<Desc/Clms Page number 1>
BESCHRIJVING behorende bij een
UITVINDINGSOCTROOIAANVRAGE ten name van :
VAPOCHILL B. V., gevestigd te :
Berghem, Nederland, voor : "Dauwpuntskoeler" Onder inroeping van het recht van voorrang op grond van octrooiaanvrage
No. 8401778, ingediend in Nederland d. d. 4 juni 1984.
<Desc/Clms Page number 2>
De uitvinding heeft betrekking op een dauwpuntskoeler voor het koelen van een stroom lucht, welke koeler omvat een warmteuitwisselaar, voorzien van : a) een bundel verticale pijpen, ingericht om te koelen primaire lucht onder warmteuitwisseling langs de buitenkant van de pijpen te voeren ; b) middelen om voorgekoelde secundaire lucht onder warmteuitwisseling binnen door de pijpen te voeren ; c) middelen om water van bovenaf in de pijpen te brengen en op de binnenwand van de pijpen een film water te vormen ; d) middelen om de bevochtigde secundaire lucht af te voeren ; en e) middelen om ten minste een gedeelte van de gekoelde primaire lucht naar de te koelen ruimte te voeren.
Een dergelijke dauwpuntskoeler is op zichzelf bekend uit het Amerikaanse octrooi 4.023. 949. Daarin wordt voorgesteld een ruimte te klimatiseren (te koelen) door primaire buitenlucht op deze wijze af te koelen en naar de betrokken ruimte te leiden, terwijl tegelijk een stroom secundaire lucht (die reeds ongeveer de gewenste temperatuur heeft) onder verdampen van water door de uitwisselaar wordt gevoerd, zodat de stroom primaire lucht wordt afgekoeld.
Eenzelfde principe, maar in enigszins andere uitvoering is eveneens bekend uit de Amerikaanse octrooischriften 1.986. 529,2. 107.280, 2.174. 060, het Duitse Offenlegungsschrift 2.432. 308 en de Nederlandse octrooiaanvrage 7711149.
Deze verschillen onderling enigszins door de constructie van de gebruikte warmteuitwisselaar (pijpenbundel of platen als uitwisselingsoppervlak) en door de manier waarop men in de tweede stroom de verdamping van water laat optreden (een nevel van waterdruppels, een water-vasthoudend wandoppervlak, beurtelings toevoeren van water aan twee helften van de uitwisselplaten of continu versproeien van water).
Bij elk van deze werkwijzen wordt de secundaire stroom door verdampen van water bevochtigd en gekoeld tot onder de temperatuur van de primaire stroom. Door het ontstane temperatuurverschil kan de secundaire stroom warmte opnemen uit de primaire stroom, die daardoor wordt gekoeld. Door dit opnemen van warmte wordt de secundaire stroom weer onverzadigd aan waterdamp, zodat opnieuw een hoeveelheid water kan
<Desc/Clms Page number 3>
verdampen en opnieuw een hoeveelheid warmte uit de primaire stroom kan worden opgenomen, enz.
Als gevolg van dit afkoelen van de eerste stroom daalt de temperatuur van die eerste stroom, terwijl de absolute vochtigheid van die luchtstroom (in grammen per kilogram lucht) constant blijft.
Omdat voor de overdracht van voelbare warmte tussen de primaire en de secundaire luchtstroom als gevolg van warmteweerstand een temperatuurverschil tussen beide stromen noodzakelijk is en omdat dit temperatuurverschil verkregen wordt door bevochtiging van de secundaire luchtstroom, die bij een voorkeursvorm van de uitvinding een deelstroom van de primaire stroom is en dan een intredetemperatuur heeft, die gelijk is aan de uittredetemperatuur van de primaire luchtstroom, ligt de te bereiken uittredetemperatuur van de primaire luchtstroom meestal boven het dauwpunt van de lucht in de primaire stroom. Slechts in een ideaal geval kan de uittredetemperatuur van de primaire lucht gelijk zijn aan zijn dauwpunt. Dit geeft aanleiding tot de naam"dauwpuntskoeler".
Deze wijze van lucht koelen is goedkoper dan die met de meer gebruikelijke compressiekoelmachine, omdat de laatste veel meer energie gebruikt.
Enkele van deze publicaties vermelden bovendien, dat men de gekoelde lucht ook een kleiner watergehalte kan geven door de uit de warmteuitwisselaar komende gekoelde primaire stroom geheel of gedeeltelijk na te koelen met een compressiekoelmachine, zodat een gedeelte van de waterdamp condenseert. Deze gecombineerde koeling kan met vrucht worden toegepast wanneer de buitenlucht een hoger absoluut vochtgehalte heeft dan in de gekoelde lucht gewenst is. Ook dan bereikt men een aanmerkelijke besparing, omdat immers die compressiekoelmachine alleen gebruikt hoeft te worden wanneer het nodig is het absolute watergehalte te verlagen.
In alle andere gevallen gebruikt men alleen de veel goedkopere dauwpuntskoeler.
Ondanks deze duidelijke en grote voordelen is toch een dergelijke dauwpuntskoeler zover dezerzijds bekend, nooit op kleine of grote schaal praktisch in gebruik genomen.
<Desc/Clms Page number 4>
Een reden daarvoor is nooit vermeld. Wel duidelijk is dat een dauwpuntskoeler alleen in aanmerking komt, wanneer de gebruikte warmtewisselaar zeer efficiënt is en, gezien de betrekkelijk kleine temperatuurverschillen tussen de luchtstromen, die noodzakelijkerwijs moeten optreden, zal dit alleen bereikt worden bij een groot uitwisselend oppervlak.
In al de in de literatuur vermelde gevallen blijkt, dat een warmteuitwisselaar wordt voorgesteld, waarin het werkzame oppervlak aan de kant van de primaire stroom in grootte niet essentieel verschilt van het werkzame oppervlak aan de kant van de secundaire stroom.
Onder deze omstandigheden zal het volume van de warmteuitwisselaar meestal onaanvaardbaar groot worden.
In de praktijk blijkt bovendien, dat het niet of slechts met zeer veel moeite mogelijk is een secundaire stroom te verkrijgen die verzadigd is met waterdamp. Een dergelijke stroom heeft uiteraard de laagste secundaire temperatuur.
Het doel van de uitvinding is het verschaffen van een dauwpuntskoeler, waarmee een optimale koeling verkregen wordt, onder toepassing van een compacte constructie.
Daartoe wordt de in de aanhef omschreven dauwpuntskoeler gekenmerkt doordat de onder c) bedoelde middelen geschikt zijn om periodiek water toe te voeren en dat de pijpen aan de buitenzijde, die in contact komt met de primaire lucht, voorzien zijn van elementen, waarbij de verhouding tussen het buitenoppervlak van de van elementen voorziene pijpen en het binnenoppervlak groter is dan 3 : 1.
Verrassenderwijs is gebleken, dat door de combinatie van maatregelen volgens de onderhavige uitvinding deze doeleinden bereikt worden.
De uitvinding wordt hierna toegelicht aan de hand van de tekening, waarin : fig. l een verticale doorsnede is door een uitvoeringsvorm van een dauwpuntskoeler ; fig. 2 een schema is van een toepassing van dauwpuntskoelers als onderdeel van een klimaatregelingsinstallatie ; fig. 3 een schema is van de toepassing van de dauwpuntskoeler als onderdeel van een klimaatregelingsinstallatie ;
<Desc/Clms Page number 5>
fig. 4a een bovenaanzicht is van een pijpplaat, zoals bij voorkeur volgens de uitvinding wordt toegepast ; fig. 4b een doorsnede is van een gedeelte van een pijpplaat volgens fig. 4a, welke tevens een vorm toont van een kraag, zoals volgens de uitvinding wordt gebruikt en de manier aangeeft, waarop die kragen in elkaar passen ;
fig. 5 een uitgetrokken overzicht is van de warmteuitwisselaar, die volgens een voorkeursuitvoering van de uitvinding wordt toegepast ; fig. 6a een waterverdeler is, zoals volgens een voorkeursvorm van de uitvinding wordt toegepast, gedeeltelijk in aanzicht en gedeeltelijk in doorsnede ; fig. 6b een doorsnede is langs de lijn IIIb-IIIb van de waterverdeler, volgens fig. 6a ; fig. 6c een bovenaanzicht is van de waterverdeler volgens fig. 6a ; fig. 7a en 7b toevoerorganen zijn voor water, zoals volgens de uitvinding kan worden toegepast ; fig. 8a, 8b en 8c andere toevoerorganen zijn voor water, zoals volgens de uitvinding kan worden toegepast ; fig. 9-11 weer andere toevoerorganen zijn voor water in combinatie met een wateropvang-/verdeelinrichting, zoals volgens de uitvinding kan worden toegepast.
Fig. l is een verticale doorsnede door een dauwpuntskoeler.
Daarin geeft 3 een aantal secties verticale pijpen aan. De primaire stroom 1 treedt links deze secties binnen en doorstroomt ze achtereenvolgens in horizontale richting. De secundaire (natte) stroom treedt de inrichting rechtsboven binnen, stroomt dan omlaag door de pijpen van de meest rechtse sectie, zoals aangegeven door de pijlen 2 en dan achtereenvolgens door de pijpen van de overige secties, waarna deze stroom linksboven de inrichting weer verlaat.
Het te verdampen water wordt vanuit vergaarbakken 4 (fig. 1) onder de secties door pompen 5 omhoog gevoerd naar inrichtingen 16, van waaruit het water naar de bovenste pijpplaten 7 wordt gevoerd, die zijn voorzien van een opstaande rand. Op die pijpplaten wordt het water door waterverdelers 13 zodanig over de pijpen verdeeld, dat in elke pijp van een sectie de binnenwand bedekt wordt met een laag
<Desc/Clms Page number 6>
water langs welke de secundaire stroom lucht (omhoog of omlaag) stroomt onder verdampen van water, waarbij de nodige verdampingswarmte wordt onttrokken aan de primaire stroom, die in aanraking is met de buitenwand van de pijpen en met de lamellenplaten. Het niet verdampte gedeelte van het water keert terug naar de vergaarbakken 4.
De herkomst van de primaire stroom is afhankelijk van de wijze, waarop de dauwpuntskoeler is opgenomen in het luchtbehandelingssysteem.
Bij een eenvoudige uitvoeringsvorm kan de primaire stroom bestaan uit van buiten aangezogen lucht, welke in de warmteuitwisselaar wordt afgekoeld en vervolgens vanaf het rechtereinde van fig. 1 gevoerd naar een te koelen ruimte.
Om in die ruimte de gewenste temperatuur te handhaven, wordt doorlopend een deel, bijvoorbeeld 10% per uur, van de in die ruimte aanwezige lucht weer afgevoerd en gebruikt als secundaire stroom 2.
Tijdens het passeren van de verschillende secties 3 verdampt daarin water, tegelijk neemt deze secundaire stroom warmte op uit de primaire stroom en het resultaat is, dat de temperatuur van die secundaire stroom tijdens het koelen van de primaire stroom stijgt. Juist deze temperatuurstijging maakt het mogelijk, dat steeds meer water verdampt in de secundaire stroom, zodat uiteindelijk aan de linkerkant een sterk bevochtigde stroom lucht ontwijkt met een temperatuur, die hoger is dan de temperatuur in de te koelen ruimte.
Deze sterk bevochtigde lucht is verder voor het koelproces onbruikbaar.
Van groot belang is echter, dat in de afgekoelde primaire stroom de hoeveelheid waterdamp tijdens het doorlopen van de warmtewisselaar niet veranderd is.
Voor een goede warmteuitwisseling is nodig, dat eerst de warmte wordt overgedragen uit de primaire (droge) stroom aan de (gewoonlijk metalen) wand. De hoeveelheid overgedragen warmte is dan recht evenredig met het produkt a1F1 waarin F1 het overdragend oppervlak is en a de overdrachtscoëfficiënt. Nadat deze warmte door het scheidingswandmateriaal geleid is, moet diezelfde hoeveelheid warmte worden overgedragen van die wand naar de secundaire (natte) stroom en de overgedragen hoeveelheid warmte is dan recht evenredig met
<Desc/Clms Page number 7>
ct,, F , waarin weer F2 het overdragend oppervlak is en a2 de overdrachtscoëfficiënt.
Uit Leidenfrost, W. Analysis of Evaporative Cooling and Enhancement of Condensers Efficiency and of Coefficient of Performance, Warme-und Stoffübertragung 12 (1979), blz. 5-23 is bekend, dat bij warmteoverdracht van een wand naar een luchtstroom in aanwezigheid van een verdampende waterfilm op die wand, de warmteoverdrachtscoëfficiënt een veelvoud is van de warmteoverdrachtscoëfficiënt die bij convectieve overdracht aan dezelfde wand optreedt. Leidenfrost beschrijft een minimale verhouding van 3 bij verzadigde lucht en van hoger dan 5 ingeval van onverzadigde lucht.
Afgezien van het verschil in convectieve warmteoverdracht bij stroming in pijpen en bij stroming òm (lamellen) pijpen zou op grond van het bovenstaande in een dauwpuntskoeler volgens de uitvinding van het in de aanhef genoemde type, een warmteuitwisselaar toegepast moeten worden met een verhouding tussen het droge buitenoppervlak en het natte binnenoppervlak, die groter is dan 3 : 1.
Voorwaarde hiervoor is, dat het warmteuitwisselingsoppervlak aan de zijde van de secundaire luchtstroom steeds bedekt is met een dunne laag water.
Omdat de verhouding a2/a1 afhangt van de conditie van de aangezogen primaire lucht, zal men ernaar streven, dat bij benadering
F1/F2 = a2/a1. De waarde voor de verhouding tussen buitenoppervlak en binnenoppervlak van de pijpen ligt bij voorkeur tussen 5 : 1 en 10 : 1.
Als de waarde van het buitenoppervlak kan men gebruiken het effectieve buitenoppervlak, dat berekend kan worden met behulp van gepubliceerde formules voor constructies van pijpen die voorzien zijn van elementen.
Al de bovengenoemde publicaties over dauwpuntskoelers komen daarin overeen, dat ze alle een verhouding F1/F2 beschrijven, die weinig of niet verschilt van 1 : 1.
Dit is dan ook waarschijnlijk de reden, dat geen van die voorstellen heeft geleid tot praktische toepassing.
Wanneer men een warmteuitwisselaar ontwerpt, waarin F1/F2 =
EMI7.1
circa 6, dan blijkt, dat voor gelijke capaciteit het volume slechts 1/3 tot 1/4 behoeft te zijn van het volume van een uitwisselaar waarin F1 F,.
<Desc/Clms Page number 8>
Om het nodige verschil in uitwisselend oppervlak te verkrijgen kan men, analoog aan bekende bouwwijzen, uitgaan van buizen, waarop ribben of lamellen worden aangebracht, waarna die buizen met ribben of lamellen worden samengevoegd tot grotere eenheden bijvoorbeeld lamellenbatterijen. De bekende uitwisselaars van dit type zijn gewoonlijk geconstrueerd voor aanzienlijke drukverschillen tussen de twee uitwisselende gasstromen. Bij een dauwpuntskoeler is dit drukverschil echter ten hoogste enkele mbar en dat maakt een zeer lichte constructie mogelijk.
De gebruikelijke constructiemethode voor lamellenbatterijen is als volgt :
In metalen platen, bijvoorbeeld aluminiumplaten met een dikte van 0, 2-1, 0 mm, bijvoorbeeld 0,25 mm worden gaten geponst, die meestal tevens worden voorzien van een kraag. De lamellen of ribbenplaten worden dan op kernpijpen geschoven en deze pijpen worden mechanisch of hydraulisch geëxpandeerd zodat de lamellen op de pijpen worden geklemd. Deze geribde pijpen worden daarna gemonteerd in gebruikelijke pijpenplaten.
Deze constructie kan ook thans worden toegepast.
Bij voorkeur echter is de warmteuitwisselaar opgebouwd uit een aantal platen, voorzien van een reeks openingen, waarbij elke opening is voorzien van een kraag, die in een opening van een aangrenzende plaat past, welke platen zijn gestapeld tot een pakket, waarin de in elkaar geschoven kragen samen een reeks pijpen vormen, welke pijpen onderling zijn verbonden door het overige gedeelte van de platen, die dan dienst doen als lamellen.
De openingen in de kragen kunnen doelmatig een middellijn hebben van 20-40 mm en de kraaghoogte kan 4-7 mm bedragen.
Om constructieve redenen is de vorm van de gaten meestal rond. Een middellijn van 30 mm en een kraaghoogte van 6 mm is zeer doelmatig gebleken.
Door juiste vormgeving van de kraag is het mogelijk, dat elke kraag over ongeveer de helft van zijn hoogte in de eronder liggende pijp wordt geschoven, zoals weergegeven in de fig. 4a en 4b.
Hierdoor worden de kernpijpen overbodig en de combinatie van pijpen en lamellen kan aanmerkelijk goedkoper en compacter worden gebouwd.
<Desc/Clms Page number 9>
In het vervolg zal ook een"pijp"bestaande uit dergelijke gedeeltelijk in elkaar geschoven kragen worden beschouwd als een pijp. Wanneer de kragen uitsluitend met een lichte druk in elkaar kunnen worden geschoven, kan men een eenvoudige en toch stevige constructie verkrijgen, waarin de verschillende pijpgedeelten voldoende afdichtend op elkaar liggen.
De pijpen, hoe ook geconstrueerd, moeten aan de binnenkant voorzien kunnen worden van een dunne laag water en deze laag moet zo mogelijk de gehele pijpwand bedekken en overal zo goed mogelijk even dik zijn. Verder moeten uiteraard alle pijpen in dezelfde mate bevochtigd worden. Het watertoevoersysteem mag dus niet gevoelig zijn voor scheefstaan of voor verstoring van het waterniveau boven op de bovenste pijpplaat.
Het bovengenoemde Amerikaanse octrooischrift 2.107. 280 stelt voor plaatuitwisselaars te gebruiken, die aan de natte kant bekleed zijn met een weefsel. Het vermeldt dat men betere resultaten verkrijgt, wanneer het water niet continu wordt toegevoerd, maar periodiek. Een constructie volgens dit octrooischrift heeft het bezwaar, dat het plaatoppervlak is bedekt met een nat weefsel, dat wel gelijkmatig nat kan worden gehouden, maar dat toch een grotere weerstand voor de warmtestroom vormt dan een waterfilm rechtstreeks op het metaal.
In een voorkeursuitvoeringsvorm van de dauwpuntskoeler volgens de uitvinding, zijn middelen aanwezig om een deel van de gekoelde primaire lucht als secundaire stroom te gebruiken.
Het is ook mogelijk middelen toe te passen voor het bevochtigen van de secundaire stroom (lucht) voordat deze toegevoegd wordt aan de secundaire zijde van de pijpen. Geschikte middelen zorgen voor een directe verdamping van water in de stroom. Voorbeelden daarvan zijn een natte mat, of een regengordijn.
Meer in het bijzonder zijn de middelen voor het bevochtigen aanwezig in het"omkeerpunt", dat wil zeggen in de secundaire stroom na de splitsing van de gekoelde lucht in een primaire en een secundaire stroom.
Gebleken is, en dat is een nader kenmerk van de uitvinding, dat deze verdeling van het water doelmatig kan worden uitgevoerd door bovenop elke verticale pijp een waterverdeler (fig. 6a-6b-6c) te plaatsen, die bestaat uit twee korte, concentrische buisgedeelten,
<Desc/Clms Page number 10>
30,32, waarvan de binnenste 30 tot in of om de pijp reikt en daar afdichtend is vastgeklemd, terwijl de buitenste op de bovenste pijpplaat steunt en aan de onderrand is voorzien van één of meer openingen 33, welke reiken tot de ringvormige spleet 31 tussen de twee buisgedeelten, terwijl de binnenste 30 is voorzien van meerdere langs de omtrek verdeelde openingen 34, die de ringvormige spleet 30 verbinden met de binnenkant van de buis en welke op enige afstand boven de pijpplaat zijn gelegen. Deze openingen 34 verdelen het toegevoerde water langs de omtrek van de pijp.
Door de pijp stromend gas kan dan ontwijken of binnentreden, door het binnenste buisgedeelte. Bij voorkeur is bovenaan de binnenste buis een trechtervormig gedeelte 35 aangebracht. Deze waterverdelers volgens de uitvinding hebben het voordeel van een zeer geringe drukval.
Zoals getoond in fig. 1 vindt men, evenals bij de bekende dauwpuntskoelers onder de pijpenbundel 12 een of meer vergaarbakken 4 voor te verdampen water, waar zich het niet verdampte water verzamelt en van waaruit water wordt toegevoerd op de bovenste pijpplaat 7, waarop de waterverdelers 13 steunen. Deze pijpplaat is voorzien van een opstaande rand.
Hoewel fig. l een concrete uitvoeringsvorm toont met vier secties pijpen zal duidelijk zijn, dat ook een ander aantal secties toegepast kan worden en dat de primaire stroom 1 en de secundaire stroom 2 naar behoefte die verschillende secties kunnen doorlopen.
Wanneer de pijpenbundel bestaat uit meerdere secties 3,3, die door de secundaire stroom 2 achtereenvolgens worden doorlopen, dan is het nuttig, dat elke sectie zijn eigen vergaarbak 4 heeft omdat die secties overeenkomen met verschillende temperaturen voor de secundaire stroom.
Het niveau in die reservoirs kan op gebruikelijke wijze constant worden gehouden. De primaire stroom 1 wordt dan buiten die pijpen tussen de lamellenplaten door gevoerd.
Om het water periodiek, dus gedurende de juiste periode en in de juiste hoeveelheid en met de juiste tussentijd op de bovenste pijpplaat door te voeren kan men diverse inrichtingen gebruiken.
De meest simpele mogelijkheid is een pomp, die op bekende wijze aan en uit wordt geschakeld. Dergelijke schakelingen zijn echter gevoelig voor storingen. In het eerder genoemde Amerikaanse octrooischrift 2.107. 280 is reeds een inrichting met een dubbele kantelgoot
<Desc/Clms Page number 11>
beschreven. Dit systeem werkt goed, maar heeft het bezwaar, dat het bewegende delen heeft, zodat het aan slijtage onderhevig is en niet over zeer lange perioden betrouwbaar zal werken. Volgens de uitvinding past men bij voorkeur een zelfstartend hevelsysteem toe.
Het principe van een dergelijk systeem is gegeven in fig. 7.
Daar wordt het reservoir R gevuld door een continue watertoevoer, bijvoorbeeld door een pomp, die water aanvoert uit de vergaarbak 4 onder de betrokken pijpen. Zodra het water in dit reservoir het niveau 1 heeft bereikt, begint de hevel H aanvankelijk slechts als overloopkanaal te fungeren. De hevel is echter voorzien van een springdam D, die het over de bodem van de hevel H stromende water doet spuiten tegen de bovenkant van de hevel en daardoor het luchtvolume boven de springdam afsluit. Door de betrekkelijk grote snelheid van het water wordt ter plaatse van de springdam de druk in die straal klein en daardoor wordt de lucht boven uit de hevel weggezogen. De hevel vult zich daardoor snel met water, zodat de situatie wordt bereikt, weergegeven in fig. 7b. Vanaf dat moment vult de hevel zich snel geheel waarna de waterafvoer door de hevel snel toeneemt tot zijn maximum.
Deze afvoer duurt voort tot het reservoir R is geledigd tot niveau 2, zodat aan het linkereinde van de hevel weer lucht kan toetreden, waarna de watertoevoer aan de pijpen stopt.
Op deze wijze kan men met regelmatige perioden een hoeveelheid water toevoeren, die bepaald wordt door de grootte van het reservoir R.
Bij proeven bleek, dat in sommige gevallen de hevelduur echter nog te lang was zodat niet de juiste verhouding tussen hevelduur en cyclustijd bereikt kon worden.
Immers, zoals gezegd, is in de hevel een springdam D aanwezig. Deze veroorzaakt wel het wegzuigen van lucht, zodat de hevel snel en gemakkelijk start, maar tevens kan diezelfde springdam D na het starten een obstakel in de uitloop vormen, zodat de uitstromende hoeveelheid water sterk in zijn loop wordt belemmerd.
Om die reden wordt volgens een verdere voorkeursuitvoering van de uitvinding naast of boven de reeds beschreven (kleine) hevel B (zie fig. 8a en 8b en 9) een tweede grotere hevel A gemonteerd, waarvan de uitloop in water staat, of waarvan in de uitloop een waterslot is aangebracht, zoals in fig. 8. Die grotere hevel heeft een hoogste
<Desc/Clms Page number 12>
punt, dat iets hoger ligt dan het hoogste punt van de kleine hevel, zodat de kleine hevel B wel zelfstartend is, maar de grote niet.
In de grotere hevel is dan ook geen springdam opgenomen. De kleine hevel start op de reeds beschreven manier, maar zuigt nu behalve zichzelf ook via één of meer verbindingskanalen, bijvoorbeeld de verbindingskanalen V, getoond in fig. 8c, de ernaast of erboven gemonteerde grotere hevel leeg, zodat ook die grote hevel snel gestart wordt.
Door de grote uitloopdoorsnede zonder springdam als obstakel is de afvoercapaciteit van hevel A zodanig, dat een korte uitlooptijd bereikt wordt.
Samenvattend is de essentie van de beschreven combinatie van een grote (hoofd) hevel A met een kleine (hulp) hevel B, dat de kleine hevel in hoofdzaak dienst doet om eerst zichzelf en daarna de grote hevel te starten. De waterafvoer door de kleine hevel is bijkomstig.
Daarentegen is de grote hevel geconstrueerd om een grote waterafvoer in beperkte tijd mogelijk te maken.
Het is van belang, dat deze waterafvoer in een korte tijd plaatsvindt, want in de (natte) pijpen van de warmteuitwisselaar moet periodiek een zo grote hoeveelheid water worden uitgestort, dat in alle pijpen tegelijk de gehele wand wordt bevochtigd, zodat daar de gewenste waterfilm wordt gevormd. Gedurende deze bevochtiging is in die pijpen korte tijd geen normaal doorstromen van de lucht onder warmteuitwisseling met een secundaire stroom mogelijk ; pas daarna kan de normale warmteuitwisseling worden voortgezet. Door deze periodieke watertoevoer wordt niet alleen de waterfilm in stand gehouden, maar tegelijk wordt eventueel stof en afzettingen op de pijwand weggespoeld.
Om het water zo gelijkmatig mogelijk over de pijpen te verdelen wordt dit water niet rechtstreeks in de pijpen gestort, maar bijvoorbeeld op een bovenste pijpplaat 7, die is voorzien van een opstaande rand (zie fig. 1). Vandaar stroomt het water tussen de verschillende waterverdelers 13 en stijgt op in de spleet tussen de binnenste en de buitenste buisgedeelten van die waterverdelers. De stromingsweerstand in de spleet zorgt ervoor, dat elke pijp slechts een beperkte hoeveelheid water kan opnemen, welke door de openingen 34 (zie fig. 6) wordt verdeeld langs de omtrek van elke pijp. Nadat de pijpen elk de gewenste hoeveelheid water hebben opgenomen, is het niveau van het water op de bovenste pijpplaat gezakt tot onder de rand van openingen
<Desc/Clms Page number 13>
34, zodat verder geen water in de pijpen wordt toegelaten voor de volgende watertoevoer.
In de praktijk zal men de grootte van de kleine hevel zo kiezen, dat hij bij de toegepaste watertoevoer zijn werking kan aanvangen en de grote hevel zo, dat het reservoir in minder dan 10 seconden en bij voorkeur in ongeveer 5 seconden wordt geledigd.
Door de hoge uitstroomsnelheid van het water uit de grote hevel wordt in de praktijk op één punt (afhankelijk van de plaats van de heveluitloop boven de pijpplaat) het water opgestuwd, van waaruit het zich een weg baant over de pijpplaat. Het gevolg van de opstuwing is, dat de meest nabijgelegen pijprijen een overdosis aan water toebedeeld krijgen, terwijl verderop gelegen pijprijen te weinig ontvangen. Het is doelmatig gebleken om het water uit de hevel op te vangen in een bak 10 (in fig. 10), die is uitgerust met een nauwe uitloop 11, die langs een rand van de pijpplaat 12 onder water uitmondt.
Nadat de hoofdhevel (fig. 9) gestart is, vult deze in eerste instantie de bak 10 (fig. 10) tot aan de overlooprand 13. Na het bereiken van deze rand gaat het water overlopen en wordt over de gehele lengte van de pijpplaat verdeeld. Omdat de uitloop 11 zeer eng is, terwijl de momentane wateraanvoer van de hoofdhevel zeer groot is, stijgt het waterniveau in de bak tot grotere hoogte, gepaard gaande met een toenemende stuwdruk op het overlopende water. Hierdoor wordt de in de kop van de overloop aanwezige lucht naar beneden afgevoerd en gaat de overloop als volwaardige hevel werken. Het gevolg is, dat behalve een gelijkmatige verdeling van het uitstromende water over de lengte van de pijpplaat het intermitterend effect van de hoofdhevel nog eens versterkt wordt.
Het uiteindelijke resultaat van de beschreven combinatie van waterreservoir voorzien van hoofd-en hulphevel enerzijds en de wateropvangbak met spleetvormige uitloop anderzijds, is een perfecte bevochtiging van alle betrokken pijpen in 3 à 4 seconden.
De dimensionering van een hulphevel bepaalt welk minimaal waterdebiet nodig is om de hevelwerking op gang te brengen. Tesamen met de gewenste cyclustijd ligt dan de reservoirinhoud vast.
Ook voor de wateropvangbak geldt, dat boven een bepaald (momentaan) waterdebiet de hevelwerking op gang komt. In de praktijk is bij afmetingen van de wateropvangbak, zoals deze in dauwpuntskoelers
<Desc/Clms Page number 14>
toegepast worden, dit debiet van dusdanige grootte, dat het onmogelijk is om enkel en alleen een wateropvangbak als stabiele waterdoseerinrichting te gebruiken met de juiste cyclustijd, uitstroomtijd en juiste uitstroomhoeveelheid.
Voor grotere installaties met een evenredig grotere te doseren waterhoeveelheid kan men in de eerder beschreven combinatie van een reservoir met gekoppelde hoofd-en hulphevel en de wateropvangbak, de gekoppelde hoofd-en hulphevel vervangen door een (verticale) overlooppijp, die reikt tot het hoogste noodzakelijke niveau in het reservoir en (door bijvoorbeeld een stolp) zodanig is overkapt, dat onder de rand van die overkapping water kan toetreden in de overlooppijp (zie fig. 11). De overlooppijp moet in de wateropvangbak een waterslot vormen. Het reservoir wordt met een continue waterstroom gevuld. Vanaf het moment, dat het. water door de overlooppijp uit het reservoir wegloopt, wordt de wateropvangbak met dezelfde waterstroom gevuld en stijgt het waterniveau zowel in de opvangbak als in de uitloop van de overlooppijp.
Zodra de opvangbak zijn hevelwerking heeft aangevangen, daalt het waterniveau in de opvangbak en tegelijk het niveau in de uitloop van de overlooppijp. Door deze niveaudaling verplaatst de in de overlooppijp en overkapping aanwezige lucht zich naar beneden. Omdat de druk in dit luchtvolume constant blijft, wordt in de overkapping het water hoger opgetrokken, waardoor de overlooppijp als hevel gaat functioneren. Het restant aan lucht in de overlooppijp wordt daarbij eveneens afgevoerd, zodat met volle hevelcapaciteit het reservoir wordt geledigd, totdat aan de onderrand van de stop lucht tot de overlooppijp toetreedt.
De beste resultaten met de hierboven beschreven combinatie worden bereikt als de maatvoering van de wateropvangbak zodanig is, dat de waterstroom, die door de hevel van de opvangbak wordt afgevoerd ofwel gelijk is aan de waterstroom, die door de hevelende overlooppijp wordt toegevoerd, ofwel een zo weinig groter is, dat beide hevels ongeveer tegelijk hun werking beëindigen.
In grote airconditioningssystemen wordt de ruimtelast gedekt door recirculeren van de ruimtelucht, waarbij deze lucht in één of meer centrale luchtbehandelingskasten wordt gekoeld, terwijl buitenlucht,
<Desc/Clms Page number 15>
die voor verversing nodig is, ofwel in afzonderlijke behandelingskasten op de juiste conditie gebracht wordt, waarna deze lucht in het hoofdrecirculatiesysteem geleid wordt, ofwel direct met de recirculatielucht gemengd wordt.
Als men deze verversingsluchtbehandelingskast (en) uitvoert met een koelinrichting volgens de uitvinding (z. g. dauwpuntskoeler) in combinatie met een mechanische nakoeling, dan is het mogelijk de recirculatieluchtbehandelingskasten zonder mechanische koeling uit te voeren en de hoofdruimtelast geheel te dekken met behulp van een dauwpuntskoeler volgens de uitvinding.
De uitvinding heeft daarom ook betrekking op een klimaatregelingsinrichting voor een ruimte, welke inrichting is voorzien van een eerste deel waar de temperatuur en het watergehalte van de buitenlucht op een gewenste waarde worden gebracht en de zo behandelde lucht in de ruimte worden gevoerd en van een tweede deel, waar zich in de ruimte bevindende lucht wordt gecirculeerd en de temperatuur weer op de gewenste waarde wordt gebracht onder terugvoer van het grootste gedeelte van de circulerende lucht en onder afvoer van een geringer gedeelte daarvan, welke inrichting is gekenmerkt doordat in het eerste deel buitenlucht wordt afgekoeld in een dauwpuntskoeler volgens de uitvinding en, zo nodig,
daarna door mechanische koeling de temperatuur en/of het vochtgehalte van die lucht wordt verlaagd tot de gewenste waarde en in het tweede deel de afkoeling wordt uitgevoerd met een dauwpuntskoeler volgens de uitvinding zoals hierboven aangegeven. Een dergelijk systeem is weergegeven in fig. 2.
<Desc/Clms Page number 16>
De uitvinding heeft eveneens betrekking op een klimaatregelingsinrichting voor een ruimte, welke inrichting is voorzien van een deel, waarin van een mengsel van zich in die ruimte bevindende lucht en buitenlucht de temperatuur en het watergehalte op een gewenste waarde worden gebracht onder terugvoer van het grootste gedeelte van het mengsel en onder afvoer van een geringer gedeelte daarvan, welke inrichting is gekenmerkt doordat in dat deel een deel van de afkoeling wordt uitgevoerd met een dauwpuntskoeler van het hierboven beschreven type, waarna zo nodig de temperatuur en het watergehalte van de lucht verder worden verminderd op bekende wijze.
Inzicht in de met deze twee uitvoeringsvormen te bereiken energiebesparing wordt verkregen aan de hand van het onderstaande voorbeeld, waarin de beide genoemde typen klimaatregelingsinrichtingen worden vergeleken met een inrichting, die uitsluitend mechanische koeling gebruikt.
VOORBEELD
Wij gaan uit van een te conditioneren kantoorruimte met een warmteproductie (ruimtelast) van 100 kW, een recirculatieluchthoeveelheid van 30.000 m3/h en een minimale verversingsluchthoeveelheid van 15% van de recirculatielucht.
Op grond van behaaglijkheidsdiagrammen uit de literatuur (Recknagel, Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik, Oldenburg verlag, München 1974) wordt in het kantoor een ruimteconditie gewenst van 250C/45%. Voor de conditie van de buitenlucht (= verversingslucht) gaan wij uit van 30 C/50%.
Aangenomen wordt, dat in de kantoorruimte geen waterdamp wordt geproduceerd (absoluut vochtgehalte x = constant). De hoeveelheid recirculatielucht bedraagt 30.000 m3/h = 36.000 kg/h ; de massastroom is dus 10 kg/sec. Warmteproduktie = 100 kW (= ruimtelast). Enthalpietoename = 10 kJ/kg ; dit komt overeen met 100C temperatuurstijging.
Hieruit volgt, dat de inblaastemperatuur van de ruimte lucht 150C moet bedragen.
Methode 1 : Uitsluitend mechanische koeling (vergelijkend)
De verversingslucht en de recirculatielucht worden gemengd, voor zij de koelinstallatie doorlopen. Het mengsel bestaat dus voor 85% uit ruimtelucht met conditie 250C/45% en voor 15% uit verse buitenlucht met conditie 30 C/50%. De enthalpie van het mengsel bedraagt :
<Desc/Clms Page number 17>
h = 51 kJ/kg. De inblaasconditie is 15 C/85% met enthalpie h = M 38 kJ/kg. Enthalpievermindering bij koeling = 13 kJ/kg. De massa- stroom van het mengsel m = 10 kg/s.
Het benodigde koelvermogen wordt
EMI17.1
dan q1 = x Ah = 130 kW. l m Methode 2 : Dauwpuntskoeling op hoofdlast en gecombineerde dauwpunts-/ mechanische koeling op verversingslucht (fig. 2)
Op grond van experimenten met een proefopstelling van de dauwpuntskoeler blijkt, dat het mogelijk is een luchtstroom af te koelen tot een temperatuur, die minder dan 1, 5 C verwijderd is van de erbij behorende natte-boltemperatuur.
Uit dit gegeven volgt, dat in dit voorbeeld de ruimtelast geheel door dauwpuntskoeling gedekt kan worden. De enthalpieafname is daarbij 10 kJ/kg. Ook is bekend, dat door een juiste instelling van de massastroomverhouding tussen primaire en secundaire lucht het verschil tussen intredetemperatuur van de primaire lucht en uittredetemperatuur van de verzadigde secundaire lucht eveneens op 1, SIC gehouden kan worden. De enthalpietoename van de secundaire lucht is dan gelijk aan 70-38 = 32 kJ/kg, zodat de massastroomverhouding 3,2 moet bedragen, ofwel de secundaire luchtstroom in de hoofddauwpuntskoeler is gelijk aan--x 36.000 = 10.800 kg/h. Deze hoeveelheid moet als verse 3, 2 lucht aan het systeem toegevoerd worden.
Deze verse (buiten) lucht met oorspronkelijke conditie 30 C/50% wordt eveneens door middel van dauw-
EMI17.2
puntskoeling eerst tot conditie 21 C/85% gekoeld en daarna mechanisch nagekoeld tot conditie 15 C/85%. De enthalpieafname tijdens deze mecha- nische koeling bedraagt hc-h, = 56-38 = 18 kJ/kg, de massastroom van deze verversingslucht m = 10.800 kg/h = 3 kg/s. Het koelvermogen
EMI17.3
= xAh kW. Uitgedrukt in procenten van het volgens 54 methode 1 noodzakelijke koelvermogen is dit--x 100% = 41, 5%.
130
Uit statistische gegevens voor de situatie in Nederland blijkt, dat per jaar 27 uur hetzelfde absolute vochtgehalte optreedt als in genoemd voorbeeld. In 22 uur daarvan kunnen wij met behulp van de dauwpuntskoeling de conditie 21 C/85% bereiken. Dit betekent, dat slechts gedurende 22 uur per jaar de berekende 54 kW aan koelvermogen nodig is en dat met uitzondering van 14 overschrijdingsuren verder altijd met minder energie volstaan kan worden.
<Desc/Clms Page number 18>
Het is daarom zinvol hier het begrip"koelgraaduren"te introduceren. Hieronder wordt verstaan het produkt van het aantal uren waarin een zekere hoeveelheid lucht afgekoeld moet worden om een bepaalde conditie te bereiken en het temperatuurtraject in graden, waarover die afkoeling plaatsheeft. Het is een maat voor de hoeveelheid energie, die voor deze afkoeling noodzakelijk is.
Met behulp van genoemde statistische gegevens kan op bovenstaande wijze berekend worden, dat voor conditionering van de kantoorruimte in ons voorbeeld volgens methode 2 het aantal koelgraaduren 3.720 per jaar bedraagt.
Uit genoemde publicatie van Recknagel vinden wij voor koelmethode 1 : 8.175 koelgraaduren per jaar. Bij methode 1 is het aantal koelgraaduren werkzaam op 15% van 36.000 kg/h = 5.400 kg/h, terwijl de overige 30.600 kg/h 10 C afgekoeld moeten worden gedurende een periode van ongeveer 3.5 maand in het koelseizoen tijdens kantooruren (8-18 uur).
Dit totaal aantal koeluren (ca. 1.000) komt goed overeen met het aantal, dat in fig. 10 gevonden wordt voor luchttemperaturen hoger dan 150C. Dit aantal is 1.015, zodat het aantal koelgraaduren gelijk is aan 10.150. Bij methode 2 is het berekend aantal koelgraaduren slechts werkzaam op 10.800 kg/h. De bij de twee methoden per jaar te gebruiken koelenergie Q, en Q2 verhouden zich derhalve op de volgende wijze :
EMI18.1
Dit betekent een energiebesparing van 89% bij de thans voorgestelde koelmethode.
Opmerking : In dit voorbeeld is niet in rekening gebracht, dat bij buitencondities, die niet zo extreem zijn als 30 C/50% en bovendien ook frequenter voorkomen, de koelbehoefte in een ruimte kleiner is. In de door Recknagel gegeven tabellen zijn deze invloeden wel verdisconteerd.
Resumerend kan gesteld worden, dat bij de hier voorgestelde koelmethode 2 : 1. het te installeren koelvermogen tot ca. 40% van dat bij volledig mechanische koeling terug te brengen is, 2. het aantal vollasturen op deze gereduceerde koelinstallatie in
Nederland maximaal slechts 40 uur per jaar bedraagt,
<Desc/Clms Page number 19>
3. een energiebesparing van bijna 90% bereikt wordt.
Methode 3 : Gecombineerde dauwpunts-/mechanische koeling op mengsel van recirculatie-en verversingslucht (fig. 3).
Uiteraard is het ook mogelijk om een mengsel van de ruimtelucht en de verversingslucht eerst een dauwpuntskoeler te laten doorlopen en daarna mechanisch te koelen. Het dauwpuntskoelprincipe brengt met zich mee, dat het mengsel nu ongeveer voor 70% uit ruimtelucht en voor 30% uit verse buitenlucht moet bestaan.
De enthalpie van het mengsel bedraagt h = 53 kJ/kg. Koelen tot een temperatuur die 1, 5 C boven de erbij behorende natte-boltemperatuur ligt, betekent koelen tot 170C (met een enthalpie h = 44 kJ/kg).
De enthalpieafname is dan 9 kJ/kg.
Op basis van de te bereiken eindtemperatuur van 25 C (dit is 1, 5 C onder de mengseltemperatuur) is de enthalpietoename van de secundaire luchtstroom 76-44 = 32 kJ/kg.
Voor de massastroomverhouding tussen primaire en secundaire
EMI19.1
luchtstroom moet gelden mm/m2 zodat m2 = 0, 28 mm (de mengverm z 2 m houding 70%-30% blijkt dus juist te zijn). Het verschil tussen m en m is de hoeveelheid recirculatielucht en dus gelijk aan 36. 000 kg/h, zodat m-m = (1 28) m = 36. 000, waaruit volgt : = 000 kg/h en = 14. 000 kg/h (zie fig. 12).
Door de dauwpuntskoeling bereikt het mengsel van ruimtelucht en verversingslucht de conditie 17 C/85%. Om de inblaasconditie 15 C/85% te verkrijgen, wordt deze hoeveelheid lucht (36. 000 kg/h ofwel 10 kg/s) mechanisch nagekoeld. De enthalpieafname is daarbij 44-38 6 kJ/kg.
Het mechanische koelvermogen wordt : = 10. = 60 kW Uitgedrukt in procenten van het koelvermogen bij methode 1 6n is dit : . = 46%.
130 = 32/9,Op dezelfde wijze als bij methode 2 worden in dit voorbeeld 1.852 koelgraaduren berekend, die werkzaam zijn op 36.000 kg/h lucht.
De benodigde mechanische koelenergie op jaarbasis Q3 verhoudt zich tot die methode 1 als :
EMI19.2
<Desc/Clms Page number 20>
Ook bij deze methode is dus de energiebesparing aanzienlijk (ruim 80%).
Ten opzichte van methode 2 is bij methode 3 de energiebesparing weliswaar minder groot, maar daar staat tegenover, dat methode 3 een aanmerkelijke besparing op de investeringskosten oplevert, doordat de apart te installeren dauwpuntskoeler voor de verversingslucht komt te vervallen.
Tot slot zij opgemerkt, dat bij gebruik van dauwpuntkoelers wel rekening gehouden moet worden met een iets hogere transportenergie, op de eerste plaats omdat behalve de gebruikslucht ook een hoeveelheid lucht moet worden aangezogen, die na koeling als secundaire stroom gebruikt wordt, en op de tweede plaats omdat de drukverliezen in de nu beschreven warmtewisselaar groter zijn dan die in conventionele koelinstallaties.
De constructie van de koelinrichting volgens de uitvinding is uitermate geschikt om in wintertijd als recuperator dienst te doen.
De vers aangevoerde lucht stroomt daarbij om de pijpen, terwijl de afgewerkte ruimtelucht erdoorheen geleid wordt. Zodoende kan in voorkomende gevallen condenswater langs de binnenomtrek van de pijpen omlaag stromen en in de aanwezige vergaarbak opgevangen worden.
Bovendien maakt de bevochtigingsinrichting het mogelijk regelmatig pijpen te spoelen om aangehecht stof te verwijderen.
In recuperatiebedrijf is de massaverhouding tussen de twee luchtstromen in principe gelijk aan 1. Door de oppervlaktevergroting met behulp van lamellen aan de droge zijde van de warmtewisselaar wordt de warmtedoorgangscoëfficiënt berekend op het oppervlak van de pijpen hoofdzakelijk bepaald door de warmteoverdrachtscoëfficiënt aan de natte zijde (= binnenoppervlak) en in getalwaarde is hij er bij benadering gelijk aan. Samen met het grote pijpaandeel van de warmtewisselaar leidt dit tot een grote totale warmteoverdracht, zodat het rendement van de uitwisselaar tot 80 à 90% kan oplopen.