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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Klimatisierung eines Fahrzeuges mit einem Luftkanal zum Leiten eines Luftstromes in eine Fahrzeugkabine oder aus einer Fahrzeugkabine, mit einem ersten Wärmeübertrager aufweisend eine erste Fluidseite zum Leiten eines ersten Fluids, eine zweite Fluidseite zum Leiten eines zweiten Fluids und eine Wärmeübertragungsfläche zum Tauschen einer Wärmemenge zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Klimatisierung eines Kabinenraumes eines Fahrzeuges.
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Stand der Technik
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Bei einer Fahrzeugklimatisierung muss eine Fahrzeugkabine neben einer Temperierung auch im Hinblick auf Luftfeuchtigkeit und die durch die Passagiere erzeugten Emissionen reguliert werden. Eine mögliche Form der Temperierung kann beispielsweise durch ein Wärmepumpensystem, das aus der Druckschrift
DE 10 2012 206 357 A1 bekannt ist, erreicht werden. Es kann dabei durch Expansion oder Verdichtung eines Kältemittels Wärme erzeugt oder entzogen werden. Als Kältemittel kann beispielsweise R1234yf oder CO2 eingesetzt werden. Bei der Expansion oder der Verdichtung kann das Kältemittel seinen Aggregatzustand verändern. Über eine Durchflussmenge kann die Abkühlung oder die Aufwärmung reguliert werden. Diese Regulierung ist jedoch problematisch, da hierfür ein Kompressor mit einer variablen Drehzahl notwendig ist. Derartige Kompressoren weisen höhere Anschaffungskosten auf und benötigen eine komplexere Ansteuerung. Üblicherweise wird eine Regelung der Abkühlung bzw. Aufwärmung über eine zeitlich begrenzte Ansteuerung eines Kompressors durchgeführt. Über entsprechend angeordnete Wärmetauscher bzw. Wärmeübertrager kann einem Luftstrom entsprechend Wärme entzogen oder zugeführt werden. Der Luftstrom kann dabei der Fahrzeugkabine zugeführt werden. Damit eine Fahrzeugklimatisierung möglichst effizient erfolgen kann wird ein großer Teil der bestehenden Kabinenluft erneut verwendet und nur ein geringer Anteil an Frischluft zugeführt. Der erneut verwendete Anteil an Kabinenluft wird in Form von Umluft rezirkuliert. In dem Umluftanteil erhöhen sich die Luftfeuchtigkeit und die Emissionen, wie beispielsweise Kohlenstoffdioxid. Die Luftfeuchtigkeit kann mit Hilfe einer Abkühlung der Luft und einer anschließenden Auskondensierung reguliert werden. Ein Betrieb mit hohem Umluftanteil ist zwar energieeffizient, jedoch aus Gründen der Entfeuchtung und der entstehenden Emissionen begrenzt einsetzbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Klimatisierung eines Fahrzeuges zu schaffen, die eine Regulierung der Emissionen und der Luftfeuchtigkeit eines Umluftanteils ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Klimatisierung eines Fahrzeuges mit einem Luftkanal zum Leiten eines Luftstromes in oder aus einer Fahrzeugkabine bereitgestellt. Die Vorrichtung weist einen ersten Wärmeübertrager mit einer ersten Fluidseite zum Leiten eines ersten Fluids, einer zweiten Fluidseite zum Leiten eines zweiten Fluids und einer Wärmeübertragungsfläche zum Tauschen einer Wärmemenge zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid auf. Erfindungsgemäß weist der erste Wärmeübertrager im Bereich der zweiten Fluidseite mindestens eine Sorptionsschicht auf.
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Der Luftstrom kann dabei auch ein Umluftstrom sein, der aus der Fahrzeugkabine geleitet wird und zusammen mit einem Frischluftanteil aus einer Umgebung des Fahrzeugs der Fahrzeugkabine wieder zugeführt werden kann. Der Luftstrom in Form eines Umluftanteils kann auf der zweiten Fluidseite durch die Sorptionsschicht behandelt werden, in dem Bestandteile aus der mindestens einen Sorptionsschicht dem Luftstrom zugeführt werden oder von der mindestens einen Sorptionsschicht dem Luftstrom entzogen werden können. Die Kabinenluft kann die zweite Fluidseite des ersten Wärmeübertragers zu jeder Zeit durchströmen. Der Wärmeübertrager kann hier ein Teil einer Wärmepumpe oder einer Klimaanlage sein. Das erste Fluid ist ein Kältemittel und kann beispielsweise von einem Kompressor zirkuliert werden und somit an definierten Stellen expandiert und komprimiert werden. Bei einer Expansion kühlt sich das erste Fluid ab. Bei einer Verdichtung heizt sich das erste Fluid auf. Je nach Durchflussrichtung des ersten Fluids kann der erste Wärmeübertrager aufgewärmt oder abgekühlt werden. Das erste Fluid kann bei diesen thermodynamischen Prozessen auch seinen Aggregatzustand verändern. Durch die Wärmeübertragungsfläche kann somit die zweite Fluidseite aufgewärmt oder abgekühlt werden. Insbesondere kann hierbei die Sorptionsbeschichtung temperiert werden und somit eine Abgabe oder Aufnahme eines Sorptivs gesteuert werden. Hierdurch kann ein Frischluftstrom und/oder ein Umluftstrom derart behandelt werden, dass die darin enthaltenen Emissionen und weitere Bestandteile aus dem Luftstrom herausgefiltert oder reguliert werden können.
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Die Regulierung der Bestandteile in dem Luftstrom kann beispielsweise im Rahmen einer Behaglichkeitskurve erfolgen. Die Behaglichkeit bezeichnet den Luftzustandsbereich, in dem sich ein Passagier in einer Fahrzeugkabine am angenehmsten empfindet. Da Behaglichkeit subjektiv empfunden wird, gibt es keine strengen physikalischen Grenzen, sondern einen Behaglichkeitsbereich, in dem sich der Mensch am wohlsten fühlt. Zu den Hauptfaktoren für die Behaglichkeit gehören beispielsweise Luftbewegung, Luftfeuchtigkeit und Lufttemperatur. Die absolute Luftfeuchtigkeit sollte zwischen 5 und 12 g/kg Luft liegen. Das bedeutet, dass mit steigender Temperatur die relative Luftfeuchtigkeit abnimmt. Die als behaglich empfundene Lufttemperatur ist nicht nur von einer Jahreszeit abhängig, sondern auch von dem Alter und Geschlecht eines Menschen. Ebenso hat die jeweilige Bekleidung der Person Auswirkungen auf sein Behaglichkeitsempfinden.
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Ja nach Betriebsmodus der Sorptionsschicht kann es vorteilhaft sein die Sorptionsschicht im Vorfeld zu regenerieren und die herausgefilterten Bestandteile auszutreiben bzw. zu verdampfen. Dies kann beispielsweise durch Kompression des ersten Fluids im Bereich des Wärmeübertragers ermöglicht werden. Die freiwerdenden Gase bzw. Dämpfe können beispielsweise dazu verwendet werden Vereisungen bestimmter Aggregate des Fahrzeuges zu schmelzen oder vorzugwärmen.
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Die Sorptionsbeschichtung kann beispielsweise als ein Siliziumdioxid, ein Metall-organisches-Gerüst, ein elektrisch schaltbares Metall-organisches-Gerüst und dergleichen ausgeführt sein.
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Nach einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist mindestens eine erste Sorptionsschicht zum Aufnehmen oder Freigeben von Wasser geeignet. Hierdurch kann beispielsweise der erste Wärmeübertrager mit einer Sorptionsschicht ausgestattet sein, die die Luftfeuchtigkeit aus der verbrauchten Luft der Fahrzeugkabine entziehen kann. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise aus der Umgebung des Fahrzeuges in die Fahrzeugkabine zugeführte Frischluft mit zusätzlicher Luftfeuchtigkeit versehen werden, damit ein bestimmter Behaglichkeitsbereich eingehalten werden kann. Damit die Sorptionsschicht Wasser aufnehmen kann, muss diese vor dem Einsatz regeneriert werden durch Erwärmung. Je nach Ausführung der Vorrichtung kann der hierzu benötigte Energiebedarf während einer Fahrt des Fahrzeuges oder vor einem Fahrtbetrieb, beispielsweise während eines elektrischen Ladevorganges des Fahrzeuges, aufgebracht werden. Hierdurch könnten vor allem elektrisch angetriebene Fahrzeuge von einer höheren Reichweite profitieren. Durch die Entfeuchtung des Luftstromes weist der Luftstrom eine geringere spezifische Wärmekapazität auf und kann somit mit weniger Energie bzw. schneller erwärmt oder abgekühlt werden. Insbesondere durch die Integration dieser Entfeuchtungseinheit in einen Umluftbereich des Fahrzeuges kann der Umluftanteil der Fahrzeugklimatisierung erhöht und somit die Fahrzeugklimatisierung effizienter gestaltet werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist der erste Wärmeübertrager vor mindestens einem zweiten Wärmeübertrager in Richtung des Luftstromes in die Fahrzeugkabine hinein vorgeordnet. Es können auch weitere zusätzliche Wärmeübertrager in einem Luftstrom angeordnet sein, die ebenfalls eine Soprtionsschicht aufweisen können. Hierdurch kann beispielsweise ein Wärmeübertrager mit einer Sorptionsbeschichtung beispielsweise als eine Entfeuchtungseinrichtung in eine bestehende Klimatisierungsvorrichtung in Form einer Nachrüstlösung eingebracht werden. Die Regelung der Entfeuchtungsleistung kann beispielsweise über die Temperierung des Luftstromes oder des ersten Wärmeübertragers ausgeführt werden. Dies ermöglicht eine definierte Regelung der Luftfeuchtigkeit auf das für die angestrebte Temperatur passende Niveau im Hinblick auf die Behaglichkeit der Passagiere des Fahrzeuges. Dadurch lassen sich im Vergleich zu einer konventionellen Entfeuchtung mittels Unterschreitung des Taupunkts bis zu 30% Energie einsparen.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist die mindestens eine Absorptionsschicht vor oder hinter einem Lufteinlass des ersten Wärmeübertragers angeordnet. Somit kann eine Entfeuchtung unabhängig von einer Temperierung der Fahrzeugkabinenluft erfolgen. Ein Frischluftstrom kann hierdurch beispielsweise separat von einem Umluftstrom behandelt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung weist der erste Wärmeübertrager eine Wärmeübertragungsfläche auf, die in mindestens zwei Zonen unterteilt ist. Auf die unterschiedlichen Zonen können verschiedene Sorptionsschichten aufgebracht werden. Dies ermöglicht eine umfangreiche Behandlung eines Luftstromes durch mehrere Soprtionsschichten.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist mindestens eine Sorptionsschicht auf der Wärmeübertragungsfläche im Bereich des ersten Wärmeübertragers aufgebracht. Die Sorptionsschicht kann direkt oder indirekt mit der Wärmeübertragungsfläche des Wärmeübertragers thermisch verbunden sein. Hierdurch kann ein derartiger Wärmetauscher beispielsweise kompakter aufgebraut werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist eine der ersten Sorptionsschicht nachgeordnete oder vorgeordnete zweite Sorptionsschicht auf der Wärmeübertragungsfläche zum Aufnehmen von Kohlenstoffdioxid geeignet. Je nach Anforderungen kann eine zusätzliche Sorptionsbeschichtung aufgebracht werden, die dem Luftstrom Emissionen und insbesondere Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid entziehen kann. Somit kann die Sorptionsbeschichtung als ein Schadstofffilter verwendet werden.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung sind der erste Wärmeübertrager und/oder der zweite Wärmeübertrager unidirektional oder bidirektional durch das erste Fluid durchströmbar. Die Klimatisierung des Fahrzeuges kann somit flexibel durchgeführt werden, da der zum Betrieb der Wärmeübertrager angeschlossene Kreislauf des ersten Fluids bidirektional angetrieben werden kann. Der Wärmetauscher kann dadurch innerhalb einer kurzen Zeitspanne seinen Betriebszustand invertieren und beispielsweise die Sorptionsschicht zu erwärmen anstatt die Sorptionsschicht zu kühlen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung weist der erste Wärmeübertrager und/oder der zweite Wärmeübertrager in einem Zuflussbereich des ersten Fluids in dem Wärmeübertrager ein Ventil auf. Hierdurch kann ein konstant betriebener Kompressor zum Betrieb des ersten Fluids verwendet werden. Das Ventil bzw. mehrere Ventile können einen Durchfluss des ersten Fluides beispielsweise direkt vor der Expansion begrenzen. Hierdurch kann die Kühlung des Wärmeübertragers präzise eingestellt werden.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Klimatisierung eines Kabinenraumes eines Fahrzeuges mit einer Vorrichtung nach einem Aspekt der Erfindung bereitgestellt. In einem Schritt kann ein erster Fluidstrom in eine erste Fluidseite eines ersten Wärmeübertragers eingeleitet werden. Durch einen Luftkanal wird parallel zu der ersten Fluidseite in eine zweite Fluidseite des ersten Wärmeübertragers ein Luftstrom hineingeleitet. Der Luftstrom kann durch eine in der zweiten Fluidseite angeordnete Sorptionsschicht entfeuchtet oder befeuchtet werden. Der vorbehandelte Luftstrom kann anschließend durch einen zweiten Wärmeübertrager erwärmt oder abgekühlt werden. Der behandelte und temperierte Luftstrom wird in einem letzten Schritt in die Fahrzeugkabine geleitet.
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Der erste Fluidstrom kann bereits vortemperiert sein und die erste Fluidseite des Wärmeübertragers abkühlen oder aufwärmen. Das erste Fluid kann alternativ in der erste Fluidseite zum Erzeugen einer direkten Temperierung komprimiert oder expandiert werden. Das Verfahren kann auch stationär wie beispielsweise bei einer Gebäudeklimatisierungen eingesetzt werden. Durch die vorgelagerte Entfeuchtung des Luftstromes kann die Temperierung energieeffizienter durchgeführt werden, da der Wassergehalt in der Luft die spezifische Wärmekapazität wesentlich beeinflussen kann. Durch die Verfahrensschritte kann eine Fahrzeugkabine basierend auf einem Behaglichkeitskennfeld optimal klimatisiert werden. Durch die Möglichkeit der Behandlung des Luftstromes kann auch ein größerer Umluftanteil verwendet werden, um die Klimatisierung effizienter durchführen zu können.
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Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges mit einer Vorrichtung zum Klimatisieren des Fahrzeuges gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges mit einer Vorrichtung zum Klimatisieren des Fahrzeuges gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 3a, b schematische Darstellungen von Wärmeübertrager einer Vorrichtung gemäß einem dritten und einem vierten Ausführungsbeispiel und
- 4a, b schematische Darstellungen von Wärmeübertrager einer Vorrichtung gemäß einem fünften und einem sechsten Ausführungsbeispiel.
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In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
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In der 1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges 1 mit einer Vorrichtung 2 zum Klimatisieren des Fahrzeuges 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Vorrichtung 2 weist einen ersten Luftkanal 4 auf, der Frischluft 3 in das Fahrzeug 1 hineinleiten kann. Die Pfeile verdeutlichen hier die Luftströme in das Fahrzeug 1 hinein und innerhalb des Fahrzeuges in Form von Umluftströmen 6. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 2 ist in dem Luftkanal 4 zum Zuführen von Frischluft 3 aus einer Außenumgebung des Fahrzeuges 1 ein Wärmeübertrager 8 angeordnet. Der Wärmeübertrager 8 ist derart in dem Luftkanal 4 angeordnet, dass die Frischluft von dem Wärmeübertrager 8 behandelt werden kann. Im Detail wird dieser Prozess in den 3 und 4 ausführlicher beschrieben. Die behandelte Frischluft 3 kann beispielsweise über ein Gebläse oder den Fahrtwind des Fahrzeuges 1 in den Luftkanal 4 hineingeleitet werden.
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Die Innerhalb des Fahrzeuges 1 vorhandene Luft wird teilweise über ein separates Gebläse innerhalb der Fahrzeugkabine zirkuliert. Dem Umluftstrom 6 innerhalb der Fahrzeugkabine wird in einem Bereich 10 die Frischluft 3 aus dem Luftkanal 4 beigemischt. Überschüssige Luft 12 kann aus dem Fahrzeug 1 hinausgeleitet werden.
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges 1 mit einer Vorrichtung 2 zum Klimatisieren des Fahrzeuges 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel, weist die Vorrichtung 2 einen weiteren Wärmeübertrager 14 bzw. einen zweiten Wärmeübertrager 14 auf. Der zweite Wärmeübertrager 14 weist umluftseitig mehrere Sorptionsschichten auf zum Behandeln des Umluftstromes 6. Insbesondere ist der zweite Wärmeübertrager 14 dazu geeignet Emissionen des Umluftstromes 6 und Luftfeuchtigkeit des Umluftstromes 6 zu entziehen. Der zweite Wärmeübertrager 14 dient somit als ein Filter zum Reinigen und zum Regulieren des Umluftstromes 6. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird der behandelte Frischluftstrom 3 und der behandelte Umluftstrom 6 in einem Bereich 10 der Vorrichtung 2 zusammengeführt, miteinander vermischt und in die Fahrzeugkabine des Fahrzeuges 1 geleitet.
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Die 3a und 3b veranschaulichen Wärmeübertrager 8, 14 der Vorrichtung 2 gemäß einem dritten und einem vierten Ausführungsbeispiel. Die Wärmeübertrager 8, 14 weisen eine erste Fluidseite 16 zum Leiten eines ersten Fluids 18. Das erste Fluid 18 ist hier ein Kältemittel 18 eines nicht dargestellten Wärmepumpensystems mit einem Kompressor zum Befördern des Kältemittels 18. Gemäß dem Ausführungsbeispiel dient die erste Fluidseite 16 des Wärmeübertragers 8, 14 als eine Expansionskammer zum Expandieren des ersten Fluids 18. Das erste Fluid 18 geht während der Expansion von einem flüssigen in einen gasförmigen Aggregatzustand über und entzieht dabei Wärmeenergie der Umgebung. Dieser Vorgang resultiert somit in einer Abkühlung der ersten Fluidseite 16. Bei dem Wärmeübertrager 8, 14 einer Vorrichtung 2 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel in einem Zuflussbereich der ersten Fluidseite 16 des Wärmeübertragers 8, 14 ein Ventil 24 angeordnet. Über das Ventil 24 kann der einströmende Strom des ersten Fluids gedrosselt werden und somit das Abkühlen kontrolliert werden. Über eine Wärmeübertragungsfläche 20 kann bei einem Abkühlen der ersten Fluidseite 16 Wärme aus einer zweiten Fluidseite 22 des Wärmeübertragers 8, 14 entnommen werden. Hierdurch kann ein zweites Fluid 3, 6, welches durch die zweite Fluidseite 22 strömt abgekühlt werden. Das zweite Fluid 3, 6 kann hier Frischluft 3 oder ein Umluftstrom 6 sein.
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In der 3b ist ein im Unterschied zu dem Wärmeübertrager 8, 14 einer Vorrichtung 2 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ein bidirektionaler Wärmeübertrager 8, 14 dargestellt. Je nach Flussrichtung des ersten Fluids 18 kann die erste Fluidseite 16 als eine Expansionskammer oder als eine Verdichtungskammer genutzt werden. Somit kann ein zweites Fluid 3, 6 sowohl gekühlt als auch geheizt werden. Zum Regulieren der ersten Fluids 18 weist die erste Fluidseite 16 des Wärmeübertragers 8, 14 jeweils ein Ventil 24 auf. Abhängig von einer Flussrichtung des ersten Fluids 18 ist das Ventil 24 an einer Abflussseite geöffnet und kann an der Zuflussseite zum Regulieren verschlossen oder geöffnet werden.
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Die 4a und 4b zeigen schematische Darstellungen der Wärmeübertrager 8, 14 der Vorrichtung 2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Hier entspricht der erste Wärmeübertrager 8 dem Wärmeübertrager 8, welcher in dem Luftkanal 4 angeordnet ist. Der zweite Wärmeübertrager 14 ist in dem Umluftstrom 6 angeordnet. Der erste Wärmeübertrager 8 weist im Unterschied zu den bereits beschriebenen Wärmeübertragern 8, 14 auf seiner zweiten Fluidseite 22 eine Sorptionsbeschichtung 26 auf, die Wasser dem Frischluftstrom 3 entziehen oder dem Frischluftstron 3 zuführen kann. Durch ein Aufheizen des Wärmeübertragers 8 kann die Sorptionsbeschichtung 26 regeneriert werden. Der zweite Wärmeübertrager 14 weist zwei Zonen auf der zweiten Fluidseite 22 auf. In einer Zone ist ebenfalls eine Sorptionsbeschichtung 26 zum Regulieren einer Luftfeuchtigkeit vorhanden. In der zweiten Zone ist eine zweite Sorptionsbeschichtung 28 aufgebracht, welche Kohlenstoffdioxid aus der Umluft 6 adsorbieren kann. Dies ermöglicht eine umfangreiche Behandlung des Luftstromes 6.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012206357 A1 [0002]
