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Die Erfindung betrifft eine Sorptionswärmetauscheranlage nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Für die thermisch angetriebene Klimatisierung eines Luftstromes sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt, so auch Verfahren zur Kühlung durch Trocknung und Verdunstung. Bei solchen, sogenannten offenen Verfahren wird üblicherweise ein Trocknungsmittel verwendet, um einen zu klimatisierenden Luftstrom zu trocknen, der beispielsweise in ein Gebäude eingeleitet werden soll. Handelt es sich um ein festes Trocknungsmittel so wird zumeist ein sogenanntes Sorptionsrad verwendet, das mit dem Trocknungsmittel beschichtet ist. Neben dem Auftreten von Schleppluft und Leckage liegt ein besonderes Problem solcher Sorptionsräder jedoch darin, dass es nur äußerst bedingt möglich ist, sie ausreichend zu kühlen während sie die durch sie hindurch strömende Luft trocknen.
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Man hat daher Systeme entwickelt, die eine Entfeuchtungsvorrichtung mit zwei oder mehr zyklisch versetzt arbeitenden Sorptionswärmetauschern umfassen. Bei solchen Systemen wird stets ein Sorptionswärmetauscher gekühlt, während hindurch strömende Luft getrocknet wird. Ein zweiter Sorptionswärmetauscher wird in dieser Zeit zum Zweck der Regeneration, d. h. zur Trocknung des Sorptionsmittels, erhitzt. Ist die Aufnahmekapazität des trocknenden Sorptionswärmetauschers erreicht wird die Situation umgekehrt und der zuvor gekühlte Sorptionswärmetauscher wird zum Trocknen verwendet während der zuvor trocknende Sorptionswärmetauscher regeneriert wird. Dabei tritt jedoch das Problem auf, dass die Feuchtigkeit der aus der Entfeuchtungsvorrichtung austretenden Luft zyklischen Schwankungen unterliegt. Dies kann zu einem zwischenzeitlichen, unangenehmen Anstieg der Raumluftfeuchte führen.
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Die Druckschriften
US 3204388 A ,
JP H07-163830 A und
JP 2005-127531 A zeigen Klimatisierungseinheiten nach dem Stand der Technik.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sorptionswärmetauscheranlage bereitzustellen, die diese und andere Nachteile des Standes der Technik überwindet. Die Anlage soll einfach und kostengünstig realisierbar sein. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, dass insbesondere zyklisch auftretende Schwankungen der Raumluftfeuchte soweit wie möglich vermieden werden.
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Erfindungsgemäß wird dies mit einer Sorptionswärmetauscheranlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen 2 bis 5 zu entnehmen.
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Bei einer Sorptionswärmetauscheranlage zur Konditionierung von Frischluft, mit einem Zuluftanschluss und mit einer Entfeuchtungseinheit, die wenigstens zwei Sorptionswärmetauscher umfasst, wobei in jedem Sorptionswärmetauscher ein festes Trocknungsmittel angeordnet ist, sieht die Erfindung vor, dass zwischen der Entfeuchtungseinheit und dem Zuluftanschluss ein Festbettadsorber angeordnet ist, wobei der Festbettadsorber wenigstens ein Trocknungsmittel aufweist.
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Die zu klimatisierende Luft strömt bei einer solchen Sorptionswärmetauscheranlage zunächst in die Entfeuchtungseinheit. Dort wird sie mit Hilfe der Sorptionswärmetauscher entfeuchtet. Die Luftfeuchtigkeit der aus der Entfeuchtungseinheit austretenden Luft unterliegt dabei zyklischen Schwankungen. Diese entstehen dadurch, dass die Sorptionswärmetauscher abwechselnd arbeiten, wobei stets einer die einströmende Luft trocknet bis seine Aufnahmekapazität erreicht ist, während der andere regeneriert wird. Die aus der Entfeuchtungseinheit ausströmende zyklisch entfeuchtete Luft wird sodann durch den Festbettadsorber geleitet, bevor sie die Sorptionswärmetauscheranlage durch den Zuluftanschluss verlässt, beispielsweise in einen zu klimatisierenden Raum.
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Der Festbettadsorber gleicht dabei die zyklischen Schwankungen der Luftfeuchtigkeit weitestgehend aus. Die durch den Zuluftanschluss ausströmende klimatisierte Luft unterliegt in der Folge nur verhältnismäßig geringen Luftfeuchtigkeitsschwankungen. Unangenehme Maxima in der Raumluftfeuchtigkeit können auf diese Weise vermieden werden. Man erkennt, dass es von großem Vorteil ist, wenn der Festbettadsorber wenigstens ein Trocknungsmittel aufweist. Hat die anströmende zyklisch entfeuchtete Luft eine hohe Luftfeuchtigkeit, so wird diese von dem Trocknungsmittel des Festbettadsorbers aufgenommen. Ist die Luftfeuchtigkeit der anströmenden Luft dagegen gering, wird in umgekehrter Weise vom Trocknungsmittel Feuchtigkeit an die vorbeiströmende Luft abgegeben.
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Zwischen der Entfeuchtungseinheit und dem Zuluftanschluss ist eine zusätzliche Kühleinheit angeordnet, wobei die zusätzliche Kühleinheit zwischen der Entfeuchtungseinheit und dem Festbettadsorber oder zwischen dem Festbettadsorber und dem Zuluftanschluss angeordnet ist.
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Man erkennt weiter, dass es günstig ist, wenn das Trocknungsmittel des Festbettadsorbers eine Trocknungsmittelschüttung oder eine mit Trocknungsmittel beschichtete Trägerplatte ist. Ist das Trocknungsmittel eine Trocknungsmittelschüttung, so kann die anströmende Luft einfach durch diese hindurch geblasen werden. Ist das Trocknungsmittel eine beschichtete Trägerplatte, so kann die anströmende Luft über deren Oberfläche geleitet werden.
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Dabei ist auch vorstellbar, dass das Trocknungsmittel des Festbettadsorbers ein Trägerplattensystem ist, umfassend wenigstens zwei parallel zueinander angeordnete Trägerplatten. Die Trägerplatten sind auch hier bevorzugt mit Trocknungsmittel beschichtet. Die anströmende Luft kann dann zwischen den parallel zueinander angeordneten Trägerplatten hindurch geleitet werden, so dass sie parallel entlang deren Oberfläche strömt.
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Es ist zweckmäßig, wenn die Kühleinheit auf der zuluftberührenden Seite mit einem Trocknungsmittel beschichtet ist.
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Der besondere Vorteil eines solchen Verfahrens liegt darin, dass der Zuluftstrom in einen Festbettadsorber geleitet wird, wobei der Zuluftstrom das Trocknungsmittel des Festbettadsorbers durchströmt. Die durch die beiden Sorptionswärmetauscher geleitete Luft unterliegt wie oben bereits dargestellt zyklischen Schwankungen der Luftfeuchtigkeit. Diese werden durch den Festbettadsorber ausgeglichen.
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Die durch den Festbettadsorber strömende Luft hat am Beginn eines Entfeuchtungszyklus eine relativ geringe Luftfeuchtigkeit, da der trocknende Sorptionswärmetauscher noch eine hohe Aufnahmekapazität aufweist. Das Trocknungsmittel des Festbettadsorbers wird dabei desorbiert, d. h. getrocknet, in dem die darin enthaltene Feuchtigkeit an die durchströmende Zuluft abgegeben wird. Im Lauf der Zeit nimmt die Luftfeuchtigkeit der anströmenden Zuluft jedoch zu. Gleichzeitig hat das Trocknungsmittel des Festbettadsorbers immer weniger Wasser gespeichert. Das Desorptionsverhalten des Trocknungsmittels kehrt sich etwa nach der Hälfte der Zyklusdauer automatisch von einer Desorptionsphase in eine Adsorptionsphase um. Das Trocknungsmittel nimmt dann Feuchte aus der durchströmenden Zuluft auf. Dieser Prozess benötigt keinerlei Steuerung oder Wärmezu- oder -abführung. Desorptionsphase und Adsorptionsphase wechseln sich vielmehr automatisch ab und zwar in Abhängigkeit der zyklischen Schwankungen der Entfeuchtungseinrichtung.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahmen werden nicht nur die zyklischen Schwankungen der Luftfeuchtigkeit kompensiert, auch die durch zyklische Entfeuchtungsverfahren bedingten zyklischen Temperaturschwankungen werden ausgeglichen.
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Die Zeichnungen erläutern ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, dabei zeigt
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1 eine schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Sorptionswärmetauscheranlage;
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2 die Luftfeuchtigkeitsschwankungen der Raumluft vor und nach dem Durchströmen eines Festbettadsorbers.
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Bei der Sorptionswärmetauscheranlage 10, wie sie schematisch in 1 dargestellt ist, handelt es sich um eine offene Sorptionswärmetauscheranlage 10 zur Konditionierung von Frischluft.
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Die Sorptionswärmetauscheranlage 10 umfasst eine Entfeuchtungseinheit 30 und einen Zuluftanschluss 40. Durch den Zuluftanschluss 40 wird die konditionierte Frischluft in einen zu klimatisierenden Raum geleitet. Die Entfeuchtungseinheit 30 hat zwei Sorptionswärmetauscher 31, 32, nämlich einen ersten Sorptionswärmetauscher 31 und einen zweiten Sorptionswärmetauscher 32. In jedem der Sorptionswärmetauscher 31, 32 ist ein festes Trocknungsmittel angeordnet, bevorzugt in Form eines beschichteten Sorptionswärmetauschers.
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Die Sorptionswärmetauscheranlage 10 umfasst weiterhin einen Kreislauf K, in welchem ein Temperiermittel umgewälzt wird. Bei dem Temperiermittel handelt es sich bevorzugt um Wasser oder eine Wasser-Glykol-Mischung. Der Kreislauf K versorgt dabei beide Sorptionswärmetauscher 31, 32. Hierbei muss einem Temperiermittelbehälter 33 Wärme zugeführt werden, beispielsweise von einer solarthermischen Anlage. Und dem zweiten Temperiermittelbehälter 34 muss Wärme entzogen werden, zum Beispiel durch direkte oder indirekte Verdunstungskühlung. Zur Regelung der Umwälzung des Temperiermittels ist der Kreislauf K mit mehreren Ventilen ausgestattet.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen der Entfeuchtungseinheit 30 und der Kühleinheit 60 ein Festbettadsorber 50 angeordnet. In anderen Ausführungsvarianten kann die Kühleinheit 60 auch zwischen der Entfeuchtungseinheit 30 und dem Festbettadsorber 50 angeordnet sein, wichtig ist in jedem Fall aber, dass der Festbettadsorber 50 stromabwärts der Entfeuchtungseinheit 30 angeordnet ist.
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Die Sorptionswärmetauscher 31, 32 werden wechselweise in einem Konditionierungsmodus und einem Regenerationsmodus betrieben. Während des Konditionierungsmodus nimmt der jeweilige Sorptionswärmetauscher 31, 32 mit seinem Trocknungsmittel Feuchtigkeit aus der durchströmenden Luft auf, wobei er sich aufheizt.
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Während des Regenerationsmodus wird die aufgenommene Feuchtigkeit wieder an die durchströmende Luft abgegeben und der Sorptionswärmetauscher 31, 32 kühlt ab. Dabei befindet sich der erste Sorptionswärmetauscher 31 im Konditionierungsmodus, während der zweite Sorptionswärmetauscher 32 im Regenerationsmodus ist und umgekehrt.
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Die ankommende zu klimatisierende Luft wird in zwei Teilströmen p1 und p2 in die Entfeuchtungseinheit 30 eingeleitet. Der erste Teilstrom p1 wird durch den ersten Sorptionswärmetauscher 31 geleitet, während der zweite Teilstrom p2 durch den zweiten Sorptionswärmetauscher 32 geleitet wird. Die Luftfeuchtigkeit des aus der Entfeuchtungseinheit 30 ausströmenden Zuluftstromes z unterliegt relativ starken zyklischen Schwankungen, wie sie in 2 in der ersten Kurve k1 erkennbar sind.
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Zum Ausgleich dieser zyklischen Schwankungen wird der Zuluftstrom z durch den stromabwärts angeordneten Festbettadsorber 50 geleitet. Dabei werden die zyklischen Luftfeuchtigkeitsschwankungen geglättet, denen der Zuluftstrom z unterliegt, in dem der Festbettadsorber abwechselnd und zyklisch gegenläufig zur Amplitude der Luftfeuchtigkeit des Zuluftstromes z arbeitet. Die danach auftretenden Schwankungen haben eine wesentlich geringere Amplitude, wie man in 2 in der zweiten Kurve k2 deutlich erkennt. Ist die Luftfeuchtigkeit des anströmenden Zuluftstromes z noch gering, wird in einer ersten Phase, nämlich der Desorptionsphase D, vom Trocknungsmittel des Festbettadsorbers 50 Feuchtigkeit an die vorbeiströmende Luft abgegeben. Hat der anströmende zyklisch entfeuchtete Zuluftstrom z dagegen eine hohe Luftfeuchtigkeit erreicht, wird diese in einer zweiten Phase, nämlich der Adsorptionsphase A, von dem Trocknungsmittel des Festbettadsorbers 50 aufgenommen. Das Trocknungsmittel wird dabei in der Desorptionsphase D regeneriert und vorbereitet, so dass es in der Adsorptionsphase A tatsächlich als Trocknungsmittel wirken und die Feuchte aus der vorbeiströmenden Luft aufnehmen kann.
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In dem in 2 dargestellten Beispiel erkennt man in Kurve k1 insbesondere, dass der aus der Entfeuchtungseinrichtung 30 ausströmende Zuluftstrom z ausgangs eine Schwankung der Luftfeuchtigkeit zwischen 6 und 12 g/kg aufweist bei einer Periodendauer von 20 Minuten. Nachdem dieser Zuluftstrom z durch den Festbettadsorber 50 geleitet wurde schwankt die Luftfeuchtigkeit, wie in Kurve k2 ersichtlich, nur noch zwischen 9 und 10 g/kg bei gleich gebliebener Periodenlänge.
