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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zum Behandeln von Gas und insbesondere auf solche Vorrichtungen, die zum Heizen oder Kühlen von Gas, wie beispielsweise Luft separat oder zusammen mit einem raumlufttechnischen Gerät (RLT-Gerät) eingesetzt werden können.
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Verwandte Geräte sind Kaltluftkältemaschinen. Sie werden beispielsweise in der Raumfahrt eingesetzt. In der Fachveröffentlichung „High-capacity turbo-Brayton cryocoolers for space applications“, M. Zagarola u. a., Cryogenics 46 (2006), Seiten 169 bis 175 ist ein Kryokühler offenbart, der schematisch in 9 dargestellt ist. Ein Kompressor C komprimiert Gas, das in dem geschlossenen System zirkuliert. Das komprimierte Gas wird durch einen Wärmetauscher gekühlt, was schematisch mit „Wärmesenke“ beziehungsweise mit „Wärmeabgabe“ bezeichnet ist. Das gekühlte Gas wird in einen Rekuperator R eingespeist, der das dadurch abgekühlte Gas einer Turbine E zuführt. Aus der Turbine E wird kaltes Gas abgegeben, das über einen Wärmetauscher Wärme aufnimmt beziehungsweise eine Kältewirkung erreicht. Das Gas, das aus dem Wärmetauscher, der die Kältewirkung bereitstellt, austritt und wieder wärmer als das Gas am Eingang desselben ist, wird ebenfalls in den Rekuperator R eingespeist, um wieder angewärmt zu werden.
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Das Temperatur-Entropie-Diagramm des Zyklus in 9 ist in 10 dargestellt. Durch den Kompressor C findet eine isentrope Kompression statt, wie es durch den Übergang vom Übergangspunkt 1 zum Übergangspunkt 2 gezeigt ist. Durch den Wärmetauscher zur Wärmeabgabe findet eine isobare Wärmeabfuhr statt, wie es durch den Übergang von Punkt 2 zu Punkt 3 in 10 dargestellt ist. Durch den Rekuperator R findet ebenfalls eine isobare Wärmeabfuhr statt, wie es durch den Übergang zwischen Punkt 3 und Punkt 4 dargestellt ist. Dann findet in der Turbine 4 eine isentrope Expansion statt, wie es durch den Übergang zwischen Punkt 4 und Punkt 5 dargestellt ist. Die Kältewirkung des Wärmetauschers wiederum stellt eine isobare Wärmezufuhr dar, wie es durch den Übergang von Punkt 5 zu Punkt 6 dargestellt wird. Die im Wärmetauscher abgegebene Wärme ist im Temperatur-Entropie-Diagramm als der Temperaturunterschied zwischen Punkt 2 und Punkt 3 dargestellt. Entsprechend ist die durch die Turbinenexpansion erreichte Temperaturreduktion durch den Temperaturunterschied zwischen dem Punkt 4 und dem Punkt 5 dargestellt.
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Schließlich ist der Temperaturunterschied, der zu der Kühlung eingesetzt werden kann, der also als „verfügbare Kühlung“ dargestellt ist, zwischen Punkt 5 und Punkt 6 dargestellt.
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Weitere Kaltluftkältemaschinen in verschiedenen anderen Ausführungen werden in dem Vortrag „Luft als Kältemittel - Geschichte der Kaltluftkältemaschine“ von I. Ebinger, gehalten auf der Historikertagung 2013 in Friedrichshafen am 21.06.2013, dargestellt.
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Im Vergleich zu Wärmepumpen, die zum Kühlen und zum Heizen eingesetzt werden, haben Gaskältemaschinen den Vorteil, dass eine energieaufwändige Umwälzung von flüssigem Kältemittel vermieden werden kann. Darüber hinaus kommen Gaskältemaschinen ohne das dauernde Verdampfen einerseits und das dauernde Kondensieren andererseits aus. Im in 9 gezeigten Zyklus zirkuliert lediglich Gas, ohne dass es Übergänge zwischen den verschiedenen Aggregatzuständen gibt. Ferner sind bei Wärmepumpen insbesondere dann, wenn auf klimaproblematische Kältemittel verzichtet werden soll, sehr kleine Drücke nahe beim Vakuum nötig, die in der Erzeugung, Handhabung und Beibehaltung während des Betriebs zu erheblichem Aufwand insbesondere in apparativer Hinsicht führen können.
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Solche Kaltluftkältemaschinen umfassen einen Kompressor, eine Turbine, einen Rekuperator und einen Wärmetauscher. Durch den Wärmetauscher in einer Kaltluftkältemaschine wird Wärme entzogen und an eine Wärmesenke abgeführt. Dies findet typischerweise in einem Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher statt. Kaltluftkältemaschinen, wie sie beispielsweise in der deutschen Anmeldung
10 2020 213 544.4 beschrieben sind, können dazu eingesetzt werden, als offenes System zu arbeiten, um die Luft aus einem Raum als Arbeitsmittel der Kaltluftkältemaschine zu verwenden, um in Sinne eines offenen Systems eine entsprechend gekühlte Luft an diesen Raum wieder abzugeben. Insbesondere umfasst eine solche Kaltluftkältemaschine einen Rekuperator am Kompressoreingang. Eine Kompressor-Wärmetauscher-Turbinen-Kombination einer solchen Gaskältemaschine ist mit einem Rekuperatorausgang verbunden. Diese Implementierung beinhaltet aufgrund der Verwendung eines Rekuperators, eines Kompressors, eines Wärmetauschers, einer Turbine und einer Wärmesenke, für deren Ankopplung der Wärmetauscher als Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildet sein muss, eine große Anzahl von Komponenten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein einfacheres Konzept zum Behandeln von Gas, wie beispielsweise Luft zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Behandeln von Gas gemäß Patentanspruch 1, ein Verfahren zum Behandeln von Gas gemäß Patentanspruch 28, ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Behandeln von Gas gemäß Patentanspruch 30, oder ein raumlufttechnisches Gerät mit einer solchen Vorrichtung gemäß Patentanspruch 24 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine einfache und gleichzeitig robuste Maßnahme zum Behandeln von Gas darin besteht, eine Kompressor-Wärmetauscher-Turbinen-Kombination einzusetzen, bei der der Wärmetauscher als Gas-Gas-Wärmetauscher ausgebildet ist und auf seiner Primärseite zwischen den Kompressorausgang und den Turbineneingang gekoppelt ist. Die Primärseite des Gas-Gas-Wärmetauschers, der auch als Rekuperator bezeichnet werden kann, kann je nach Implementierung mit verschiedenen unterschiedlichen Gasströmen beaufschlagt werden.
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Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen wird die Kompressor-Gas-Gas-Wärmetauscher-Turbinen-Kombination mit einer Eingangs-Schnittstelle und einer Ausgangs-Schnittstelle versehen, wobei die Eingangs-Schnittstelle ausgebildet ist, um den Kompressoreingang und den Wärmetauschereingang der Primärseite mit einer Gaszufuhr zu koppeln. Dann ist die Ausgangs-Schnittstelle ausgebildet, um den Turbinenausgang und den Wärmetauscherausgang der Primärseite des Wärmetauschers mit einer Gasabfuhr zu koppeln.
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Die Eingangs-Schnittstelle und die Ausgangs-Schnittstelle können je nach Implementierung fest „verdrahtet“, also fest installiert sein, um die Vorrichtung zum Behandeln von Gas in einen „Sommerbetrieb“ zu fahren, in dem die Kühlleistung der Vorrichtung zum Behandeln im Vordergrund steht. Bei einer anderen Implementierung der Eingangs-Schnittstelle und/oder der Ausgangs-Schnittstelle wird die Vorrichtung zum Behandeln von Gas „fest verdrahtet“ in einen „Winterbetrieb“ gefahren, bei dem das Heizen, also die Heizungswirkung der Vorrichtung im Vordergrund steht.
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Bei wieder einem anderen Ausführungsbeispiel sind sowohl die Eingangs-Schnittstelle als auch die Ausgangs-Schnittstelle steuerbar ausgebildet, um die Eingangsseite der Vorrichtung zum Behandeln von Gas und die Ausgangsseite der Vorrichtung zum Behandeln von Gas abhängig von einem Steuersignal, das manuell oder automatisch erfasst werden kann, in einen Kühlungsbetrieb oder in einen Heizungsbetrieb einzustellen. Die Erfassung der Umgebungssituation, wie beispielsweise eine Temperaturerfassung oder eine Zieltemperaturerfassung einer Zuluft für einen Raum, kann automatisch unter Verwendung eines Temperatursensors oder eines Strömungssensors oder von beiden Sensoren stattfinden, oder kann manuell oder abhängig von einer größeren, zum Beispiel einer Gebäudesteuerung abgeleitet werden.
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Je nach Implementierung kann die Eingangs-Schnittstelle oder die Ausgangs-Schnittstelle als Zwei-Wege-Schalter mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen eingestellt sein, wobei zwischen zwei Verbindungen von den Eingängen zu den Ausgängen hin- und hergeschaltet werden kann. Alternativ kann die Schnittstelle auch aus einzelnen Schaltelementen bestehen, um einen Eingang an einen von zwei Ausgängen abhängig von einem Steuersignal anzuschließen.
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Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung zum Behandeln von Gas ausgebildet, um eine spezielle Kompressor-Turbinen-Kombination zu haben, bei der das Kompressorrad und das Turbinenrad auf einer Achse angeordnet sind, wobei zwischen dem Kompressorrad und dem Turbinenrad ein Antriebsmotor angeordnet ist, und wobei insbesondere der Rotor des Antriebsmotors auf derselben Achse angeordnet ist, auf der auch das Turbinenrad und das Kompressorrad angeordnet sind.
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Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist ferner der Wärmetauscher, der ein Gas-Gas-Wärmetauscher ist, in der Art eines Rekuperators ausgebildet, wobei ferner vorzugsweise ein Gegenstrom-Prinzip verwendet wird, bei dem eine Mehrzahl und insbesondere eine große Anzahl von Strömungskanälen, die die Primärseite bilden, mit einer Mehrzahl und insbesondere eine große Anzahl von Strömungskanälen, die die Sekundärseite bilden, in thermischer Wechselwirkung stehen. Ferner wird es bevorzugt, dass der Wärmetauscher eine rotationssymmetrische Form mit einem ersten Rekuperatorausgang in der Mitte des Rekuperators aufweist.
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Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird die Vorrichtung zum Behandeln von Gas über die Eingangs- und/oder die Ausgangs-Schnittstelle mit einem raumlufttechnischen Gerät gekoppelt, und zwar insbesondere mit einem raumlufttechnischen Gerät, das einen Abluftanschluss, einen Zuluftanschluss, und gegebenenfalls auch einen Fortluftanschluss und einen Frischluftanschluss bietet. Das raumlufttechnische Gerät, das zumindest einen Teil der Abluft aus einem Raum typischerweise nach außen als Fortluft abführt, wird durch die Vorrichtung zum Behandeln von Gas dahingehend ergänzt, dass, zum Beispiel zum Heizen in dem Raum, also im Winterbetrieb, die thermische Energie der Abluft entzogen wird und in die Zuluft über den Wärmetauscher übertragen wird. So wird auch zum Kühlen im Raum der zugeführten Frischluft Energie entzogen und über die ohnehin schon warme Abluft über die Fortluft aus dem System entfernt. Bei der Kompressor-/Turbinen-Kombination kann eine relativ „heiße“ Frischluft dazu verwendet werden, um aus der Abluft eine noch heißere Fortluft zu erzeugen, so dass eine Zuluft nach wie vor eine adäquate Kühlungsleistung in den Raum bringen kann.
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Das raumlufttechnische Gerät hat insbesondere bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einen Aufteiler, der eine Raumabluft aufteilt in einen Abluftstrom und in einen Wiedereinspeisestrom. Der Wiedereinspeisestrom wird vorzugsweise von einem Bearbeiter bearbeitet, wie beispielsweise feuchtigkeitsmäßig verändert, desinfiziert oder mit Sauerstoff angereichert jedoch typischerweise nicht thermisch also im Hinblick auf seine Temperatur aktiv verändert. Dieser bearbeitete Luftstrom wird einem Kombinierer zugeführt, der zugleich aus der Vorrichtung zum Behandeln von Gas eine klimatisierte Frischluft erhält, die dann, je nach Implementierung, kalt ist, wenn der Raum gekühlt werden soll, wenn die Raumzuluft also kälter als die Raumabluft sein soll, oder die warm ist, wenn der Raum geheizt werden soll, wenn also die Raumzuluft wärmer als die Raumabluft zu sein hat.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Vorrichtung zum Behandeln von Gas gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine Vorrichtung zum Behandeln von Gas für einen „Sommerbetrieb“ gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 eine Vorrichtung zum Behandeln von Gas gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel für einen „Winterbetrieb“;
- 4a eine Implementierung der Eingangs-Schnittstelle oder der Ausgangs-Schnittstelle;
- 4b eine Steuertabelle zum Konfigurieren der Schnittstellen in den Sommer- oder den Winterbetrieb;
- 5a eine alternative Implementierung der Vorrichtung zum Behandeln von Gas;
- 5b eine Steuertabelle für die Steuerung der Schalter in 5a;
- 5c eine Implementierung der Eingangs- oder der Ausgangs-Schnittstelle als Zwei-Wege-Schalter;
- 6a ein Ausführungsbeispiel eines raumlufttechnischen Geräts, das mit der Vorrichtung zum Behandeln von Gas koppelbar ist;
- 6b ein weiteres Ausführungsbeispiel eines raumlufttechnischen Geräts, das mit der Vorrichtung zum Behandeln von Gas koppelbar ist;
- 7a eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Kompressor-Turbinen-Kombination;
- 7b eine Seitenansicht der bevorzugten Kompressor-Turbinen-Kombination aus 7a;
- 8a eine schematische Darstellung eines Schnitts durch einen bevorzugten Wärmetauscher/Rekuperator mit Sammlungsräumen auf der Sekundärseite und auf der Primärseite;
- 8b eine schematische Draufsicht auf einen bevorzugten Rekuperator von 8c mit Sammlungsräumen auf der Primärseite und der Sekundärseite;
- 8c eine alternative Implementierung der Vorrichtung zum Behandeln von Gas gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 9 eine schematische Darstellung einer bekannten Kaltluftkältemaschine; und
- 10 ein Temperatur-Entropie-Diagramm der bekannten Kaltluftkältemaschine von 9.
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1 zeigt eine Vorrichtung zum Behandeln von Gas 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 600 zum Behandeln von Gas umfasst einen Kompressor 40 mit einem Kompressoreingang 41 und einem Kompressorausgang 42. Ferner umfasst die Vorrichtung einen Wärmetauscher 10, der nachfolgend auch als Rekuperator bezeichnet wird, und der einen ersten Wärmetauschereingang 11, einen ersten Wärmetauscherausgang 12, einen zweiten Wärmetauschereingang 13 und einen zweiten Wärmetauscherausgang 14 aufweist. Der Wärmetauscher 10 ist als Gas-Gas-Wärmetauscher ausgebildet, dahingehend, dass sowohl auf seiner Primärseite, die durch den Eingang 11 und den Ausgang 12 gebildet wird, als auch auf seiner Sekundärseite, die durch den Eingang 13 und den Ausgang 14 gebildet wird, dieselbe Art von Gas verwendet wird, also beispielsweise Luft. Unabhängig davon jedoch, ob in der Kombination aus Kompressor, Wärmetauscher-Sekundärkreis und Turbine ein Gas verwendet wird und in der Primärseite des Wärmetauschers ein anderes Gas fließt, ist der Wärmetauscher dennoch als Gas-Gas-Wärmetauscher ausgebildet.
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Bei einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Wärmetauscher auch als Flüssigkeits-Gas-Wärmetauscher oder Feststoff-Gas-Wärmetauscher ausgebildet sein. Dann sind wenigstens eine Eingangs-Schnittstelle oder eine Ausgangs-Schnittstelle oder beide Schnittstellen vorgesehen, die vorzugsweise eine Materialzufuhr ankoppeln, die eine Gaszufuhr ist oder aber auch eine Flüssigkeitszufuhr ist. Im beiden Fällen kann die Eingangs-oder Ausgangs-Schnittstelle nicht nur umschaltbar oder fest verdrahtet sein, sondern kann die jeweilige Schnittstelle auch einen Wärmetauscher umfassen, um thermische Energie von der Stoffzufuhr in den Wärmetauscher zu bringen oder thermische Energie aus dem Wärmetauscher 10 abzuführen.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Vorrichtung 600 zum Behandeln von Gas um eine Eingangs-Schnittstelle 100 oder eine Ausgangs-Schnittstelle 200 oder beide Schnittstellen ergänzt. Die Eingangs-Schnittstelle 100 ist ausgebildet, um den Kompressoreingang 41 und den ersten Wärmetauschereingang 11 mit einer Stoffzufuhr, die vorzugsweise eine Gaszufuhr ist, zu koppeln, die vorzugsweise aus einem Abluftkanal 102a und einem Frischluftkanal 102b besteht. Die Ausgangs-Schnittstelle 200 ist ferner ausgebildet, um den Turbinenausgang 72 und den ersten Wärmetauscherausgang 12 mit einer Stoffabfuhr, die vorzugsweise eine Gasabfuhr ist, zu koppeln, die vorzugsweise einen Zuluftkanal 202a und einen Fortluftkanal 202b aufweist. Insbesondere umfasst die Eingangs-Schnittstelle einen Ablufteingang oder -Kanal 102a auf einer Eingangsseite und einen Frischlufteingang 102b ebenfalls auf der Eingangsseite. Ferner umfasst die Eingangs-Schnittstelle 100 einen ersten Eingangs-Schnittstellenausgang 104 und einen zweiten Eingangs-Schnittstellenausgang 106 auf einer Ausgangsseite der Eingangs-Schnittstelle 100. Ferner umfasst die Ausgangs-Schnittstelle 200 vorzugsweise einen Zuluftausgang 202a und einen Fortluftausgang 202b auf einer Ausgangsseite und einen ersten Ausgangs-Schnittstelleneingang 206 und einen zweiten Ausgangs-Schnittstelleneingang 204 auf einer Eingangsseite der Ausgangs-Schnittstelle 200.
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Wie es in 1 gezeigt ist, ist bei der Vorrichtung 600 zum Behandeln von Gas der Kompressorausgang 42 mit dem zweiten Wärmetauschereingang 13 verbunden. Ferner ist der zweite Wärmetauscherausgang 14 mit dem Turbineneingang 71 verbunden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Turbinenausgang 72 mit dem ersten Ausgangs-Schnittstelleneingang 206 verbunden. Ferner ist der erste Wärmetauscherausgang 12 mit dem zweiten Ausgangs-Schnittstelleneingang 204 verbunden. Ferner ist der erste Eingangs-Schnittstellenausgang 104 mit dem ersten Wärmetauschereingang 11 verbunden, und ist der zweite Eingangs-Schnittstellenausgang 106 mit dem Kompressoreingang 41 verbunden. Die vorstehend dargelegten Verbindungen sind direkte Verbindungen eines Gaskanals mit einem anderen Gaskanal, so dass das Gas direkt von dem Eingangs-Schnittstellenausgang 104 beispielsweise in den ersten Wärmetauschereingang 11 auf der Primärseite des Wärmetauschers 10 fließt.
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Darüber hinaus ist die Eingangs-Schnittstelle 100 ausgebildet, um die Eingangsseite der Eingangs-Schnittstelle 100 mit der Ausgangsseite der Eingangs-Schnittstelle 100 zu koppeln. Darüber hinaus ist die Ausgangs-Schnittstelle ausgebildet, um die Eingangsseite der Ausgangs-Schnittstelle 200 mit der Ausgangsseite der Ausgangs-Schnittstelle 200 zu koppeln.
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Diese Kopplung kann je nach Implementierung eine feste Kopplung sein, wie sie beispielsweise in 2 oder 3 dargelegt wird, oder kann eine schaltbare Kopplung sein, wie sie beispielsweise im Hinblick auf die Eingangs-Schnittstelle 100 und die Ausgangs-Schnittstelle 200 in 4a oder in 5a dargestellt ist, wobei ein Umschalter, wie beispielsweise in 5c und in 4a gezeigt ist, eingesetzt werden kann, um eine entsprechende Umschaltung von einer Kopplung zur anderen durchführen. Damit wird beispielsweise ein Kühlbetrieb oder Sommerbetrieb erreicht, wie in 2 dargestellt ist, oder ein Heizbetrieb oder Winterbetrieb, wie er in 3 dargestellt ist. Alternativ oder zusätzlich kann die feste Kopplung oder die schaltbare Kopplung über einen weiteren Wärmetauscher erfolgen.
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1 zeigt ferner eine Implementierung, bei der die Eingangs-Schnittstelle oder die Ausgangs-Schnittstelle abhängig von einem Steuersignal 302, 304 steuerbar sind, wobei die Vorrichtung eine Steuerung 300 aufweist, die ausgebildet ist, um eine Steuereingabe zu erhalten, und um das Steuersignal 302, 304 zu liefern, wobei die Steuerung 300 ausgebildet ist, um das Steuersignal durch eine manuelle Eingabe oder eine sensorgesteuerte Eingabe zu erhalten.
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Vorzugsweise ist die Steuerung 300 ausgebildet ist, um die Eingangs-Schnittstelle 100 oder die Ausgangs-Schnittstelle 200)durch das Steuersignal 302, 304 in einen Sommerbetrieb zum Kühlen eines Gases für einen Zugaskanal 202a der Gasabfuhr einzustellen, und um die Eingangs-Schnittstelle 100 oder die Ausgangs-Schnittstelle 200 durch das Steuersignal 302, 304 in einen Winterbetrieb zum Heizen eines Gases für den Zugaskanal 202a einzustellen. Die Steuerung kann beispielsweise ein Steuertabelle 301 von 4b oder eine Steuertabelle 303 von 5b in einem Speicher halten und entsprechend verwenden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel von 2 der Vorrichtung 600 zum Behandeln von Gas ist die Eingangs-Schnittstelle 100 als feste Verbindung zwischen dem Frischluftkanal 102b und dem Kompressoreingang 41 ausgebildet. Dies bedeutet, dass zwischen dem zweiten Eingangs-Schnittstellenausgang 106 und dem Frischluftkanal 102b eine direkte Verbindung besteht. Entsprechend ist der Abluftkanal 102a mit dem ersten Wärmetauschereingang 11 beziehungsweise mit dem zweiten Eingangs-Schnittstellenausgang 104 ebenfalls direkt verbunden.
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Eine entsprechende direkte Verbindung besteht ferner zwischen dem Ausgangs-Schnittstelleneingang 206 und dem Zuluftkanal 202a einerseits und dem zweiten Wärmetauschereingang 12 beziehungsweise dem Ausgangs-Schnittstelleneingang 204 und dem Fortluftausgang 202b, wie es in 2 gezeigt ist.
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Ferner ist in 2 eine Kopplung der Vorrichtung 600 mit einem raumlufttechnischen Gerät gezeigt, das über einen Raumabluftkanal 508 und einen Raumzuluftkanal 510 mit einem Raum 400 gekoppelt ist. Das raumlufttechnische Gerät 500, das in 6a oder 6b noch detaillierter erläutert wird, umfasst einen Aufteiler 502, der gegebenenfalls ein Gebläse aufweist, um Luft aus dem Raum zu saugen und in die Eingangs-Schnittstelle 100 zu pumpen, einen optionalen Bearbeiter 504 und einen Kombinierer 506, der vorzugsweise ein Gebläse 506a von 8c aufweist, um die Raumzuluft im Raumzuluftkanal 510 in den Raum zu pumpen und die entsprechende Zuluft von dem Zuluftanschluss 202a anzusaugen.
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2 umfasst ferner verschiedene beispielhafte Temperaturwerte, um die Kühlungswirkung der Vorrichtung zum Behandeln von Gas darzulegen. Über einen Frischlufteingang wird eine relativ heiße Frischluft mit 50°C durch den Kompressor 40 angesaugt. Selbst in sehr heißen Regionen im Sommer wird es selten so sein, dass die Temperatur im Schatten, also die Außenluft über 50°C liegen wird. Der Kompressor 40 ist beispielsweise so ausgebildet, dass er eine Drehzahl hat beziehungsweise ein Kompressionsverhältnis erreicht, das dazu führt, dass die Luft am Ausgang des Leitraums des Kompressors, der in 2 nicht gezeigt ist, eine Temperatur von 90°C aufweist. Diese Temperatur von 90°C wird im Wärmetauscher 10 auf 28°C am zweiten Wärmetauscherausgang 14 aufgrund der Wärmeübertragung und thermischen Wärmekopplung mit der Primärseite reduziert. Die unter hohem Druck stehende nunmehr abgekühlte Luft mit einer Temperatur von etwa 28°C wird in der Turbine 70 relaxiert, und zwar auf eine Temperatur von zum Beispiel 5°C, was sich daraus ergibt, dass eine Relaxation auf das ursprüngliche Druckverhältnis erhalten wird.
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Die 5°C kalte Luft wird dann in den Zuluftkanal 202a gegeben und kann zu Kühlzwecken im Raum 400 eingesetzt werden. Die Primärseite des Wärmetauschers 10 enthält eingangsseitig warme Luft aus dem Raum, die beispielsweise eine Temperatur von 25°C hat, und diese Temperatur wird durch die Wirkung des Wärmetauschers 10 auf eine Temperatur von etwa 87°C angehoben, und diese nunmehr sehr heiße Luft wird über den Fortluftkanal 202b nach außen, zum Beispiel an eine Schattenseite oder ein Dach eines Gebäudes abgeführt. Es zeigt sich, dass selbst dann, wenn eine Außentemperatur sehr hoch ist und 50°C beträgt, dennoch die Fortluft mit 87°C wesentlich heißer als die Umgebungsluft ist und daher die über die Fortluft abgeführte Energie ohne Weiteres von der Umgebung aufgenommen werden kann und keine zusätzliche Wärmesenke nötig ist. Für den Wärmetauscher 10 wurden typische Wärmetauscher-Temperaturdifferenzen von 3°C angenommen, die auf die zwischen dem sekundärseitigen Eingang und dem sekundärseitigen Ausgang beziehungsweise dem primärseitigen Eingang und dem sekundärseitigen Ausgang vorhanden sind.
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Indem durch den Kombinierer 506 des raumlufttechnischen Geräts nunmehr die 5°C kalte Luft der Ausgabe des Bearbeiters 504 in dem Kombinierer 506 zugemischt wird, kann beispielsweise ohne große Probleme eine zum Beispiel 18°C kalte Luft erzeugt werden, die zu Kühlzwecken in den Raum 400 eingespeist werden kann, welcher beispielsweise ein Raum in einem Gebäude, wie beispielsweise ein Konferenzraum, ein Zimmer, eine Halle oder etwas Ähnliches ist, oder der auch ein „Funktionsraum“, wie beispielsweise ein Rechenzentrum sein kann.
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3 zeigt eine alternative Implementierung der Vorrichtung 600 zum Behandeln von Gas, die nunmehr in einem Winterbetrieb verschaltet ist, bei dem in dem Raum 400 eine Heizwirkung erreicht werden soll. Hierbei wird wieder davon ausgegangen, dass es in dem Raum zu kalt ist, dass also beispielsweise eine Luft mit einer Temperatur von 18°C aus dem Raum abgezogen wird und in den Aufteiler 502 eingespeist wird. Der Aufteiler 502 speist nunmehr den Abluftkanal 102a, der mit dem Kompressor 40 verbunden ist. Der Kompressor erhält die 18°C warme Luft und erhöht die Temperatur der Luft aufgrund seiner Verdichtungswirkung auf beispielsweise 48°C. Diese 48°C warme Luft wird aufgrund der Wirkung des Wärmetauschers 10 auf etwa -27°C abgekühlt. Die -27°C kalte Luft, die jedoch noch auf einem hohen Druck ist, der am Kompressorausgang 42 vorliegt, wird über die Turbine 70 relaxiert und auf eine Temperatur von zum Beispiel -57°C abgekühlt. Diese sehr kalte Luft wird über einen Fortluftausgang an die Umgebung abgegeben, die bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel eine bereits sehr kalte Temperatur von -30°C hat. Die Umgebungsluft wird über den Frischluftkanal 102b in den primärseitigen Eingang 11 des Wärmetauschers 10 eingespeist und aufgrund der Wirkung des Wärmetauschers auf eine Temperatur von 45°C erwärmt. Die 45°C warme Luft wird über den Kombinierer 506 mit der 18°C warmen Luft am Ausgang des Bearbeiters 504 gemischt, um im Endeffekt beispielsweise eine Temperatur von 25°C im Raumzuluftkanal 510 zu erreichen.
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Die in 2 für das Kühlen und in 3 für das Heizen gezeigten Temperaturbeispiele sind Extrembeispiele. So zeigt jedoch das Beispiel in 2, dass selbst bei extrem heißen Außentemperaturen von 50°C ohne Weiteres eine Kühlungswirkung erreicht wird und eine Fortluft erzeugt werden kann, die 87°C heiß ist und daher ohne Weiteres in die Umgebung als Wärmesenke eingespeist werden kann.
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Dasselbe gilt für das in 3 gezeigte Temperaturbeispiel, bei dem sehr kalte Außentemperaturen von -30°C angenommen wurden, wobei sehr kalte Fortluft von -57°C beispielsweise durch die erfindungsgemäße Kompressor-Wärmetauscher-Turbinen-Kombination erzeugt werden kann, die ohne Weiteres in die -30°C kalte Umgebung abgegeben werden kann. Mit anderen Worten ausgedrückt, dient sogar eine -30°C kalte Zuluft als ausreichende Wärmequelle, um über den Wärmetauscher 10 eine Anhebung der Frischlufttemperatur auf die für eine Heizung ohne Weiteres ausreichende Temperatur von 45°C zu erreichen.
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Obgleich bei dem in 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Zwischenschaltung eines raumlufttechnischen Geräts mit Aufteiler 502 und Kombinierer 506 dargestellt worden ist, ist es ohne Weiteres ersichtlich, dass auch ohne Zwischenschaltung eines Aufteilers 502 und eines Kombinierers 506 eine Kühlung im Raum beziehungsweise eine Heizung im Raum erreicht werden kann, wenn die in 3 beispielsweise gezeigte warme Luft mit einer Temperatur von 45°C direkt in den Raum eingespeist wird, oder wenn, wie in 2 gezeigt ist, die 5°C kalte Luft direkt in den Raum eingespeist wird. Für eine Kompatibilität mit existierenden raumlufttechnischen Anlagen, bei denen immer nur ein Teil der Luft zur Fortluft wird und ein anderer Teil nach einer Aufbereitung im Bearbeiter 504 wieder eingespeist wird, wird erfindungsgemäß die Verwendung der Elemente 502, 504, 506 bevorzugt, wie sie nachfolgend Bezug nehmend auf 6a detaillierter dargestellt werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass dann, wenn die Außentemperaturen wärmer sind als in 2 für das Heizen oder kühler sind als in 3 für das Kühlen, die Anforderungen an den Kompressor und die Turbine entspannter werden. Diese entspannteren Anforderungen oder, wenn die aktuellen Temperatur in die andere Richtung extremer werden, angespannteren Anforderungen können durch Erniedrigung oder Erhöhung der Drehzahlen von Kompressor und Turbine umgesetzt werden.
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6a zeigt eine detaillierte Darstellung des raumlufttechnischen Geräts 500 mit einem Raumabluftkanal 508 und einem Raumzuluftkanal 510, welche beide mit einem zu klimatisierenden Raum 400 verbunden sind. Das raumlufttechnische Gerät 500 umfasst den Aufteiler 502, den optionalen Bearbeiter 504 und den Kombinierer 506. Der Aufteiler teilt den Luftstrom im Raumabluftkanal 508 in den Abluftkanal 102a und den Wiedereinspeisestrom 512 auf, wobei die im Abluftkanal 102a vorhandene Abluft nach einer gewissen Verarbeitung beziehungsweise Klimatisierung zur Fortluft wird.
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Der Teil der Raumabluft im Kanal 508, der nicht endgültig zur Fortluft über den Kanal 102a wird, stellt den Wiedereinspeisestrom 512 dar, der in seiner Temperatur typischerweise nicht verändert wird, sondern der lediglich im Hinblick auf andere Luftbeschaffenheitsparameter im Bearbeiter 504 bearbeitet werden kann, wie beispielsweise mit Sauerstoff angereichert, mit Feuchtigkeit angereichert oder von Feuchtigkeit entreichert. Weitere Bearbeitungsvorgehensweisen bestehen im Desinfizieren des Wiedereinspeisestroms oder Filtern des Wiedereinspeisestroms nach Staub oder biologischen Partikeln, wie beispielsweise Bakterien oder Viren. Der Bearbeiter 504 kann jedoch auch, wie es in 6a gestrichelt dargestellt wird, überbrückt oder weggelassen werden.
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Im Kombinierer 506 wird dann die Zuluft im Zuluftkanal 202a, die auf eine im Hinblick auf ihre Temperatur veränderte Frischluft zurückgeht, mit dem Wiedereinspeisestrom direkt oder dem bearbeiteten Wiedereinspeisestrom kombiniert und dem Raum 400 über den Raumzuluftkanal 510 zugeführt. Hierfür umfasst der Kombinierer 506 vorzugsweise ein Gebläse 506a von 8c, das eingesetzt werden kann, um Zuluft über den Zuluftkanal 202a anzusaugen, also, Bezug nehmend auf 8c, durch die Primärseite des Wärmetauschers zu ziehen. Gleichzeitig kann im Aufteiler 502 ebenfalls ein Gebläse vorhanden sein, das die Raumabluft aus dem Raum 400 abzieht und Luft in den Abluftkanal 102a einspeist, um diese, zum Beispiel beim Sommerbetrieb durch den Wärmetauscher 10 hindurch als Fortluft in die Umgebung zu transportieren.
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6b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines raumlufttechnischen Geräts, das mit der Vorrichtung zum Behandeln von Gas koppelbar ist. Die Vorrichtung in 6b ist ähnlich zu der Vorrichtung von 6a. Allerdings befindet sich der Bearbeiter 505 nicht zwischen dem Aufteiler 502 und dem Kombinierer 506, sondern in Strömungsrichtung der Raumzuluft zwischen dem Kombinierer 506 und dem Zulufteinlass des Raums 400. Damit wird erreicht, dass im Gegensatz zu der Ausführung in 6a nicht nur die Raumabluft aufbereitet wird, sondern auch die Zuluft vom Anschluss 202a, die klimatisierte Frischluft ist. Falls die Frischluft z. B. geruchsbelastet ist, wie es beispielsweise in der Nähe von landwirtschaftlichen Betrieben auftreten kann, dann wird der Bearbeiter 504 diese Geruchsbelastung entfernen können. Im Gegensatz zu 6a muss der Bearbeiter 504 in 6a weniger Gasstrom verarbeiten als in 6b, weil in 6a lediglich der Anteil der Abluft verarbeitet wird, der in den Raum 400 zurückgeführt wird, während in 6b der gesamte Gasstrom bearbeitet werden muss. Da der Aufteiler 502 bei bevorzugten Ausführungsbeispielen allerdings mehr als 50 Prozent und bevorzugt mehr als 70 % bzw. mehr als 80 % des Abluftgasstroms zum Einspeisestrom 512 macht, fällt dieser Punkt nicht besonders ins Gewicht. Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass bei der Platzierung des Bearbeiters 504 nach dem Kombinierer 506 an den Anschlüssen 102a und 202a dieselben Drücke herrschen, also ein und dasselbe Druckgebiet vorhanden ist. Daher wird es bevorzugt, den Aufteiler 502 ohne Gebläse bzw. Lüfter auszuführen, sondern z. B. passiv zu gestalten. Dann würde der optionale Lüfter L, der mit 21 in 5a bezeichnet ist, vorhanden sein, der andernfalls nicht vorhanden sein muss, wie es durch die gestrichelte Leitung 22 schematisch dargestellt ist. Die alternative Platzierung des Bearbeiters, in dem vorzugsweise ebenfalls ein Lüfter vorhanden ist, um die aufbereitete Luft in den Raum zu blasen und gleichzeitig einen passiven Aufteiler 502 zu begünstigen, damit der Einspeisestrom 512 durch den Lüfter im Bearbeiter 504 angesaugt wird und die klimatisierte Frischluft in den Kombinierer 506 gezogen wird, kann auch in 2 oder 3 eingesetzt werden. Alternativ kann der Lüfter L 21 auch am Ausgang des Wärmetauschers vor dem Anschluss A4 platziert werden. Es wird allerdings die Platzierung in 5a bevorzugt, weil hier der Gasstrom durch den Wärmetauscher gedrückt wird und nicht, wie bei der Platzierung beim Anschluss A4 gesaugt wird.
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Es sei ferner darauf hingewiesen, dass der Raum 400 ein beliebiger Raum sein kann, wie z. B. ein Haus, ein Büro, ein Büroraum, aber auch ein Auto oder sogar der Innenraum einen Wäschetrockners. Sogar ein nicht vollständig getrennter Raum, wie beispielsweise ein teilweise offener Außenraum z. B. eines Restaurants kann erfindungsgemäß klimatisiert werden, wie z. B. gekühlt oder geheizt werden.
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Die vorliegende Erfindung ist ferner besonders vorteilhaft, weil normalerweise durchzuführende Aufgaben zusätzlich zur Klimatisierung durch die Vorrichtung zum Behandeln von Gas, wie beispielsweise eine Entfeuchtung der Zuluft besonders für den Kühlungsbetrieb z. B. im Sommer einfach durchgeführt werden kann. Im Hinblick auf die beispielhaften Temperaturen, die in 2 gezeigt sind, wird der Taupunkt im Auslassrohr der Turbine auftreten. Dort wird Nebelbildung stattfinden. Eine gesteuerte Entfeuchtung kann einfach dadurch stattfinden, dass im Auslassstrom der Turbine 70 ein Tropfenfänger platziert werden, den einen gewünschten Anteil der gebildeten Tropfen auffängt und zu einer Kondensflüssigkeitabfuhrstelle abführt.
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Andererseits kann eine Luftbefeuchtung, z. B. für den Heizbetrieb im Winter, wie er in 3 dargestellt ist, ohne weiteres einfach dadurch erhalten werden, dass am Ausgang 12 des Wärmetauschers 10, also vor dem Kombinierer, wo das Gas relativ heiß ist, wie z. B. 45° hat, eine offene Wasserfläche platziert wird, die durch z. B. eine Schwimmerkonstruktion mit Flüssigkeit automatisch nachgefüllt werden kann. Aufgrund des für die Temperatur zu trockenen Gases, das aus dem Wärmetauscher strömt, wird Flüssigkeit aus der offenen Wasserfläche ohne weiteres verdunsten. Alternativ kann auch Wasser an dieser Stelle eingesprüht werden, was ebenfalls ohne großen Aufwand möglich ist.
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Es sei darauf hingewiesen, dass im Gegensatz zu existierenden raumlufttechnischen Geräten, bei denen eine Wärmerückgewinnung aus dem Raumabluftstrom unter Verwendung einer Wärmepumpe stattfindet, die eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser als Arbeitsmittel verwendet, die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Behandeln von Gas voll und ganz ohne eine Flüssigkeit als Arbeitsmittel auskommt, sondern einzig und allein Gas als Arbeitsmittel verwendet. Daher ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Behandeln von Gas besonders effizient und energiesparend implementierbar, weil sämtliche Verluste, die mit dem eUmwälzen von Wasser einhergehen, oder mit dem aufwändigen (aufgrund eines sehr kleinen nötigen Drucks) und energieintensiven Verdampfen von Wasser einhergehen, hinfällig werden. Erfindungsgemäß wird lediglich sowohl im Primärkreis des Wärmetauschers als auch im Sekundärkreis des Wärmetauschers Gas eingesetzt, so dass der Wärmetauscher als Gas-Gas-Wärmetauscher umgesetzt wird. In der gesamten Vorrichtung wird überall lediglich Gas als Arbeitsmittel eingesetzt, so dass sämtliche Schwierigkeiten, die mit der Verwendung einer Flüssigkeit als Arbeitsmittel stattfinden, hinfällig sind. Solche problematischen und aufwändigen Implementierungen bei der Verwendung von Flüssigkeit als Arbeitsmittel sind beispielsweise auch in der Lagerung und Abdichtung von Flüssigkeiten zu sehen, selbst wenn umweltfreundliche Flüssigkeiten, wie beispielsweise Wasser eingesetzt werden, und in den nötigen Maßnahmen, um z. B. Wasser bei niedrigen Temperaturen zu verdampfen.
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4a zeigt eine Implementierung der Eingangs-Schnittstelle 100 beziehungsweise der Ausgangs-Schnittstelle 200 als Zwei-Wege-Schalter, wie er beispielsweise in 5c schematisch gezeigt ist. Durch Drehung des Umschalters 700 in 5c kann eine Verbindung des Anschlusses A1 mit dem Anschluss A4 einerseits und eine Verbindung des Anschlusses A2 mit dem Anschluss A3 andererseits erreicht werden, so dass die Abluft mit dem Anschluss A1, der bei 104 in 4a gezeigt ist, verbunden wird und die Frischluft mit dem Anschluss A3 verbunden wird, wie es die aktuelle „Schalterstellung“ des Umschalters 700 zeigt. Wird der Umschalter 700 dagegen um 90° gedreht, so ist der Frischluftkanal mit dem Anschluss A1 verbunden, und ist der Abluftkanal mit dem Anschluss A3 verbunden.
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Entsprechend ist die Implementierung der Ausgangs-Schnittstelle, wobei hier jedoch die unteren Beschriftungen in 5c relevant sind. Bei der aktuellen Stellung des Umschalters 700 ist die Zuluft 202a mit dem Anschluss A2 verbunden, und ist die Fortluft 202b mit dem Anschluss A4 verbunden. Wird der Umschalter 700 dagegen wiederum um 90° gedreht, so ist die Zuluft mit dem Anschluss A4 verbunden, und ist die Fortluft mit dem Anschluss A2 verbunden.
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4b zeigt eine entsprechende Steuertabelle, die zum Ausdruck bringt, dass im Sommerbetrieb beispielsweise, der in 2 gezeigt ist, die Abluft mit dem Anschluss A1 verbunden wird, die Frischluft mit dem Anschluss A3 verbunden ist, die Zuluft mit dem Anschluss A2 verbunden wird, und die Fortluft mit dem Anschluss A4 verbunden wird. Ist dagegen die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Behandeln von Gas gemäß 3 im Winterbetrieb konfiguriert, so ist die Abluft mit dem Anschluss A3 verbunden, ist die Frischluft mit dem Anschluss A1 verbunden, ist die Zuluft mit dem Anschluss A4 verbunden, und ist die Fortluft mit dem Anschluss A2 verbunden.
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5a zeigt eine alternative Implementierung der Eingangs-Schnittstelle und der Ausgangs-Schnittstelle, wobei die Eingangs-Schnittstelle im Gegensatz zu einem Zwei-Wege-Schalter von 4a jeweils mit zwei Einzelschaltern implementiert ist. Die Eingangs-Schnittstelle umfasst einen ersten Umschalter 100a für den Anschluss A3 und einen zweiten Umschalter 100b für den Anschluss A1.
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Die Ausgangs-Schnittstelle umfasst einen ersten Umschalter 200a für den Anschluss A2 und einen zweiten Umschalter 200b für den Anschluss A4. Der erste Umschalter 100a hat einen Frischluftanschluss 308 und einen Abluftanschluss 320. Der zweite Umschalter 100b hat einen Abluftanschluss 108 und einen Frischluftanschluss 120. Der Anschluss 108 und der Anschluss 320 können getrennte Anschlüsse sein oder alle auf denselben Abluftanschluss beziehungsweise Abluftkanal zurückgehen. Der Frischluftanschluss 120 und der Frischluftanschluss 308 können wiederum unterschiedliche Anschlüsse sein oder auf denselben Frischluftkanal zurückgehen.
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Die Steuerung des Umschalters findet über ein Steuersignal 302b für das erste Steuersignal C1 statt und über ein zweites Steuersignal 302a über den Steueranschluss C3.
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Analog hierzu ist die Ausgangs-Schnittstelle 200 über einen ersten Umschalter 200a und einen zweiten Umschalter 200b implementiert. Die Ausgangs-Schnittstelle umfasst beim ersten Umschalter einen Zuluftkanal 208 und einen Fortluftkanal 220 und für den zweiten Umschalter einen Fortluftkanal 400 und einen Zuluftkanal 420. Der Fortluftkanal 220 und der Fortluftkanal 400 können unterschiedliche Kanäle sein oder ein und derselbe Fortluftkanal. Dasselbe gilt für den Zuluftkanal 420 und den Zuluftkanal 208, die separat voneinander ausgeführt sein können oder in einen gemeinsamen Zuluftkanal münden können. Die Steuerung findet wiederum über ein Steuersignal 304a für den zweiten Umschalter statt, also für das Steuersignal C2, und über ein weiteres Steuersignal 304b für den Steueranschluss C4.
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5b zeigt eine weitere Steuertabelle 303, die zum Ausdruck bringt, wie die einzelnen Steueranschlüsse C1, C2, C3, C4 eingestellt werden müssen, um entweder einen Sommerbetrieb oder einen Winterbetrieb zu erreichen, also um entweder eine Kühlung im Raum beispielsweise gemäß 2 oder eine Heizung im Raum gemäß 3 zu erreichen.
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8c zeigt eine weitere bevorzugte Implementierung einer Vorrichtung zum Behandeln von Gas, die wieder die Turbine 70, den Kompressor 40 und den Wärmetauscher 10 aufweist. 8c zeigt jedoch eine spezielle Ausführungsform des Wärmetauschers 10 als rotationssymmetrischen Wärmetauscher im Querschnitt. Hierbei wird Gas in dem Kompressorausgang 42 in den Sekundäreingang 13 eingespeist, der über einen Sammlungsraum 18 mit einem anderen Sammlungsraum 17 kommuniziert, über den dann das Gas in den zweiten Wärmetauscherausgang 14 und in den Turbineneingang 71 eingespeist wird. Gleichzeitig wird der erste Wärmetauschereingang 11 über den Anschluss A1 über einen primärseitigen Sammlungsraum 19a mit Gas versorgt, der sich außen um den anderen Sammlungsraum 17 herum erstreckt. Das Gas fließt über den Eingang A1 in die einzelnen Kanäle vom erste Wärmetauschereingang in den primärseitigen oder ersten Wärmetauscherausgang 12 und sammelt sich im Ansaugbereich 30, der von einer Wand 31 begrenzt wird, wobei der Ansaugbereich 30 als zweiter primärseitiger Sammlungsraum 19b wirkt. Das dort angesaugte Gas wird über ein Gebläse 506a, das zum Beispiel im Kombinierer 506 von 6a enthalten sein kann, in den Raumzuluftkanal gebracht. Alternativ kann ein Gebläse, das in 8c nicht gezeigt ist, „oberhalb“ des Anschlusses A1 angebracht sein, das dann im Aufteiler 502 vorhanden sein könnte, und das das Gas von dem Primäreingang in den Primärausgang 12 bzw. den Ansaugbereich 30 bringt und von dort in den Anschluss A4 und von dort je nach Ausgangs-Schnittstellen-Beschaltung weiter in den Raum pumpt oder in die Umgebung.
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8b zeigt eine schematische Draufsicht auf einen bevorzugten Rekuperator 10 mit Sammlungsräumen auch auf der Sekundärseite. Bei dem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung durch einen geschlossenen Deckel nach oben komplett geschlossen. 8b zeigt allerdings die Situation, wenn der Deckel durchsichtig ist. In der Mitte ist der Ansaugbereich 30 gezeigt, der durch die Ansaugwand 31 begrenzt wird. Um den Ansaugbereich 30 erstreckt sich zum einen die Begrenzung 18a für den inneren Sammlungsraum 18 und die Begrenzung 17a für den äußeren Sammlungsraum 17. Der Gasfluss findet von außen nach innen statt, wie es durch die Pfeile 50 dargestellt ist, nämlich vom ersten Rekuperatoreingang 11 zum ersten Rekuperatorausgang 12 für die Primärseite. Dann fließt das Gas im Ansaugbereich 31 nach unten, wie es durch die Pfeilenden 51 im Bereich 30 gezeigt ist.
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Gas fließt ferner auf der Sekundärseite in den zweiten Rekuperatoreingang 13 vom Kompressorausgang 42. Von dort fließt es von unten nach oben, wie es durch die Pfeilspitzen im Sammlungsraum 18 gezeigt ist. Durch den Rekuperator 10 fließt das Gas dann wieder nach außen in den Sammlungsraum 17 und dort nach unten, wie es durch die Pfeilenden 53 dargestellt ist. Aus dem Sammlungsraum 17 gelangt das Gas dann über den Rekuperatorausgang 14 in den Turbineneingang 71.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Strömungsrichtungen je nach Implementierung auch anders ausgeführt werden können, solange im Rekuperator 10 die Leitungen 15 einerseits und 16 andererseits voneinander getrennt sind, damit im wesentlichen kein Kurzschluss der Gasströme stattfindet. Genauso sind die Sammlungsräume 17, 18 von den Leitungen 15 getrennt. Die Sammlungsräume 17, 18 sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel den Leitungen 16 zugeordnet, die den zweiten Rekuperatoreingang 13 mit dem zweiten Rekuperatorausgang 14 verbinden. Alternativ kann die Implementierung auch so sein, dass die Sammlungsräume dem ersten Rekuperatoreingang und dem ersten Rekuperatorausgang zugeordnet sind und der zweite Eingang und der zweite Rekuperatorausgang von den Sammlungsräumen gasmäßig isoliert ist.
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8a zeigt ferner eine schematische Darstellung für einen im Gegensatz zu 8c oder 8b nicht rotationssymmetrisch ausgestalteten Wärmetauscher, sondern für einen zum Beispiel in einer zylindrischen oder Quader-Form ausgebildeten Wärmetauscher, in den über den ersten Rekuperatoreingang 11 Gas in einen primärseitigen ersten Sammlungsraum 19a fließt, über die Kanäle 15 zu dem ersten Rekuperatorausgang 12 und insbesondere zu einem zweiten primärseitigen Sammlungsraum 19b fließt und von dort den Rekuperator 10 über den zweiten Wärmetauscherausgang 12 verlässt. Die Sekundärseite umfasst einen zweiten Rekuperatoreingang 12, über den Gas durch die Kanäle 16 von dem Sammlungsraum 18 in den anderen Sammlungsraum 17 fließt und von dort über den zweiten Rekuperatorausgang 14 den Rekuperator 10 bzw. Wärmetauscher verlässt. Damit wird eine thermische Wechselwirkung zwischen den beiden Kanälen erreicht, die jedoch voneinander gasmäßig isoliert sind. Genau so sind der primärseitige erste Sammlungsraum 19a und der primärseitige zweite Sammlungsraum 19b von den sekundärseitigen Sammlungsräumen 17 und 18 entsprechend gasmäßig isoliert, damit kein Kurzschluss im Wärmetauscher auftritt.
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8a dient jedoch gleichzeitig auch für eine Darstellung zumindest eines Teils eines rotationssymmetrischen Wärmetauschers, wie er in 8b in einer Aufsicht von oben dargestellt ist, wobei außen von oben betrachtet der Sammlungsraum 19a von 8a dargestellt ist, weiter innen gestrichelt der sekundärseitige Sammlungsraum 17 und wieder weiter innen der weitere sekundärseitige Sammlungsraum 18 dargestellt ist, wobei insbesondere der Ansaugbereich 30 bzw. der mittlere Bereich den weiteren Sammlungsraum 19b der Primärseite darstellt. 8b zeigt jedoch den Fall, dass der erste Rekuperatorausgang 12 unten bezüglich der Zeichenebene ist, wie es durch den nach unten gerichteten Durchfluss 51 in 8b dargestellt ist, und wie es auch in 8c schematisch dargestellt wird, wenn zumindest im Hinblick auf den Wärmetauscher 10 8c die eigentliche Aufstellrichtung zeigt. Für die die Funktionalität ist die Aufstellrichtung unerheblich, weil die Schwerkraft an sich für Gas nicht entscheidend ist, im Vergleich zu einer Implementierung einer Wärmepumpe mit Flüssigkeit als Arbeitsmittel. Auch hier zeigt sich ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber einer Wärmepumpe mit Flüssigkeit als Arbeitsmittel, zumal bei dieser aufgrund des hohen Gewichts und der hohen Dichte von Flüssigkeit gegenüber Gas die Aufstellrichtung eine wesentliche Rolle spielt, was jedoch bei der vorliegenden Erfindung nicht der Fall ist, was eine wesentlich größere Flexibilität in der Anwendung bei der vorliegenden Erfindung möglich macht.
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Vorzugsweise erstreckt sich der Rekuperator um eine Distanz größer als10 cm und vorzugsweise größer als 60 cm in länglicher Zylinderrichtung. Ferner sind die Gaskanäle so angeordnet, dass sie auf allen Seiten im Wesentlichen gleichmäßig über das Volumen verteilt sind und damit möglichst effizient möglichst viel Luft vom primärseitigen Eingang 11 mit geringem Widerstand in den Ansaugbereich führen können.
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Bei einem Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Vorrichtung so betrieben, dass im Wärmetauscher ein Gas-Gas-Betrieb erreicht wird.
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Bei einem Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung werden die einzelnen Elemente dahin gehend ausgebildet und angeordnet, dass die spezielle Kompressor-Wärmetauscher-Turbinen-Anordnung erreicht wird.
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Obgleich es nicht in den 1 bis 10 dargestellt ist, kann der Rekuperator 10 auch mit anderen Wärmetauschertechnologien implementiert sein, also mit einem Wärmetauscher, der zum Beispiel nicht im Gegenstrom arbeitet, und bei dem die Gaskanäle nicht zueinander parallel sind bzw. senkrecht zur Gehäuserichtung bzw. in einer waagrechten Betriebsrichtung angeordnet sind.
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Auch der Kompressor und die Turbine müssen nicht unbedingt auf ein und derselben Achse angeordnet werden, sondern es können andere Maßnahmen getroffen werden, um die durch die Turbine freigesetzte Energie für den Antrieb des Kompressors einzusetzen.
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Darüber hinaus müssen der Kompressor und die Turbine nicht unbedingt als Radialräder implementiert sein, obgleich dies bevorzugt wird, da durch eine stufenlose Drehzahlsteuerung des Kompressors über eine Elektronikbaugruppe 102 von 7b eine günstige Leistungsanpassung erreicht werden kann.
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Je nach Ausführungsform kann der Kompressor als Turbokompressor mit Radialrad und mit einem Leitweg bzw. Leitraum ausgebildet sein, welcher eine 180°-Umlenkung des Gasstroms erreicht. Es können jedoch auch andere Gasleitungsmaßnahmen über eine andere Formung des Leitraums, beispielsweise oder über eine andere Formung des Radialrads erreicht werden, um dennoch einen besonders effizienten Aufbau, der zu einem guten Wirkungsgrad führt, zu erreichen.
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7a zeigt eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Kompressor-Turbinen-Kombination und 7b zeigt eine Seitenansicht der bevorzugten Kompressor-Turbinen-Kombination aus 7a. Die Kombination ist vorzugsweise als monolithische Einheit oder einstückig aus demselben Material ausgeführt. Sie umfasst einen oberen oder ersten Lagerbereich 40b, an dem das Kompressorrad 40a angebracht ist. Das Kompressorrad 40a geht in einen ersten Zwischenbereich 43a über, der auch als Achse 43 dargestellt ist. Dieser Achsenbereich 43a geht wiederum in den Rotor 44 über, der wiederum in einen weiteren Zwischenbereich 43b übergeht. An diesen schließt sich das Turbinenrad 70a an, das über einen unteren Lagerabschnitt 70b aufhängbar ist. Die Aufhängungen für die Lagerbereiche sind für den ersten Lagerbereich 40b an der Wand des Ansaugbereichs 30 von 8c angebracht und der Lagerbereich 70b für das Turbinenrad 70a ist an einer Aufhängung im Turbinenausgang 72 befestigt. Als Lager werden vorzugsweise Wälz- oder Kugellager eingesetzt.
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Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Kombination aus einem Material wie z. B. Aluminium oder Kunststoff ausgebildet, wobei der Rotor 44 von einem ferromagnetischen Rückschlussring umgeben ist, auf dem die Magnete beispielsweise durch Klebstoff befestigt sind, um mit einem in 7a oder 7b nicht gezeigten Stator einen Motorspalt zu bilden.
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Wie es ferner in 7b gezeigt ist, ist die Kombination so dimensioniert, dass der Durchmesser des Kompressorrads 40a größer als der Durchmesser des Rotors 44 ist, und dass der Durchmesser des Rotors 44 (vorzugsweise ohne Rückschluss 44a und Magnete 44b) gleich oder größer als der Durchmesser des Turbinenrads 70a ist. Damit ist es möglich, einen Rückschlussring 44a über das Turbinenrad 70a zu schieben und an dem Rotor 44 an seinem Umfang zu befestigen.
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7b zeigt eine beispielhafte bevorzugte Anordnung einer Elektronikbaugruppe 102. So ist die Elektronikbaugruppe im sogenannten „Maschinenraum“ zwischen der Basis des Kompressorrads 40a und der Basis des Turbinenrads 70a angeordnet. Insbesondere die Anordnung der Baugruppe 102 auf der oberen Begrenzung 71 a des Turbineneingangs 71 beabstandet von dem schnell drehenden Turbinenrad ist vorteilhaft, weil dieser Bereich aufgrund des von dem Wärmetauscher kommenden Gases gut temperiert ist. Eine Motorverlustwärme oder eine Abwärme der Elektronik bzw. Sensorik in der Baugruppe wird daher ohne weiteres über die Turbine 70 abgeführt.
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Vorzugsweise hat die Elektronikbaugruppe 102 zur elektrischen Versorgung der Vorrichtung mit Energie und/oder Steuersignalen in der Mitte eine Öffnung und ist scheibenförmig und erstreckt sich um einen Stator eines Antriebsmotors für den Kompressor 40 herum oder ist mit dem Stator integriert ausgebildet, und ist ferner beispielhaft in einem Bereich zwischen einer Basis eines Kompressorrads 40a des Kompressors 40 und einer Basis eines Turbinenrads 70a der Turbine angeordnet.
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Obgleich in 7b eine ringförmige Baugruppe im Querschnitt gezeigt ist, kann die Baugruppe irgendwie gebildet sein, solange sie im Maschinenraum aufgenommen ist und mit dem der Begrenzung 71a des Eingangs 71 der Turbine 70 in thermischer Wechselwirkung steht, also z. B. auf der Begrenzung 71a befestigt ist. Dabei wird es ferner bevorzugt, die Zuleitung für Energie 101a und Daten 101b für den Motor durch die seitliche Begrenzung 14a des Rekuperatorausgangs 14 und durch das Gehäuse 100 an der entsprechenden Stelle zu führen.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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