AT520276A1 - Verfahren zur Raumklimatisierung von Luft mit hygroskopischer Lösung - Google Patents

Verfahren zur Raumklimatisierung von Luft mit hygroskopischer Lösung Download PDF

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AT520276A1
AT520276A1 ATA328/2017A AT3282017A AT520276A1 AT 520276 A1 AT520276 A1 AT 520276A1 AT 3282017 A AT3282017 A AT 3282017A AT 520276 A1 AT520276 A1 AT 520276A1
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    • F24F3/1417—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems characterised by the treatment of the air otherwise than by heating and cooling by humidification; by dehumidification by absorbing or adsorbing water, e.g. using an hygroscopic desiccant with liquid hygroscopic desiccants

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Abstract

Es handelt sich um ein Verfahren (A4) für einen geregelten Zustandswechsel zweier Luftströme (1a, 1b) in paralleler oder antiparalleler Bewegung zwischen einem kalten und einem warmen Ort sowie zweier Wasserströme mit unterschiedlichen darin gelösten Substanzen (1e, 1f), wo einer der beiden Luftströme (1a) in engem Kontakt unter Wasserdampftransfer mit einem der Wasserströme (1f) und der andere Luftstrom (1b) in engem Kontakt unter Wasserdampftransfer mit dem anderen Wasserstrom (1e) stehen, wobei alle vier beteiligten Medien sich in paralleler oder antiparalleler Richtung zueinander bewegen und unter kontinuierlichem Wärmeaustausch miteinander entlang ihrer Wege stehen wobei die Luftströmung vom kalten Ort (1a) vor dem Eintritt in das Verfahren (A4) einen isenthalpischen Verdunster (A1) durchläuft, wo sie in engem kontinuierlichen Kontakt mit einem Wasserstrom (1f) in beliebiger Richtung steht und isenthalpisch unter Wasserdampfaufnahme abgekühlt und befeuchtet wird.

Description

Zusammenfassung
Es handelt sich um ein Verfahren (A4) für einen geregelten Zustandswechsel zweier Luftströme (la, lb) in paralleler oder antiparalleler Bewegung zwischen einem kalten und einem wannen Ort sowie zweier Wasserströme mit unterschiedlichen darin gelösten Substanzen (le, If), wo einer der beiden Luftströme (la) in engem Kontakt unter Wasserdampftransfer mit einem der Wasserströme (1 f) und der andere Luftstrom (lb) in engem Kontakt unter Wasserdampftransfer mit dem anderen Wasserstrom (le) stehen, wobei alle vier beteiligten Medien sich in paralleler oder antiparalleler Richtung zueinander bewegen und unter kontinuierlichem Wärmeaustausch miteinander entlang ihrer Wege stehen wobei die Lufiströmung vom kalten Ort (la) vor dem Eintritt in das Verfahren (A4) einen isenthalpischen Verdunster (Al) durchläuft, wo sie in engem kontinuierlichen Kontakt mit einem Wasserstrom (lf) in beliebiger Richtung steht und isenthalpisch unter Wasserdampfaufhahme abgekühlt und befeuchtet wird.
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Beschreibung
Einleitung
Die Erfindung betrifft eine Ergänzung und Erweiterung der vorhergehenden Patentanmeldung A543/2016. In jener Anmeldung wurde ein Kühl verfahren beschrieben, das die folgenden Ziele hat:
1. möglichst wenig CO2-Emissionen zu verursachen, insbesondere indem es möglichst wenig elektrischen Strom verbraucht
2. keine klimaschädlichen Gase als Kältemittel zu verwenden
3. hauptsächlich Solarthermie oder Industrieabwärme als Energiequelle für die Regenerierung der hygroskopischen Lösung zu benützen
4. keine Wärmepumpen sondern Wärmetauscher, Verdunstungskühlung und hygroskopische Lösung zu verwenden
5. eine wesentlich höhere Leistungszahl als herkömmliche Wärmepumpen zu haben, und daher mir kleine Solarkollektorflächen zu erfordern
6. über die Möglichkeit einer einfachen Energiespeicherung zu verfügen
7. einfach und kostengünstig herstellbar zu sein
Tatsächlich ist es aber unter Verwendung von in der genannten Patentanmeldung A543/2016 genannten Verfahrensschritten möglich, die gesetzten Ziele noch anspruchsvoller zu definieren:
- An Stelle der obigen Ziele (3) und (5) kann weitestgehend auf jede Art von Wärmezufuhr für die Regenerierung der hygroskopischen Lösung zu verzichtet werden.
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- Das erfindungsgemäße Verfahren kann so weit vereinfacht werden, dass Ziel (7) deutlich besser erfüllt wird.
- Wie andere Kühl verfahren kann das erfindungsgemäße Verfahren auch wie eine Wärmepumpe zur Raumheizung verwendet werden.
- Auch bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Raumheizung analog zu einer Wärmepumpe kann unter günstigen
Voraussetzungen ein Teil der benötigten Wärme aus Grundwasser oder anderem Niedertemperaturwasser (0-20°C) bezogen werden
Lösung der gestellten Aufgaben
In der Patentanmeldung A543/2016 wurde zur Erreichung der die Kühlung betreffenden Ziele ein Verfahren vorgeschlagen, welches aus 2 Verfahrensabschnitten besteht, nämlich
- A) Kühl verfahren mit Wasserverdunstung in (ter Luftströmung vom kalten Ort und gleichzeitiger Kühlung sowie Feuchteregulierung der Luftströmung vom
- B) Regenerationsverfahren dieser hygroskopischen Lösung durch Wasserabgabc
Mit der anspruchsvolleren Zielsetzung werden diese beiden Verfahrensabschnitte weitgehend miteinander integriert und die Zahl der Einzelschritte des Kühl verfahrens (A) reduziert. Da aber das prinzipiell gleiche Verfahren mit kleineren Varianten auch zur Heiaag verwendet werden soll ist die seinerzeitige Bezeichnung der beiden beteiligten Luftströme als Abluft kalten Ort beziehungsweise Luftströmung vom wannen Ort gewählt Zusätzlich sei zur
Klarheit festgehalten, dass (ter im weiteren t ext oft verwendete Ausdruck Jsenthalpischer
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Verdunster“ sich auf jedes Gerät bezieht, das im Idealfall ohne Wärmeaustausch mit der äußeren Umgebung des Verfahrens zueinander parallele oder antiparailele Durchströmungen von einem Gas und einer Flüssigkeit ermöglicht, wobei diese beiden Medien in engem großflächigen Kontakt miteinander stehen, so dass zwischen ihnen ein Massetransfer wie Verdampfung und/oder Desorption stattfinden kann. Ein isenthalpischer Trockner ist dann ein analog ausgeiührtes Gerät, wo zwischen Gas und Flüssigkeit Kondensation und/oder Absorption stattfinden. Bei isenthalpischer Verdunstung sinkt die Lufttemperatur, bei isenthalpischer Trocknung steigt sie.
Die verwendeten Flüssigkeiten können in allen Verfahrensschritten neben Wasser auch andere Substanzen enthalten, selbst dann, wenn dies an den entsprechenden Textstellen nicht explizit betont wird. Das können einerseits hygroskopische Salze oder ionische Losungen sein, aber auch Tenside und andere oberflächenaktive Substoen, sowie Desinfektionsmittel zur Verhinderung der Übertragung von Keimen oder von Schimmelbildung sind empfehlenswert
In der genannten Patentanmeldung A543/2016, wurde eine Liste von Verfahrensschritten angegeben, nämlich:
- Al. Kühlung der Luftströmung vom kalten Ort durch isenthalpische Verdunstung von Wasser
- A2. Vorkühlung der Luftströmung vom warmen Ort durch isenthalpische Verdunstungskühlung in der Luftströmung vom kalten Ort und/oder Wasserkühlung
- A3. Isenthalpische Trocknung und Erwärmung der Luftströmung vom warmen Ort durch eine hygroskopische Lösung
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- A4. Kontinuierlicher Wärmeaustausch zwischen dem Verfahren der Trocknung der Luftströmung vom wannen Ort durch diese hygroskopische Lösung und dem gleichzeitigen Verfahren der Verdunstungskühlung in der Luftströmung vom kalten Ort, wobei beide Luftströme parallel bewegt und erwärmt werden. Dabei läuft der Wasserstrom in gleicher Richtung zu den beiden Luftströmungen und die hygroskopische Lösung in Gegenrichtung
- A5. Nachkühlung der getrockneten Luftströmung vom warmen Ort durch Wärmetausch mit der Verdunstungskühlung in der Luftströmung vom kalten Ort
- A6. Nachkühlung der Luftströmung vom warmen Ort durch isenthalpische Verdunstung von Wasser
Zu dieser Liste sollen erfindungsgemäß für ein Kühlverfahren die folgenden Varianten gemacht werden:
- AL Kühlung der Luftströmung vom kalten Ort in einem isenthalpischen Verdunster mittels Wasser. Diese vorgekühlte und zu 100% befeuchtete Luft wird danach dem Verfahrensschritt A4 zugeführt
- Schritte (A2) und (A3) werden zusammengefasst und durch einen Schritt (A2’) ersetzt, nämlich die Vorkühlung der Luftströmung vom warmen Ort in einem isenthalpischen Verdunster, wo diese relativ trockene Luft dazu benützt wird, einen Großteil oder die Gesamtheit des Regenerationsverfahrens (B) zu leisten, indem die verdünnte hygroskopische Lösung im Gegenstrom zur Luftströmung vom warmen Ort geführt wird, dabei Wasserdampf abgibt und diese Luft isenthalpisch abküUt und dabei befeuchtet Dabei kann die Luftströmung vom wannen Ort im Überschuss verwendet werden, weil für den nächst folgenden Schritt (A4) im Raumklimatisierungsverfahren nur ein Teil der Luftmenge nötig ist, die für die Lösungsregeneration (B) erforderlich ist.
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- Schritt (A3) entfällt.
- Schritt (A4), kontinuierlicher Wärmeaustausch zwischen der Trocknung der
Luftströmung vom warmen Ort durch konzentrierte hygroskopische Lösung und der gleichzeitigen Verdunstung von Wasser in der Luftströmung vom kalten Ort, wobei aber die Richtung der Luftströmung vom wannen Ort umgekehrt wird, so dass nun die beiden Luftströmungen - die eine vom wannen und die andere vom kalten Ort - im Gegenstrom zueinander stehen und daher wegen des gleichzeitigen kontinuierlichen Wärmeaustauschs im Gegenstrom die Luftströmung vom warmen Ort kalt und bei sinkender absoluter Luftfeuchte trockener wird während die Luftströmung vom kalten Ort bei steigender absoluter Luftfeuchte erwärmt wird.
- Schritt (A5) kann ebenfalls entfallen.
- Schritt (A6) kann in Form einer Variante (A6’) ebenfalls einen Beitrag zum
Regenerationsverfahren (B) leisten, indem die verdünnte hygroskopische Lösung in analoger Weise wie in Schritt A2’ in einem isenthalpischen Verdunster Wasserdampf an die Luftströmung vom warmen Ort abgibt, wobei sich diese isenthalpisch abkühlt und dabei die absolute Luftfeuchte steigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren als Wärmepumpe zur Raumheizung zu verwenden bedeutet, dass in diesem Fall die Luftströmung vom kalten Ort die Frischluft und die Luftströmung vom warmen Ort die Abluft aus dem zu beheizenden Raum ist. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Luft-Wärmepumpe wird dabei aber nicht die Außenluft abgekühlt, um Prozesswärme zu gewinnen, sondern es wird die frei werdende Enthalpiedifferenz beim Austausch von getrockneter abgekühlter Abluft mit kühler feuchter Frischluft genutzt.
Die einfachste Methode diese Heizung durch das erfindungsgemäße Verfahren durchzufuhren besteht darin, von der erfindungsgemäßen Liste für das Kühlverfahren die Schritte (Al),
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Dr.Gerhard Kunze (A2’) und (A4) auszufuhren und zur weiteren Erwärmung der Luftströmung vom kalten Ort nach dem Schritt (A4) in dem sie zu 100% gesättigt worden ist einen Schritt (A9) hinzuzufugen, in dem diese Luftströmung in einem isenthalpischen Trockner vom kalten Ort im Gegenstrom mit einer konzentrierten hygroskopischen Lösung geführt wird und durch isenthalpische Trocknung entfeuchtet und erwärmt wird.
Die weiteren Schritte (A3), (A5) und (A6) können entfallen. Falls Schritt (A2’) nicht zur kompletten Regeneration dieser Lösung ausreicht, wird anschließend ein separates Verfahren (B) wie Z.B. in Patentanmeldung A543/2016 ausgefuhrt.
Um das erfindungsgemäße Verfahren als Wärmepumpe zur Raumheizung zu verwenden, und dabei weitestgehend auf jede Art von Wärme aus Verbrennung, Solarenergie oder Elektrizität für die Regenerierung der hygroskopischen Lösung zu verzichten, kann man aus Grundwasser oder anderen Quellen Wärme im Niedertemperaturbereich (0-20°C) beziehen. Dabei wird erfindungsgemäß so vorgegangen, dass in einem ersten Schritt (A7) kalte und üblicherweise relativ feuchte Winter-Luftströmung vom kalten Ort in einem Luft- Wasser Wärmetauscher nahe an diese Wassertemperatur herangefuhrt wird, wodurch deren relative Luftfeuchtigkeit stark sinkt Diese Luft wird nun in einem Schritt (A8) analog zu den Schritten (A2 ’) und (A6’) in einem isenthalpischen Verdunster zur Regeneration der verdünnten hygroskopischen Lösung benützt, indem sie im Gegenstrom zur verdünnten hygroskopischen Lösung geführt wird und dabei isenthalpisch Wasserdampf aufnimmt.
Ein Teil der im Schritt (A7) vorgewärmten und im Schritt (A8) wieder befeuchteten und leicht abgekühlten Luftströmung vom wannen Ort wird nun als Luftströmung vom kalten Ort einem Verfahren unterzogen, das analog zum beschriebenen Kühl verfahren mit denfolgenden
Schritten stattfindet:
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- Al. Die Luftströmung vom kalten Ort wird zunächst in einem isenthalpischen Verdunster mit Wasser weiter bis auf 100% relativer Feuchte gebracht. Danach geht sie zum Schritt (A4)
- A2. Die Luftströmung vom warmen Ort wird in einem isenthalpischen Verdunster durch Verdampfung von Wasser gekühlt und befeuchtet. Danach geht sie zum Schritt (A4)
- Schritt (A3) kann entfallen
- A4, kontinuierlicher Wärmeaustausch zwischen der Trocknung der Luftströmung vom warmen Ort durch konzentrierte hygroskopische Lösung und der gleichzeitigen Verdunstung von Wasser in der Luftströmung vom kalten Ort, wobei aber die Richtung der Luftströmung vom wannen Ort umgekehrt wird, so dass nun die beiden Luftströmungen - die eine vom wannen und die andere vom kalten Ort - im Gegenstrom zueinander stehen und daher wegen des gleichzeitigen kontinuierlichen Wärmeaustauschs im Gegenstrom die Luftströmung vom wannen Ort kalt und bei sinkender absoluter Luftfeuchte trockener wird während die Luftströmung vom kalten Ort bei steigender absoluter Luftfeuchte erwärmt wird.
- A5, A6 können entfallen, Die im Schritt A4 getrocknete und abgekühlte Luftströmung vom warmen Ort kann einfach ins Freie geleitet werden.
- A9. Die im Schritt (A4) erwärmte und zu 100% befeuchtete Luftströmung vom kalten Ort wird in einem letzten Schritt (A9) in einem isenthalpischen Trockner im Gegenstrom mit einer konzentrierten hygroskopischen Lösung geführt und dabei isenthalpisch getrocknet und dabei so stark erwärmt, dass sich - bei entsprechender Regelung des Trockenverfahrens anhand der zugeführten Menge und der Konzentration der zugeführten Lösungsmenge - ein angenehm warmes Raumklima ohne extreme Trockenheit der Luft einstellen lässt.
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Effekte und Untereffekte der Erfindung
Die Variante im Schritt (A2’) (an Stelle von A2), die Vorkühlung der Luftströmung vom warmen Ort für die Regeneration der hygroskopischen Lösung zu nutzen hat die folgenden Effekte:
- Abgesehen von einigen Orten mit extrem hoher Luftfeuchtigkeit gibt es in den meisten Regionen der Welt ein Klima, wo in der heißen Jahreszeit zumindest an einigen Tagen pro Woche an einigen Stunden pro Tag - üblicherweise um die Mittagszeit - die relative Luftfeuchte niedrig genug ist. In diesen Stunden kann eine solche isenthalpische völlige Regeneration der hygroskopischen Lösung durch Luftströmung vom warmen Ort im Gegenstrom der beiden Medien stattfinden. Wenn die Luftströmung vom warmen Ort aber zu feucht ist, wird diese erwünschte Regeneration nur teilweise erreicht werden. Das bedeutet, dass in denjenigen Tagesstunden, wo die relative Luftfeuchtigkeit zu hoch für das komplette Regenerationsverfahren ist, die während des eigentlichen Kühlverfahrens entstandene verdünnte hygroskopische Lösung gespeichert werden muss, um später, bei trockeneren Bedingungen, regeneriert zu werden.
- Die Menge der Luftströmung vom warmen Ort, die für dieses
Regenerationsverfahren nötig ist, wird immer größer sein, als die Luftmenge, die als vorgekühlte Luftströmung vom warmen Ort dem eigentlichen Kühlvorgang und der Luftströmung vom warmen Ortversorgung des zu kühlenden Raums zugeführt wird.
- Da die Menge der Luftströmung vom warmen Ort für Regenerationszwecke unbegrenzt ist, und die Gebläseleistung zur Bewegung derselben nicht sehr ins Gewicht fällt, muss mit unverdünnter hygroskopischer Lösung nicht wegen des / 37
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Energieverbrauchs gespart werden und die ursprüngliche Version von Schritt (A2), sowie die Schritte (A3) und (A5) können entfallen.
- Zusätzliche konzentrierte hygroskopische Lösung kann entweder vom Sommer bis zum Winter für Heizzwecke gespeichert werden oder aber man verwendet dafür das Niedertemperaturregenerationsverfahren (A8)
Die Variante (A6’) (an Stelle von Schritt A6) die diesen Schritt als einen Beitrag zum Regenerationsverfahren (B) heranzieht hat den Effekt, dass
- wenigstens ein Teil der in Schritt A4 entstehende verdünnte Lösung sofort wieder regeneriert wird und somit weniger verdünnte Lösung gespeichert werden muss.
- Die dabei erreichte Befeuchtung der kühlen Luftströmung vom warmen Ort führt nicht bis zu 100% relativer Feuchtigkeit derselben, was die Regelung des Systems erleichtert, da eine Abkühlung bis zu diesem Punkt normalerweise ohnehin nicht erwünscht ist. Andererseits eignet sich diese Variante des Verfahrens aber nicht für Kühlprozesse, wo die niedrigste erreichbare Temperatur gefragt ist.
Für besondere Aufgabenstellungen eines derartigen Kühlsystems kann es vorteilhaft sein, die Auslegung des gesamten Verfahrens so zu gestalten, dass zwischen den Schritten A2 und A2’, beziehungsweise zwischen den Schritten A6 und A6’ hin und her geschaltet werden kann oder auch die Schritte A3 und A5 zu- oder weggeschaltet werden können. Auch die Ausführung eines getrennten Verfahrens B kann insbesondere in besonders feuchtem Klima empfehlenswert sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren als Wärmepumpe zur Raumheizung mit einem abgetrennten Regenerationsverfahren (B) zu verwenden erlaubt es ein besonders einfach auszufuhrendes und billiges Heiz-Verfahren mit einer Lösungsspeicherung vom Sommer zum Winter oder
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Dr.GerhardKunze : Ji 5 J «····♦ · · · ·· ·· · ···· · ·· aber mit Solarthermie oder anderen nachhaltigen Wärmequellen zu kombinieren, insbesondere auch deshalb, weil Solarthermie im Winter auch mit sehr guten Solarkollektoren zwar brauchbare Temperaturen (größer als 0-20°C) aber nur sehr kleine Flächenerträge liefert.
Der hohe Wirkungsgrad dieses erfindungsgemäßen Verfahrens macht diese Schwäche der Solarenergie wett.
Die Raumheizung durch das erfindungsgemäße Verfahren in Kombination mit Niedrigtemperaturwasser ist besonders bei sehr kaltem Klima vorteilhaft, weil dann die durch Grundwasser oder andere Niedertemperaturwärmequellen im Schritt (A7) vorgewärmte Luft eine extrem niedrige relative Luftfeuchtigkeit hat und dadurch beim Regenerationsverfahren (A8) eine sehr hohe Konzentration der hygroskopischen Lösung erreicht werden kann. Da also für das gesamte Heizverfahren inklusive Regeneration nicht mehr Energie als für Luftgebläse sowie Wasser- und Lösungspumpen benötigt wird, spart man sehr viel Energie beziehungsweise CO2-Emissionen.
Aufzählung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt ein Blockschema der Integration der beiden Hauptverfahrensschritte (A) und (B) mitsamt zu- und abfließenden Masseströmen
Fig.la zeigt ein Blockschema einer Luftkühlung mit integrierter Lösungsregeneration
Fig.lb zeigt ein Blockschema einer vereinfachten Luftkühlung mit getrennter Lösungsregeneration
Fig.lc zeigt ein Blockschema einer einfachen Luftheizung mit getrennter
Lösungsregeneration ,11 / 37 • ·
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Fig.ld zeigt ein Blockschema einer Luftheizung unter Verwendung von Niedertemperaturwasser mit integrierter Lösungsregeneration
Fig.2 zeigt die Verfahrensschritte zur Kühlung in einem modifizierten Mollier-Diagramm Fig.3 zeigt die Verfahrensschritte zur Heizung in einem modifizierten Mollier-Diagramm
Die Bedeutung der Bezugszeichen ist wie folgt:
A. .. das erfindungsgemäße Kühl oder Heizverfahren
B. . .das Regenerationsverfahren für die hygroskopische Lösung
Al... Kühlung der Luftströmung vom kalten Ort durch isenthalpische Verdunstung von Wasser
A2... Vorkühlung der Luftströmung vom warmen Ort durch Verdunstungskühlung in der Luftströmung vom kalten Ort und/oder Wasserkühlung
A2’... Vorkühlung der Luftströmung vom warmen Ort durch Verdunstungskühlung, indem die verdünnte hygroskopische Lösung im Gegenstrom zu dieser Luft geführt wird, dabei Wasserdampf abgibt, und diese Luft isenthalpisch abkühlt und dabei befeuchtet
A4.. .Wärmeaustausch zwischen der Trocknung der Luftströmung vom warmen Ort durch konzentrierte hygroskopische Lösung und der gleichzeitigen Verdunstungskühlung in der Luftströmung vom kalten Ort, wobei aber wegen des Wärmeaustauschs im Gegenstrom die Luftströmung vom warmen Ort kalt und trocken wird und die Luftströmung vom kalten Ort bei steigender absoluter Luftfeuchte erwärmt wird
A6... Nachkühlung der Luftströmung vom warmen Ort durch isenthalpische Verdunstung von Wasser
A6’... Nachkühlung der Luftströmung vom warmen Ort, indem die verdünnte hygroskopische Lösung in analoger Weise wie in Schritt (A2’) Wasserdampf an die Luftströmung vom warmen Ort abgibt, wobei sich diese isenthalpisch abkühlt und dabei befeuchtet wird.
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Α7... Erwärmung der üblicherweise relativ feuchten Winter-Luftströmung vom kalten Ort in einem Luft-Wasser Wärmetauscher, wodurch deren relative Luftfeuchtigkeit stark sinkt A8.. .Verwendung der in (A7) getrockneten Luftströmung vom kalten Ort analog zu den Schritten (A2’) und (A6’) zur Regeneration der verdünnten hygroskopischen Lösung, indem diese Luftströmung vom kalten Ort im Überschuss im Gegenstrom zur verdünnten hygroskopischen Lösung geführt wird und dabei isenthalpisch Wasserdampf aufhimmt A9.. .Die im Schritt (A4) erwärmte und zu 100% befeuchtete Luftströmung vom kalten Ort wird im Gegenstrom mit einer konzentrierten hygroskopischen Lösung geführt und dabei isenthalpisch getrocknet und dabei so stark erwärmt, dass sich ein angenehm warmes Raumklima der Luft einstellen lässt la, 2a,.. .5a... Punkte auf dem Weg der Luftströmung vom kalten Ort lb, 2b,.. .7b... Punkte auf dem Weg der Luftströmung vom warmen Ort lc, 2c, 3c.. Punkte auf dem Weg einer Luftströmung zur externen Regeneration ld, 2d, 3d.. Punkte auf dem Weg einer gesättigten Luftströmung zur externen Regeneration le, 2e... Punkte auf dem Weg der hygroskopischen wässerigen-Lösung, die auch andere gelöste Substanzen enthalten kann, le ist konzentrierte Lösung, 2e ist verdünnte Lösung lf, 2f.. .Punkte auf dem Weg des zur Verdampfung bestimmten Wassers, in dem gelöste Substanzen enthalten sein können.
lh, 2h, 3h.. .Punkte auf dem Weg der kalten Außenluft durch das Regenerationsverfahren im Winter li, 2i...Punkte auf dem Weg des Niedertemperaturwassers
Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt die Masseströme des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den beiden / 37
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Verfahrensabschnitten -A- und -B- die insofern miteinander integriert sind, weil ein Teil der Verfahrensschritte von -A- zusätzlich alle Aufgaben erfüllt, welche die Aufgaben des Verfahrens -B- sind. Es handelt sich dabei um ein System von Wärmetauschern, isenthalpischen Verdunstern und isenthalpischen Trocknern in denen gleichzeitig mit Luftwärmetausch auch Verdunstung, Kondensation bzw. Absorption von Dampf stattfinden kann. Masseströme die in diese Abschnitte hineinoder hinausgehen sind durch Pfeile dargestellt, wobei dick ausgezogene Pfeile Luftströmen entsprechen, dünn ausgezogene Pfeile Wasserströmen und gestrichelte Linien Strömen hygroskopischer Lösung. In den der Klimaänderung dienenden Verfahrensabschnitt-A-fließen der Luftstrom-la- vom kalten Ort, der Luftstrom lb- vom warmen Ort, kühles Wasser -lf- aus einem Brunnen oder einer anderen Wasserversorgung und konzentrierte hygroskopische Lösung -le- von dem der Regeneration dienenden Verfahrensabschnitt -B- her. Den Verfahrensabschnitt -Averlassen die erwärmte und stark befeuchtete Luftströmung vom kalten Ort -5a-, die gut gekühlte Luftströmung -7b- vom warmen Ort, restliches kühles Wasser -2f- und ein Teil der Luftströmung -3h- die im Überschuss zur Regeneration -B- in das System eingeblasen worden ist, von der ein Teil -4b- zurückgeführt wird, und zwar, wenn das System zum Heizen verwendet wird als Luftströmung vom kalten Ort, wenn es sich um ein Kühlsystem handelt als Luftströmung vom warmen Ort.
Fig.la zeigt eine Konzeptskizze der Masseströme des erfindungsgemäßen Verfahrens -Αία einer Ausführung, die der Kühlung mit integrierter Lösungsregenerierung kBdienen soll. Masseströme, die in die Verfahrensschritte hinein- oder hinausgehen sind durch Pfeile dargestellt, wobei dick ausgezogene Pfeile Luftströmen entsprechen, dünn ausgezogene Pfeile Wasserströmen und gestrichelte Linien Strömen hygroskopischer Lösung.
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Die Luftströmung vom kalten Ort -la- aus dem zu kühlenden Raum durchläuft im Verfahrenschritt -Al- eine Befeuchtung bis zur Sättigung in einem isenthalpischen Verdunster und verlässt diesen Verfahrensschritt im vorgekühlten Zustand -2a- und gesättigt mit Wasserdampf. Im Verfahrensschritt -A2’- ebenfalls in einem isenthalpischen Verdunster, läuft die Luftströmung vom warmen Ort -lh- im Gegenstrom zur verdünnten hygroskopischen Lösung -2e-, die vom Speicher -S2kommt, und entzieht dieser Wasserdampf, wobei sich die Luft isenthalpisch abkühlt. Die dabei entstehende konzentrierte hygroskopische Lösung -le- wird in den Speicher -SI- geführt. Nur ein Teil -4b- dieser vorgekühlten Luftströmung vom wannen Ort 3h- wird dem Kühlvorgang -A4,A6- zugefuhrt, weil der Luftbedarf -lh- für die Regeneration der verdünnten Lösung -2e- immer größer ist als die Luftmenge -4b- die von der konzentrierten Lösung -le- getrocknet werden kann. Im Verfahrensschritt A4- läuft die Luftströmung vom kalten Ort -2a- unter ständiger weiterer Wasserdampfaufhahme in Kontakt mit dem Wasserfluss -lf,2f- und gleichzeitiger Wärmeaufnahme durch den Wärmeaustausch im Gegenstrom zur Luftströmung vom warmen Ort -4b-, die in diesem Prozess ihre Feuchte an die hygroskopische Lösung le- abgibt und durch den Wärmetausch kälter wird. Die Luftströmung -4b- vom wannen Ort bewegt sich dabei im Gegenstrom zu der vom Speicher -SI- her kommenden hygroskopischen Lösung -le-, welche nach der sich daraus ergebenden Wasseraufnahme als verdünnte Lösung -2e- in den Speicher -S2- geleitet wird. Im Gegensatz zur Strömungsrichtung der Lösung -le,2e- hat die Strömungsrichtung des Wassers -lf,2f- nur geringen Einfluss auf das Gesamtresultat des Verfahrens.
Im Verfahrensschritt -A6’- durchläuft die getrocknete kühle Luftströmung vom wannen Ort -6b- eine erneute isenthalpische Befeuchtung mit Abkühlung in einem isenthalpischen Verdunster wobei sie im Gegenstrom zu einer verdünnten / 37 ·· e· · *· ···· ··
Dr.Gerhard Kunze Σ Σ* ΣΣ.Σ. .· .· ί Σ «>····· ··· ·· ν· · ···· · ·· hygroskopischen Lösung -2e- geführt wird, die dabei Wasserdampf abgibt und regeneriert wird und als konzentrierte Lösung -le- zum Speicher -Sl- geht.
Fig.lb zeigt eine Konzeptskizze der Masseströme des erfindungsgemäßen Verfahrens -Ain einer Ausführung die der Kühlung mit getrennter Lösungsregenerierung -B- dienen soll. Die Luftströmung vom kalten Ort -la- aus dem zu kühlenden Raum durchläuft im Verfahrenschritt -Al- eine Befeuchtung bis zur Sättigung in einem isenthalpischen Verdunster und verlässt diesen Verfahrensschritt im vorgekühlten Zustand -2a- und gesättigt mit Wasserdampf. Im Verfahrensschritt -A2- ebenfalls in einem isenthalpischen Verdunster, läuft die Luftströmung vom wannen Ort -lb- im engen Kontakt mit dem Wasserstrom -lf,2f- und entzieht diesem Wasserdampf, wobei sich die Luft isenthalpisch abkühlt. Die so vorgekühlte Luftströmung vom warmen Ort -4bwird dem Kühlvorgang -A4,A6-zugefuhrt. Im Verfahrensschritt -A4- läuft die Luftströmung vom kalten Ort -2a- unter ständiger weiterer Wasserdampfaufhahme in Kontakt mit dem Wasserfluss -lf,2f- und gleichzeitiger Wärmeaufnahme durch den Wärmeaustausch im Gegenstrom zur Luftströmung vom warmen Ort -4b- , die in diesem Prozess ihre Feuchte an die hygroskopische Lösung -le- abgibt und durch den Wärmetausch kälter wird. Die Luftströmung vom warmen Ort bewegt sich dabei im Gegenstrom zu der vom Speicher -Sl- her kommenden hygroskopischen Lösung -le-, welche nach der sich daraus ergebenden Wasseraufnahme als verdünnte Lösung -2ein den Speicher -S2- geleitet wird. Im Gegensatz zur Strömungsrichtung der Lösung le,2e- hat die Strömungsrichtung des Wassers -lf,2f- nur geringen Einfluss auf das Gesamtresultat des Verfahrens. Im Verfahrensschritt -A6- durchläuft die getrocknete kühle Luftströmung vom wannen Ort -6b- eine erneute isenthalpische Befeuchtung mit Abkühlung in einem nach außen wärmeisolierten Verdunster in Kontakt mit dem Wasserfluss -lf,2f-. Die im Verfahrensschritt -A4- gebildete verdünnte Lösung -2e,16 / 37 • ·
Dr.Gerhard Kunze wird im Speicher -S2- zunächst aufgehoben und danach örtlich und zeitlich getrennt vom Verfahren -A-regeneriert.
Fig.lc zeigt eine Konzeptskizze der Masseströme des erfindungsgemäßen Verfahrens -Ain einer Ausführung, die der Heizung mit getrennter Lösungsregenerierung -B- dienen soll. Die Frischluft als Luftströmung vom kalten Ort -la- aus der Umgebung des zu kühlenden Raums durchläuft im Verfahrenschritt -Al- eine Befeuchtung bis zur Sättigung in einem isenthalpischen Verdunster und verlässt diesen Verfahrensschritt im vorgekühlten Zustand -2a-, gesättigt mit Wasserdampf. Im Verfahrensschritt -A2ebenfalls in einem isenthalpischen Verdunster, läuft die Abluft aus dem zu beheizenden Raum als Luftströmung vom warmen Ort -1b- im engen Kontakt mit dem Wasserstrom -lf,2f- und entzieht diesem Wasserdampf, wobei sich die Luft isenthalpisch abkühlt. Die so vorgekühlte Luftströmung vom warmen Ort -4b- wird dem weiteren Verfahren -A4,A6-zugefuhrt. Im Verfahrensschritt -A4- läuft die Luftströmung vom kalten Ort -2a- unter ständiger weiterer Wasserdampfaufnahme in Kontakt mit dem Wasserfluss -lf,2f- und gleichzeitiger Wärmeaufnahme durch den Wärmeaustausch im Gegenstrom zur Luftströmung vom warmen Ort -4b- , die in diesem Prozess ihre Feuchte an die hygroskopische Lösung -le- abgibt und durch den Wärmetausch kälter wird. Die Luftströmung vom warmen Ort bewegt sich dabei im Gegenstrom zu der vom Speicher -Sl- her kommenden hygroskopischen Lösung -le-, welche nach der sich daraus ergebenden Wasseraufnahme als verdünnte Lösung -2ein den Speicher -S2- geleitet wird. Im Gegensatz zur Strömungsrichtung der Lösung le,2e- hat die Strömungsrichtung des Wassers -lf,2f- nur geringen Einfluss auf das Gesamtresultat des Verfahrens. Die im Schritt -A4- erwärmte und mit Dampf gesättigte Luftströmung vom kalten Ort -3 a- wird im Schritt -A9- in einem isenthalpischen Trockner durch eine im Gegenstrom zur Luft fließende hygroskopische Lösung -le- getrocknet und erwärmt.
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Die in den Verfahrensschritten -A4,A9- gebildete verdünnte Lösung -2e- wird im Speicher -S2- zunächst aufgehoben und danach örtlich und zeitlich getrennt vom Verfahren -A- regeneriert.
Fig.ld zeigt eine Konzeptskizze der Masseströme des erfindungsgemäßen Verfahrens -Αία einer Ausführung die der Heizung mit integrierter Lösungsregenerierung -B- dienen soll. Die kalte Frischluft -lh- wird im Verfahrensschritt -A7- in einem Luft-Wasser Wärmetauscher durch das Niedertemperaturwasser -li,2i- bis nahe zu dessen Wassertemperatur erwärmt und dabei auf eine sehr kleine relative Feuchte gebracht. Im darauf folgenden Schritt -A8- läuft diese trockene vorgewärmte Luft -2h- in einem isenthalpischen Verdunster im Gegenstrom zur verdünnten hygroskopischen Lösung 2e- und wird dabei befeuchtet und gekühlt. Ein Teil der dabei entstehenden feuchten und kühlen Luft -3h- durchläuft als Luftströmung vom kalten Ort -la- aus der Umgebung des zu kühlenden Raums im Verfahrenschritt -Al- eine Befeuchtung bis zur Sättigung in einem isenthalpischen Verdunster und verlässt diesen Verfahrensschritt im vorgekühlten Zustand -2a- gesättigt mit Wasserdampf. Im Verfahrensschritt -A2- ebenfalls in einem isenthalpischen Verdunster, läuft die Abluft aus dem zu beheizenden Raum als Luftströmung vom warmen Ort -lb- im engen Kontakt mit dem Wasserstrom -lf,2f- und entzieht diesem Wasserdampf, wobei sich die Luft isenthalpisch abkühlt. Die so vorgekühlte Luftströmung vom warmen Ort -4bwird dem weiteren Verfahren -A4,A6-zugefuhrt. Im Verfahrensschritt -A4- läuft die Luftströmung vom kalten Ort -2a- unter ständiger weiterer Wasserdampfaufnahme in Kontakt mit dem Wasserfluss -lf,2f- und gleichzeitiger Wärmeaufnahme durch den Wärmeaustausch im Gegenstrom zur Luftströmung vom warmen Ort -4b- , die in diesem Prozess ihre Feuchte an die hygroskopische Lösung -le- abgibt und durch den Wärmetausch kälter wird. Die Luftströmung vom warmen Ort bewegt sich dabei im Gegenstrom zu der hygroskopischen Lösung -le-, welche nach der sich daraus i« / 37
Dr. Gerhard Kunze ······ · · · · • ·· ····· · · · · ······ ··· ·· ·· ······ ·· ergebenden Wasseraufnahme als verdünnte Lösung -2e- in zur Regeneration -B- in Schritt -A8- geleitet wird. Im Gegensatz zur Strömungsrichtung der Lösung -le,2ehat die Strömungsrichtung des Wassers -lf,2f- nur geringen Einfluss auf das Gesamtresultat des Verfahrens. Die im Schritt -A4- erwärmte und mit Dampf gesättigte Luftströmung vom kalten Ort -3a- wird im Schritt -A9- in einem nach außen wärmeisolierten Absorber isenthalpisch durch eine im Gegenstrom zur Luft fließende hygroskopische Lösung -le- getrocknet und erwärmt. Die dabei entstehende verdünnte Lösung -2e- wird ebenfalls zur Regeneration -B- in Schritt -A8- geleitet.
Fig.2 zeigt das Kühlverfahren -A- in einem Zustandsdiagramm feuchter Luft, dessen Abszisse die Lufttemperatur in °C ist und die Ordinate die Enthalpie dieser Luft in J bezogen auf lg trockener Luft. Die dünn ausgezogenen Kurven und die Zahlen am rechten und oberen Bildrand geben die relative Luftfeuchtigkeit in % an. Dick punktierte Linien zeigen den Verlauf der Zustände der Luftströmung vom kalten Ort an. Dick ausgezogene Linien zeigen den Verlauf der Zustände der Luftströmung vom warmen Ort an. Pfeile deuten die Richtungen der Luftströmungen an. Luftströmungen und Verfahrensschritte entsprechen der Anordnung in Fig.la und die Beschreibung findet sich dort. Wichtig ist die Feststellung, dass die Enthalpiedifferenz zischen den Zuständen -2a- und -6b- die gleiche ist, wie zwischen den Zuständen -3a- und -4b-. Es handelt sich also um keine Wärmepumpe oder Kältemaschine sondern um einen Enthalpieaustausch. Die Konzentration der verdünnten hygroskopischen Lösung -2ein den beiden Punkten -4b- und -7b- ist jeweils im Gleichgewicht mit der dortigen Luftfeuchte. Die Konzentration der Lösung - le- entspricht dagegen dem Gleichgewicht mit der Luftfeuchte im Punkt -6b-. Die Frischluft im Punkt -lb- vor der Regeneration in Schritt A2’ hat eine geringere Feuchte als die Luft in -6b-. Das ist die Voraussetzung dafür, dass diese Art der Lösungsregenerierung funktioniert. Die einzustellende Feuchte im Punkt -6b- hängt davon ab, welche Kühltemperatur des
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Systems man haben will. Je feuchter -6b- ist, desto höher darf die Luftfeuchte sein, bei der die Regenerierung -B- noch funktioniert. Gleichzeitig steigt mit erhöhter Feuchte im Punkt -6b- auch die erreichbare Kühltemperatur. Andererseits lässt sich die die Kühltemperatur senken, wenn man Feuchte des Punktes -7b- senkt, was gleichbedeutend damit ist, die Verdünnung der hygroskopischen Lösung -2e- zu erhöhen. Wegen der Bedingung, dass die die Lösungskonzentration in -7b- gleich der Lösungskonzentration in -4b- sein muss, sieht man aus dem Diagramm, dass dann auch mehr Spielraum für die Regeneration -A2’- bleibt, mit anderen Worten, dass Lösungsregeneration -B- auch bei höherer Feuchte der Frischluft möglich ist.
Begrenzender Faktor für die Verfahrensauslegung mit hoher Feuchte im Punkt -4b- ist die Enthalpiedifferenz zischen den Zuständen -3a- und -4b-. Diese wird mit steigender Feuchte in Punkt -4b- immer kleiner und damit sinkt die Kühlleistung des Systems. Realistisch ist ein Grenzwert von etwa 70% relativer Feuchte, bis zu dem eine Kühlung mit integrierter Regeneration der Lösung möglich ist. An Orten wo die Luftfeuchte immer oder fast immer über diesem Wert liegt, muss man eine andere Art der Regeneration wählen.
Fig.3 zeigt das Heizverfahren -A- in einem Zustandsdiagramm feuchter Luft wie in Fig.2. Luftströmungen und Verfahrensschritte entsprechen der Anordnung in Fig.ld. Der Startpunkt der kalten Frischluft wurde willkürlich auf die Temperatur von -2°C gesetzt, könnte aber problemlos kälter sein. Wegen der Erwärmung dieser Luft im Schritt -A7- durch Wasser mit Niedertemperatur wird es in den meisten Fällen gelingen, einen Zustand wie ihn Punkt -2h- angibt zu finden, in dem die relative Luftfeuchte klein genug ist, um die verdünnte Lösung -2e- so weit auf zu konzentrieren, dass durch diese dann konzentrierte Lösung -le- durch das isenthalpische Trocknungsverfahren in Schritt -A9- eine ausreichend hohe Heiztemperatur -5a- für den zu beheizenden Raum ergibt.
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Claims (11)

  1. Patentansprüche
    1. Verfahren (A4) für einen geregelten Zustandswechsel zweier Luftströme (la, lb) in paralleler oder antiparalleler Bewegung zueinander, zwischen einem kalten und einem warmen Ort sowie zweier Wasserströme mit unterschiedlichen darin gelösten Substanzen (le, 1 f), dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Luftströme (la) in engem Kontakt unter Wasserdampftransfer mit einem der Wasserströme (lf) und der andere Luftstrom (lb) in engem Kontakt unter Wasserdampftransfer mit dem anderen Wasserstrom (le) stehen, wobei alle vier beteiligten Medien sich in paralleler oder antiparalleler Richtung zueinander bewegen und unter kontinuierlichem Wärmeaustausch miteinander entlang ihrer Wege stehen.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Luftströmung vom kalten Ort (la) vor dem Eintritt in das Verfahren (A4) einen isenthalpischen Verdunster (Al) durchläuft, wo sie in engem kontinuierlichen Kontakt mit einem Wasserstrom mit darin gelösten Substanzen (lf) in beliebiger Richtung steht und unter Wasserdampfaufhahme abgekühlt und befeuchtet wird.
  3. 3. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in den beiden Wasserströmen (le, lf) gelösten Substanzen Tenside und/oder Desinfektionsmittel enthalten.
  4. 4. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in den beiden Wasserströmen (le, lf) gelösten Substanzen hygroskopische Substanzen enthalten.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche (1), (2) oder (3), dadurch gekennzeichnet, dass von den beiden Wasserströmen mit unterschiedlichen darin gelösten Substanzen (le, lf), einer der beiden (le) explizit hygroskopische Substanzen enthält und der andere (lf) nicht.
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  6. 6. Verfahren nach Anspruch (5), dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftströmung vom warmen Ort (lb) vor dem Eintritt in das Verfahren (A4) einen isoenthalpischen Verdunster (A2) oder (A2’) durchläuft, wo sie in engem kontinuierlichen Kontakt unter Wasserdampftransfer mit einem Wasserstrom mit darin gelösten Substanzen, und zwar entweder mit (2e)im Gegenstrom oder mit (lf) in beliebiger Richtung steht und isenthalpisch unter Wasserdampfaufnahme abgekühlt und befeuchtet wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche (5) oder (6), dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftströmung (6b) vom warmen Ort nach dem Austritt aus dem Verfahren (A4) einen isoenthalpischen Verdunster (A6) oder (A6’) durchläuft, wo sie in engem kontinuierlichen Kontakt unter Wasserdampftransfer mit einem Wasserstrom mit darin gelösten Substanzen, und zwar entweder mit (2e) im Gegenstrom oder mit (lf) in beliebiger Richtung steht und isenthalpisch unter Wasseraufnahme abgekühlt und befeuchtet wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche (5), (6) oder (7), dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser mit darin gelösten Substanzen (2e), das im Verfahrensschritt (A4) Wasserdampf aufgenommen hat in einem Speicher (S2) zwischengelagert wird und danach in einem getrennten Verfahrensschritt (B) dieser vorher aufgenommene Wasserdampfbetrag an die Umgebungsluft (lb) abgegeben wird und dass die dabei entstandene konzentriertere Lösung von Wasser mit darin gelösten Substanzen (le) in einem Speicher (Sl) bis zur späteren Verwendung aufbewahrt wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch (8), dadurch gekennzeichnet, dass der getrennten Verfahrensschritt (B) ein isenthalpisches Verdunstungsverfahren (A2’) ist.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche (5) bis (9), dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftströmung vom kalten Ort (3a) nach dem Austritt aus dem Verfahren (A4) einen isenthalpischen Trockner (A9) durchläuft, wo sie in engem Kontakt mit einem
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    Wasserstrom mit darin gelösten Substanzen (le) im Gegenstrom steht und isenthalpisch unter Wasserabgabe erwärmt und getrocknet wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch (10), dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftströmung vom kalten Ort (lh) in einem Luft-Wasser Wärmetauscher (A7) mit Wasser auf Niedertemperatur (li) angewärmt wird und dann einen isenthalpischen Verdunster (A8) durchläuft, wo sie in engem Kontakt mit einem Wasserstrom mit darin gelösten Substanzen (2e) im Gegenstrom steht und isenthalpisch unter Wasserdampfaufhahme abgekühlt und befeuchtet wird und danach in zwei Luftströme (3h) und (la) geteilt wird, von denen der letztere (la) in den isenthalpischen Verdunster (Al) geleitet wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO1997018423A1 (en) * 1994-03-22 1997-05-22 Milton Meckler Polymer enhanced glycol desiccant heat-pipe air dehumidifier preconditioning system

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