DE19545335C2 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Entfeuchtung eines Gasstroms - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Entfeuchtung eines Gasstroms

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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.
Problemstellung
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.
Bisher bekannte Verfahren zur Kabinenluftentfeuchtung 1. Kühlverfahren
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.
2. Sorptive Entfeuchtung im Festbett
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).
3. Entfeuchtung mit flüssigen Absorbern
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, sodaß 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.
Aus der EP 0 532 368 A2 ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Entfeuchtung eines Gasstroms bekannt, bei dem eine Absorption der Feuchtigkeit an einem flüssigen Absorbermedium erfolgt. Die nachfolgende Trennung von Absorber­ medium und Feuchtigkeit kann z. B. mit einer Pervaporation erfolgen.
Eine Pervaporation ist in Chem.-Ing.-Techn. 57 (1985) Nr. 7, S. 588 bis 590 beschrieben. Dabei tritt das gasförmige Permeat durch eine dichte Membran und wird in einem nachgeschalteten, separaten Wärmetauscher verflüssigt. Die notwendige Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten der Membran wird durch eine permeatseitige Vakuumpumpe aufrechterhalten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von der EP 0 532 368 A2 ein Ent­ feuchtungsverfahren mit membrangestützter Desorption anzugeben, das mit geringem technischem Aufwand realisiert werden kann, wobei insbesondere auf den Einsatz einer permeatseitigen Vakuumpumpe verzichtet werden kann.
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 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 Figur 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 gegenü­ berliegenden 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 Figur wird hier jedoch das gasförmige Kühlmedium in der Leitung 12 nach Durchströmen der Desorptionsstufe 15 über die Leitung 30 in die Kabine geleitet.
Beispiel
Im folgenden wird die erfindungsgemäße Desorption anhand eines konkreten Versuchsaufbaus sowie der damit gewonnenen Versuchsergebnisse beispiel­ haft erläutert.
1. Ziel der Versuche
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.
2. Modularcharakteristik
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°C 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: 0,01 m2
3. Messung (mit Glykol als Absorberflüssigkeit)
Parameter der Absorberflüssigkeit:
Glykolvolumenstrom VGly
= 19 l/h
Glykolkonzentrat x = 85%
Parameter der Kühlflüssigkeit:
Wassertemperatur θH2O
= 10°C
Wasservolumenstrom VH2O
= 72 l/h
Die Glykoltemperatur θGly variabel gestaltet. Sie wird hier im Bereich von 50°C bis 70°C variiert.
4. Ergebnisse
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 (13)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Entfeuchtung eines Gasstroms, insbeson­ dere Kabinenluft oder Raumluft, wobei eine Absorption der Feuchtigkeit in einem flüssigen Absorbermedium mit nachfolgender membrangestütz­ ter Desorption durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die membrangestützte Desorption in Verbindung mit einer direkten Konden­ sation durchgeführt wird, indem die Kondensation des durch eine poröse, hydrophobe Membran (16) hindurchtretenden Wasserdampfs an einer der Membran gegenüberliegenden gekühlten Kontaktfläche (18) erfolgt.
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 hochkonzentrierte wässrige Lösung mehrwertiger Alkohole, bevorzugt Ethylenglykol oder Glyzerin, oder eine hochkonzen­ trierte wässrige Salzlösung, bevorzugt von Lithiumchlorid oder Harnstoff, eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für die poröse, hydrophobe Membran (16) eines der folgenden Materialien eingesetzt wird: Polytetrafluorethylen, Polypropylen, Polyvinyldifluorid, Polysulfon.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kühlung der Kontaktfläche (18) durch ein flüssi­ ges oder gasförmiges Kühlmedium, bevorzugt Luft oder Wasser, erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kon­ densationswärme zur Erwärmung der Kabinenluft verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Absorbermedium beheizt wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Entfeuchtung von Kabinenluft in Straßenfahrzeugen oder Flugzeugen.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorange­ henden Ansprüche, mit einer Membranabsorption mit einem flüssigem Ab­ sorbermedium, einer Desorptionsstufe (15) mit einer hydrophoben, porö­ sen Membran (16), durch die Wasserdampf aus der Absorberflüssigkeit abgezogen wird, gekennzeichnet durch eine der Membran gegenü­ berliegende luft- oder flüssigkeitsgekühlte Kontaktfläche (18), an der der Wasserdampf kondensiert.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Membran (16) und Kontaktfläche (18) im wesentlichen parallel sich gegen­ überliegen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kon­ taktfläche (18) metallisch ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Polymermembran (16) aus Polytetra­ fluorethylen, Polypropylen, Polyvinyldifluorid oder Polysulfon ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Desorptionsstufe als luft- oder flüssig­ keitsgekühlter Plattenwärmetauscher ausgebildet ist.
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