DE102018129408A1

DE102018129408A1 - Vorrichtung zum Klimatisieren eines Fluids und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102018129408A1
Application number: DE102018129408.5A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Prokop; Felix Jülch; Frederik Samenfink
Original assignee: DBK David and Baader GmbH
Current assignee: DBK David and Baader GmbH
Priority date: 2018-11-22
Filing date: 2018-11-22
Publication date: 2020-05-28
Also published as: WO2020104595A1; EP3883668A1

Abstract

Offenbart sind eine Vorrichtung zum Klimatisieren eines Fluids mit einem PTC-Heizelement, das in einer Adsorbensschüttung angeordnet ist und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Klimatisieren eines Fluids gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung.
Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise genutzt, um Komponenten aus einem Gas durch Adsorption zu entfernen. In der DE 198 17 546 A1 ist eine Lösung beschrieben, bei der als Adsorbens eine Zeolith-Schüttung verwendet wird, die ein als Widerstandsheizung ausgeführtes Heizelement umgibt. Durch Ansteuern des Heizelements können die adsorbierten Komponenten aus dem beladenen Zeolith desorbiert werden.
Zeolithe sind hochporöse Alumosilikate, die sich durch eine sehr große Porösität und eine damit einhergehende sehr großen Oberfläche von bis zu 1000 m²/g auszeichnen. Derartige Zeolithe werden überwiegend synthetisch als Pellets mit Durchmessern zwischen 2,5 mm und 5 mm hergestellt. Dabei unterscheidet man Zeolithe der Gruppen A, X oder Y, die sich im molekularen Aufbau unterscheiden und unterschiedliche Porenweiten aufweisen, so dass in Abhängigkeit von der Porenweite unerwünschte Komponenten aus einem Fluid entfernt werden können. So verwendet man beispielsweise Zeolithe mit einer Porenweite von 3 A (Angström), um gezielt Wasser aus einem Gas zu entfernen, während Komponenten mit größerem Moleküldurchmesser nicht adsorbiert werden. Die Zeolithe werden aufgrund dieser Eigenschaften auch als „Molekularsieb“ bezeichnet.
Nachteilig bei der bekannten Lösung ist, dass eine aufwendige Steuerung vorgesehen werden muss, um ein Überhitzen der Widerstandsheizung und eine damit einhergehende Beschädigung der Vorrichtung zu vermeiden. Des Weiteren ist die in der DE 198 17 546 A1 beschriebene Widerstandsheizung sehr komplex aufgebaut, so dass diese zum einen einen erheblichen Bauraum beansprucht und des Weiteren die Fertigungskosten hoch sind.
In der DE 10 2009 048 005 A1 wird ein Zeolith-Trockner für einen Geschirrspüler beschrieben, bei dem ebenfalls eine Widerstandsheizung vorgesehen ist. Dieses Konzept zeigt die gleichen Nachteile wie die oben beschriebene DE 198 17 546 A1 .
Das gleiche gilt für den in der DE 10 2012 000 013 A1 beschriebenen Zeolith-Trockner, bei dem ebenfalls eine Widerstandsheizung in eine Zeolith-Schüttung eingebracht ist. Bei einer Variante wird diese Widerstandsheizung unisoliert in der Zeolith-Schüttung aufgenommen. Derartige, ohne Isolation ausgeführte Widerstandsheizungen sind jedoch insbesondere bei mit Feuchtigkeit beladenen Gasströmen problematisch.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Klimatisieren eines gasförmigen Fluids zu schaffen, durch die mit geringem vorrichtungstechnischen Aufwand und verbesserter Betriebssicherheit ein Fluid, insbesondere ein gasförmiges Fluid, energiesparend temperiert oder entfeuchtet/befeuchtet werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. durch ein Verfahren gemäß dem nebengeordneten Patentanspruch 14 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum Klimatisieren eines vorzugsweise gasförmigen Fluids und hat einen Fluideinlass und einen Fluidauslass. Die Vorrichtung ist des Weiteren mit einem Adsorbens ausgeführt, das dazu ausgelegt ist, eine Komponente durch Adsorption aus dem Fluid aufzunehmen oder durch Desorption an das Fluid abzugeben. Die Vorrichtung ist des Weiteren mit einer Heizvorrichtung zum Temperieren des Fluids und/oder des Adsorbens ausgeführt, so dass beispielsweise durch Temperaturerhöhung ein Desorptionsvorgang eingeleitet werden kann. Erfindungsgemäß ist die Heizeinrichtung derart ausgelegt, dass deren Leistungsaufnahme während der Desorption mit abnehmender Beladung selbstregulierend abnimmt. Die Leistungsaufnahme der Heizvorrichtung ist somit bei beladenem Adsorbens größer als bei unbeladenem oder weniger gesättigtem Adsorbens. Das System ist daher höchst energieeffizient.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren, vorzugsweise zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche. Dabei wird das mit der zu entfernenden Komponente (oder Komponentenmischung) beladene Adsorbens zunächst mittels der Heizvorrichtung aufgeheizt, wobei die Leistungsaufnahme der Heizvorrichtung während dieses Aufheizvorganges selbstregulierend mit abnehmender Beladung abnimmt. Dieses Heizen erfolgt vorzugsweise bei abgestelltem Lüfter, d. h., ohne Fluidstrom. Nach dem Aufheizen des Adsorbens und der damit einhergehenden teilweisen Desorption der Komponente aus dem Mikro- und Makroporenvolumen des Adsorbens wird dann, beispielsweise in Abhängigkeit von der Adsorbenstemperatur und/oder der Adsorbensrestbeladung ein Fluidstrom durch das Adsorbens geleitet, so dass die desorbierte Komponente über den Fluidstrom aus dem Adsorbens, insbesondere der Adsorbensschüttung, ausgespült wird. Dieser mit der Komponente beladene Fluidstrom kann dann aus der Vorrichtung, beispielsweise in die Umgebung abgeleitet werden.
Ein derartiger Desorptionsvorgang ist wesentlich energieeffizienter als herkömmliche Lösungen, bei denen das Adsorbens zum Desorbieren von einem erwärmten Fluidstrom durchströmt wird. Durch diesen Fluidstrom wird die Desorption der Komponente aus dem Adsorbens deutlich beschleunigt. Dabei wird der Fluidstrom durch den endothermen Desorptionsvorgang zwar etwas abgekühlt, die Temperatur des beladenen Fluidstroms ist jedoch am Fluidauslass in der Regel höher am Fluideinlass.
Durch die erfindungsgemäße Auslegung der Heizvorrichtung kann auf eine komplexe Regelelektronik zur Vermeidung einer Überhitzung verzichtet werden, so dass der vorrichtungstechnische Aufwand gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich verringert ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das zumindest eine Heizelement mit Radiatoren zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche ausgeführt, wobei das Adsorbens diese Wärmeaustauschflächen/Radiatoren zumindest abschnittsweise umgibt. Dadurch ist ein direkter Wärmeaustausch zwischen den Radiatoren, dem Adsorbens und dem die Anordnung durchströmenden oder in dieser aufgenommenen Fluid gewährleistet.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Adsorbens als Schüttung aus Adsorbens-Pellets ausgeführt. Prinzipiell kann das Adsorbens jedoch auch als Festkörper ausgebildet sein.
Die Effektivität der Vorrichtung lässt sich weiter verbessern, wenn die Heizvorrichtung zumindest ein PTC-Heizelement aufweist. Derartige PTC-Heizelemente (PTC: Positive Temperature Coefficient) sind temperaturabhängige keramische Widerstände und der Gruppe der Thermistoren zuzuordnen und haben selbstregelnde Eigenschaften, da der Widerstand mit zunehmender Temperatur zunimmt.
Aus dem Stand der Technik ist es per se bekannt, derartige PTC-Heizelemente bei Heizvorrichtungen vorzusehen. So wird beispielsweise in der auf die Anmelderin zurückgehenden Druckschrift DE 10 2015 111 571 A1 ein Heizregister beschrieben, dessen Heizelemente als PTC-Widerstände ausgeführt sind, wobei der Wärmeaustausch über als Wellrippen ausgeführte Radiatoren erfolgt, die mit den PTC-Widerstandselementen thermisch kontaktiert sind. Bei dieser Lösung sind die Wellrippenelemente als Delta-Rippen ausgeführt, wobei Scheitel der Wellrippen an einander anliegen oder zumindest in geringem Abstand zu einander angeordnet sind.
In der ebenfalls auf die Anmelderin zurückgehenden DE 10 2016 110 023 A1 ist ein Heizer für einen Wäschetrockner beschrieben, der ebenfalls als PTC-Widerstandselemente ausgeführte Heizelemente aufweist, wobei der Wärmeaustausch über Wellrippenelemente erfolgt, die wiederum als Delta-Rippen ausgebildet sind und mit ihren Scheiteln flächig an dem Heizelement anliegen.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn das Adsorbens ein Zeolith (Molekularsieb) ist, das vorzugsweise mit einer Porenweite von mehr als 3 Å, vorzugsweise etwa 7 A ausgeführt ist, so dass Wasser adsorbiert werden kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Radiatoren als Wellrippen mit verrundeten oder abschnittsweise geraden Scheiteln ausgeführt, wobei die Scheitelbreite größer als der mittlere Durchmesser der Pelletschüttung, vorzugsweise größer als der Durchmesser der größten Pellets ist.
Der Aufbau der Vorrichtung ist besonders einfach, wenn die Heizvorrichtung eine Vielzahl von parallel oder hintereinander liegend im Fluidströmungspfad angeordneten Heizelementen aufweist, die zu einem Heizregister zusammengefügt sind.
Zur Erhöhung der Heizleistung können auch mehrere derartiger Heizregister im Fluidströmungspfad hintereinander liegend oder parallel zu einander angeordnet werden. Dabei können die Heizregister modular aufgebaut sein, d. h., in Länge oder Breite variieren.
Bei einer Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diese mit einem Gehäuse ausgeführt, in dem ein Lüfter zur Förderung des Fluids vom Fluideinlass zum Fluidauslass angeordnet ist, wobei die Heizvorrichtung mit dem Adsorbens im Strömungspfad zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet wird. D.h. über den Lüfter wird das mit einer unerwünschten Komponente, beispielsweise mit Feuchtigkeit beladene Fluid mittels durch die Adsorbensschüttung gefördert, so dass die unerwünschte Komponente in Abhängigkeit von der Porenweite des Adsorbens adsorbiert wird. Die Desorption erfolgt dann entsprechend durch Erwärmen des beladenen Adsorbens, wobei diese Desorption statisch oder dynamisch erfolgen kann.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Vorrichtung mit einer Luftsteuerung mit beispielsweise einer Klappe ausgeführt, über die der Fluidstrom stromabwärts der Heizvorrichtung und des Adsorbens zum Fluidauslass oder einem Bypassanschluss geleitet werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise als Entfeuchter für Räume oder Vorrichtungen, Geräte ausgeführt sein. Besonders bevorzugt ist dabei eine Anwendung als Schaltschrankentfeuchter, als Trockner einer Geschirrspülmaschine oder eines Wäschetrockners. Weiterhin ist eine Anwendung in einem Trockenschrank, als Trockner für Schuhe oder als Badentfeuchter möglich. Daneben sind auch mobile Anwendungen, z. B. zur Entfeuchtung von Fahrzeugen möglich.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Vorrichtung mit einer Steuereinheit ausgeführt, über die die Heizelemente und/oder der Lüfter und/oder die Luftsteuerung ansteuerbar sind. Diese Ansteuerung kann beispielsweise in Abhängigkeit von dem Signal von Sensoren erfolgen, über die die Temperatur des Fluids am Einlass, am Auslass oder in der Adsorbens-Schüttung oder die Feuchte des Fluidstroms erfasst wird. Alternativ kann die Steuerung auch zeitgesteuert erfolgen.
Zur Erhöhung der Betriebssicherheit kann das zumindest eine Heizelement isoliert sein.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Klimatisieren eines Fluids,
2 die Vorrichtung gemäß 1 bei einem abgenommenen Deckel,
3 eine Detaildarstellung der Ansicht gemäß 2,
4 ein Diagramm, in dem die Leistungsaufnahme von Heizelementen der Vorrichtung gemäß den 1 bis 3 über der Zeit dargestellt ist,
5 ein Blockschaubild zur Erläuterung eines Adsorptions- und Desorptionsvorgangs mittels einer als Schaltschrankentfeuchter ausgeführten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
6 ein konkretes Ausführungsbeispiel einer als Schaltschrankentfeuchter ausgeführten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
7 die Vorrichtung gemäß 6 in einer Schnittdarstellung,
8 eine Detaildarstellung der Vorrichtung gemäß 7 und
9 die Vorrichtung gemäß den 6 bis 8 in einer Desorptionsfunktion.

Anhand der 1 bis 4 werden im Folgenden der Grundaufbau und die Grundfunktion einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Klimatisieren eines Fluids beschrieben.
1 zeigt eine Draufsicht auf ein Heizregister 1 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dieses hat ein etwa quaderförmiges Registergehäuse 2, in dem die im Folgenden noch näher erläuterten Heizelemente 4 (siehe 2) aufgenommen sind. In der Darstellung gemäß 1 sind elektrische Anschlussleitungen dargestellt, von denen lediglich eine mit dem Bezugszeichen 6 versehen ist.
Über das Heizregister 1 kann ein Fluidstrom oder ein stehendes Fluid, beispielsweise Luft erwärmt, gekühlt (temperiert) und/oder entfeuchtet bzw. befeuchtet werden. Die Durchströmung erfolgt senkrecht zur Zeichenebene
Gemäß 1 hat das Registergehäuse 2 einen Deckel 8, der als Lochblech mit einer Vielzahl von Öffnungen 10 ausgebildet ist, die gemeinsam einen Fluideinlass bilden. Die in 1 nicht dargestellte Boden- oder Rückseite des Gehäuses ist entsprechend mit einem als Lochblech ausgebildeten Deckel 22 (siehe 2) ausgeführt. Längsseitig und Stirnseitig sind jeweils Seitenteile 12, 14, 16, 18 vorgesehen, die als geschlossene Wandung oder ebenfalls als Lochblech ausgebildet sind.
Wie im Folgenden noch näher erläutert, sind in diesem Registergehäuse 2 die Heizelemente 4 und zusätzlich ein Adsorbens 20 (siehe 3) aufgenommen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Adsorbens eine Zeolith-Schüttung verwendet, wobei der Durchmesser der Pellets größer als der Durchmesser d der Öffnungen 10 ausgeführt ist, so dass die Adsorbens-Schüttung 20 zuverlässig im Registergehäuse 2 aufgenommen ist. Weitere Einzelheiten werden anhand 3 erläutert.
Das Registergehäuse 2 ist beispielsweise aus einem Aluminium-Lochblech gefertigt; selbstverständlich können auch andere geeignete Materialien, beispielsweise Kunststoff oder Edelstahl zur Ausbildung des Registergehäuses 2 verwendet werden.
2 zeigt das Heizregister 1 bei abgenommenem Deckel 8, wobei die Zeolith-Schüttung lediglich in den rechts oben und unten liegenden Eckbereichen des Heizregisters 1 dargestellt ist. Wie erläutert, besteht das Adsorbens 20 aus einer PelletSchüttung, wobei der Durchmesser der Pellets beispielsweise zwischen 2,5 mm und 5 mm liegt. Zweckmäßiger Weise wird eine vergleichsweise enge Korngrößenverteilung gewählt, so dass die Schüttung einen homogenen Aufbau hat.
Es ist auch möglich, mit der Korngröße den Druckverlust zu beeinflussen. Bei Verwendung einer gröberen Schüttung (größerer Pelletdurchmesser) ist der Druckverlust geringer. Alternativ ist es auch möglich, nur Teilbereiche des Heizregisters 1 mit der Pelletschüttung zu versehen.
In der Darstellung gemäß 2 sieht man den in 1 nicht sichtbaren bodenseitigen Deckel 22, der gemeinsam mit den Seitenteilen 12, 14, 16, 18 die Aufnahme für die Heizelemente 4 bildet.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat das Heizregister 1 sechs Heizelemente 4a, 4b, 4c, 4d, 4e und 4f, die jeweils mit Strangpressprofilen 24 ausgebildet sind, die beispielsweise aus Aluminium bestehen. In diesen Strangpressprofilen 24 sind die eigentlichen Heizkomponenten, d.h. die PTC-Bausteine, Kontaktbleche und die zugehörige Isolierhülle vorgesehen. Letztere umgibt die PTC-Bausteine und die Kontaktbleche und isoliert diese gegenüber dem als Gehäuse ausgeführten Strangpressprofil 24. Die gesamte Anordnung mit dem Strangpressprofil und den eigentlichen Heizkomponenten wird dann verpresst.
An diese Heizelemente 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f sind seitlich Radiatoren angesetzt, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel als Delta-Rippen 26 ausgeführt sind. Der Aufbau einer derartigen Delta-Rippe 26 ist in dem eingangs beschriebenen Stand der Technik erläutert und wird im Folgenden nochmals anhand 3 beschrieben.
Die PTC-Elemente sind derart ausgelegt, dass sie eine schnelle und sichere Regeneration (siehe folgende Ausführungen) des zeolithischen Adsorbens 20 gewährleisten. Dabei können die PTC-Elemente in Abhängigkeit von der Restfeuchte ausgelegt sein. Um beispielsweise eine niedrige Restfeuchte zu erreichen, können PTC-Elemente mit einer Oberflächentemperatur von 260°C eingesetzt werden. Wird eine höhere Restfeuchte zugelassen, können beispielsweise PTC-Elemente mit einer Oberflächentemperatur von 240°C zur Anwendung kommen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Heizregister 1 kaskadierend aus wechselnden Lagen von Strangpressprofilen 24, Delta-Rippen 26 (Wellrippen) ausgebildet, wobei die innen liegenden Delta-Rippen 26 jeweils zwei Heizelementen 4 bzw. Strangpressprofilen 24 zugeordnet sind. Die Delta-Rippen 26 können beispielsweise durch Anrollen seitlicher Stege wärmeleitend mit Strangpressprofilen 24 verbunden sein. Prinzipiell ist auch ein Verlöten oder eine sonstige stoff- und/oder formschlüssige Verbindung möglich.
Anstelle der Delta-Rippen 26 können selbstverständlich auch andere Radiatorformen, beispielsweise Wellrippen mit verrundeten Scheiteln oder sonstige Wärmeaustauschflächen realisiert sein. Die Geometrie sollte so gewählt sein, dass die Pellets in den Durchströmungsräumen angeordnet werden können.
Im Bereich der beiden längsseitigen Seitenteile 12, 18 sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel Abschlussprofile 28, 30 vorgesehen, die die außen liegenden Delta-Rippen 26 seitlich abstützen. Prinzipiell könnte anstelle eines derartigen Abschlussprofils 28, 30 auch in diesem Bereich ein Pelletschüttung ausgebildet werden, an der die Delta-Rippe 26 dann seitlich abgestützt ist.
Die Strangpressprofile 24 sowie Abschlussprofile 28, 30 können beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein. Zur Optimierung der chemischen Beständigkeit kann eine Beschichtung vorgesehen sein. Auch andere geeignete Materialien sind möglich.
3 zeigt eine Detaildarstellung des rechts unten liegenden Teils des in 2 dargestellten Heizregisters 1, wobei lediglich ein Teil der Adsorbens-Schüttung dargestellt ist. Man erkennt in der Darstellung gemäß 3 die Form der Delta-Rippen 26, mit zwei etwa V-förmig schräg angestellten Rippenwandungen 32, 34, die jeweils über einen Scheitel 36 verbunden sind, der - wie vorstehend erläutert - flächig am Strangpressprofil 24 des jeweiligen Heizelementes 4 anliegt. In den Rippenwandungen 32, 34 können in 3 angedeutete Sicken/Durchbrüche 38 ausgebildet sein, die eine Quervermischung der Strömung zulassen. Hinsichtlich weiterer Details derartiger Delta-Rippen 26 wird auf den eingangs genannten Stand der Technik gemäß der DE 10 2015 111 571 A1 verwiesen.
Die Pellets des Adsorbens 20 sind in dem von den Delta-Rippen 26 aufgespannten Raum eingebracht, so dass auch die Schüttung thermisch mit den Delta-Rippen 26 und somit mit den Heizelementen 4a bis 4f kontaktiert ist.
Wie in 3 schematisch dargestellt, sind bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Geometrie der Delta-Rippe 26 und der Durchmesser D der Pellets so abgestimmt, dass letzterer kleiner oder gleich der Scheitelbreite S der Scheitel 36 der Delta-Rippe 26 ist. Dadurch ist gewährleistet, dass die Pellets auch im Scheitelbereich in Anlage an das jeweilige Heizelement 4 oder das Abschlussprofil 28, 30 gelangen, so dass keine Hohlräume entstehen, die eine unerwünschte Fluidströmung ohne vorbestimmten Wärme-/Stoffaustausch ermöglichen.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel werden vorzugsweise Zeolithe der Gruppe X oder Y verwendet, die eine etwas größere Porengröße als die Zeolithe der Gruppe A aufweisen. Die Zeolithe der Gruppen X, Y haben den Vorteil einer höheren Wasseraufnahme, einer besseren Robustheit und einer höheren hydrothermalen Stabilität gegenüber den Zeolithstrukturen der Gruppe A. Zudem haben die Zeolithe der Gruppe X oder Y einen größeren Porendurchmesser, so dass neben Wassermolekülen auch andere Bestandteile, beispielsweise Kohlenwasserstoffe adsorbiert werden.
Wird ein derartiges Heizregister bei abgeschalteter Heizung mit feuchter Luft beaufschlagt, wobei diese Beaufschlagung statisch oder über einen Luftstrom erfolgen kann, so werden die Wassermoleküle durch das Adsorbens 20 (Molekularsieb) adsorbiert.
Bei Erreichen einer gewissen Feuchtigkeitssättigung des Adsorbens werden die Heizelemente 4 bei zunächst unterbrochenem Luftstrom angesteuert, so dass durch die Temperaturerhöhung eine Desorption erfolgt. Dabei wird die von den Heizelementen 4 abgegebene Wärmemenge homogen über die Delta-Rippen 26 des Heizregisters 1, auch ohne eine erzwungene Luftzirkulation, an das Adsorbens übertragen, so dass nach relativ kurzer Zeit das Adsorbens 20 regeneriert und die adsorbierten Bestandteile, insbesondere die Wassermoleküle desorbiert werden.
4 zeigt die Leistungsaufnahme der Heizelemente 4 während des Desorptionsvorgangs in Abhängigkeit von der Zeit. Die oben liegende Kurve zeigt die Leistungsaufnahme bei einem mit hoher Feuchtigkeit beladenen Adsorbens 20. Die darunter liegende Kurve zeigt die Leistungsaufnahme bei einem vergleichsweise gering beladenen Adsorbens 20. Man erkennt aus dieser Darstellung, dass prinzipiell die Leistungsaufnahme zu einer vorgegebenen Zeit bei einem beladenen Adsorbens größer als bei einem weniger beladenen Adsorbens ist. Zudem erkennt man deutlich, dass die Leistungsaufnahme mit zunehmender Desorptionszeit und somit abnehmender Beladung aufgrund der PTC-Charakteristik selbstregulierend abnimmt. Mit anderen Worten gesagt, die Leistungsaufnahme des Heizregisters 1 stellt sich bei der Verwendung eines PTC-Heizelementes 4 in Abhängigkeit vom Feuchtigkeitsgehalt bzw. der Beladung des Zeolithen ein, ohne dass es einer komplexen Regelung bedarf. Zudem ist keine zusätzliche Absicherung des Heizsystems erforderlich, da aufgrund der PTC-Charakteristik das Überschreiten einer Maximaltemperatur praktisch unmöglich ist.
Während des Desortionsvorgangs stellt sich eine in etwa gleichbleibende Oberflächentemperatur an den Heizelementen 4 auch bei abnehmendem Feuchtigkeitsgehalt ein. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Systems besteht darin, dass aufgrund der Isolation direkt an den Heizelementen keine offenen Spannungen vorliegen und somit auch keine Kurzschlussgefahr bei hoher Feuchtigkeitssättigung besteht.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung sei im Folgenden nochmals anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert. 5 zeigt beispielhaft die Funktionsstruktur eines Schaltschrank-Entfeuchters 40. Demgemäß hat ein derartiger Entfeuchter 40 drei Hauptkomponenten.
Eine erste Hauptkomponente ist das vorbeschriebene Heizregister 1, das die PTC-Heizelemente 4 und das aus einer Zeolith-Schüttung bestehende Adsorbens 20 beinhaltet. Der Entfeuchter 40 hat des Weiteren einen Lüfter 42, über den ein Luftstrom dem Heizregister 1 zugeführt wird. Der Entfeuchter 40 hat zudem eine Luftsteuerung 44, über die die mittels des Heizregisters 1 entfeuchtete Luft entweder einem Schaltschrank zuführbar ist oder die bei einem Desorptionsvorgang anfallende Luft an die Umgebung abgegeben wird.
Bei dem in 5 oben dargestellten Adsorptionsvorgang wird über den Lüfter 42 zunächst feuchte Luft angesaugt und zum Heizregister 1 gefördert. Diese feuchte Luft wird mittels der Zeolith-Schüttung des Heizregisters 1 bei deaktivierter Heizung (Heizelemente 4 ausgeschaltet) durch Adsorption entfeuchtet, so dass die Wassermoleküle im Mikro- und Makroporenvolumen der Zeolith-Schüttung adsorbiert werden. Während dieses exothermen Adsorptionsvorgangs wird aufgrund der freiwerdenden Adsorptionswärme der Luftstrom erwärmt, so dass am Ausgang des Heizregisters 1 entfeuchtete und erwärmte Luft vorliegt. Die Luftsteuerung 44 ist dabei so eingestellt, dass dieser entfeuchtete und erwärmte Luftstrom in den Schaltschrank geleitet wird.
Über geeignete Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren kann die Beladung des Zeolithen oder der Feuchtigkeitsgehalt der Luft kontrolliert werden. Bei Erreichen einer vorbestimmten Feuchtigkeitssättigung/Beladung wird dann der Desorptionsvorgang eingeleitet. Diese Desorption erfolgt dadurch, dass zunächst das Heizregister, genauer gesagt die Heizelemente 4, angesteuert werden, so dass entsprechend die Zeolith-Schüttung erwärmt wird. Nach einer Aufheizzeit (statische Desorption) kann der Lüfter 42 zeitweise aktiviert werden, um den Desorptionsvorgang mittels eines Luftstroms (kalte, feuchte Luft) zu unterstützen, so dass die Entfeuchtungsleistung/Desorption deutlich erhöht bzw. beschleunigt wird. Durch die über das Heizregister 1 zugeführte Wärme werden die im Porensystem des Adsorbens 20 bzw. der Schüttung adsorbierten Wassermoleküle desorbiert/verdampft und dann über die zugeführte Luft aus dem Porensystem herausgeführt. Diese über die Heizelemente 4 erwärmte Luft wird durch den endothermen Desorptionsvorgang zwar etwas gekühlt, dennoch liegt am Ausgang des Heizregisters 1 nach dem Desorptionsvorgang bei aktivierten Heizelementen 4 warme, mit Wasserdampf beladene Luft an. Dieser Luftstrom wird dann durch geeignete Ansteuerung der Luftsteuerung 44 in die Umgebung geleitet.
Wie in 5 unten angedeutet, erfolgt die Ansteuerung des Lüfters 42, des Heizregisters 1 und der Luftsteuerung 44 über eine Steuer-/Regeleinheit 46. Diese gibt die Steuersignale beispielsweise in Abhängigkeit von den Messsignalen von Sensoren, beispielsweise von Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren ab, um den Ad- und Desorptionsvorgang zu regeln. Das Heizregister 1 kann beispielsweise über ein Relais geschaltet werden. Die im Folgenden noch näher erläuterte Luftstromsteuerung kann durch einen Schrittmotor oder einen Stellantrieb in Form eines Dehnwachselements, welches ggf. elektrisch beheizt wird und somit fremdsteuerbar ist, in die jeweilige Position gebracht werden, um den Luftstrom in den Schaltschrank oder an die Umgebung zu leiten. Die Steuerung der Lüfterdrehzahl kann beispielsweise mittels einer Pulsweitenmodulation (PWM) realisiert werden.
6 zeigt ein konkretes Ausführungsbeispiel eines Entfeuchters 40, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem mehrteiligen, etwa quaderförmigen Gehäuse 48 ausgeführt ist. In diesem sind die drei vorbeschriebenen Komponenten: der Lüfter 42, das mit einer gestrichelten Bezugslinie gekennzeichnete Heizregister 1 und die Luftsteuerung 44 aufgenommen. Zwischen dem Lüfter 42 und dem Heizregister 1 ist bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel noch ein Zwischenstück 50 vorgesehen, welches zur Erzeugung eines homogenen Luftstromes dient.
Der Lüfter 42 ist so ausgelegt, dass er Luft von unten her (siehe Pfeil in 6) in das Innere des Gehäuses 48 fördert, so dass ein zum Heizregister 1 gerichteter Luftstrom entsteht. Beim vorbeschriebenen Adsorptionsprozess ist eine Klappe 52 der Luftsteuerung 44 so eingestellt, dass der entfeuchtete, aufgrund der Adsorptionswärme erwärmte Luftstrom durch einen Auslass in das Innere des Schaltschranks geführt ist. Während des Desorptionsvorgangs wird die schwenkbar auf einem Drehlager 55 der Luftsteuerung 44 gelagerte Klappe 52 in eine in 9 dargestellte Position gebracht, in der der Luftstrom zum Auslass 54 unterbrochen ist und zu einem Bypassauslass 56 geführt wird, durch den hindurch der warme, mit Feuchtigkeit beladene Luftstrom an die Umgebung abgegeben wird (siehe gestrichelten Pfeil in 6).
Die Ansteuerung des Lüfters 42, der Heizelemente 4 und der Klappe 52 sowie die Verarbeitung der Messsignale der Sensoren (Feuchtigkeitssensor, Temperatursensor, etc.) erfolgt - wie vorstehend beschrieben - über die Steuereinheit 46, die beispielsweise - wie in 6 gestrichelt angedeutet - seitlich an das Gehäuse 48 angesetzt sein kann. Selbstverständlich kann diese Steuereinheit 46 auch getrennt von dem eigentlichen Entfeuchter 40 montiert sein.
Wie weiterhin 6 entnehmbar ist, sind die einzelnen Komponenten des erfindungsgemäßen Entfeuchters, d.h. der Lüfter 42, das Zwischenstück 50, das Heizregister 1 und die Luftsteuerung 44 über eine Schraubverbindung 58 mit einander verbunden, wobei der Lüfter 42 auf einer Bodenplatte 60 abgestützt ist und der Auslass 54 in einer Deckplatte 62 mündet, die ein Ausblasen in den Schaltschrank ermöglicht. Die Schraubverbindung 58 ist so ausgebildet, dass die vorgenannten Komponenten 42, 50, 48 mit der Deckplatte 62 und der Bodenplatte 60 verspannt sind.
7 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A durch den Entfeuchter 40 gemäß 6. Man erkennt in dieser Darstellung, dass bei diesem Ausführungsbeispiel zwei Teilheizregister 1.1, 1.2 der vorbeschriebenen Bauart in Durchströmungsrichtung hintereinander liegend ein gemeinsames Heizregister 1 ausbilden. In dieser Darstellung sieht man auch deutlich die Sicken 38 der Delta-Rippen 26.
Stromaufwärts und stromabwärts der Heizregister 1 ist bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils ein als Lochblech ausgeführter Deckel 8, 22 vorgesehen, wobei die anhand der 1 und 2 erläuterten Deckel im Anlagebereich der beiden Teilheizregister 1.1 und 1.2 zur Vereinfachung des vorrichtungstechnischen Aufwandes weggelassen sind. Im mittleren Bereich des Heizregisters 1 gemäß 7 sind die Strangpressprofile 24.1 und 24.2 der Heizelemente 4.1 und 4.2 der Teilheizregister 1.1 bzw. 1.2 sichtbar. Beiden Teilheizregistern 1.1 und 1.2, die gemeinsam das Heizregister 1 bilden, ist eine gemeinsame Zeolith-Schüttung zugeordnet, die allerdings in 7 nicht dargestellt ist.
8 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung des Heizregisters 1 mit den beiden Teilheizregistern 1.1 und 1.2, die in Strömungsrichtung gesehen hintereinander geschaltet sind. Jedes dieser Teilheizregister 1.1 und 1.2 hat den Aufbau, wie er im Prinzip anhand der 1 bis 3 näher erläutert wurde, so dass weitestgehend auf diese Ausführungen verwiesen werden kann. In der Darstellung gemäß 8 ist der bodenseitige Deckel 22 des Heizregisters 1 dargestellt, der in 7 sichtbare, oben liegende Deckel 8 wurde der besseren Übersichtlichkeit halber weggelassen.
Wie vorstehend beschrieben, hat jedes Teilheizregister 1.1 (1.2) vier Heizelemente, von denen in 8 lediglich einige zu sehen sind (in 8 sind lediglich die Heizelemente des Teilheizregisters 1.1 mit den Bezugszeichen 4c, 4d, 4e und 4f versehen), denen jeweils Anschlussleitungen 6 zur Kontaktierung zugeordnet ist. Wie vorstehend beschrieben, hat jedes Heizelement 4 PTC-Bausteine, die über Kontaktbleche kontaktiert sind und über eine Isolierung gegenüber dem jeweiligen Strangpressprofil 24a, 24b, 24c (das vierte Strangpressprofil des Teilheizregisters 1.1 ist in 8 nicht sichtbar) isoliert sind. Der Wärmeaustausch erfolgt, wie beschrieben, über die Delta-Rippen 26. Die Zeolith-Schüttung ist auch in der Darstellung gemäß 8 weggelassen. Diese Zeolith-Schüttung füllt den gesamten in 8 sichtbaren Raum zwischen den Heizelementen 4a bis 4c beider Teilheizregister 1.1 und 1.2 aus.
9 zeigt eine 7 entsprechende Darstellung, wobei zur Desorption die Klappe 52 so verstellt ist, dass der Auslass 54 zum Schaltschrank hin abgesperrt ist, und die während des Desorptionsvorgangs mit Wasserdampf beladene, relativ warme Luft durch den Bypassauslass 56 hindurch in die Umgebung geleitet wird. Ansonsten entspricht die Abbildung gemäß 9 derjenigen in den 7 und 8, so dass weitere Erläuterungen entbehrlich sind.
Offenbart sind eine Vorrichtung zum Klimatisieren eines Fluids mit einem PTC-Heizelement, das in einer Adsorbensschüttung angeordnet ist und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung.
Bezugszeichenliste

1: Heizregister
2: Registergehäuse
4: Heizelement
6: Anschlussleitung
8: Deckel
10: Öffnung
12: Seitenteil
14: Seitenteil
16: Seitenteil
18: Seitenteil
20: Adsorbens
22: bodenseitiger Deckel
24: Strangpressprofil
26: Delta-Rippe
28: Abschlussprofil
30: Abschlussprofil
32: Rippenwand
34: Rippenwand
36: Scheitel
38: Sicke
40: Entfeuchter
42: Lüfter
44: Luftsteuerung
46: Steuereinheit
48: Gehäuse
50: Zwischenstück
52: Klappe
54: Auslass
55: Drehlager
56: Bypassauslass
58: Schraubverbindung
60: Bodenplatte
62: Deckplatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19817546 A1 [0002, 0004, 0005]
DE 102009048005 A1 [0005]
DE 102012000013 A1 [0006]
DE 102015111571 A1 [0017, 0044]
DE 102016110023 A1 [0018]

Claims

Vorrichtung zum Klimatisieren eines Fluids, insbesondere eines Luftstroms, mit einem Fluideinlass und einem Fluidauslass und mit einem Adsorbens (20), das ausgelegt ist, eine Komponente durch Adsorption aus dem Fluid aufzunehmen oder durch Desorption an das Fluid abzugeben und mit einer Heizvorrichtung zum Temperieren des Adsorbens und/oder des Fluids, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizelement (4) der Heizvorrichtung derart ausgelegt ist, dass eine Leistungsaufnahme des Heizelementes (4) mit abnehmender Beladung des Adsorbens (20) selbstregulierend abnimmt.
Vorrichtung nach Patentanspruch, wobei das zumindest eine Heizelement (4) Radiatoren zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche hat und das Adsorbens (20) die Radiatoren zumindest abschnittsweise umgibt.
Vorrichtung nach Patentanspruch 2, wobei das Adsorbens (20) eine Schüttung aus Adsorbens-Pellets ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Heizvorrichtung zumindest ein PTC-Heizelement (4) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Adsorbens (20) ein Zeolith, vorzugsweise des Typs X oder Y ist.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 2 bis 5, wobei die Radiatoren Wellrippen mit verrundeten oder abschnittsweise geraden Scheiteln (36) sind, wobei eine Scheitelbreite (S) größer ist als der mittlere Durchmesser, vorzugsweise größer als der größte Durchmesser (D), eines Pellets ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Heizvorrichtung eine Vielzahl von im Fluidströmungspad parallel oder hinter einander liegend angeordneten Heizelementen (4) hat, die von dem Adsorbens (20) umgeben sind und zu einem Heizregister (1) zusammengefasst sind.
Vorrichtung nach Patentanspruch 7, wobei die Heizvorrichtung modular mit im Fluidströmungspfad parallel oder hintereinanderliegenden Heizregistern (1) ausgebildet ist, wobei die Heizregister (1) in Länge und/oder Breite variieren können.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das zumindest eine Heizelement (4) mit einer Isolierung versehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit einem Gehäuse (48), in dem ein Lüfter (42) zur Förderung des Fluids vom Fluideinlass zum Fluidauslass angeordnet ist, wobei die Heizvorrichtung mit dem Adsorbens (20) im Strömungspfad zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidauslass angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit einer Luftsteuerung (44), über die der Fluidstrom stromabwärts der Heizvorrichtung und des Adsorbens (20) wahlweise zum Fluidauslass oder zu einem Bypassauslass (56) geleitet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei diese ein Entfeuchter für Räume oder Vorrichtungen, Geräte, vorzugsweise ein Schaltschrank-Entfeuchter (40), ein Trockner einer Geschirrspülmaschine oder eines Wäschetrockners ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit einer Steuereinheit (46) zum Ansteuern der Heizelemente (4) und/oder eines Lüfters (42) und/oder einer Luftsteuerung (44) und mit Sensoren zur Erfassung von Betriebsparametern, wie beispielsweise der Temperatur oder einer Feuchte des Fluids.
Verfahren, insbesondere zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit den Schritten: - Aufheizen des mit der Komponente beladenen Adsorbens (20) zur Desorption mittels der Heizvorrichtung, wobei die Leistungsaufnahme eines Heizelements (4) der Heizvorrichtung mit abnehmender Beladung selbstregulierend abnimmt, - Abschalten des Heizelements (4) nach Erreichen einer vorbestimmten Adsorbenstemperatur oder einer Restbeladung des Adsorbens oder eines Anteils der desorbierten Komponente in einem Fluidraum, - Durchströmen des aufgeheizten Adsorbens (20) mittels eines Fluidstroms zur weiteren Verringerung der Adsorbensbeladung und - Ableiten des mit der Komponente beladenen Fluidstroms aus der Vorrichtung.