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Die Erfindung betrifft ein regeneratives Rotorsystem zur Rückgewinnung in der Fortluft lufttechnischer Anlagen enthaltener Wärmeenergie, mit einem Gehäuse und einer in dem Gehäuse drehbar gelagerten Rotoreinheit zum Durchströmen von mindestens zwei Luftströmen, vorzugsweise im Gegenstrom, aufgrund eines Druckgefälles, wobei eine Wärmeübertragung von dem einen Luftstrom auf die Rotorspeichermasse und von der Rotorspeichermasse auf den anderen Luftstrom stattfindet, während die Rotoreinheit dreht und wobei der eine Luftstrom von einer Seite in das Gehäuse hinein und durch die Rotorspeichermasse hindurch auf der gegenüberliegenden Seite aus dem Gehäuse heraus strömt.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Beeinflussung der Drehzahl der Rotoreinheit eines solchen regenerativen Rotorsystems.
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Rotorsysteme der gattungsbildenden Art sind aus der Praxis hinlänglich bekannt. Lediglich beispielhaft sei dazu auf die
DE 10 2009 030 532 B4 verwiesen.
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Rotorsysteme der gattungsbildenden Art umfassen regelmäßig eine antreibbare Rotorkomponente, die im Wesentlichen aus einer Rotorspeichermasse für Wärmeenergie gebildet ist. Die Rotorkomponente ist drehbar in einem Gehäuse gelagert, wobei auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses, nämlich auf einer Zuluftseite und einer Abluftseite, jeweils mindestens zwei Strömungsanschlüsse, ausgebildet sind. Zwischen der Zuluftseite und der Abluftseite, d.h. zwischen den regelmäßig einander gegenüber angeordneten Strömungsanschlüssen besteht ein Druckgefälle, welches beispielsweise durch Ventilatoren einer Lüftungsanlage erzeugt wird. Aufgrund des Druckgefälles werden mindestens zwei Luftströme im Gegenstrom durch die Rotorspeichermasse geleitet.
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Bei dem Rotorsystem der gattungsbildenden Art handelt es sich um einen sogenannten regenerativen Rotationswärmetauscher. Zur Rückgewinnung der Wärmeenergie der Fortluft einer lufttechnischen Anlage wird die Fortluft über Strömungsanschlüsse durch einen Teilbereich des Gehäuses und der Rotorspeichermasse geleitet. Die Fortluft gibt dabei einen Teil ihrer Wärmeenergie an die Rotorspeichermasse ab. Gleichzeitig wird die Zuluft im Gegenstrom durch einen anderen Teil des Gehäuses und der Rotorspeichermasse geleitet. Da sich die Rotorspeichermasse innerhalb des Gehäuses kontinuierlich dreht, wird sie abwechselnd in entgegengesetzter Richtung von Fortluft und Zuluft durchströmt. Dabei findet eine Wärmeübertragung zwischen der Fortluft auf die Rotorspeichermasse und von der Rotorspeichermasse auf die Zuluft statt. Je nach Temperaturgefälle zwischen Fortluft und Zuluft sind solche Rotorsysteme auch für den Kühlbetrieb geeignet.
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Gemäß
DE 29 35 695 A1 dient eine Rotationsaustauschvorrichtung zur Übertragung von thermischer Energie (ggf. auch latente Wärme) zwischen zwei voneinander getrennten Gasströmen. Eine Rotorkomponente besteht aus einer gasdurchlässigen Matrix. Diese Matrix ist als Rotorspeichermasse zu verstehen, da sie in der Lage ist, thermische Energie zu absorbieren und entsprechend auch wieder abzugeben. Der Rotor ist innerhalb eines Gehäuses drehbar gelagert, wobei das Gehäuse eine Zuluftkanal und einen Abluftkanal aufweist. Beide Kanäle sind zueinander benachbart. Innerhalb der Kanäle ist jeweils ein Gebläse zur Erzeugung eines Gasstroms entlang eines Druckgefälles angeordnet. Entsprechend dieser Anordnung ist der Rotor zwischen dem Zuluft- und dem Abluftkanal gelagert. Der Rotor wird während seiner Drehbewegung gegenläufig durchströmt. Dabei wird thermische Energie zwischen den beiden Gasströmen – Zuluft und Abluft – übertragen.
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Der Rotor bzw. die Rotorspeichermasse besteht üblicherweise aus einem chemisch inaktiven, gut wärmeleitenden, eine große Wärmespeicherkapazität aufweisenden Material, beispielsweise aus Aluminium, handelt. Der Rotor bzw. die Rotorspeichermasse sollte einen geringen Strömungswiderstand haben. Dabei kann es sich auch um eine entsprechende Beschichtung eines Trägermaterials handeln.
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Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn der Rotor bzw. die Rotorspeichermasse eine möglichst große Wärmeaustauschfläche auf kleinstem Raum hat. Dies lässt sich beispielsweise durch eine gewellte Anordnung aus Aluminiumblech erreichen. Das gewellte Aluminiumblech ist zu einer zylindrischen Rotorspeichermasse aufgewickelt. Die parallel verlaufenden Lufteintrittskanten der Anströmflächen verringern die beim Lufteintritt auftretenden Turbolenzen, so dass sich nach dem Einströmen eine stabile laminare Luftströmung innerhalb der Strömungskanäle ausgebildet.
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Bei den bekannten Rotorsystemen wird regelmäßig mit einer aus der Erfahrung resultierenden Drehzahl des Rotors gearbeitet, beispielsweise mit 10 Umdrehungen pro Minute. Für die Förderleistung und Drehung der Rotoren sind regelmäßig die Ventilatoren zur Erzeugung des Druckgefälles verantwortlich. Eine Optimierung der Wärmerückgewinnung bzw. Rückwärmzahl durch bewusste Beeinflussung der Drehzahl des Rotors wird nicht vorgenommen. Entsprechend wird die gesamte Masse des Rotors, insbesondere im zentralen Bereich, nicht bzw. nicht vollständig oder nicht immer zum Wärmetausch genutzt.
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Die Rückwärmzahl eines solchen gattungsbildenden Rotorsystems ergibt sich aus mehreren Parametern, nämlich ganz überwiegend aus der Speichermassengeometrie, der Speichermassenoberfläche, der Rotordrehzahl und der anströmenden Geschwindigkeit. Die Rotordrehzahl mit der maximal möglichen Rückwärmzahl wird dabei nach dem Nennluftstrom festgelegt. Bei bekannten Kondensationsrotoren beträgt die Rotorzahl regemäßig 10 Umdrehungen pro Minute. Wird eine geringere Rückwärmzahl benötigt, beispielsweise in der milden Übergangszeit, wird die Rotordrehzahl einfach reduziert, bis die Rückwärmzahl auf das notwendige Maß reduziert ist. Mit einer Regelung zum Zwecke einer Optimierung hat dies nichts zu tun.
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In modernen Klimaanlagen werden regelmäßig auch die Luftmengen, die über das Rotorsystem gefahren werden, reduziert, wenn eine geringere Luftmenge benötigt bzw. angefordert wird. Auswirkungen auf die Rückwärmzahl werden dabei nicht berücksichtigt, da bis zum Erreichen einer bestimmten Drehzahl (Def: Wärmeüberdrehdrehzahl) gilt, dass die Rückwärmzahl bei der maximalen Rotordrehzahl mit reduzierter Luftmenge steigt und dabei der Druckabfall über das Rotorsystem sinkt, zumal die Anströmfläche gleich bleibt und die Luft entsprechend der reduzierten Luftmenge mehr Zeit für den Wärmeaustausch innerhalb der rotierenden Speichermasse zur Verfügung hat.
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Im Lichte der voranstehenden Ausführungen ist das bekannte Rotorsystem nicht hinreichend effizient. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das bekannte Rotorsystem derart auszugestalten und weiterzubilden, dass es eine möglichst hohe Energieeffizienz aufweist. Ein entsprechendes Verfahren zur Beeinflussung der Drehzahl der Rotoreinheit eines solchen Rotorsystems soll ebenfalls angegeben werden.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Rotorsysteme mit höheren Rückwärmzahlen beim Nennluftstromvolumen ausgelegt werden, um eine möglichst hohe Energieeffizienz zu erreichen. Dies hat zur Folge, dass bei reduziertem Luftvolumenstrom und maximal geforderter Rotordrehzahl eine Situation erreicht werden kann, bei der die Wärmüberdrehdrehzahl, bei der die Wärmekapazität der den Rotor durchströmenden Luft nicht mehr ausreicht, die Rotorspeichermassenoberfläche vollständig für den Wärmetausch zu nutzen, unterhalb der ausgelegten Drehzahl für den maximalen Wärmerückgewinn liegt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Ein- bzw. Ausspeicherkapazität der Speichermasse des Rotors während der Passage eines Luftstroms größer ist als die Wärmespeicherkapazität der Luftmenge, die in der gleichen Zeit die rotierende Speichermasse passiert. Dies hat zur Folge, dass die Speichermasse nicht mehr ausreichend auf- bzw. entladen werden kann, wodurch die maximale Rückwärmzahl bei reduzierter Luftmenge begrenzt ist.
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Der Erfindung liegt die weitere Idee zugrunde, dass dann, wenn bei reduzierter Luftmenge der maximal mögliche Wärmerückgewinn gefordert wird, die Drehzahl des Rotors in Abhängigkeit des Luftvolumens soweit reduziert wird, bis die Wärmespeicherkapazität der rotierenden Wärmespeichermasse während der Passage durch einen Luftstrom wieder in dem Verhältnis zur Speicherkapazität der in dieser Zeit die rotierende Speichermasse durchströmenden Luft liegt, bei dem die maximal mögliche Rückwärmzahl erreicht wird.
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Im Konkreten ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist das bekannte Rotorsystem dadurch gekennzeichnet, dass bei verändertem Luftvolumenstrom zur Realisierung einer größtmöglichen Rückwärmzahl die Drehzahl des Rotors verändert wird, bis die Wärmespeicherkapazität der Rotoreinheit wieder in demjenigen Verhältnis zur Wärmespeicherkapazität des durchströmenden Luftvolumens liegt, bei der die maximal mögliche Rückwärmzahl vor der Veränderung des Luftvolumenstroms erreicht war.
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Ein Verfahren zur Beeinflussung der Drehzahl der Rotoreinheit eines entsprechenden Rotorsystems ist durch die Merkmale des nebengeordneten Anspruchs 7 definiert. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass bei verändertem Luftvolumenstrom zur Realisierung einer größtmöglichen Rückwärmzahl die Drehzahl des Rotors verändert wird, bis die Wärmespeicherkapazität der Rotoreinheit wieder in demjenigen Verhältnis zur Wärmespeicherkapazität des durchströmenden Luftvolumens liegt, bei der die maximal mögliche Rückwärmzahl vor der Veränderung des Luftvolumenstroms erreicht war.
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Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 6 und 8, 9 beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Danach ist es möglich, dass bei reduziertem Luftvolumenstrom die Drehzahl des Rotors solange reduziert wird, bis die maximal mögliche Rückwärmzahl erreicht wird. Entsprechend kann einer Kennlinie gefolgt werden. Die Veränderung der Drehzahl des Rotors kann entsprechend einer solchen – hinterlegten – Kennlinie erfolgen.
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In ganz besonders vorteilhafter Weise erfolgt die Veränderung der Drehzahl des Rotors regelungstechnisch, wobei zur Regelung eine Sensorik mehrere ggf. unterschiedliche Sensoren umfasst. Die Sensorik kann Temperatursensoren zur Ermittlung der Rückwärmzahl sowohl in Bezug auf die Fortluft als auch in Bezug auf die Zuluft umfassen. Ebenso können Sensoren zur Ermittlung der Anströmgeschwindigkeit, der Rotordrehzahl, der Luftfeuchte, etc. vorgesehen sein, wobei durch eine geeignete Verknüpfung der durch die Sensoren gelieferten Parameter die Regelung erfolgt.
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Ein entsprechendes Verfahren regelt die Drehzahl des Rotors bei reduziertem Luftvolumenstrom so lange, bis die maximal mögliche Rückwärmzahl erreicht wird, und zwar entsprechend hinterlegter Kennlinien oder regelungstechnisch unter Nutzung einer geeigneten Sensorik.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
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1 in einem schematischen Diagramm die Abhängigkeit der Rückwärmzahl in Prozent von der Rotordrehzahl in Umdrehungen pro Minute und
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2 in einer schematischen Ansicht das Prinzip der erfindungsgemäßen Regelung.
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Zur optimalen Nutzung der Wärmespeicherkapazität der hier in Rede stehenden Rotorsysteme muss eine Drehzahlregelung vor allem zwei Kriterien erfüllen. Zum einen ist ein großer Drehzahlbereich zur Nutzung eines möglichst großen Bereichs der Wärmespeicherkapazität der Rotorspeichermasse zur Wärmerückgewinnung erforderlich. Zum anderen ist ein lineares Verhältnis zwischen Rückwärmzahl und Steuersignal der Regelung wünschenswert.
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Wird im Winter die maximale Rückwärmzahl des Rotorsystems benötigt, so läuft das Rotorsystem, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, bei maximaler Umdrehung von beispielsweise 10 Umdrehungen pro Minute. Der diesbezügliche Zusammenhang ist in 1 gezeigt.
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Ein möglichst großer Drehzahlbereich ist vor allem in der Übergangszeit von Bedeutung, nämlich dann, wenn nur noch ein Teil der Wärmerückgewinnungsleistung des Rotorsystems benötigt wird. Die Darstellung in 1 zeigt deutlich, dass die Rückwärmzahl bei 1 bis 2 Umdrehungen pro Minute noch ca. 50 % der maximalen Rückwärmzahl beträgt. Für herkömmliche Antriebssysteme stellt dieser Bereich von 1 bis 2 Umdrehungen pro Minute die untere Grenze des Betriebsbereichs dar. Regelmäßig wird darunter in den sogenannten Intervallbetrieb geschaltet. Im Intervallbetrieb findet keine oder allenfalls eine geringe Wärmerückgewinnung statt. Um eine möglichst große Ausnutzung während der Übergangszeit zu erreichen, muss das Rotorsystem mit möglichst wenigen Umdrehungen pro Minute betrieben werden können. Lassen sich mit entsprechender Regelung geringste Drehzahlen, beispielsweise im Bereich von 0,05 Umdrehungen pro Minute, betreiben, kann eine nahezu maximale Ausnutzung der Wärmerückgewinnungskapazität auch im Übergangsbereich erreicht werden.
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2 zeigt im Schema die Funktionsweise des Rotorsystems, wonach der Rotor zwischen der Außenluft und der Raumluft wirkt, indem nämlich Außenluft durch die Rotormasse hindurch in den Raum geleitet und verbrauchte Raumluft vom Raum durch die Rotormasse hindurch als Fortluft nach Außen geleitet wird. Die Rotorspeichermasse wird von der Raumluft im Gegenstrom erwärmt und gibt die Wärme an die einströmende Außenluft ab.
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Gemäß Stand der Technik ist ein solches Rotorsystem beispielsweise für 10.000 m3/h ausgelegt. Eine maximale Rückwärmzahl liegt bei 85 % bei 10 Umdrehungen pro Minute.
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Wird das Rotationssystem bei nur 50 % der maximalen Luftmenge betrieben, d.h. bei 5.000 m3/h, liegt die maximale Rückwärmzahl ebenfalls bei 10 Umdrehungen pro Minute. Ein optimaler Betrieb mit höchster Effizienz ist nicht realisiert.
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Erfindungsgemäß verhält sich dies anders. Wird nämlich das zuvor beispielhaft definierte Rotorsystem bei nur 50 % der Luftmenge, d.h. beispielsweise bei 5.000 m3/h betrieben, ist die Wärmeüberdrehdrehzahl überschritten. Die Regelung erkennt dies anhand hinterlegter Kennlinien oder anhand einer „intelligenten“ Sensorik. Entsprechend dem Diagramm nach 1 liegt die Drehzahl für den maximalen Energierückgewinn nach entsprechender Anpassung unterhalb von 10 Umdrehungen pro Minute, wird nämlich die Drehzahl des Rotors solange reduziert, bis die maximal mögliche Rückwärmzahl erreicht ist, wie sie vor Veränderung des Luftvolumenstroms tatsächlich erreicht war. Eine entsprechende Anpassung führt zur Optimierung des Systems bei reduzierter Drehzahl, wodurch sich u.a. der Verschleiß reduziert.
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Im Lichte der Erfindung ist es außerdem möglich, die Masse der Rotoreinheit bei gleicher Effizienz zu reduzieren, wodurch sich wiederum der Bauraum des Rotorsystems reduzieren lässt. Wenn die Rotoreinheit eine geringere Masse hat, reduziert sich der Materialaufwand und reduzieren sich die Kosten entsprechend.
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Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lehre wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
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Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lehre lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009030532 B4 [0003]
- DE 2935695 A1 [0006]
