DE10246508B3

DE10246508B3 - Selbsttätige Entgasung für Heiz- und Kühlkreisläufe

Info

Publication number: DE10246508B3
Application number: DE10246508A
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing. Jehle; Tobias Reutter; Sven Dipl.-Ing. Würker (FH)
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: JEHLE, WALTER, DIPL.-ING., 88263 HORGENZELL, DE; REUTTER, TOBIAS, 72070 TUEBINGEN, DE; W?rker Sven 04157 Leipzig De
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2022-10-05

Abstract

Entgasungsvorrichtung zur Abtrennung von Gasen aus wässrigen Wärmeträgerflüssigkeiten in Heiz- oder Kühlsystemen, insbesondere in Gebäudeheizungen, wobei die Entgasungsvorrichtung mindestens eine semipermeable Membran enthält, die bevorzugt aus PTFE oder einem PTFE-haltigen Polymerblend aufgebaut ist und mit einer porösen metallischen und/oder keramischen Stützstruktur verbunden ist. Die Entgasungsvorrichtung ist bevorzugt innerhalb des Rohrleitungssystems angeordnet und funktioniert unabhängig vom Einbauort.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entgasung von Wärmeträgern, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie deren Verwendung in Heiz- und Kühlsystemen, insbesondere betrifft dies die Entlüftung von Heizflüssigleiten in Anlagen von Gebäuden und Fahrzeugen.
Die Zufuhr, Verteilung und Abfuhr von Wärmeenergie wird in Gebäudebau und Industrie im allgemeinen über Heiz- beziehungsweise Kühlkreisläufe mittels flüssiger Wärmeträger realisiert. Als Wärmeträger kommen hierbei je nach Temperaturbereich Wasser, Wasser/Frostschutzmittel, Glykole oder Öle zum Einsatz. Im Betrieb der Heiz- oder Kühlsysteme ist es im allgemeinen unvermeidbar, dass der flüssige Wärmeträger Luft beziehungsweise Gase aufnimmt. Eingeschlossene Luft führt zu Problemen, wie der Behinderung des Flüssigkeitstransportes, zu schlecht kalkulierbaren Veränderungen der thermischen Verhältnisse in Rohrleitungssystemen, Verschlechterung der Wärmeübertragung und/oder zu Korrosionsproblemen.
So tritt beispielsweise in Gebäudeheizungen häufig zu Beginn der Heizperiode der Effekt auf, dass die Heizkörper im Bereich ihrer Oberkante nicht warm werden. Der Verlust von Heizwasser durch verdunsten ist normal, da aus dem automatischen Entlüftungsventil im Heizkeller mit der Luft auch Wasserdampf entweicht. Dies führt zu Luftblasen, die sich in den Heizkörpern zu lufterfüllten Kammern zusammenschließen. Der Luftsauerstoff hat des weiteren den nachteiligen Effekt, dass im gesamten Heizkreislauf eine verstärkte Korrosion festzustellen ist.
In Heizkreisläufen von Gebäuden wird üblicherweise ein Gasblasenabscheider in der Nähe des Kessels eingebaut und zusätzlich die einzelnen Heizkörper per Hand mittels des an der Endverschraubung des Heizkörpers befindlichen Entlüftungsventils entlüftet. Über den Gasblasenabscheider entweicht aber nicht nur die störende Luft aus dem System sondern ebenso Wasserdampf in erheblichen Maß, so dass hierdurch ein Wasserverlust entsteht, der wiederum über den Ausgleichsbehälter ersetzt werden muss. Das System kommt durch diesen Vorgang schnell zum erliegen, beziehungsweise es muss der Behälter in relativ kurzen Abständen neu befällt werden, damit kein Ausfall des Heizsystems eintritt.
Auch in Solarheizungen wird zur Entlüftung analog vorgegangen. Hier sind automatische Entlüftungen aus mehreren Gründen nicht geeignet. Bei Stillstand der Anlage, zum Beispiel durch einen eintretenden Stromausfall, wird Dampf gebildet, der sich an den gleichen Stellen ansammelt wie die Luft. Dem automatischen Entlüfter ist es nicht möglich selektiv zwischen Gas und Wasserdampf zu unterscheiden, so dass dem Heizkreislauf Wasser entzogen wird und damit ein Systemausfall eintreten kann.
In der DE-A 100 03 464 wird ein Verfahren zur Entgasung von Rohrleitungssystemen insbesondere von Heißwasseranlagen beschrieben. Hierbei wird ein Teil des mit Gas angereicherten Flüssigkeitsstromes abgetrennt und an einer semipermeablen Membran, die gas- aber nicht wasserdurchlässig ist, vorbeigeleitet. Die semipermeable Membran ist eine Polymerfolie, die aufgrund ihrer geringen mechanischen Festigkeit mittels einer oder mehrerer feinmaschiger Gewebelagen geringfügig verstärkt wird und bevorzugt in einem kesselförmigen lüssigkeitsσerweilbereich angeordnet ist.
In der US 507 87 55 wird ein Verfahren zur Gasabtrennung aus Flüssigkeiten beschrieben. Dort erfolgt die Gasabtrennung über eine aktive Membran aus einem synthetischen Harz, bevorzugt aus Polysulfon oder Polysulfon/Silikon-Mischungen. Die Membran wird auf eine poröse Stützstruktur aufgetragen, die aus einer. Ultrafiltrationsmembran besteht.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Entgasungsvorrichtung zur Abtrennung von Gasen aus Wärmeträgerflüssigkeiten bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik eine vereinfachte Konstruktion darstellt, eine hohe Flexibilität bei der Anwendung im Heiz- und/oder Kühlsystem und eine hohe und wartungsarme Funktionssicherheit gewährleistet.
Die Aufgabe wird mittels einer Entgasungsvorrichtung gelöst, die aus mindestens einer semipermeablen Membran aus Polymer besteht, die mit einer metallischen und/oder keramischen Stützstruktur zu einem festen Strukturelement verbunden ist, so dass sie sich an den unterschiedlichsten Orten des Heizund/oder Kühlsystems integrieren lässt.
Die semipermeable Membran besteht bevorzugt bevorzugt überwiegend aus Polytetrafluorethylen (PTFE).
Gegenüber der in der US 507 87 55 ausgeführten Stützstruktur aus einer Ultrafiltrationsmembran hat die erfindungsgemäße Stützstruktur aus Metall und/oder Keramik den Vorteil hoher Gasdurchlässigkeit und insbesondere eine hohe mechanische Festigkeit, die beispielsweise aufgrund von Druckschwankungen oder Temperaturwechselbelastungen gefordert werden und bietet somit wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Die hohe Gasdurchlässigkeit bietet eine hohe Reserve gegenüber dem unter Einsatzbedingungen stattfindenden Zusetzen der Poren. Das Zusetzen der Poren wird durch unterschiedlichste Umwelteinflüsse beispielsweise durch Verschmutzungen der Wärmeträgerflüssigkeit und/oder Umweltverschmutzungen hervorgerufen. Dies ist insbesondere bei der Anwendung im Außenbereich. von Solarheizanlagen von Bedeutung.
Die mechanische Stabilität der erfindungsgemäßen Membrankonstruktion der Entgasungsvorrichtung eröffnet neben der Abtrennmöglichkeit gelöster Gase die Aussicht, die Entgasungsvorrichtung weitgehend lageunabhängig in das Heiz- und/oder Kühlsystem zu integrieren und bietet damit eine hohe Flexibilität gegenüber anderen konstruktiven Lösungen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere für wässrige Wärmeträgerflüssigkeiten gut geeignet. Neben Wasser finden häufig auch Wasser/Polyalkohol-Mischungen Verwendung.
Im Unterschied zu den beispielsweise aus der Textilindustrie bekannten PTFE-Membranen weisen die erfindungsgemäßen Membranen keine Porosität auf, besitzen also keine durchgängigen Porenkanäle. Der Durchtritt der abzutrennenden Gasmoleküle ist ein rein diffusiver Prozess und hängt von der Löslichkeit des Gases im Material der Polymermembran ab.
Bevorzugt werden als Material für die semipermeablen Membran Polymere und/oder Polymerblends auf der Basis von Polytetrafluorethylen (PTFE) eingesetzt. Gattungsgemäße Polymere sind beispielsweise als Teflon^® kommerziell erhältlich. Als weitere Komponenten für die Membran oder die Blends können auch Polymere aus der Gruppe der Polyolefine, unterschiedlich fluorierter oder perfluorierter Polymere, Polysulfone und/oder Mischungen dieser Gruppen Anwendung finden.
Typischerweise liegt der PTFE-Gehalt (in Massenanteilen) der semipermeablen Membran oberhalb 51 Masse, bevorzugt oberhalb 75 Masse% und besonders bevorzugt oberhalb 90 Masse%.
Die semipermeable Membran weist erfindungsgemäß nahezu keine Permeabilität für Wasser oder polare Lösungsmittel und gleichzeitig eine vergleichsweise gute Permeabilität für niedermolekulare und unpolare Gase insbesondere der Komponenten von Luft auf.
Die Permeabilität der Membran für Luft liegt bevorzugt oberhalb von 10^–7 cm/s×Pa und diejenige für Wasser oder Wasserdampf unterhalb von 10^–12 cm/s×Pa.
Die hierdurch gebildete Entgasungsvorrichtung weist durch die Stützstrukturen aus Metall und/oder Keramik eine hohe mechanische Festigkeit auf und kann daher in vorteilhafter Weise nahezu an beliebiger Position im Heiz- und/oder Kühlkreislauf eingesetzt werden. Bevorzugt bildet das aus semipermeabler Membran und Stützstruktur gebildete Entgasungselement eine Komponente des Rohrleitungssystems. So lässt sich das Entgasungselement beispielsweise als Rohrsegment oder Manschette ausbilden und in die Rohrleitung integrieren. Ebenso ist es aber auch möglich, die Entgasungsvorrichtung großflächig in das Heiz- und/oder Kühlsystem zu integrieren.
Um eine für Heiz- und/oder Kühlsystem mit wässrigen Wärmeträgern angemessene Gasdurchlässigkeit zu gewährleisten, muss die Schichtdicke der aus PTFE oder anderen aufgebauten Membran auf Werte deutlich unterhalb von 30 μm begrenzt werden. Bevorzugt liegt die Schichtdicke unterhalb von 20 μm und besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 10 μm.
Die Porosität der Stützstrukturen aus Metall oder Keramik muss den ungehinderten Austritt des Permeats durch die Polymermembran gewährleisten. Der mittlere Porendurchmesser liegt daher oberhalb 0,05 μm. Bevorzugt wird für die poröse Keramik ein mittlerer Porendurchmesser von 0,05 bis 1 μm gewählt und für die metallische Struktur ein mittlerer Porendurchmesser von 1–20 μm.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Stützstruktur sowohl aus poröser Keramik, als auch aus porösem Metall aufgebaut, wobei die beiden Werkstoffe flächig übereinanderliegen. Die semipermeable Membran wird dann auf der Keramikseite befestigt. Hierdurch ergibt sich ein Schichtverbund in der Abfolge semipermeable Membran, poröse Keramik, poröses Metall, wobei die Flüssigkeitsseite durch die semipermeable Membran gebildet wird.
Die Abscheidung des Gases aus der Wärmeträgerflüssigkeit ist dabei auf ein Partialdruckgefälle über der semipermeablen Membran, beziehungsweise über der Entgasungsvorrichtung angewiesen, wobei der Partialdruck des Gases innerhalb des Wärmeträgers höher liegt als außerhalb beziehungsweise in der Umgebungsluft.
Der Druckunterschied zwischen Wärmeträgerflüssigkeit und Umgebungsluft sollte oberhalb ca. 1 bar liegen. Ein Vorteil der Erfindung ist, dass eine gute Gasabtrennung bereits bei geringen Druckunterschieden im Bereich von 1 bis 3 bar stattfindet. Es ist daher im allgemeinen nicht notwendig mittels Hilfsein richtungen einen Unterdruck auf der Außenseite des Heiz- oder Kühlsystems beziehungsweise der Entgasungsvorrichtung zu erzeugen. Die Vorrichtung lässt sich damit auch in konventionellen Heizungssystemen verwenden.
Weiter lässt die erfindungsgemäße Vorrichtung ausdrücklich auch eine Einsatzmöglichkeit im Hochdruckbereich bei Drücken bis 200 bar zu.
Für industrielle Anwendungen ist es von Bedeutung, dass sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur Luft sondern auch unterschiedliche Schadgase abtrennen lassen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung durchdringt die polymere Membran zumindest teilweise die metallische und/oder keramische Stützstruktur, so dass die Poren der Stützstruktur zumindest teilweise mit dem Material der semipermeablen Membran gefüllt sind. Dies führt zu einer sehr festen mechanischen Verbindung zwischen Polymermembran und Stützstruktur. In vorteilhafter Weise kann so das aus Membran und Stützstruktur gebildete Element auch großflächig als mechanisch belastetes Strukturbauteil eingesetzt werden. Bevorzugt beträgt die Dicke der Durchdringungsschicht aus poröser Stützstruktur und Material der Membran nur wenige Mikrometer. Die Dicke der überstehenden Membran kann entsprechend bis auf ein Minimum reduziert werden.

Claims

Entgasungsvorrichtung zur Abtrennung von Gasen aus wässrigen Wärmeträgerflüssigkeiten in Heiz-, oder Kühlsystemen, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine semipermeable Membran aus Polymer enthält, die mit einer porösen metallischen und/oder keramischen Stützstruktur fest verbunden ist.
Entgasungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran im wesentlichen aus PTFE aufgebaut ist.
Entgasungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran aus der Gruppe der fluorierten oder perfluorierten Polymere allein oder in Mischung mit PTFE aufgebaut ist.
Entgasungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine Schichtdicke im Bereich von 1 bis 30 μm aufweist.
Entgasungsvorrichtung nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, dass die poröse metallische Stützstruktur einen mittleren Porendurchmesser im Bereich vor 0,1 bis 20 μm aufweist.
Entgasungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse keramische Stützstruktur einen mittleren Porendurchmesser im Bereich von 0,05 bis 1 μm aufweist.
Entgasungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur aus poröser Keramik und porösem Metall gebildet wird, wobei die semipermeable Membran über die Keramik fest mit der Stützstruktur verbunden ist.
Entgasungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren der porösen keramischen und/oder metallischen Stützstruktur zumindest teilweise durch das Polymer der Membran erfüllt sind.
Entgasungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Partialdruckgefälle des Gases über die semipermeable Membran und die poröse Stützstruktur unterhalb 3 bar liegt, wobei der Außendruck dem Luftdruck entspricht.
Entgasungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Partialdruckgefälle des Gases über die semipermeable Membran und die poröse Stützstruktur im Bereich von 3 bis 200 bar liegt, wobei der Außendruck dem Luftdruck entspricht.
Entgasungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass semipermeable Membran und poröse metallische und/oder keramische Stützstruktur ein Struktuelement bilden, das als Rohrsegment ausgeführt ist.
Verwendung einer Entgasungsvorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche in Heiz- oder Kühlsystemen von Gebäuden.