DE102011107038A1

DE102011107038A1 - Sorptionswärmetauscheranlage und Verfahren zum Betrieb einer Sorptionswärmetauscheranlage

Info

Publication number: DE102011107038A1
Application number: DE201110107038
Authority: DE
Inventors: Thomas Danne; Thomas Weil
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-07-09
Filing date: 2011-07-09
Publication date: 2013-01-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sorptionswärmetauscheranlage und ein Verfahren zum Betrieb einer Sorptionswärmetauscheranlage. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anlage bereitzustellen, die einfach und kostengünstig realisierbar ist. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Sorptionswärmetauscheranlage bereitzustellen. Dabei sollen insbesondere zyklisch auftretende Schwankungen der Raumluftfeuchte soweit wie möglich vermieden werden. Gekennzeichnet ist die erfindungsgemäße Sorptionswärmetauscheranlage dadurch, dass die Sorptionswärmetauscheranlage (10) eine Umgehungsleitung (50) aufweist, die die Entfeuchtungseinheit (30) überbrückt und den Außenlufteinlass (20) mit der Zuluftleitung (40) verbindet, wobei in der Umgehungsleitung (50) eine regelbare Öffnungsvorrichtung (51) ausgebildet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass es das Einleiten von Außenluft durch den Außenlufteinlass (20), das Aufteilen des Außenluftstroms in einen ersten Luftstrom (p) und einen zweiten Luftstrom (u), die Zuführung des ersten Luftstromes (p) durch die Entfeuchtungseinrichtung (30) und Entfeuchten des Luftstromes (p), so dass ein entfeuchteter Luftstrom (e) entsteht; die Zuführung des zweiten Luftstromes (u) durch die Umgehungsleitung (50) und das Zusammenführung des entfeuchteten Luftstromes (e) und des zweiten Luftstromes (u) in einem Zuluftstrom (z) in der Zuluftleitung (40) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sorptionswärmetauscheranlage nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer Sorptionswärmetauscheranlage nach Anspruch 6.
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.
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.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sorptionswärmetauscheranlage bereit zustellen, 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, ein Verfahren zum Betrieb einer Sorptionswärmetauscheranlage bereitzustellen. Dabei sollen insbesondere zyklisch auftretende Schwankungen der Raumluftfeuchte soweit wie möglich vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird dies mit einer Sorptionswärmetauscheranlage und einem Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen 2 bis 5 und 7 bis 9 zu entnehmen.
Bei einer Sorptionswärmetauscheranlage zur Konditionierung von Frischluft, mit einem Außenlufteinlass, mit einer stromabwärts des Außenlufteinlasses angeordneten Entfeuchtungseinheit, die wenigstens einen ersten Sorptionswärmetauscher und wenigstens einen zweiten Sorptionswärmetauscher umfasst, wobei in dem ersten und dem zweiten Sorptionswärmetauscher jeweils ein festes Trocknungsmittel angeordnet ist, und mit einer stromabwärts der Entfeuchtungseinheit angeordneten Zuluftleitung, sieht die Erfindung vor, dass die Sorptionswärmetauscheranlage eine Umgehungsleitung aufweist, die die Entfeuchtungseinheit überbrückt und den Außenlufteinlass mit der Zuluftleitung verbindet, wobei in der Umgehungsleitung eine regelbare Öffnungsvorrichtung ausgebildet ist.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Sorptionswärmetauscheranlage eine Umgehungsleitung aufweist, die die Entfeuchtungseinheit überbrückt und den Außenlufteinlass mit der Zuluftleitung verbindet, wobei in der Umgehungsleitung eine regelbare Öffnungsvorrichtung ausgebildet ist. Die durch die Zuluftleitung abgegebene Luft besteht bei einer solchen Sorptionswärmetauscheranlage aus einem Gemisch von entfeuchteter Luft aus der Entfeuchtungseinheit und nicht entfeuchteter Luft aus der Umgehungsleitung. Durch eine geschickte Ansteuerung der regelbaren Öffnungsvorrichtung ist es dabei möglich, die absolute Luftfeuchtigkeit des Luftgemischs nahezu konstant zu halten. Auf diese Weise kann eine Glättung der Luftfeuchtigkeitsschwankungen der zyklisch entfeuchteten Luft erzielt werden.
Dabei ist es günstig, wenn die regelbare Öffnungsvorrichtung eine schwenkbare Klappe ist. Mit Hilfe einer solchen Klappe kann die Öffnungsweite der Umgehungsleitung und damit die Menge des durch die Umgehungsleitung abgezweigten Luftstromes rasch und einfach reguliert werden.
Die Glättung kann zusätzlich verbessert werden, wenn stromabwärts der Entfeuchtungseinheit und/oder der Umgehungsleitung ein Festbettadsorber, der wenigstens ein Trocknungsmittel enthält, angeordnet ist. Der Festbettadsorber gleicht dabei die noch verbleibenden geringen zyklischen Schwankungen der Luftfeuchtigkeit weitestgehend aus. Die durch die Fortluftleitung 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.
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.
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.
Bei einem Verfahren zur Konditionierung von Frischluft mit Hilfe einer Sorptionswärmetauscheranlage sieht die Erfindung die folgenden Schritte vor:

a) Einleiten von Außenluft durch den Außenlufteinlass
b) Aufteilen des Außenluftstroms in einen ersten Luftstrom und einen zweiten Luftstrom
c) Zuführung des ersten Luftstromes durch eine Entfeuchtungseinrichtung, welche so temperiert wird, dass das darin enthaltene Trocknungsmittel Luftfeuchtigkeit aufnimmt, und Entfeuchten des Luftstromes, so dass ein entfeuchteter Luftstrom entsteht;
d) gleichzeitige Zuführung eines zweiten Luftstromes zum Regenerieren der zweiten Entfeuchtungseinrichtung, welche so temperiert wird, dass das in der Entfeuchtungseinrichtung enthaltene Trocknungsmittel Feuchtigkeit an die Luft abgibt, welche anschließend fortgeführt wird,
e) Zuführung des zweiten Luftstromes durch die Umgehungsleitung
f) Zusammenführung des entfeuchteten Luftstromes und des zweiten Luftstromes in einem Zuluftstrom in der Zuluftleitung
g) Wechsel der Temperierung der Entfeuchtungseinrichtungen, sowie Umschalten der Klappen,
h) Wiederholung der Schritte a) bis f).

Bei einem solchen Verfahren ist es von besonderem Vorteil, dass nur ein Teil des Außenluftstromes durch die Entfeuchtungseinrichtung geleitet wird. Dieser unterliegt den eingangs beschriebenen zyklischen Schwankungen der Luftfeuchtigkeit. Der dabei auftretende Fall besonders trockener Luft kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wirkungsvoll ausgeglichen werden, in dem ein entsprechender Anteil nicht entfeuchteter Luft durch die Umgehungsleitung abgezweigt und mit der entfeuchteten Luft gemischt wird.
Man erkennt, dass es günstig ist, wenn der Anteil des zweiten Luftstromes am Gesamtluftstrom, der aus dem ersten Luftstrom und dem zweiten Luftstrom besteht, durch die Öffnungsweite der regelbaren Öffnungsvorrichtung bestimmt wird. Dabei kann die Öffnungsweite der regelbaren Öffnungsvorrichtung beispielsweise durch folgende Schritte festgelegt werden:

i) Festsetzen eines Luftfeuchtigkeitssollwertes;
j) Messen der tatsächlichen Luftfeuchtigkeit des Außenluftstromes und/oder des Zuluftstromes;
k) Bestimmen der Abweichung zwischen der in Schritt b) gemessenen Luftfeuchtigkeit und dem in Schritt a) festgesetzten Luftfeuchtigkeitssollwert;
l) Öffnen oder Schließen der regelbaren Öffnungsvorrichtung in Abhängigkeit von der festgestellten Abweichung in Schritt c).

Zur Minimierung unangenehmer Luftfeuchtigkeitsspitzen, kann der wieder zusammengeführte Außenluftstrom außerdem in einem Schritt f) durch einen Festbettadsorber geleitet werden.
Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigt in der einzigen
1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Sorptionswärmetauscheranlage
Bei der Sorptionswärmetauscheranlage 10, wie sie schematisch in 1 dargestellt ist, handelt es sich um eine offene Sorptionswärmetauscheranlage 10 zur Konditionierung von Frischluft. Die Sorptionswärmetauscheranlage 10 hat einen Außenlufteinlass 20, eine Enfteuchtungseinheit 30 und eine Zuluftleitung 40.
Die Entfeuchtungseinheit 30 besteht aus zwei Sorptionswärmetauschern 31, 32 und jeweils einer an die Sorptionswärmetauscher 31, 32 angeschlossenen Weiterleitung 36. Jede Weiterleitung 36 verfügt dabei über eine Verzweigung 361 die über eine Fortluftabzweigung 33 zu einer Fortluftleitung 35 führt. Sowohl die Öffnungsweite der Weiterleitung 36 als auch die der Fortluftabzweigung 33 ist jeweils durch eine Lüftungsklappe 34, 37 regelbar. Alle Weiterleitungen 36 münden in die gemeinsame Zuluftleitung 40.
Die Sorptionswärmetauscheranlage 10 hat außerdem eine Umgehungsleitung 50 mit einer regelbaren Öffnungsvorrichtung 51.
Auch die Umgehungsleitung 50 mündet in die Zuluftleitung 40. Auf diese Weise werden in der Zuluftleitung 40 die zyklisch entfeuchtete Luft aus der Entfeuchtungseinheit 30 und die nicht entfeuchtete Luft aus der Umgehungsleitung 50 miteinander gemischt. Stromabwärts der Mündung der Umgehungsleitung 50 ist ein Festbettadsorber 60 angeordnet, der eine zusätzliche Glättung der Luftfeuchtigkeitsschwankungen bewirkt.
Jeweils ein Sorptionswärmetauscher 31, 32 wird somit zur Trocknung der Luft genutzt und parallel muss der zweite Sorptionswärmetauscher 31, 32 regeneriert werden. Der trockene Luftstrom der zwei Teilluftströme e1, e2 wird jeweils mit der Bypassluft u gemischt und der Regenerationsluftstrom wird fortgeführt.
Zur Steuerung der jeweiligen Anteile des zu entfeuchtenden Luftstromes p und des umgeleiteten, nicht zu entfeuchtenden Luftstroms u ist in der Sorptionswärmetauscheranlage 10 die regelbare Öffnungsvorrichtung 51 ausgebildet. Dabei handelt es sich im dargestellten Beispiel um eine schwenkbare Klappe. Deren Öffnungsgrad bestimmt den Anteil des nicht zu entfeuchtende Luftstroms u am anströmenden Außenluftstrom.
Der zu entfeuchtende Luftstrom p wird bei Eintritt in die Entfeuchtungseinrichtung 30 in mehrere Teilströme e1, e2 aufgeteilt, deren Anzahl der Anzahl der Sorptionswärmetauscher 31, 32 – im vorliegenden Beispiel also zwei – entspricht. Jeder Teilstrom e1, e2 wird durch einen der Sorptionswärmetauscher 31, 32 geleitet. Nach dem Austritt aus dem jeweiligen Sorptionswärmetauscher 31, 32 wird jeder Teilstrom e1, e2 durch die jeweilige Weiterleitung 36 zur Zuluftleitung 40 transportiert.
Durch die genaue Abstimmung des Öffnungsgrades der Lüftungsklappen 34, 37 und der regelbaren Öffnungsvorrichtung 51 kann die Zusammensetzung des Zuluftstromes z exakt geregelt werden.
Zu Beginn einer Adsorptionsphase ist das Trocknungsmittel im jeweiligen Sorptionswärmetauscher 31, 32 sehr trocken und hat eine hohe Adsorptionskapazität. Es kann daher sehr viel Wasser adsorbiert werden. Der aus dem Sorptionswärmetauscher 31, 32 austretende Teilstrom e1, e2 ist in der Folge sehr trocken. Dies resultiert in einer relativ geringen Feuchte des entfeuchteten Luftstromes e. Um einen gewissen Mindestfeuchtigkeitsgehalt in der Zuluft z zu halten, die dem zu klimatisierenden Raum zugeführt wird, wird dann eine große Öffnungsweite der regelbaren Öffnungsvorrichtung 51 eingestellt. Der so zugemischte nicht zu entfeuchtende Luftstrom u gibt dann Feuchtigkeit an den entfeuchteten Luftstrom e ab. Insgesamt wird dabei nur ein geringer Volumenstrom über die Entfeuchtungseinrichtung 30 geführt. Mit der Zeit wird dann die regelbare Öffnungsvorrichtung 51 langsam geschlossen, wodurch ein immer größerer Anteil der anströmenden Außenluft als zu entfeuchtender Luftstrom p durch die Entfeuchtungseinrichtung 30 geführt wird. Am Ende der Adsorptionsphase ist die regelbare Öffnungsvorrichtung 51 dann vollständig geschlossen.
Bezugszeichenliste

e1: Teilstrom
e2: Teilstrom
e: Luftstrom
p: Luftstrom
u: Luftstrom
z: Zuluftstrom
10: Sorptionswärmetauscheranlage
20: Außenlufteinlass
30: Entfeuchtungseinrichtung
31: Sorptionswärmetauscher
32: Sorptionswärmetauscher
33: Fortluftabzweigung
34: Lüftungsklappe
35: Fortluftauslass
36: Weiterleitung
361: Verzweigung
37: Lüftungsklappe
40: Zuluftleitung
50: Umgehungsleitung
51: regelbare Öffnungsvorrichtung
60: Festbettadsorber

Claims

Sorptionswärmetauscheranlage (10) zur Konditionierung von Frischluft, mit einem Außenlufteinlass (20), mit einer stromabwärts des Außenlufteinlasses (20) angeordneten Entfeuchtungseinheit (30), die wenigstens einen ersten Sorptionswärmetauscher (31) und wenigstens einen zweiten Sorptionswärmetauscher (32) umfasst, wobei in dem ersten und dem zweiten Sorptionswärmetauscher (31, 32) jeweils ein festes Trocknungsmittel angeordnet ist, und mit einer stromabwärts der Entfeuchtungseinheit (30) angeordneten Zuluftleitung (40), dadurch gekennzeichnet, dass die Sorptionswärmetauscheranlage (10) eine Umgehungsleitung (50) aufweist, die die Entfeuchtungseinheit (30) überbrückt und den Außenlufteinlass (20) mit der Zuluftleitung (40) verbindet, wobei in der Umgehungsleitung (50) eine regelbare Öffnungsvorrichtung (51) ausgebildet ist.
Sorptionswärmetauscheranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die regelbare Öffnungsvorrichtung (51) eine schwenkbare Klappe ist.
Sorptionswärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Entfeuchtungseinheit (30) und/oder der Umgehungsleitung (50) ein Festbettadsorber (60), der wenigstens ein Trocknungsmittel enthält, angeordnet ist.
Sorptionswärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknungsmittel des Festbettadsorbers (60) eine Trocknungsmittelschüttung ist.
Sorptionswärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknungsmittel des Festbettadsorbers (60) eine Trägerplatte oder ein Trägerplattensystem ist, wobei das Trägerplattensystem aus wenigstens zwei parallel zueinander angeordneten Trägerplatten besteht.
Verfahren zur Konditionierung von Frischluft mit Hilfe einer Sorptionswärmetauscheranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Schritte a) Einleiten von Außenluft durch den Außenlufteinlass (20) b) Aufteilen des Außenluftstroms in einen ersten Luftstrom (p1) und einen zweiten Luftstrom (u) c) Zuführung des ersten Luftstromes (p1) durch eine Entfeuchtungseinrichtung (31), welche so temperiert wird, dass das darin enthaltene Trocknungsmittel Luftfeuchtigkeit aufnimmt, und Entfeuchten des Luftstromes (p1), so dass ein entfeuchteter Luftstrom (e1) entsteht; d) gleichzeitige Zuführung eines zweiten Luftstromes (p2) zum Regenerieren der zweiten Entfeuchtungseinrichtung (32), welche so temperiert wird, dass das in der Entfeuchtungseinrichtung (32) enthaltene Trocknungsmittel Feuchtigkeit an die Luft abgibt, welche anschließend fortgeführt wird, e) Zuführung des zweiten Luftstromes (u) durch die Umgehungsleitung (50) f) Zusammenführung des entfeuchteten Luftstromes (e1) und des zweiten Luftstromes (u) in einem Zuluftstrom (z) in der Zuluftleitung (40) g) Wechsel der Temperierung der Entfeuchtungseinrichtungen (31, 32), sowie Umschalten der Klappen (34, 37), h) Wiederholung der Schritte a) bis f).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des zweiten Luftstromes (u) am Gesamtluftstrom, der aus dem ersten Luftstrom (p) und dem zweiten Luftstrom (u) besteht, durch die Öffnungsweite der regelbaren Öffnungsvorrichtung (51) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsweite der regelbaren Öffnungsvorrichtung (51) festgelegt wird durch folgende Schritte a) Festsetzen eines Luftfeuchtigkeitssollwertes; b) Messen der tatsächlichen Luftfeuchtigkeit des Außenluftstromes und/oder des Zuluftstromes (z); c) Bestimmen der Abweichung zwischen der in Schritt b) gemessenen Luftfeuchtigkeit und dem in Schritt a) festgesetzten Luftfeuchtigkeitssollwert d) Öffnen oder Schließen der regelbaren Öffnungsvorrichtung (51) in Abhängigkeit von der festgestellten Abweichung in Schritt c).
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuluftstrom (z) in einem Schritt f) durch einen Festbettadsorber (60) geleitet wird.