DE102018000876A1

DE102018000876A1 - Verfahren zur Herstellung eines Wasser Reservoire mit eingelagerten Phasen Wechsel Material Verbund Kühl Körper Platten (PCM-V) zur adiabatischen Verdunstungskühlung

Info

Publication number: DE102018000876A1
Application number: DE102018000876.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-02-02
Filing date: 2018-02-02
Publication date: 2019-08-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zuluft Befeuchtung eines mobilen Geräts mit adiabatischer Verdunstungskühlung bei welcher die Außen Luft durch ein Befeuchtungssystem geführt wird und abkühlt. Bei dieser direkten adiabaten Kühlung wird der einströmenden Außen Luft Feuchtigkeit über einen Befeuchter zugeführt und kühlt so die eingeströmte Außen Luft ab. Das Wasser zur adiabaten Verdunstungskühlung befindet sich in einem Wasser Reservoire. Ein Teil des umlaufenden Wassers verdunstet und muss nachgefüllt werden. Für den angestrebten Behaglichkeitsbereich der Raumluft soll die austretende Luft zwischen 18°C und 22°C bei 40% bis 65% rel. Feuchte innerhalb eines gewählten Zeitraums liegen. Weiterhin sind mikrobiologische Grundlagen die zur Bildung von Legionellen und bei ihrer Vermehrungstemperatur von 5°C bis 25°C und ihrer maximalen Vermehrungsrate zwischen 25°C und 45°C bei mobilen Verdunstungskühlanlagen und -apparate bei denen Wasser verrieselt oder versprüht wird, oder anderweitig in Kontakt mit der Atmosphäre kommen kann, zu berücksichtigen. Ein Überschreiten des erwähnten Temperaturbereiches, oberhalb von 25°C gilt es zu verhindern.

Description

In der Klimatechnik wird die adiabate Kühlung erreicht, indem ein Luftstrom in einem raumlufttechnischen Gerät befeuchtet und damit abgekühlt wird. Nicht gesättigte Luft wird mit jedem Gramm Wasser, mit dem die Luft befeuchtet wird, um ca. 2.5°C abgekühlt. (Quelle: baulinks.de). Aufgabe dieser adiabaten Verdunstungskühlung ist es, für mobile, d.h. nicht stationäre thermische Kühlsysteme kleiner Leistung, die abzuführende Wärme mit geringem Energieaufwand bei einer möglichst niedrigeren Temperatur, an die Umgebung abzugeben. Diese Temperatur soll unterhalb der Umgebungstemperatur liegen und innerhalb seiner Gebrauchszeit von 6 bis 8 h und die Geräte Austritt Temperatur von 25°C nicht überschreiten.

Die Wassertemperatur in einem Wasser Reservoire bei einer adiabatischen Kühlung ist ein Kriterium zur Bildung von Legionellen. Diese ist von großer Bedeutung. (Müller, 2005, Teststamm: Legionella pneumophila, sowie: Kilb, Wingender Lange 2005, Untersuchungen in der Hausinstallation im Warmwasser, ebd. Positive Legionellen Befunde (1035Proben) in Abhängigkeit von der Wassertemperatur, ergab folgende Zustände:

> 5°C - 25°C	Persistenz, ggf. langsame Vermehrung
> 25°C - 45°C	günstiger Vermehrungsbereich
> 50°C	keine Vermehrung, aber Überleben
60°C	Absterben innerhalb von Minuten
70°C	Absterben innerhalb von Sekunden.

Es gilt somit ein Temperatur Niveau bei dieser direkten adiabatischen Verdunstungskühlung und der austretenden Kühlluft zu schaffen, welches unterhalb von 25°C während seiner Betriebsdauer von < 8 h liegt.
Aus dem Stand der Technik ist Bekannt, dass zur Kühlung des Raumes es notwendig ist, die Kühlluft unter die Temperatur Niveau der Umgebungstemperatur zu senken. Hierbei wird das aus dem Wasser Reservoire entnommene Wasser durch eine Verrieselung in direktem Kontakt mit dem Luftstrom gebracht, dabei verdunstet ein Teil des Wassers in die Luft. Die zur Verdunstung notwendige Verdunstungstemperatur wird dabei der Luft entzogen. Dabei sinkt kontinuierlich die fühlbare (sensible) Temperatur der Luft.
Der dabei auftretende physikalische Vorrang kann so beschrieben werden, zwischen den Teilchen einer Flüssigkeit wirken anziehende Kräfte, ihre Bewegungsenergie hindern sie aber bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes sich wie bei einem festen Körper zu einer Gitterstruktur zusammenlagern. Im Inneren einer Flüssigkeit sind alle Moleküle im Mittel in alle Richtungen von gleich vielen Teilchen umgeben so dass sich diese Teilchenkräfte dort in ihrer Wirkung aufheben. Bei Teilchen an der Oberfläche einer Flüssigkeit besteht diese weitgehende Symmetrie nicht mehr, da über ihm keine Flüssigkeitsteilchen liegen. An einem Teilchen an der Oberfläche bleibt als resultierende Kraft eine in das Innere der Flüssigkeit gerichtete Kraft übrig. Im Inneren der Flüssigkeit heben sich die Kräfte auf das betrachtete Teilchen in ihrer Wirkung auf. Die in das Innere gerichtete resultierende Kraft des an der Oberfläche befindlichen Teilchen hindern die Teilchen an der Oberfläche am Verlassen der Flüssigkeit und damit am Übertritt in den Dampfraum. Unter den Teilchen einer Flüssigkeit gibt es in Abhängigkeit von der Temperatur der Flüssigkeit, mehr oder weniger viele Teilchen, die eine besonders hohe Bewegungsenergie besitzen. Bewegt sich nun ein derartiges Teilchen nahe der Oberfläche auf diese zu, wird es aber durch die rücktreibenden Kräfte abgebremst, sein Schwung kann aber groß genug sein um aus der Flüssigkeitsoberfläche in den darüber liegenden Dampfraum eintreten zu können, ein solches energiereiches Teilchen geht dadurch der Flüssigkeit verloren. Da die Flüssigkeit gerade die Teilchen verlieren die eine besonders hohe Bewegungsenergie haben, verringert sich die mittlere Bewegungsenergie der in der Flüssigkeit zurückbleibenden Teilchen, die Temperatur der Flüssigkeit sinkt.
Wird bei dem Phasenwechsel Flüssig/Dampf die notwendige adiabatische Verdunstungsenthalpie (Wärmemenge) dem Waser während seines Phasen Wechsel Flüssig/Dampf entnommen, spricht man von einer adiabaten Kühlung. Bei einem Phasenwechsel von Eis/Wasser und Wasser/Dampf erhöht sich die gespeicherte oder freiwerdende Schmelz- bzw. Verdunstungsenthalpie. Dies erfolgt bei konstanter Schmelz- bzw. Verdunstungstemperatur. Bild (1)

Erläuterungen Phasenwechsel Wasser:

>Eis, feste Phase, kristallin, (sensibler Anteil)	I
>Phasenwechsel fest/flüssig, latent, bei konstanter Schmelztemperatur T_S	II
>Wasser, flüssige Phase (sensibler Anteil)	III
>Phasenwechsel flüssig/gasförmig, latent, bei Verdampfungstemperatur Tv	IV
>Überhitzter Wasserdampf (sensibler Anteil)	V

Ein Maß für die erreichbare Abkühlung wird durch die sogen. Feuchtkugeltemperatur begrenzt. Hiernach wird für einen beispielhaft gewählten Auslegungszustand von 32°C und 40% rel. Feuchte bei 12 g/Kg Wasser/Luft eine Temperatur von 21.5°C erzielt.
Ein weiterer, zweiter Phasenwechsel, erfolgt ggf. im Wasser Reservoire an den im Wasser befindlichen formstabilen und auslaufsicheren Phasenwechsel Material Kühl Platten Körper. Das den Kühl Körper bildende organische Phasen Wechsel Verbund Material besitzt eine Elastizität Entropie und ist weder Micro - noch Makroverkapselt. Dieses erfindungsgemäße PCM-V (Phasen Wechsel Material Verbundmaterial PCM-V) ist oberhalb seines Schmelzpunktes wasserunlöslich, auslaufsicher und formstabil.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung Bild (2) dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Das im Wasser Reservoire Fig. (1) befindliche Wasser Fig. (2) zur adiabatischen Kühlung wird über einen sogenannten Verdunstungskörper Fig. (3) verrieselt. Dazu wird der Höhenunterschied zwischen Wasser Reservoire Fig. (1) und Verteilervorrichtung Fig. (4) durch eine Pumpe Fig. (5) mit geringer Leistungsaufnahme überwunden. Der Wasserfüllstand im Reservoire Fig. (1) beträgt je nach gewünschter Betriebsdauer 4 bis 8 Liter. Wasserverdunstungsmasse beträgt 0.5 l/h bis 1.0 l/h. Der Lüfter Fig. (4) (axial/radial oder Querstrom) kann wahlweise vor oder hinter der Verrieselungeinheit Fig. (3), Fig. (4) und Fig. (8) aber vor dem Luft Filter Fig. (15) angeordnet sein.
Die PCM-V Kühl Platten Körper Dicke Fig. (6) soll 1.0 cm nicht übersteigen. Die sonstige Plattengeometrie kann beliebig sein. Die Gesamtmasse der sich im Wasser Reservoire befindlichen PCM-V-Platten Kühl Körper beträgt je nach Wasser Reservoire Volumen 1.25 kg bis 5.0 kg. Die Schmelzenthalpie des beispielhaft gewählten PCM-V Material zur Bildung der Platten Kühl Körper beträgt ca. 200 KJ/Kg.
Die im einschubbaren, beweglichen Wasser Reservoire befindlichen organischen PCM-V Platten Kühl Körper, sind ohne einen umschließenden Hüllkörper. Das im Reservoire befindliche Wasser ist im direkten Kontakt mit dem PCM-V Kühl Platten Körper und weist dadurch einen verbesserten Wärmeübergang zwischen Wasser/organisches PCM-V Kühl Platten Körper auf. Die PCM-V Kühl Körper Platten können dem Wasser Reservoire entnommen werden, und ggf. außerhalb des Wasser Reservoire Temperiert werden
Ein entscheidendes Kriterium für die Verwendbarkeit von organischem PCM-V ohne Umhüllung in einem Wasser Reservoire, ohne einen umschließenden Hüllkörper, d.h. bei fehlender Micro -oder Makroverkapselung, ist zu Einem ihre Wasserunlöslichkeit, zu Anderen ihre Formstabilität und Auslaufsicherheit oberhalb seiner Schmelztemperatur. Diese wird begrenzt durch eine obere Temperatur. Diese liegt beispielhaft bei dem nach Beispiel a) hergestellten PCM-V Material, Schmelzpunkt ca.5°C, bei 65°C, und bei dem nach Beispiel b) hergestellten PCM-V Material Schmelzpunt ca. 19°C, ebenfalls bei 65°C.
Beispielhafte Rezepturen und Prozess zur Herstellung von PCM-V Platten Kühl Körper:
Beispiel a)
Schmelztemperatur des organischem Phasen Wechsel Material (PCM): 5°C, Fa. Sasol Hamburg, Parafol 14-97, latente Schmelzenthalpie : 220 KJ/kg,

Es werden folgende Additive in das PCM zur Herstellung des Phasen Wechsel Material Verbund (PCM-V) eingerührt:

1000 g	Sasol Parafol 14-97, Hamburg Deutschland
30 g	Kuraray Septon 4099, Fa. Kuraray Japan
25 g	Imerys Natural Graphit PP 44, Fa. Imery Deutschland
25 g	s h minerals CaCO3, Fa. s h minerals Deutschland

mit einem sich anschließenden Tempern bei 105°C für 30 Minuten, oder 65°C für 24 h.

Beispiel a-1)
Schmelztemperatur des organischem Phasen Wechsel Material (PCM): 5°C, Fa. Sasol Hamburg, Linpar 14-99, latente Schmelzenthalpie: 220 KJ/Kg

1000 g	Sasol Linpar 14-99, Sasol Hamburg Deutschland
50 g	Kuraray Septon 4099, Fa. Kuraray Japan
25 g	Imerys Natural Graphit PP 44, Fa. Imery Deutschland
25 g	s h minerals CaCO3, Fa. s h minerals Deeutschland

mit einem sich anschließenden Tempern bei 105°C für 30 Minuten, oder 64°C für 24 h.

Beispiel b)
Schmelztemperatur des organischen Phasen Wechsel Material (PCM): 21°C, Fa. Croda Holland, CrodaTherm 21, latente Schmelzenthalpie: 180 KJ/Kg

1000 g Crodatherm CT 21, Croda Holland

50 g Kuraray Septon 4099 Fa. Kuraray Japan

25 g Imerys Natural GraphitPP 44

25 g sh minerals CaCO3, Deutschland
Mit einem sich anschließenden Tempern bei 105°C für 15 Minuten, oder 65°C für 24 h.
Das nieder Viskose PCM-V sollte vor dem Tempern durch Gießen oder Extrudieren, in konstruktive vorgesehenen Formen gebracht werden.
Aus Bild (3) kann ein typischer Temperatur/Zeitverlauf der erfindungsgemäßen unter Beispiel b) hergestellten und beschriebenen PCM-V Platten Körper in einem Wasser Reservoire entnommen werden.
Messdaten:

Wassermasse im Reservoire		5.00 Kg
PCM-V Kühl Körper Masse		1.58 Kg
Anzahl der Kühl Körper Platten		4 Stck.
Schmelzenthalpie PCM-V 1.58 Kg/200KJ/Kg)		0.079 kwh
Messdauer	ca.	7 h
Umgebungstemperatur (Raumtemperatur)	32°C
Anfangstemperatur im Wasser Reservoire	7°C
Temperaturverlauf Eintritt Wasser in Reservoire	Bild (2)	Fig. (8)
Temperaturverlauf Wasser im Reservoire	Bild (2)	Fig. (9)

Erläuterungen zu Bild (3)

Fig .(8.1) Temperaturverlauf ohne Betrieb Verdunstungskörper
Fig. (9.1) Temperaturverlauf mit Betrieb Verdunstungskörper
Fig. (10) kritische Temperatur zur Legionellen Bildung
Fig. (11) kritischer Temperaturanstieg bei niedrigem Wasserstand

Aus Bild (4) kann ein typischer Temperatur/Zeitverlauf ohne CM-V Kühl Körper Platten in einem Wasser Reservoire entnommen werden.
Messdaten:

Wassermasse im Reservoir	5.00 Kg
PCM-V Kühl Körper Masse	0.00 Kg
Anzahl der Kühl Körper Platten	0
Messdauer	ca.	7 h
Umgebungstemperatur (Raumtemperatur)		32°C
Anfangstemperatur im Wasserreservoire		7°C
Temperaturverlauf Wasser im Wasserverteiler	Bild (4)	Fig. (12)
Temperaturverlauf Wasser im Reservoire	Bild (4)	Fig. (13)

Der Energieaufwand für Pumpe und Querstromlüfter beträgt jeweils bei beiden adiabatischen Verdunstung Kühler 65 W.
Durch Variieren der Wassermasse im Wasser Reservoire, Anzahl der Kühlköper Platten, ihrer Gesamtmasse und damit verbundener Schmelzenthalpie, Raumtemperatur, Wasserverdunstungsmasse in Liter/h kann die Wassertemperatur unterhalb eines kritischen Wertes von 25°C im Wasser Reservoire für einen Zeitraum von < 8 h sicher gehalten werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines beweglichen Wasser Reservoire welcher in ein mobiles nicht ortgebundenes Lüftungsgerät mit adiabatischer Verdunstungskühlung eingestellt ist, und bei welcher die Außen Luft durch ein Befeuchtungssystem geführt und abkühlt wird. Bei dieser direkten adiabatischen Kühlung wird der einströmenden Außen Luft, Wasser über einen Befeuchter zugeführt, und kühlt so die einströmende Außen Luft ab. Die weder mit einem Umhüllungskörper noch micro -oder makroverkapselte hergestellten PCM-V Kühl Körper Platten befinden sich in diesem Wasser Reservoire. Organisches Phasen Wechsel Material (PCM) der Kühl Körper Platten bilden ihren Hauptbestandteil. Um den angestrebten Behaglichkeitsbereich der Raumluft zu erfüllen muss dabei die austretente Luft zwischen 18°C und 22°C bei 40% bis 65% rel. Feuchte, innerhalb eines gewählten Zeitraums von bis zu 8 h, liegen. Weiterhin sind mikrobiologische Grundlagen die zur Bildung von Legionellen und ihrer Vermehrungstemperatur im Bereich 5°C bis 25°C, und ihrer maximalen Vermehrungsrate zwischen 25°C und 45°C bei mobilen Verdunstungskühlanlagen und -apparate bei denen Wasser verrieselt, oder versprüht wird, oder anderweitig in Kontakt mit der Atmosphäre kommen kann, berücksichtigt worden. Ein Überschreiten der erwähnten Temperaturgrenze im Gerät oberhalb von 25°C gilt zu verhindern. Das verdunstete Wasser muss täglich ersetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1. gekennzeichnet dadurch, dass neben dem ersten adiabaten Phasenwechsel Flüssig/Dampf am Befeuchter/Verdunstungskörper ein weiterer, zweiter Phasenwechsel Fest/Flüssig innerhalb der im Wasser Reservoire befindlichen unverkapselten PCM-V Kühl Körper Platten beim Erreichen der Schmelztemperatur der PCM-V Kühl Körper Platten, erfolgt. Der zweite, weitere Phasenwechsel von Fest/Flüssig bei konstanter Schmelztemperatur erfolgt innerhalb der PCM-V Platten Kühl Körper welche sich im unverkapselten Zustand im Reservoire Wasser befinden. Die durch den zweiten Phasenwechsel aufgenommene latente Wärmemenge bei konstanter Temperatur, dehnt zeitlich ein Ansteigen der Temperatur im Wasser Reservoire.
Verfahren nach vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass durch den zweiten Phasenwechsel an den wasserunlöslichen, formstabil und auslaufsicheren unverkapselten PCM-V Kühl Körper Platten bei einer Temperatur unterhalb von 25° eine Persistenz, bezüglich der Vermehrung von Legionellen bis zu 8 h Betriebsdauer, erreicht ist.
Verfahren nach vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserfüllstand im Wasser Reservoire je nach gewünschter Betriebsdauer 4 bis 8 Liter und die Wasserverdunstungsmenge zwischen 0.5 l/h und 1.0 l/h beträgt.
Verfahren nach vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass das organische Phasen Wechsel Material (PCM) bevorzugt aus einem Sasol Parafol 14-97 n-Tetradecane, Sasol Linpar 14-99 n-Tetradecane, Croda, CrodaTherme CT 21 und Additive zur Bildung des PCM-V Kühl Körper Platten in unterschiedlichen Anteilmengen von Kuraray Septon 4099, Imerys Natural Graphit PP 44 und s h minerals CaCO3 eingemischt werden und die Wasserunlöslichkeit der PCM-V Kühl Körper Platten gewährleisten.
Verfahren nach vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die PCM-V Kühl Körper Platten eine dem Wasser Reservoire angepasste Geometrie aufweisen, und eine Plattendicke von ca. 10 mm nicht überschreiten.
Verfahren nach vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die nach ihrer Betriebsdauer im Wasser Reservoire befindliche Wassermenge täglich entleert wird, und mit Leitungswasser, Temperatur < 18°C, wieder aufgefüllt wird. Hierbei wird auf eine Beigabe von Chemikalien oder UV-Bestrahlung von Wasser verzichtet da diese ebenfalls zur Reduzierung von Legionellen beiträgt.
Verfahren nach vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass im Wasser Reservoire eingelagerten PCM-V Kühl Körper Platten, vor einer Inbetriebnahme von Gerät/Apparat, auf eine Temperatur unterhalb ihres Schmelzpunktes abgekühlt werden. Das Abkühlen der Platten kann innerhalb oder außerhalb des Wasser Reservoire erfolgen.
Die nach Anspruch 5. gekennzeichneten organischem Phasen Wechsel Material Kühl Platten, können ebenfalls in zentralen/dezentralen Lüftung Systemen, mit oder ohne Wasser Reservoire, eingesetzt werden.