimmen. Die Geräte umfassten Drucksensoren P, Temperatursensoren T, einen Sensor für die elektrische Leistung W, einen Dichtesensor D, einen Masseströmungssensor M, einen Leitfähigkeitssensor C und einen Druckdifferenzsensor DP.
Die Ergebnisse zeigen, dass Wasser von der Lösung mit einer Geschwindigkeit von 0,3 g/cm²/min desorbiert wird. Dies übersteigt die Leistung herkömmlicher Desorber um einen Faktor 20.
Adsorber
Das Adsorptionsmittel des Adsorbers kann ein beliebiges festes Material sein, das ein Gas sorbieren kann. Kohlenstoff ist ein gebräuchliches Adsorptionsmittel. In einem Adsorber werden die Materialfestigkeit und die Materialgeometrie des festen Adsorptionsmittelmaterials insofern als „Grenzflächenspannung" betrachtet, als die Materialfestigkeit in Kombination mit der Geometrie des Materials (Größe und Form) dessen Durchgang durch die Poren des porösen Kontaktors verhindert. Die bzw. der einzelne Feststoffsorptionszelle oder -stapel, wie sie bzw. er in der 4 gezeigt ist, besteht aus: 1) einem Mikrokanal-Wärmetauscher 500, der aus einem 200 μm dicken Metallblatt 502 mit Mikrokanälen 504 hergestellt ist, 2) einem dünnen Bereich (100 bis 1000 μm) eines Adsorptionsmittelmaterials (Kohlenstoff) 506, 3) einem porösen Kontaktor 100, der durch Mikroverarbeitung hergestellt sein kann, und 4) einer Fluidkammer 508.
Wenn das Fluid ein Gas ist, tritt während des Abgebens (Desorption) ein heißes Wärmeübertragungsfluid durch die Mikrokanäle 504, wodurch das Adsorptionsmittel 506 erhitzt und dadurch das Gas desorbiert wird. Das Gas tritt durch die Poren 102 in dem porösen Kontaktor 100 hindurch zu der Kammer 508, aus der es die Zelle verlässt. Der poröse Kontaktor 100 enthält das Adsorptionsmittel 506, auch wenn es während des wiederholten Durchlaufens des Zyklus in kleine Teilchen zerfallen ist. Das Beladen und Desorbieren des Adsorptionsmittels kann auch durch Druckänderungen und auch durch Temperaturänderungen erreicht werden.
Während der Adsorption tritt das Gas durch den porösen Kontaktor 100 hindurch und diffundiert in das Adsorptionsmittel 506. Ein Kühlfluid in dem Mikrokanal-Wärmetauscher beseitigt die während der Adsorption freigesetzte Wärme.
Das Volumen oder die Menge des Adsorptionsmittels wird durch rasches Durchlaufen des Systemzyklus gering gehalten, während thermische Verluste während des Durchlaufens des Zyklus dadurch minimiert werden, dass die thermische Masse der Adsorptionszelle klein gehalten wird. Das Adsorptionsmittel weist eine anfängliche Geometrie eines geometrischen Feststoffs mit einer Dicke bis zu etwa 1 mm auf. Das Adsorptionsmittel wird durch ein Paar von Blättern oder Abdeckungen umgeben oder eingewickelt, wobei mindestens eines der Blätter oder eine der Abdeckungen ein poröser Kontaktor ist, der zum Zulassen von Massediffusion dadurch zu dem Adsorptionsmittel porös oder perforiert ist. Das Adsorptionsmittel lässt einen raschen Massetransfer zu und von dem Adsorptionsmittel zu, auch wenn sich das Adsorptionsmittel nach einem wiederholten Durchlauf kräuselt und das Adsorptionsmittel ist wirksam zwischen den Blättern enthalten.
Für eine Verkleinerung oder Miniaturisierung eines Adsorbers ist ein schnelles Durchlaufen des Zyklus durch das Adsorptionsmittel kritisch. Mikroventile für eine rasche Betätigung, Mikrokanäle für ein rasches (Konvektionswärmeübertragungskoeffizienten von 1,0 bis 2,0 W/cm² ·K und Wärmeübertragungsraten bis zu 100 W/cm²) Erhitzen/Kühlen des Adsorptionsmittels und ein Durchlaufen des Zyklus durch ein mechanisch eingeschlossenes/enthaltenes Dünnfilmadsorbermaterial des Adsorptionsmittels von etwa 1 Zyklus pro Stunde bis etwa 1 Zyklus pro Sekunde oder von etwa 10 Zyklen pro Stunde bis etwa 10 Zyklen pro Minute führen zu einer Zykluszeit, die vorzugsweise mindestens etwa um eine Größenordnung geringer ist als im Stand der Technik. Dies vermindert oder minimiert die erforderliche Menge des Adsorptionsmittels. Die geringe thermische Masse des Systems vermindert oder minimiert Verluste, die mit der thermischen Trägheit zusammenhängen.
Wenn das Adsorptionsmittel ein Ionenaustauscherharz ist, kann die Desorption des gelösten Stoffs durch die Einführung einer Elutionschemikalie bewirkt werden.
Thermische Mikrokanal-Sorptionsmaschine
Thermische Maschinen umfassen hier beliebige Vorrichtungen, die ein Arbeitsfluid nutzen, um thermische Energie (Wärme) in mechanische Arbeit umzuwandeln, oder mechanische Arbeit in Wärme umzuwandeln. Eine thermische Sorptionsmaschine ist eine thermische Maschine, die eine Sorption nutzt, um mit dem Arbeitsfluid in Wechselwirkung zu treten. Ein Beispiel ist ein thermochemischer Kompressor. Ein thermochemischer Kompressor kann wiederum mit zusätzlichen Komponenten verwendet werden, um ein Adsorptionszyklus-Kühlsystem zu bilden.
Eine thermische Mikrokanal-Sorptionsmaschine wird durch Kombinieren des porösen Kontaktors mit einem Sorptionsmittel (Absorptionsmittel oder Adsorptionsmittel) und einer Einheit, die mit dem Arbeitsfluid Wärme austauscht, hergestellt. Der poröse Kontaktor kann auch mit einer Druckmaschine verbunden werden, um Arbeit in das Arbeitsfluid einzubringen oder diesem Arbeit zu entziehen. Eine Druckmaschine ist eine Pumpe, eine Turbine, ein hydraulischer Kolben oder eine Kombination davon.
Adsorptionswärmepumpe
Der vorstehend beschriebene poröse Adsorber wird mit einem Kühlmittel für das Gas und zusätzlichen Komponenten gemäß der 5 eingesetzt, um eine erfindungsgemäße Adsorptionszyklus-Wärmepumpe zu erzeugen. Die Mikrokomponenten-Adsorptionswärmepumpe weist zwei Stapel aus einem festen Mikrokanal-Sorptionsmittel 700, 702, zwei Mikrokanal-Wärmetauscher 704, 706 und einen Verdampfer 708 auf. Wärme wird dem ersten festen Sorptionsmittelstapel zugeführt, der als Desorber wirkt, der das Kühlmittel von dem festen Sorptionsmittel verdampft. Das Kühlmittel wird in einem der Mikrokanal-Wärmetauscher gekühlt, über das Druckverminderungsventil 708 verdampft bzw. expandiert, in dem anderen der Mikrokanal-Wärmetauscher erhitzt und in dem zweiten festen Sorptionsmittelstapel adsorbiert. Das System kann mit Ventilen 710 (herkömmlichen Ventilen oder Mikroventilen) ausgestattet sein, so dass das System umgekehrt betrieben werden kann und eine Desorption im zweiten Stapel und eine Adsorption im ersten Stapel möglich sind. Alternativ kann eine reversible Pumpe (nicht gezeigt) verwendet werden.
Der feste Sorptionsmittelstapel kann eine oder mehrere feste Sorptionsmittelzelle(n) aufweisen. Es ist bevorzugt, dass ein fester Sorptionsmittelstapel viele feste Sorptionsmittelzellen aufweist.
Während eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden ist, ist es dem Fachmann klar, dass viele Änderungen und Modifizierungen durchgeführt werden können, ohne von der Erfindung gemäß ihren breiteren Aspekten abzuweichen, wie sie in den beigefügten Patentansprüchen definiert sind.

Claims

Poröse Kontaktoreinheit zum Massetransfer einer Arbeitsverbindung von einem ersten Medium zu einem zweiten Medium, umfassend: (a) einen porösen Kontaktor mit einer Dicke und weiter mit einer Vielzahl von Poren, die sich durch die Dicke erstrecken, wobei die Poren eine Geometrie aufweisen, die befähigt ist, mit einer Grenzflächenspannung von einem oder dem anderen oder beiden des ersten Mediums und des zweiten Mediums zu kooperieren, um die Migration von dem einen, dem anderen oder den beiden durch den porösen Kontaktor zu verhindern und das Durchleiten der Arbeitsverbindung durch die Vielzahl von Poren zuzulassen, wobei der poröse Kontaktor zwischen (b) einem ersten Laminat, welches eine erste Mikrokammer zwischen dem porösen Kontaktor und dem ersten Laminat zum Empfangen des ersten Mediums definiert, wobei die Mikrokammer eine Tiefe von weniger als einer Massetransfer-Grenzflächenschicht des ersten Mediums aufweist, und (c) einem Deckblatt, welches eine zweite Kammer zwischen dem porösen Kontaktor und dem Deckblatt zum Empfangen des zweiten Mediums definiert, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Medium ein festes Adsorptionsmittel ist, das vom Durchleiten durch die Vielzahl von Poren gehindert wird, und das erste Medium ein Fluid ist.
Poröse Kontaktoreinheit nach Anspruch 1, wobei die Arbeitsverbindung ein fluidischer Bestandteil ist, der an das feste Adsorptionsmittel adsorbiert oder von dem festen Adsorptionsmittel desorbiert wird, wobei die poröse Einheit aus der Gruppe, bestehend aus Adsorber, Desorber und Kombinationen davon, ausgewählt ist.
Poröse Kontaktoreinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl von Poren eine Vielzahl von Mikroporen als eine mikroporöse Kontaktoreinheit ist.
Poröse Kontaktoreinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Poren jeweils eine Querschnittdimension von 1 μm bis 30 μm aufweisen.
Mikrokomponenteneinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Poren Durchmesser aufweisen, die von 5 bis 30 μm reichen.
Mikrokomponenteneinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die erste Mikrokammer eine Dicke von 500 μm oder weniger aufweist.
Poröse Kontaktoreinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die erste Mikrokammer eine Dicke von zwischen 300 und 400 μm aufweist.
Poröse Kontaktoreinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die erste Mikrokammer eine Tiefe von 1 μm bis 300 μm aufweist.
Poröse Kontaktoreinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Poren statistisch orientiert sind.
Poröse Kontaktoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Poren im Wesentlichen parallel orientiert sind.
Poröse Kontaktoreinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei der poröse Kontaktor unter Verwendung von Mikroverarbeitungstechniken hergestellt ist.
Poröse Kontaktoreinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei der poröse Kontaktor aus Kunststoff ist und die Poren unter Verwendung, eines La sers gebildet sind.
Mikrokomponenteneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der mikroporöse Kontaktor aus Stahl ist.
Poröse Kontaktoreinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, weiter umfassend Vorsprünge und Flächen, um den porösen Kontaktor zu stützen.
Poröse Kontaktoreinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei ie zweite Kammer eine Mikrokammer ist.
Poröse Kontaktoreinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das erste Laminat, der poröse Kontaktor und das Deckblatt im Wesentlichen coplanar sind.
Poröse Kontaktoreinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei der poröse Kontaktor mikroverarbeitete Poren umfasst, die im Wesentlichen keine Krümmung aufweisen.
Poröse Kontaktoreinheit nach Anspruch 16 oder 17, hergestellt durch Binden des ersten Laminats und des zweiten Blattes, des porösen Kontaktors und des ersten und zweiten Innenblatts; wobei das erste Innenblatt das erste Laminat und den porösen Kontaktor trennt und das zweite Innenblatt das Deckblatt und den porösen Kontaktor trennt; wobei das erste und zweite Innenblatt Öffnungen aufweisen; und wobei die erste Mikrokammer und die zweite Kammer in den Öffnungen sind.
Poröse Kontaktoreinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, weiter umfassend: einen Adsorber mit einer anfänglichen Geometrie eines geometrischen Feststoffs mit einer Dicke von bis zu 1 mm; und ein Paar von Blättern, welches den Adsorber in einem Adsorberbereich, der 100 bis 1000 μm dick ist, umgibt oder einwickelt, wobei mindestens ein Blatt des Paars von Blättern einen porösen Kontaktor zum Zulassen von Massediffusion einer Arbeitsverbindung dadurch zu dem Adsorber umfasst; wobei der Adsorber raschen Massetransfer zu und von dem Adsorber erreicht, auch wenn sich der Adsorber nach wiederholtem Durchlauf kräuselt und der Adsorber wirksam zwischen den Blättern enthalten ist.
Poröser Kontaktor nach Anspruch 19, wobei mindestens eines des Paares von Blättern Metall ist.
Poröse Kontaktoreinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das erste Medium eine Flüssigkeit ist.
Poröse Kontaktoreinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Arbeitsverbindung aus der Gruppe, bestehend aus saurem Gas, Ammoniak, Wasser und Kombinationen davon, ausgewählt ist.
Poröse Kontaktoreinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Einheit die Arbeitsverbindung umfasst und die Arbeitsverbindung aus der Gruppe, bestehend aus Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und Kombinationen davon, ausgewählt ist.
Poröse Kontaktoreinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Einheit das erste Medium umfasst und das erste Medium aus der Gruppe, bestehend aus wässrigem Lithiumbromid, wässrigem Diethanolamin, wässrigem Ammoniak und Kombinationen davon, ausgewählt ist.
Poröse Kontaktoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die poröse Einheit ein Adsorber ist.
Poröse Kontaktoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die Einheit ein Desorber ist.
Poröse Kontaktoreinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche in betriebsmäßiger Verbindung mit einem Wärmeaustauscher.
Poröse Kontaktoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 26, kombiniert mit einem Mikrokanal-Wärmeaustauscher.
Poröse Kontaktoreinheit nach Anspruch 28, wobei der Mikrokanal-Wärmeaustauscher Wärme zu oder von einem Fluid, welches absorbieren oder desorbieren kann, überträgt.
Destillationseinheit, umfassend: (a) die poröse Kontaktoreinheit, wie in einem der Ansprüche 1 bis 20 definiert, wobei während Betrieb die Arbeitsverbindung von einer Multikomponentenflüssigkeit verdampft wird, wobei die Arbeitsverbindung durch den mikroporösen Kontaktor strömt; und (b) eine zweite poröse Kontaktoreinheit, wie in einem der Ansprüche 1 bis 19 definiert, wobei die Arbeitsverbindung innerhalb einer Multikomponentenflüssigkeit mit den gleichen Bestandteilen wie die erste Multikomponentenflüssigkeit kontaktieren und kondensieren gelassen wird.
Grenzflächendiffusionseinheit, umfassend: eine poröse Kontaktoreinheit, umfassend: (a) einen porösen Kontaktor mit einer Dicke und weiter mit einer Vielzahl von Poren, die sich durch die Dicke erstrecken, wobei die Poren eine Geometrie aufweisen, die befähigt ist, mit einer Grenzflächenspannung von einem oder dem anderen oder beiden des ersten Mediums und des zweiten Mediums zu kooperieren, um die Migration von dem einen, dem anderen oder den beiden durch den porösen Kontaktor zu verhindern und das Durchleiten der Arbeitsverbindung durch die Vielzahl von Poren zuzulassen, wobei der poröse Kontaktor zwischen (b) einem ersten Laminat, welches eine erste Mikrokammer zwischen dem porösen Kontaktor und dem ersten Laminat zum Empfangen des ersten Mediums definiert, wobei die Mikrokammer eine Tiefe von weniger als einer Massetransfer-Grenzflächenschicht des ersten Mediums aufweist, und (c) einem Deckblatt, welches eine zweite Kammer zwischen dem porösen Kontaktor und dem Deckblatt zum Empfangen des zweiten Mediums definiert, und (d) einem Mikrokanal-Wärmeaustauscher in Kontakt mit der porösen Kontaktoreinheit angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Medium ein festes Adsorptionsmittel ist, das vom Durchleiten durch die Vielzahl von Poren gehindert wird, und das erste Medium ein Fluid ist.
Thermochemischer Kompressor oder Desikkator, umfassend: (a) eine Grenzflächendiffusionseinheit gemäß Anspruch 31, wobei die Arbeitsverbindung ein Gas ist, das in ein Arbeitsfluid, welches ein Absorbat erzeugt, absorbiert wird, wodurch Wärme abgegeben wird, (b) eine Pumpe zum Unterdrucksetzen des Absorbats, und (c) einen Desorber, umfassend eine mikroporöse Kontaktoreinheit, welche eine Flüssigkeit und ein Dampf oder Gas umfasst, wobei die Flüssigkeit vom Durchleiten durch die Vielzahl von Mikroporen gehindert wird, wobei Wärme zugeführt wird und der Dampf oder das Gas von dem Absorbat desorbiert wird.
Thermochemischer Kompressor oder Desikkator nach Anspruch 32, weiter umfassend: (d) einen regenerativen Mikrokanal-Wärmeaustauscher, wobei Wärme von einem Desorber-Austrittsstrom zu einem Desorber-Eintrittsstrom übertragen wird.
Mikrokomponenten-Wärmepumpe, umfassend: (a) den thermochemischen Kompressor gemäß Anspruch 33, wobei das Gas ein Kühlmittel ist, (b) einen zweiten Mikrokanal-Wärmeaustauscher zum Kondensieren des Kühlmittels, (c) einen Verdampfer zum Reduzieren des Drucks des Kühlmittels und (d) einen dritten Mikrokanal-Wärmeaustauscher zum Verdampfen des Kühlmittels.
Sorptionskompressor, umfassend: (a) ein Absorptionsgefäß aus der Grenzflächendiffusionseinheit gemäß Anspruch 31; und (b) einen Desorber aus der Grenzflächendiffusionseinheit gemäß Anspruch 31; wobei (c) das Absorptionsgefäß und der Desorber zyklisch mit einem Gas als die Arbeitsverbindung betrieben werden.
Sorptionskompressor nach Anspruch 35, wobei die Grenzflächendiffusionseinheit ein Adsorber ist.
Sorptionskompressor nach Anspruch 35, wobei die Grenzflächendiffusionseinheit ein Absorber ist.
Sorptionswärmepumpe, umfassend: (a) den Sorptionskompressor nach einem der Ansprüche 35 bis 37, wobei das Gas ein Kühlmittel ist; (b) einen ersten Mikrokanal-Wärmeaustauscher zum Kondensieren des Kühlmittels; (c) einen Verdampfer zum Dekomprimieren des kondensierten Kühlmittels; und (d) einen zweiten Mikrokanal-Wärmeaustauscher zum Verdampfen des dekomprimierten und gekühlten Kühlmittels.
Thermische Sorptionsmaschine, umfassend eine poröse Kontaktoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 20 und eine Druckmaschine, verbunden mit mindestens einem der ersten Mikrokammer und der zweiten Kammer, zum Verleihen oder Entziehen mechanischer Arbeit bezüglich eines Fluids, welches darin strömt.
Thermische Sorptionsmaschine nach Anspruch 39, wobei der poröse Kontaktor ein mikroporöser Kontaktor ist.
Adsorptionswärmepumpe, umfassend die thermische Sorptionsmaschine nach Anspruch 39 oder 40.
Absorptionswärmepumpe, umfassend die thermische Sorptionsmaschine nach Anspruch 39 oder 40.