DE19545335A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Entfeuchtung eines Gasstroms - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Entfeuchtung eines GasstromsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen
Entfeuchtung eines Gasstroms nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ins
besondere zur Entfeuchtung von Raumluft oder Kabinenluft in Land- oder
Luftfahrzeugen.
Die Entfeuchtung von Kabinen-/Raumluft ist aus verschiedenen Gründen er
forderlich. So ist eine Erhöhung des Umluftanteils in vielen Fällen aus energe
tischen Gründen geboten, z. B. zur Treibstoffeinsparung im Flugzeug, da dort
die der Passagierkabine zugeführte Frischluft in den Triebwerken abgezapft
wird und somit ein Teil der Antriebsenergie verloren geht und z. B. im Pkw,
wenn weniger Abwärme aus dem Antriebsbereich zur Heizung der Umluft
bzw. Frischluft zur Verfügung steht (verbrauchsoptimierter Verbrennungsmotor
oder Elektroantrieb). Infolge des erhöhten Umluftanteils nimmt die Feuchtebe
ladung der Kabinenluft jedoch zu.
Im Flugzeug muß die Luftfeuchte unter einem vorgegebenen Maximalwert ge
halten werden, um Probleme z. B. infolge von Kondenswasserbildung in küh
len Bereichen zu vermeiden, wenn der Taupunkt der Luft unterschritten wird.
Im Pkw kann bei niedrigen Außentemperaturen und entsprechend hoher
Feuchte der Kabinenluft auf der Innenseite der Fenster Wasserdampf konden
sieren und zu Scheibenbeschlag führen. Aus Gründen der Verkehrssicherheit
ist dies zu vermeiden. Dieses Problem tritt vor allem bekannterweise in der
Startphase auf, wenn die Kabinenluft eine entsprechend niedrige Temperatur
aufweist und die Fahrzeugheizung noch nicht wirksam geworden ist.
Die Entfeuchtung durch Kühlung unter den Taupunkt (konventionelle Klima
anlage) funktioniert im Normalfall nur bei Temperaturen < 0°C, um Reif- bzw.
Eisbildung zu vermeiden. Ansonsten müßte ein komplizierter Abtaumechanis
mus und ein zweiter alternierend geschalteter Kältemittelverdampfer vorgese
hen werden, um einen zufriedenstellenden quasikontinuierlichen Betrieb der
Entfeuchtung zu gewährleisten.
Weitere Nachteile dieser Entfeuchtungsart sind:
- - eine nachgeschaltete zusätzliche Aufheizung der entfeuchteten Luft vor der Rückführung in die Kabine ist erforderlich.
- - Verkeimungsgefahr der Klimaanlage infolge der luftseitigen Kondensat bildung, vor allem bei höheren Betriebstemperaturen.
Die Entfeuchtung mit festen Sorbentien (Lithiumchlorid, Silicagel, Molekular
sieb) stellt ein quasikontinuierliches Verfahren dar. Die Regeneration des be
ladenen Sorbens erfolgt in einem zeitlich nachfolgenden Verfahrensschritt
durch eine Temperaturerhöhung im Sorbensbett mit oder ohne Druckerniedri
gung (Temperatur- oder Druckwechseladsorption). Die Sorptionseigenschaf
ten des jeweils eingesetzten Sorbens bestimmt den erreichbaren Taupunkt
und die Beladungskapazität. Der erreichbare Taupunkt liegt dabei bei <-20°C
für Lithiumchlorid. Molekularsiebe werden vorwiegend für industrielle Trock
nungsprozesse eingesetzt, wenn ein extrem niedriger Taupunkt (<-60°C)
erreicht werden soll.
Dieses Sorptionsverfahren weist u. a. folgende Nachteile auf:
- - aufgrund der verschiedenen Betriebsbedingungen für den Adsorptions- und Desorptionsschritt erfolgt keine gleichmäßige Entfeuchtungsleistung.
Dies bewirkt Schwankungen im verbleibenden Feuchtegehalt in der zur
Kabine zurückgeführten Luft,
- - z. T. starke Erwärmung der entfeuchteten Luft aufgrund der freiwerdenden Sorptionswärme (ΔT = 20-30°C),
- - hohe erforderliche Desorptionstemperatur (< 80°C),
- - für den quasikontinuierlichen Betrieb sind zwei Einheiten vorzusehen, wobei beide alternierend im Sorptions- und Desorptionsmodus gefahren werden (Umschaltmechanismus mit MSR erforderlich).
Die absorptive Entfeuchtung mit einer Glykollösung in Füllkörperkolonnen ist
aus der Erdgasaufbereitung als kontinuierliches Verfahren bekannt. Dabei
wird in der ersten Kolonne (Absorber) die Entfeuchtung des Gases vorgenom
men, anschließend die Absorberlösung erwärmt, in einer zweiten Kolonne
das im Absorber aufgenommene Wasser desorbiert, gekühlt und wieder zur
Absorptionskolonne zurückgeführt.
In Japan (Tanigaki, M. A new humidity control system using hydrophobic
membrane, Poster Session ICOM 93, Heidelberg, Sept. 1993) wurde ein kon
tinuierliches Verfahren zur Feuchteregelung von Raumluft mit Membranabsor
bern und -desorbern entwickelt. Als Absorbermedium wird Lithiumchlorid ver
wendet. Der Absorber wird dabei im Gebäude installiert und mit der zu ent
feuchtenden Raumluft kontaktiert. Der Desorber befindet sich außerhalb des
Gebäudes und wir mit Umgebungsluft als Spülgas betrieben. Diese Umge
bungsluft nimmt dabei den desorbierten Wasserdampf auf.
Vorteile der Membranabsorption sind u. a.:
- - unabhängig von einander einstellbare Stoffströme (Luft und Absorber medium), da die Membran die Phasengrenze darstellt und eine Ver mischung verhindert. Somit können optimale Betriebsbedingungen bezüglich des Stofftransportes in beiden Medien eingestellt werden,
- - nur minimale Temperaturbeeinflussung der Luft, da die Absorber lösung im Normalfall auf dem gleichen Temperaturniveau gefahren. Außerdem sind die in Frage kommenden mikroporösen, hydrophoben Polymermembranen (z. B. PP, PTFE, PVDF) schlechte Wärmeleiter (λ ≈ 0.2 W/mK). Feuchte und Temperatur der Kabinenluft sind somit weitgehend unabhängig voneinander regelbar.
- - Verwendung von problemangepaßten Absorberlösungen, so daß die hydrophoben Eigenschaften der Membran erhalten bleiben, aufgrund seines geringen Dampfdruckes das Absorbermedium sich in seiner Zusammensetzung nicht ändert und aufgrund der Lösungseigenschaften auch Luftschadstoffe aus der Luft abgetrennt werden können.
Die Nachteile dieser bekannten Vorrichtung sind wie folgt:
Die Desorption mit Spülgas ist insoweit energetisch nicht besonders effektiv, als die Feuchteaufnahmefähigkeit der Luft stark von der Temperatur abhängt:
Heizt man nur wenig auf, so muß ein relativ großer Spülgasstrom eingestellt werden, das heißt große Leistungen, größerer Austauschflächenbedarf etc. oder ein kleinerer Luftstrom muß entsprechend aufgeheizt werden. Beides ist wenig effektiv.
Die Desorption mit Spülgas ist insoweit energetisch nicht besonders effektiv, als die Feuchteaufnahmefähigkeit der Luft stark von der Temperatur abhängt:
Heizt man nur wenig auf, so muß ein relativ großer Spülgasstrom eingestellt werden, das heißt große Leistungen, größerer Austauschflächenbedarf etc. oder ein kleinerer Luftstrom muß entsprechend aufgeheizt werden. Beides ist wenig effektiv.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Entfeuchtungsverfahren mit membrange
stützter Desorption anzugeben, das einen geringen Flächenbedarf für den
Stoffaustausch aufweist.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vor
teilhaft Ausbildungen der Erfindung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens sind Gegenstände weiterer Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird die membrangestützte Desorption in Verbindung mit
einer Kondensation durchgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren bringt gegenüber der herkömmlichen
Desorption mit Spülgas erhebliche Vorteile:
Die erfindungsgemäße Desorption mit direkter Kondensation ermöglicht es, sehr kompakte Apparate zu realisieren. Der Flächenbedarf für den Stoffaus tausch ist sehr gering. Darüberhinaus es ist eine einfache Wärmerückgewin nung möglich.
Die erfindungsgemäße Desorption mit direkter Kondensation ermöglicht es, sehr kompakte Apparate zu realisieren. Der Flächenbedarf für den Stoffaus tausch ist sehr gering. Darüberhinaus es ist eine einfache Wärmerückgewin nung möglich.
Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Entfeuchtung von Kabinenluft
oder Raumluft in Luft- oder Landfahrzeugen.
Die Kondensation erfolgt vorteilhaft an einer mit flüssigem oder gasförmigen
Kühlmedium (Wasser, Luft) gekühlten Kontaktfläche.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird die Kondensationswärme
zur Erwärmung der Kabinenluft verwendet. Diese Variante eignet sich insbe
sondere bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Entfeuch
tung von Kabinenluft in Straßenfahrzeugen und Flugzeugen, wobei ein Gas,
z. B. Kaltluft, als Kühlmedium eingesetzt wird.
Als Absorberflüssigkeit wird bevorzugt eine hochkonzentrierte wäßrige Lö
sung mehrwertiger Alkohole (z. B. Ethylenglykol, Glyzerin) oder eine hochkon
zentrierte wäßrige Salzlösung (z. B. Lithiumchlorid, Harnstoff) eingesetzt.
Als Membran für die Desorption wird insbesondere eine hydrophobe, poröse
Membran, z. B. aus einem der folgenden Materialien, eingesetzt Polytetra
fluorethylen, Polypropylen, Polyvinyldifluorid, Polysulfon.
In einer vorteilhaften Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist die Desorptionsstufe als luft- oder flüssigkeitsgekühlter Platten
wärmetauscher ausgebildet. Der Wasserdampf wird aus der Absorberflüssig
keit durch eine hydrophobe, poröse Polymermembran abgezogen und an ei
ner unmittelbar gegenüberliegenden metallischen Kontaktfläche kondensiert.
Die Erfindung wird anhand von Fig. näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schema des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 eine Prinzipskizze zur Absorption;
Fig. 3 eine Prinzipskizze zur Desorption;
Fig. 4 ein Schema des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zusätzlicher
Wärmerückgewinnung;
Fig. 5 ein Versuchsaufbau zur Durchführung der Desorption;
Fig. 6 zeichnerische Darstellung der Versuchsergebnisse, gewonnen mit
dem Versuchsaufbau nach Fig. 5.
Fig. 1 zeigt eine Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Luft
in der Kabine wird im Umluftbetrieb über die Leitung 2 in die Absorptionsstufe
5 geleitet. Hier wird die mit Feuchtigkeit beladene Kabinenluft über eine Mem
bran 6 von dem Absorptionmittel absorbiert. Die Arbeitsweise und der Aufbau
der Absorptionsstufe 5 wird im Detail in Fig. 2 erläutert. Das flüssige Absorp
tionsmittel wird in einem geschlossenen Kreislauf von der Absorberstufe 5 zur
Desorptionsstufe 15 geführt, wobei es durch eine Pumpe umgewälzt wird. Zu
sätzlich kann eine Heizung im Absorptionsmittelkreislauf vorhanden sein. In
der Desorptionsstufe 15 wird der Wasserdampf aus der Absorberflüssigkeit
durch die Membran 16 abgezogen. Der Wasserdampf kondensiert an der ge
genüberliegenden Kontaktfläche 18. Zur Kühlung der Kontaktfläche steht letz
tere mit einem Kühlmedium, z. B. Wasser, Sole, Luft im Wärmekontakt. Das
Kühlmedium wird über die Leitung 12 zugeführt. Die Desorptionsstufe 15 ist
hier als luft- oder flüssigkeitsgekühlter Plattenwärmetauscher ausgebildet. Die
Arbeitsweise und der Aufbau der Desorptionsstufe 15 wird in Fig. 3 eingehend
erläutert.
Fig. 2 zeigte eine Prinzipskizze zur Durchführung der Absorption mit Hilfe
einer Membran 9, wie sie aus der oben erwähnten Literaturstelle Tanigaki
bekannt ist, und wie sie auch in dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt
verwendet wird. Die Absorberlösung wird innerhalb einer Kammer 7, die
durch die poröse, hydrophobe Membran 9 begrenzt ist, geführt. Auf der ande
ren Seite der Membran 9 befindet sich die mit Feuchtigkeit beladene Kabinen
luft in einer weiteren Kammer 1. Der Wasserdampf der Kabinenluft tritt durch
die Membran 9 hindurch und wird von der Absorberlösung in der Kammer 7
aufgenommen.
Fig. 3 zeigte eine Prinzipskizze der Desorption gemäß der Erfindung. Die Vor
richtung besteht hier aus drei Kammern 17, 19, 21. In der rechten Kammer 17,
die von der porösen, hydrophoben Membran 16 begrenzt ist, befindet sich die
Absorberlösung. Der Wasserdampf aus der Absorberlösung tritt durch die
Membran 16 hindurch in die mittlere Kammer 19. Er wird von der sich in die
ser Kammer befindlichen Luft aufgenommen und kondensiert an der gegen
überliegenden gekühlten Wandung 18. Die linke Kammer 21, die sich an die
gekühlte Wandung 18 anschließt, wird von einem Kühlmedium, hier z. B. Was
ser, zur Kühlung der Wandung 18 durchströmt.
Fig. 4. zeigt ein Schema des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zusätzlicher
Wärmerückgewinnung. Der Aufbau mit Kabine, Absorptionsstufe 5 und Des
orptionsstufe 15 sowie Absorberkreislauf entspricht der in Fig. 1 gezeigten
Anordnung. Anders als in Fig. wird hier jedoch das gasförmige Kühlmedium in
der Leitung 12 nach Durchströmen der Desorptionsstufe 15 über die Leitung
30 in die Kabine geleitet.
Im folgenden wird die erfindungsgemäße Desorption anhand eines konkreten
Versuchsaufbaus sowie der damit gewonnenen Versuchsergebnisse beispiel
haft erläutert.
Ziel der Versuche ist es, zu ermitteln, in welchem Maße der Wasserkondensat-
Massenstrom von der Glykoltemperatur abhängt und die Größenordnung des
Wasserkondensat-Massenstroms zu bestimmen.
Fig. 5 zeigt den Versuchsaufbau. Die Desorptionsstufe 15 besteht aus drei
Kammern 17, 19, 21. Die erste Kammer wird durch eine Endplatte 40 und die
Kontaktplatte 18, an der die Kondensation geschieht, begrenzt. Die Kontakt
platte 18 besteht aus Cu. Wasser tritt als Kühlmittel in die Kammer 21 ein,
strömt entlang der Cu-Platte 18 und tritt auf der anderen Seite der Desorp
tionsstufe 15 wieder aus, wodurch die Cu-Platte 18 gekühlt wird. Ein Ab
standshalter in der Kammer 21 (hier nicht gezeigt) dient einem besseren
Wärmeübergang.
Die zweite Kammer 17 besteht aus der zweiten Endplatte 41, einem Abstands
halter (hier nicht gezeigt) und einer porösen Membran 16. Die verdünnte
Membranflüssigkeit in dieser Kammer 17 wird auf 70°G erwärmt, wodurch der
Wasserdampfpartialdruck über den der Umgebungsluft steigt. Das Wasser der
Lösung wandert durch die Membran 16 und gelangt dort in die dritte Kammer
19. Diese dritte Kammer, sie befindet sich in der Mitte der Desorptionsstufe 15
zwischen den beiden erstgenannten Kammern 17, 21 und ist mit Luft gefüllt,
wird durch die Cu-Platte 18 und die poröse Membran 16 begrenzt. Tritt das
Wasser der Lösung durch die Membran 16, so wird es in der dritten Kammer
19 von der sich dort befindlichen Luft aufgenommen. Das Wasser kondensiert
sofort an der Oberfläche der Cu-Platte 18 aus und wird über Fließkanäle ab
geführt.
Daten:
Membranmaterial: PTFE
Porosität ε: 0,6
Porengröße: 0,1 mm
Membrandicke δ: 40 µm
Umwegfaktor τ: 2
Membranfläche AM: 0,01m²
Daten:
Membranmaterial: PTFE
Porosität ε: 0,6
Porengröße: 0,1 mm
Membrandicke δ: 40 µm
Umwegfaktor τ: 2
Membranfläche AM: 0,01m²
Parameter der Absorberflüssigkeit:
Glykolvolumenstrom VGly = 19 l/h
Glykolkonzentrat x = 85%
Glykolvolumenstrom VGly = 19 l/h
Glykolkonzentrat x = 85%
Parameter der Kühlflüssigkeit:
Wassertemperatur θH20 = 10°C
Wasservolumenstrom VH20 = 72 l/h
Wassertemperatur θH20 = 10°C
Wasservolumenstrom VH20 = 72 l/h
Die Glykoltemperatur θGly ist variabel gestaltet. Sie wird hier im Bereich von
50°C bis 70°C variiert.
In Fig. 6 sind die Versuchsergebnisse graphisch dargestellt. Aufgetragen ist
der Massenstrom des Wasserkondensats über der Glykoltemperatur. Die ge
nauen Werte können der nachstehenden Tabelle entnommen werden. Es er
gibt sich ein maximaler Wasserkondensat-Massenstrom von 15,97 g/h für eine
Glykoltemperatur von 70°C.
Claims (14)
1. Verfahren zur kontinuierlichen Entfeuchtung eines Gasstroms, insbeson
dere Kabinenluft oder Raumluft, wobei eine Absorption der Feuchtigkeit
an einem flüssigen Absorbermedium mit nachfolgender membrangestütz
ter Desorption durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die
membrangestützte Desorption in Verbindung mit einer Kondensation
durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu ent
feuchtende Gasstrom im Umluftbetrieb geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als
Absorberflüssigkeit eine hoch konzentrierte wäßrige Lösung mehrwertiger
Alkohole (z. B. Ethylenglykol, Glyzerin) oder eine hochkonzentrierte wäß
rige Salzlösung (z. B. Lithiumchlorid, Harnstoff) eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß für die Desorption eine hydrophobe, poröse Mem
bran (16), insbesondere aus einem der folgenden Materialien, eingesetzt
wird: Polytetrafluorethylen, Polypropylen, Polyvinyldifluorid, Polysulfon.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Kondensation an einer gekühlten Kontaktfläche
(18) erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Küh
lung der Kontaktfläche (18) durch ein flüssiges oder gasförmiges Kühlme
dium, z. B. Luft oder Wasser erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kon
densationswärme zur Erwärmung der Kabinenluft verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Absorbermedium beheizt wird.
9. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche
zur Entfeuchtung von Kabinenluft in Straßenfahrzeugen oder Flugzeugen.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorange
henden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Desorptionsstufe (15)
mit einer hydrophoben, porösen Membran (16), durch die Wasserdampf
aus der Absorberflüssigkeit abgezogen wird und einer luft- oder flüssig
keitsgekühlten Kontaktfläche (18), an der der Wasserdampf kondensiert.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Mem
bran (16) und Kontaktfläche (18) im wesentlichen parallel sich gegen
überliegen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kon
taktfläche (118) metallisch ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 12, da
durch gekennzeichnet, daß die Membran (16) eine Polymermembran,
z. B. aus Polytetrafluorethylen, Polypropylen, Polyvinyldifluorid, Polysulfon
ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 13, da
durch gekennzeichnet, daß sie als luft- oder flüssigkeitsgekühlter
Plattenwärmetauscher ausgebildet ist.
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