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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Kapillarrohre bieten gute Voraussetzungen für eine Verwendung beispielsweise in Luft/Wasser-Wärmetauschern. Sie benötigen relativ wenig sowie kostengünstiges Material zu ihrer Herstellung und bieten eine relativ große Außenfläche für den Wärmeübergang und damit einen mehrfach höheren Wärmeübergangswert z. B. im Vergleich mit Plattenwärmetauschern. Zudem sind sie korrosionsfest gegenüber Wasser und Sorptionslösungen. Als Kapillarrohre werden flexible Kunststoffrohre mit einem Außendurchmesser von 0,5 bis 5 mm bezeichnet.
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Die Kapillarrohre sind im Allgemeinen zu Matten zusammengefasst, in denen die Rohre im Abstand von etwa 10 bis 20 mm parallel zueinander angeordnet und an dem einen Ende mit einem gemeinsamen Stammrohr für den Zulauf von Wasser oder eines anderen Heiz- bzw. Kühlfluids sowie an dem anderen Ende mit einem gemeinsamen Stammrohr für den Rücklauf des Wassers oder des anderen Heiz- bzw. Kühlfluids verbunden sind. Die Kapillarrohre werden durch Abstandshalter in ihrer gegenseitigen Lage gehalten. Eine derartige Matte ist beispielsweise in der
DE 196 40 514 A1 gezeigt.
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Aus der
EP 0 901 601 B1 ist ein Wärmetauscher mit einem Kapillarrohrregister, durch das ein zu kühlendes oder zu erwärmendes Fluid geführt wird, bekannt. Das Rohrregister wird im Gleichstrom mit dem Fluid mit Wasser berieselt und im Gegenstrom zum Fluid von Luft durchströmt. Die Räume zwischen den Kapillarrohren sind zumindest teilweise mit Schaumstoff ausgefüllt, wodurch die Wärmeaustauschfläche vergrößert wird. Eine Möglichkeit der Realisierung dieses Wärmetauschers besteht darin, die Kapillarrohre selbst mit einer Schaumstoffschicht zu überziehen. Dabei kann die Schaumstoffschicht aus demselben Material wie das Kapillarrohr bestehen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine gleichmäßige Berieselung der Schaumstoffschicht nicht möglich ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Berieselung anstatt mit Wasser mit einer Sorptionslösung zum Entfeuchten der Luft erfolgt. Um einen zufriedenstellenden Wirkungsgrad des Wärmetauschers zu erhalten, sollte die Menge der Sorptionslösung so gering wie möglich sein, nach Möglichkeit nicht mehr als 5% und bevorzugt nicht mehr als 1% der Menge des durch die Kapillarrohre strömenden Fluids. Diese Werte konnten für eine gleichmäßige Benetzung der Schaumstoffschicht jedoch nicht erreicht werden.
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Daher wird in der
WO 2010/006815 A2 ein Wärmetauscher offenbart, bei dem die Kapillarrohre eine hydrophile oder wasserspreitende Oberfläche mit einem Kontaktwinkel unter 20° aufweisen, wodurch eine gleichmäßige Benetzung der Kapillarrohre schon bei einer sehr geringen Menge von Wasser oder Sorptionslösung stattfindet. Da der erwünschte Wärmeübergang zwischen dem Fluid und der Luft erfolgen soll, ist eine Wärmeaufnahme durch das nicht verdunstete Wasser oder die Sorptionslösung störend, da diese einen Wärmeverlust darstellt, Dieser ist jedoch umso größer, je größer die Menge des Wassers oder der Sorptionslösung ist. Bei diesem Wärmetauscher kann jedoch das Mengenverhältnis von Wasser bzw. Sorptionslösung zum durch die Kapillarrohre strömenden Fluid unter 5%, vorzugsweise unter 1% gehalten werden, ohne dass eine gleichförmige Benetzung der Kapillarrohre beeinträchtigt wird.
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Noch vorteilhafter ist es, wenn die äußere Oberfläche der Kapillarrohre von einer aktiven, Flüssigkeit führenden Schicht, in der eine aufgenommene Flüssigkeit aufgrund von Kapillarkräften in allen Richtung diffundiert, gebildet wird. Diese aktive, Flüssigkeit führende Schicht hat einen Rand- oder Kontaktwinkel von 0° in Bezug auf die sie benetzende Flüssigkeit, die somit durch Kapillarwirkung vollständig aufgesaugt und in der Schicht gehalten wird. Wenn Flüssigkeit nachgeliefert wird, breitet sich diese in der Schicht nach allen Seiten, d. h. auch entgegen der Schwerkraft, aus. Es wird vorzugsweise nur soviel Flüssigkeit nachgeliefert, dass diese vollständig von der Schicht aufgenommen werden kann, d. h. es sollte kein Wasser auf der Oberfläche der Schicht fließen. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die hygroskopische Sorptionslösung Wasser aus der Luft aufnehmen soll, so dass nur so viel Sorptionslösung zugeführt werden sollte, dass die aktive Schicht durch die Summe aus Sorptionslösung und aufgenommenem Wasser vollständig getränkt wird. Da die Flüssigkeit vollständig in der aktiven Schicht gehalten wird, wird auch eine Aerosolbildung mit Sicherheit verhindert. Denn auch bei dünnen Rieselfilmen können Aerosole entstehen, wenn die Rieselmenge groß wird oder die Relativgeschwindigkeit zur Luft einen Grenzwert überschreitet. Die Gefahr der Aerosolbildung bewirkt daher eine Begrenzung der Leistung konventioneller Wärmetauscher.
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Weiterhin wird die Schwerkraft für den Transport der Sorptionslösung in der aktiven Schicht nicht mehr benötigt und der Wärmetauscher kann in jeder beliebigen Lage betrieben werden. Die Diffusionsrichtung des Wassers oder der Sorptionslösung kann somit auch waagerecht oder senkrecht nach oben sein.
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Die Dicke der aktiven Schicht wird insbesondere anhand der vorgesehenen Menge der pro Zeiteinheit durch die Schicht fließenden Flüssigkeit so bestimmt, dass die gesamte Flüssigkeit in der Schicht aufgenommen und gehalten werden kann. Die aktive Schicht hat die Eigenschaft, dass eine von ihr aufgenommene Flüssigkeit durch Kapillarwirkung gehalten wird und sich bei Zuführung weiterer Flüssigkeit in allen Richtungen ausbreitet.
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Die aktive Schicht besteht zweckmäßig aus einem Vlies, in welchem beispielsweise ein 20%iger Anteil aus Polyesterfasern ein Grundgitter bildet, in das beispielsweise Zellulose eingebettet ist. Allerdings kann auch ein Vlies, vorzugsweise aus Kunststoff ohne Zellulose-Anteil verwendet werden.
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Da ein derartiger Wärmetauscher nur einen geringen Durchsatz von Wasser oder hygroskopischer Sorptionslösung benötigt, um effektiv zu arbeiten, wobei die Benetzung der Kapillarrohre vollständig und möglichst gleichmäßig erfolgen soll, ist es erforderlich, die Zuführung der Flüssigkeit zu den einzelnen Kapillarrohrmatten sowie zu den einzelnen Kapillarrohren selbst möglichst genau zu steuern. Eine gleichmäßige Verteilung mittels individueller Strömungswiderstände ist jedoch extrem aufwendig.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher mit einem Kapillarrohrregister, durch dessen Kapillarrohre ein zu kühlendes und/oder zu erwärmendes Fluid geführt wird und das zwischen den Kapillarrohren im Gegenstrom zum Fluid von Luft durchströmt wird, wobei die Kapillarrohre auf der Außenseite eine hydrophile oder wasserspreitende Oberfläche mit einem Kontaktwinkel unter 20° oder eine aktive, Flüssigkeit führende Schicht, durch die eine hygroskopische oder Wasser abgebende Flüssigkeit aufgrund von Kapillarkräften vorzugsweise in allen Richtungen diffundiert, aufweisen, die mit Wasser oder einer hygroskopischen Sorptionslösung benetzt wird, und wobei das Kapillarrohrregister aus zumindest einer Kapillarrohrmatte oder -platte besteht, deren Kapillarrohren auf der Außenseite das Wasser oder die hygroskopische Sorptionslösung an einem Ende über mindestens einen Verteiler unter möglichst gleichmäßiger Verteilung zugeführt wird, zu schaffen, der eine gleichmäßige Zuführung des Wassers oder der hygroskopischen Sorptionslösung zu der hydrophilen oder wasserspreitenden Oberfläche oder der aktiven Schicht aller Kapillarrohre mit relativ geringem Aufwand und damit eine wirtschaftliche Arbeitsweise ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Wärmetauschers ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Dadurch, dass der mindestens eine Verteiler hygroskopisches Material enthält, in dem sich eine zugeführte Flüssigkeit gleichmäßig verteilt, und dass die hydrophile oder wasserspreitende Oberfläche oder die aktive Schicht der Kapillarrohre mit dem hygroskopischen Material in Kontakt ist, kann sich bei geeigneter Dosierung des Wassers oder der Sorptionslösung diese(s) durch Kapillarkräfte gleichmäßig im Verteiler verteilen, so dass es/sie von der hydrophilen oder wasserspreitenden Oberfläche oder der aktiven Schicht jedes Kapillarrohres aufgenommen werden kann.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 die Ansicht des oberen Teils und des unteren Teils einer Kapillarrohrmatte oder -platte in einem Kapillarrohrregister mit Anschlüssen für den Zufluss und den Abfluss des Wassers oder der Sorptionslösung, und
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2 den oberen Teil eines Kapillarrohrregisters aus mehreren parallelen Kapillarrohrmatten oder -platten im vertikalen Querschnitt.
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Die Kapillarrohre der gezeigten Kapillarrohrmatten oder -platten 1 (nachfolgend werden diese nur als ”Kapillarrohrmatten” bezeichnet, obwohl es sich nicht nur um aus einzelnen flexiblen Kapillarrohren bestehende Matten handeln muss, sondern es auch plattenförmige Gebilde sein können, die mit entsprechenden rohrförmigen Hohlräumen versehen sind) verlaufen jeweils unter einem Winkel von 45° zu den Längs- und Seitenkanten der Kapillarrohrmatten 1 und kreuzen einander unter einem Winkel von 90°, wobei die Innenräume der sich kreuzenden Kapillarrohre an den Kreuzungspunkten miteinander verbunden sind. Die die Seitenkanten einer Kapillarrohrmatte 1 bildenden Enden der Kapillarrohre sind nur untereinander verbunden, während die die obere und die untere Längskante bildenden Enden miteinander und mit jeweils einem nicht gezeigten Stammrohr für den Zufluss und den Abfluss des durch die Kapillarrohre strömenden, zu kühlenden oder zu erwärmenden Fluids verbunden sind. Die unteren Stammrohre der Kapillarrohrmatten 1 sind an eine Vorlaufleitung für die Zuführung des Fluids angeschlossen, und die oberen Stammrohre sind an eine gemeinsame Rücklaufleitung für die Abführung des gekühlten oder erwärmten Fluids angeschlossen, d. h. das Fluid strömt in den Kapillarrohren von unten nach oben.
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Die in 2 im Querschnitt wiedergegebenen Kapillarrohrmatten 1 eines Kapillarrohrregisters sind parallel zueinander und vertikal in einem Gehäuse 2 angeordnet. Die durch den Wärmetausch mit dem Fluid zu erwärmende oder zu kühlende bzw. zu befeuchtende oder zu entfeuchtende Luft strömt parallel zu den Kapillarrohrmatten 1 im Gegenstrom zum Fluid, d. h. von oben nach unten, wie durch die Pfeile 15 in 1 angezeigt ist, durch das Gehäuse 2.
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Zum Zwecke der Be- oder Entfeuchtung der Luft weisen die Kapillarrohre der Matten 1 (bzw. die die Kapillarrohre bildenden Platten) eine hydrophile oder wasserspreitende Oberfläche mit einem Kontaktwinkel unter 20° oder eine aktive, Flüssigkeit führende äußere Schicht 3 auf. Dieser wird an der Oberkante der jeweiligen Matte 1 im Falle der Befeuchtung Wasser und im Falle der Entfeuchtung eine Sorptionslösung, die beispielsweise aus einer wässrigen Lithiumchloridlösung besteht, zugeführt. Die Kapillarrohre der Matten 1 werden hierdurch über ihre gesamte Länge gleichmäßig mit dem Wasser bzw. der Sorptionslösung benetzt.
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Durch die Kapillarwirkung sowie gegebenenfalls auch durch die Schwerkraft verteilt das Wasser bzw. die Sorptionslösung gleichmäßig über den Umfang und die Länge der Kapillarrohre. Hierfür ist die Konfiguration der Kapillarrohrmatte 1 mit sich kreuzenden Kapillarrohren geeigneter als beispielsweise eine Kapillarrohrmatte, bei der alle Kapillarrohre parallel zueinander verlaufen.
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Um das Wasser bzw. die Sorptionslösung möglichst gleichmäßig auf die einzelnen Matten 1 eines Kapillarrohrregisters zu verteilen, wird es/sie über streifenförmige Verteiler 4, die sich quer zur Ebene der Matten 1 über die gesamte Breite des Registers erstrecken und mit sämtlichen Matten in Kontakt sind, zu diesen geleitet. Die Verteiler 4 sind in ihrer Längsrichtung in der Mitte mit jeweils einem Füllstutzen 5 verbunden, der sich oberhalb des Verteilers 4 befindet und der von oben über einen Anschluss 6 so mit Wasser oder Sorptionslösung beliefert wird, dass stets ein vorgegebener Flüssigkeitspegel im Füllstutzen 5 gehalten wird. Durch die Flüssigkeitssäule im Füllstutzen 5 kann ein gewisser Staudruck erzeugt werden, durch den der Diffusionswiderstand überwunden wird. Außerdem ist ein kontinuierlicher Nachschub sichergestellt.
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Die Verteiler 4 enthalten über ihre gesamte Länge eine hygroskopische Füllung und sind auf ihrer Unterseite offen, wodurch die hygroskopische Füllung mit der hygroskopischen Oberfläche bzw. aktiven Schicht der einzelnen Kapillarrohrmatten 1 in Kontakt ist.
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Durch Kapillarkräfte verteilt sich die zugeführte Flüssigkeit gleichmäßig über die Länge des Verteilers 4. Diese Wirkung kann durch waagerechte, flüssigkeitsundurchlässige Barrieren 7 beispielsweise in Form eingelegter Folien, die ein vertikales Diffundieren nur an bestimmten Stellen zulassen, erheblich verbessert werden.
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Die Verteiler 4 sind in Längsrichtung der Matten 1 jeweils in der Mitte des Bereichs angeordnet, der von ihnen mit der Flüssigkeit versorgt wird. So wäre beispielsweise ein Verteiler ausreichend, der sich über der Mitte der einzelnen Matten 1 erstreckt. Dort verläuft häufig die Vor- oder Rücklaufleitung für die Zu- oder Abführung des durch die Kapillarrohre strömenden Fluids. Es bietet sich daher an, zwei Verteiler 4 zu verwenden, die sich jeweils in der Mitte einer Hälfte der Matten 1 in Längsrichtung befinden.
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Dort wo die hygroskopische Füllung der Verteiler 4 direkt auf der oberen Stirnkante der Matten 1 aufliegt, weisen die Kapillarrohre eine Verstärkung 8 ihrer hydrophilen bzw. aktiven Beschichtung auf. Hierdurch kann die Beschichtung an den Kontaktstellen mehr Flüssigkeit abnehmen, die dann durch Diffusion und in vertikaler Richtung auch durch Schwerkraft über die ganze Matte verteilt wird. Die Verstärkung 8 sollte in vertikaler Richtung nur so lang sein, wie für eine optimale Verteilung erforderlich ist. Beispielhafte Angaben über die Stärke der hydrophilen oder aktiven Schicht 3 sind 0,6 mm im Bereich der Verstärkung 8 und 0,3 mm über den restlichen Verlauf der Kapillarrohre.
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Um auch in Längsrichtung der Matten 1 eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit zu erhalten, können im Kapillarrohrregister ebenfalls horizontale hydrophobe Barrieren 9 vorgesehen sein, z. B. durch einen Lack, der im Barrierebereich die hydrophile bzw. aktive Schicht 3 auf den Kapillarrohren durchtränkt.
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Darüber hinaus kann die obere Seite des Kapillarrohrregisters, auf der die Verteilung 4 angeordnet ist, mit einem hygroskopischen Material, z. B. einem Vlies 10 oder einem aufgesteckten Formteil aus hygroskopischen Material abgedeckt sein. Das Vlies 10 ist mit der hygroskopischen Füllung der Verteiler 4 in Kontakt und nimmt aus dieser Wasser bzw. Sorptionslösung auf, um diese(s) gleichförmig auf der oberen Fläche des Kapillarrohrregisters zu verteilen. Da das Vlies 10 mit den in dieser Fläche endenden Kapillarrohren in Kontakt ist, wird auch dort, wo kein direkter Kontakt mit den Verteilern 4 besteht, eine Vielzahl von Einspeisepunkten für die Kapillarrohrmatten 1 geschaffen, wodurch eine weitere Verbesserung der Verteilung erzielt wird.
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Wenn die Kapillarrohre mit der hygroskopischen Sorptionsflüssigkeit benetzt werden, nimmt diese an den Kapillarrohren der Matten 1 Feuchtigkeit aus der durch das Kapillarrohrregister strömenden Luft auf und wird mit dem aufgenommenen Wasser am unteren Ende des Registers aus diesem herausgeführt und in einen Auffangbehälter geleitet. Sie kann dann regeneriert und den Matten 1 wieder zugeführt werden. Die durch die Kondensation der in der Luft enthaltenen Feuchtigkeit entstandene wärme wird durch Wärmeaustausch auf das Fluid in den Kapillarrohren übertragen und durch dieses abgeführt. Umgekehrt werden bei einer Luftbefeuchtung die Kapillarrohre mit Wasser benetzt, das dann verdunstet und von der Luft aufgenommen wird. Die für die Verdunstung des Wassers auf den Kapillarrohren benötigte Wärme wird über das in den Kapillarrohren strömende Fluid zugeführt.
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Die Luft kann im Gegenstrom zu oder im Gleichstrom mit dem Wasser bzw. der Sorptionslösung durch das Kapillarrohregister geführt werden. Es wurde überraschenderweise gefunden, dass die Leistung des Wärmetauschers im Gleichstrombetrieb verbessert werden kann. Wie die Pfeile 15 für die Richtung der Luftströmung in 1 zeigen, wird der dargestellte Wärmetauscher im Gleichstrom betrieben.
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Die dem Kapillarregister zugeführte Sorptionslösung ist stark konzentriert; sie enthält beispielsweise 40% Lithiumchlorid. Durch die Wasseraufnahme im Kapillarrohrregister wird die Lösung stark verdünnt, so dass die Lithiumchlorid-Konzentration beim Austritt aus dem Register beispielsweise nur noch 10% bis 20% beträgt. Die Wasseraufnahme und damit die Erzeugung von Kondensationswärme sind dort am größten, wo die Konzentration der Sorptionslösung am höchsten ist. Im Gegenstrombetrieb ist dies auf der Austrittsseite der Luft der Fall. Die erzeugte Wärme kann dann jedoch nicht mehr vollständig an das Fluid in den Kapillarrohren abgegeben werden, sondern wird zum Teil mit der Luft abgeführt und kann daher nicht genutzt werden. Der Wirkungsgrad des Wärmetauschers ist daher nicht optimal. Im Gleichstrombetrieb hingegen wird die Luft auf ihrer Eintrittsseite am stärksten erwärmt und kann diese wärme vollständig oder zumindest einen größeren Anteil von dieser als im Gegenstrombetrieb bis zum Austritt aus dem Kapillarrohrregister auf das Fluid übertragen.
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Im Gleichstrombetrieb besteht jedoch in noch größerem Maße als im Gegenstrombetrieb die Gefahr, dass die an der unteren Kante der Matten 1 aus diesen austretende Sorptionslösung von der vorbeiströmenden Luft mitgerissen wird und es zur Bildung von Aerosolen kommt. Dies muss in jedem Falle verhindert werden.
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Zu diesem Zweck weist das Kapillarrohrregister einen oder mehrere Sammler 11 auf, die rinnenförmig ausgebildet sind und sich in gleicher Weise wie die Verteiler 4 quer zu den Kapillarrohrmatten 1 über die gesamte Breite des Registers erstrecken. Zwischen dem Sammler 11 und der unteren Kante der Matten 1 befindet sich eine hygroskopische Abdeckung 12, die die Entstehung von Aerosolen unterbindet.
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Darüber hinaus ist die hydrophile oder aktive Schicht 3 an der unteren Kante der Matten 1 – ausgenommen im Bereich der Sammler 11 – durch eine hydrophobe Barriere 13, beispielsweise einen Lack oder ein Vlies, gegen den Durchtritt von Flüssigkeit gesperrt, so dass das Wasser oder die Sorptionslösung nur über die Sammler 11 aus dem Register austreten kann. In gleicher Weise wie die Flüssigkeit von den Verteilern 4 aus gleichmäßig in der hydrophilen oder aktiven Schicht 3 verteilt wird, gelangt sie durch Kapillarkräfte und gegebenenfalls auch durch Schwerkraft aus sämtlichen Bereichen der Kapillarrohrmatten 1 des Registers in die Sammler 11. Sie wird dann über mittig unter den Sammlern 11 angeordnete Ablaufstutzen 14 abgeführt.
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Die untere Kante der Matten 1 kann zu den Sammlern 11 hin schräg nach unten verlaufend ausgebildet sein, wodurch der Fließdruck der Flüssigkeit auf die Barriere 13 verringert wird. Für die durchströmende Luft stellt die Barriere 13 keinen oder einen zu vernachlässigenden Widerstand dar.
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Eine zusätzliche Sicherheit gegen die Bildung von Aerosolen besteht darin, die gesamte hydrophile oder aktive Schicht 3 mit einer semipermeablen Beschichtung zu versehen, die für Wasser undurchlässig, jedoch für Wasserdampf durchlässig ist. Dies kann z. B. durch Aufsprühen von Lack oder Aufbringen einer Folie mit der entsprechenden Eigenschaft erfolgen.
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Die ermöglicht auch eine vereinfachte Reinigung des Kapillarrohrregisters, indem die Kapillarrohre mit Waschwasser berieselt werden. Dies ist insbesondere für Klimaanlagen vorteilhaft, bei denen die Zuluft energieaufwendig mechanisch gefiltert werden muss, um die klimatisierten Räume vor Verschmutzungen zu schützen. Die mechanische Filterung kann jedoch durch eine wenig energieverbrauchende elektrostatische Filterung ersetzt werden, indem der Luftstrom vor dem Eintritt in den Wärmetauscher durch einen Ionisator geführt wird, der die Staubpartikel elektrisch unipolar auflädt. Die Kapillarrohrmatten werden geerdet, so dass sich die geladenen Staubpartikel beim Durchgang durch den Wärmetauscher auf diesen absetzen. Die Reinigung des Registers erfolgt in vorgegebenen Zeitabständen durch Berieselung mit einer Waschflüssigkeit, die über oberhalb des Registers angebrachte Düsen aufgesprüht wird.
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Die Erdung der Kapillarrohrmatten erfolgt über die durch die hydrophile oder aktive Schicht geleitete Flüssigkeit. Ist deren elektrische Leitfähigkeit unzureichend, kann ihr ein die Leitfähigkeit erhöhendes Mittel zugesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19640514 A1 [0003]
- EP 0901601 B1 [0004]
- WO 2010/006815 A2 [0005]
