DE19952639A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Luftkonditionierung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Luftkonditionierung durch Sorption und Desorption von Wasser mittels einer im Kreislauf geführten hygroskopischen Sorptionslösung, umfassend die Schritte: a) Trocknung eines zu konditionierenden Luftstromes durch Sorption von darin enthaltenem Wasser und b) Regeneration der durch die Sorption von Wasser niedrigkonzentrierten Sorptionslösung durch Desorption von Wasser unter Verwendung von Niedrigtemperaturwärme und Umgebungsluft. Um eine hocheffiziente Luftkonditionierung bei geringem technischen Aufwand und hoher Flexibilität zu ermöglichen, wird die Trocknung des zu konditionierenden Luftstromes (PL) erfindungsgemäß in einem Rieselfilm-Stoff-Wärmetauscher (1) durchgeführt, derart, daß die hygroskopische Sorptionslösung als Rieselfilm an einer Trennfläche flächig herabfließt und der zu konditionierende Luftstrom am Austritt des Rieselfilm-Stoff-Wärmetauschers (1) eine niedrigere Temperatur als am Eintritt des Rieselfilm-Stoff-Wärmetauschers aufweist. Ferner ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zur Luftkonditionierung, in der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Luftkonditionierung durch Sorption und Desorption von Wasser mittels einer im Kreislauf geführten hygroskopischen Sorptionslösung, umfassend die Schritte:

• a) Trocknung eines zu konditionierenden Luftstromes durch Sorption von darin enthaltenem Wasser und
• b) Regeneration der durch die Sorption von Wasser niedrigkonzentrierten Sorptionslösung durch Desorption von Wasser unter Verwendung von Niedrigtemperaturwärme und Umgebungsluft.

Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Luftkonditionierung durch Sorption und Desorption von Wasser mittels einer im Kreislauf geführten hygroskopischen Sorptionslösung, umfassend
einen Stoff-Wärmetauscher zur Trocknung eines Luftstromes durch Sorption von darin enthaltenem Wasser und
eine Einrichtung zur Regeneration der durch die Sorption von Wasser niedrigkonzentrierten Sorptionslösung.

Ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art sind aus der DE 38 35 872 A1 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung wird die Sorption von Wasser zur Trocknung der hygroskopischen Sorptionslösung möglichst isotherm bei Umgebungstemperatur durchgeführt. Die Regenerierung der durch die Sorption von Wasser verdünnten Sorptionslösung erfolgt mit Niedertemperaturwärme, die eine Temperatur von 50 bis 80°C aufweist. Dieses Temperaturniveau ist jedoch relativ hoch, so daß eine direkte Nutzung von Ab­ wärme vielfach nicht möglich ist bzw. eine Wärmetransformation mittels einer Wärmepumpe erforderlich ist. Auch führt ein solches vergleichsweise hohes Temperaturniveau bei der Direkt­ nutzung von Solarenergie zur Desorption zu relativ hohen Strahlungs- und Konvektionsverlusten bzw. es werden relativ aufwendige Maßnahmen zur Reduzierung dieser Verluste erforder­ lich. Ferner weist die Sorptionslösung eine relativ hohe Salz­ konzentration auf, was die Gefahr einer Auskristallisation des Salzes in der Sorptionslösung in sich birgt.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu entwickeln, die bei geringem technischen Aufwand und hoher Flexibilität eine umweltverträgliche und hocheffiziente Luftkonditionierung ermöglichen.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Trocknung des zu konditionierenden Luftstromes in einem Rieselfilm-Stoff-Wärmetauscher durchge­ führt wird derart, daß die hygroskopische Sorptionslösung als Rieselfilm an einer Trennfläche flächig herabfließt und der zu konditionierende Luftstrom am Austritt des Rieselfilm-Stoff- Wärmetauschers eine niedrigere Temperatur als am Eintritt des Rieselfilm-Stoff-Wärmetauschers aufweist.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Stoff-Wärmetauscher mindestens eine Trennfläche auf­ weist, an welcher die hygroskopische Sorptionslösung flächig als Rieselfilm herabfließt, wobei eine Temperatursenoren aufweisende Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung vorhan­ den ist, mit der die Volumenströme in der Vorrichtung derart steuerbar sind, daß der zu konditionierende Luftstrom am Austritt des Stoff-Wärmetauschers eine niedrigere Temperatur als am Eintritt des Stoff-Wärmetauschers aufweist.

Der mit der Erfindung erzielte Hauptvorteil besteht darin, daß für die Regeneration der niedrigkonzentrierten Sorptionslösung bereits Wärme auf Umgebungstemperaturniveau ausreichend ist. Damit können zur Desorption vorhandene Niedrigtemperaturwärme­ quellen wie beispielsweise Abwärme ohne zwischengeschaltete Wärmetransformation eingesetzt werden. Im Gegensatz zu der aus der DE 38 35 872 A1 bekannten Vorrichtung sowie anderen bekannten Vorrichtungen zur Sorptionskühlung, bei denen die Sorptionslösung über einer mit der Luft in Kontakt stehenden Packung versprüht wird, wird bei die Sorptionslösung der Erfindung im Wärme-Stofftauscher nicht zerstäubt. Durch den permanenten, direkten Kontakt zur wärmeabführenden Trennfläche wird eine verbesserte Kühlung der Sorptionslösung erreicht. Auch werden dabei von dem zu konditionierenden Luftstrom keine wieder schwer entfernbaren Flüssigkeitströpfchen aus der Sorptionslösung mitgerissen, die angesichts der üblicherweise korrosiven Wirkung der Sorptionslösung mittels eines Tropfen­ abscheiders oder dergleichen aus dem zu konditionierenden Luftstrom abzuscheiden wären. Ein aufwendiger Korrosionsschutz kann somit bei allen sich an den Luftausgang des Stoff-Wärme­ tauschers anschließenden Baugruppen entfallen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß bei Bedarf die Temperatur des getrockneten Luftstromes durch Befeuchtung mit daraus resultierender Verdunstungskühlung weiter verringert wird. Hierzu wird dem getrockneten Luftstrom vorzugsweise isenthalp Wasser zuge­ setzt, wobei die Befeuchtung möglichst nahe am Einsatzort des klimatisierten Luftstromes erfolgen sollte.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Regeneration der Sorptions­ lösung mit einem Solarkollektor durchgeführt wird. Die Sorp­ tionslösung wird in dem Solarkollektor vorzugsweise drucklos flächig verrieselt, wobei zur Aufnahme von desorbiertem Wasser quer oder im Gegenstrom zu dem Rieselfilm Umgebungsluft und/ oder Abluft geführt wird. Die Verwendung eines Solarkollektors zur Desorption bietet den Vorteil eines einfachen und kosten­ günstigen Systems, das den gezielten Abbau und die energeti­ sche Nutzung von Warmluftschichten im Dachbereich von Industriehallen oder dergleichen ermöglicht und problemlos in bereits vorhandene Lichtstraßen, d. h., in transparente Dach­ flächen integrierbar ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Regeneration der Sorptions­ lösung derart durchgeführt wird, daß die Konzentration der Sorptionslösung nach der Regeneration geringfügig über der zum Außenluftzustand gehörigen Gleichgewichtskonzentration liegt. Die Temperaturerhöhung der Sorptionslösung beträgt dann zwischen dem Eintritt und dem Austritt der der Regeneration der Sorptionslösung dienenden Einrichtung nur etwa 5 Kelvin, so daß auf Maßnahmen zur Minimierung von Strahlungs- und Konvektionsverlusten im Solarkollektor verzichtet werden kann.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Sorptionslösung im Riesel­ film-Stoff-Wärmetauscher durch einen an der anderen Seite der Trennfläche herabfließenden Flüssigkeitsfilm und/oder einen an der anderen Seite der Trennfläche entlangströmenden Sekundär­ luftstrom gekühlt wird. Dabei kann der Sekundärluftstrom in vorteilhafter Weise zur Vorkühlung des zu konditionierenden Luftstroms genutzt werden.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die bei der Trocknung des zu konditionierenden Luftstromes in der Sorptionslösung entste­ hende Wärme zur Desorption von Wasser aus einer in einem zweiten Kreislauf geführten hygroskopischen Sorptionslösung genutzt wird. Auf diese Weise kann eine weitere Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades einer erfindungsgemäßen Anlage erzielt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß als hygroskopische Sorptions­ lösung eine strahlungsabsorbierende Feststoffteilchen enthal­ tende Sorptionslösung verwendet wird. Durch diese Ausgestal­ tung läßt sich eine vom Umlauf der Sorptionslösung abhängige Verschattungsfunktion in einem transparenten Solarkollektor erzielen, wobei die Verschattung in vorteilhafter Weise jeweils mit der Sonnenstrahlung zusammenfällt.

Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer mehrere Ausfüh­ rungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit teilweise abgeschnitten dargestellten Rohrleitungen,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 verwendeten Stoff-Wärme­ tauschers,

Fig. 3 eine weitere Schnittdarstellung des Stoff-Wärme­ tauschers entlang der Schnittlinie A-A der Fig. 2,

Fig. 4 eine Darstellung des Temperaturverlaufs der hygro­ skopischen Sorptionslösung, des zu konditionierenden Luftstroms (Primärluftstrom), eines Sorptionswärme aufnehmenden Wasserrieselfilms und eines Sorptions­ wärme aufnehmenden Sekundärluftstroms jeweils über die Höhe einer Trennfläche des Stoff-Wärmetauschers, und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausfüh­ rungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die bei der Trocknung des zu konditionierenden Luftstromes in der Sorptionslösung entstehende Wärme zur Desorption von Wasser aus einer in einem zweiten Kreislauf geführten hygroskopischen Sorptionslösung genutzt wird.

Die in Fig. 1 dargestellte Luftkonditionierungsvorrichtung weist einen Stoff-Wärmetauscher 1 zur Trocknung eines Primär­ luftstromes PL auf. Der Primärluftstrom PL wird aus der Außenluft AU der Umgebung mittels eines Ventilators 2 über eine Rohrleitung 3 angesaugt. Mit 4 ist ein dem Ventilator 2 vorgeordneter Filter bezeichnet. Zwischen dem Ventilator 2 und dem Stoff-Wärmetauscher 1 ist ein Wärmetauscher 5 angeordnet, der der Vorkühlung des Primärluftstromes PL dient.

Der Stoff-Wärmetauscher 1 enthält eine Mehrzahl von Trenn­ flächen 6, die beispielsweise aus Kunststoff bestehen und vorzugsweise hydrophile Oberflächeneigenschaften aufweisen (vgl. Fig. 2). Die Trennflächen 6 definieren mehrere Luft­ kanäle, und zwar Kanäle 7 zur Durchleitung des Primärluft­ stromes PL und Kanäle 8 zur Durchleitung eines Sekundär­ luftstromes SL. Die Trennflächen 6 sind im wesentlichen vertikal ausgerichtet, wobei an der jeweils dem Primär­ luftstrom PL zugewandten Seite eine hygroskopische Sorp­ tionslösung flächig als Rieselfilm 9 herabfließt. Die Trenn­ flächen 6 sind zur Verlängerung der Lauflänge der Rieselfilme zumindest an den dem Primärluftstrom PL zugewandten Seiten sinusförmig gewellt ausgebildet und zur Verbesserung der mechanischen Stabilität durch Distanzstücke (nicht gezeigt) miteinander verbunden.

Die hygroskopische Sorptionslösung wird über eine Verteil­ einrichtung den jeweiligen Trennflächen 6 des Stoff-Wärme­ tauschers 1 zugeführt. Die Verteileinrichtung umfaßt mehrere nach oben hin offene Kanäle 11, deren Längsseiten durch die Trennflächen 6 gebildet sind. Die Trennflächen 6 sind im Bereich der Längsseiten der Kanäle 11 jeweils mit Lochreihen versehen, die aus einer Vielzahl von gleichmäßig beabstandeten Bohrungen bestehen. In die Bohrungen sind jeweils poröse, durchlässige Kunststoffstopfen 12 eingesetzt. Über diese Stopfen 12 fließt die konzentrierte hygroskopische Lösung aus den Kanälen 11 und bildet an den dem Primärluftstrom PL zuge­ wandten Trennflächenseiten jeweils einen flächigen Rieselfilm 9. Die so an den Trennflächen herabfließende Sorptionslösung entzieht dem Primärluftstrom PL darin enthaltenes Wasser und wird in am unteren Ende der Trennflächen 6 angeordneten Auf­ fangwannen 13 gesammelt und einem Vorratsbehälter 14 zugelei­ tet. Die Auffangwannen 13 sind in Richtung des Vorratsbehäl­ ters 14 mit Gefälle angeordnet und weisen einen im wesent­ lichen V-förmigen Querschnitt auf, der die Strömungsleitung des Primärluftstromes PL im Stoff-Wärmetauscher 1 unterstützt. Der im Stoff-Wärmetauscher 1 getrocknete Primärluftstrom PL wird über eine Rohrleitung 15 in einen zu klimatisierenden Raum (nicht gezeigt) geleitet. Nach Erfordernis wird dem vorklimatisierten Primärluftstrom PL in einem Luftbefeuchter 16 isenthalp Wasser 40 zugesetzt und damit die Temperatur des Primärluftstromes weiter vermindert. Die Befeuchtung sollte möglichst nah am Einsatzbereich der Primärluft erfolgen. Zur Befeuchtung wird vorzugsweise ein Ultraschallzerstäuber verwendet.

Aus dem Vorratsbehälter 14 wird die durch die Sorption von Wasser aus dem Primärluftstrom PL niedrigkonzentrierte Sorptionslösung von einer Pumpe 17 angesaugt und über eine Rohrleitung 18, in der ein Feinstfilter 19 und ein Wärme­ tauscher 20 angeordnet ist, zu einer Regenerationseinrichtung gepumpt. Die Regeneration der niedrigkonzentrierten Sorptions­ lösung erfolgt durch Desorption von Wasser unter Verwendung von Niedrigtemperaturwärme und Umgebungsluft. Hierzu ist ein Solarkollektor 21 vorgesehen, der ein schräg verlaufendes Flächenelement 22 aufweist, dem in Fließrichtung der Sorp­ tionslösung gesehen eine Verteileinrichtung 23 vorgeordnet ist. Die Verteileinrichtung 23 besteht aus einem Rohr oder einem nach oben hin offenen Kanal, wobei in der dem platten­ förmigen Flächenelement 22 zugewandten Seite eine aus einer Vielzahl von Bohrungen bestehende Lochreihe ausgebildet ist. In den Bohrungen sind wiederum poröse, durchlässige Kunst­ stoffstopfen eingesetzt, die zur Ausbildung eines gleich­ mäßigen Rieselfilms auf dem schräg verlaufenden Flächenelement 22 beitragen. Die niedrigkonzentrierte Sorptionslösung fließt somit als flächiger Rieselfilm drucklos auf dem Flächenelement 22 herab und wird in einem Sammelkanal 24 aufgefangen, von wo aus sie weiter in eine Rohrleitung 25 fließt.

Beabstandet zu dem Flächenelement 22 ist eine transparente Ab­ deckung 26 angeordnet, die mit dem Flächenelement 22 bzw. dem Rieselfilm einen Spalt definiert, durch den mittels eines Ventilators 27 entgegen der Strömungsrichtung des Rieselfilms Luft, vorzugsweise Abluft gesaugt und anschließend abgeführt wird. Zur Strahlungsabsorption ist das Flächenelement 22 mit einem Faservlies beschichtet. Das von der Sorptionslösung durchströmte Faservlies unterstützt infolge von Kapillar­ kräften die gleichmäßige Ausbildung des flächigen Rieselfilms.

Anstelle eines Faservlieses können der im Kreislauf geführten Sorptionslösung auch strahlungsabsorbierende Feststoffteilchen bzw. Farbpigmente zugesetzt werden. In diesem Fall ist das Flächenelement 22 des Solarkollektors 21 vorzugsweise trans­ parent ausgebildet, beispielsweise in Form einer transparenten Kunststoffdoppelstegplatte. Der Solarkollektor 21 ermöglicht dann einerseits eine Tageslichtbeleuchtung, nämlich wenn die Pumpe 17 zur Förderung der Sorptionslösung abgeschaltet ist, und andererseits eine Verschattung aufgrund der Farbpigmente bzw. Feststoffteilchen in der Sorptionslösung, wenn die Pumpe 17 eingeschaltet ist und sich der flächige Rieselfilm auf dem Flächenelement 22 des Solarkollektors 21 ausbildet.

Bei der Desorption handelt es sich um einen Stofftransport­ prozess, dessen Ablauf eine Wasserdampf-Partialdruckdifferenz zwischen der Lösung und der Umgebungsluft voraussetzt und dessen Intensität vom Stoffübergangskoeffizienten bestimmt wird. Dabei wird Wasserdampf an die Luft abgegeben und somit die Konzentration der Lösung erhöht. Der Partialdruck der Lösung wird bei konstantem Luftdruck nur von ihrer Temperatur und Konzentration bestimmt. Die Freisetzung von Wasserdampf erfordert die Bereitstellung der zu der freigesetzten Dampf­ menge äquivalenten Verdampfungsenthalpie und einen geringeren Anteil von Verdünnungswärme durch die Lösung. Die Deckung dieser Energiemenge erfolgt mit der konvektiv an die Lösung übertragenen absorbierten Solarenergie und der Abluftwärme. Die Ablufttemperatur ist in der Regel größer als die Umgebungstemperatur.

Das erforderliche Temperaturniveau der Desorption wird im wesentlichen von der Eintrittskonzentration am Solarkollektor (Desorber) bestimmt, die mit der im Stoff-Wärmetauscher 1 gekühlt vorgenommenen Absorption sehr niedrig ist. Als optimal hat sich eine Desorberaustrittskonzentration erwiesen, die geringfügig über der zum Außenluftzustand gehörigen Gleich­ gewichtskonzentration liegt. Die Temperaturerhöhung der Lösung zwischen Verteileinrichtung 23 und Sammelkanal 24 beträgt in diesem Fall nur ca. 5 Kelvin.

Die zur Laufrichtung des Rieselfilms gegenstromartige Luftfüh­ rung kann durch die Verlängerung des Strömungsweges der Luft thermodynamisch noch verbessert werden. Dazu wird die ur­ sprüngliche Strömungsrichtung mit einer Leiteinrichtung (nicht gezeigt) zumindest zweimal richtungsmäßig umgekehrt. Hierdurch wird eine größere Kontaktzeit, eine verbesserte Triebkraft­ nutzung (Ausnutzung der Partialdruckdifferenz) und eine Ver­ besserung des Stoffübergangs durch eine höhere Strömungs­ geschwindigkeit bei gleichem Luftmassestrom erzielt.

Bei Betrieb der Vorrichtung auf hohem Konzentrationsniveau und somit höheren Desorptionstemperaturen ist die Zwischenschall­ tung des Wärmetauschers 20 sinnvoll, der vorzugsweise vom Typ "Rohr in Rohr" ist oder direkt in den Sammelkanal 24 inte­ griert ist, indem ein mit der Zuleitung 18 verbundenes, von der wärmeren Lösung umspültes Rohr in den Sammelkanal 24 gelegt wird.

Die im Solarkollektor 21 konzentrierte Sorptionslösung gelangt über die Rohrleitung 25 unter Schwerkrafteinfluß nach einer Vorfiltration in einem Filter 28 zu der Verteileinrichtung des Stoff-Wärmetauschers 1. Unterhalb der der Verteilung der Sorptionslösung dienenden Kanäle 11 ist jeweils ein Wasser­ verteilkanal 29 angeordnet, dessen oberer Wandungsbereich gleichzeitig den Boden des darüberliegenden Verteilkanals 11 bildet. Die Wasserverteilkanäle 29 weisen jeweils im Bereich der Trennflächen 6 angeordnete Lochreihen auf, die wiederum aus einer Vielzahl von Bohrungen mit darin eingesetzten porösen, durchlässigen Stopfen bestehen. Über diese Stopfen fließt das Wasser aus den Kanälen 29 zu den dem Primärluft­ strom PL abgewandten Seiten der Trennflächen 6, die oberhalb der Auffangwannen 13 durch Bodenabschnitte 30 verbunden sind. Das Wasser fließt dabei ebenfalls in Form von flächigen Rie­ selfilmen 10 an den Trennflächen 6 herab und sammelt sich an den Bodenabschnitten 30, die entsprechend den Auffangwannen 13 ein Gefälle aufweisen. Von dort gelangt das Wasser in einen Sammelbehälter 31, dem eine Pumpe 32 zugeordnet ist, mit der das Wasser wieder zu den Verteilkanälen 29 gepumpt wird. Die­ ser Wasserkreislauf ist so ausgebildet, daß die zirkulierende Wassermenge größer als die zu ersetzende ist. Der Sammel­ behälter 31 ist dabei mit einer Niveaureglung versehen. Dem Sammelbehälter 31 wird bei Bedarf Zusatzwasser 40 zugeführt.

Der quer zu den Wasserrieselfilmen 10 strömende Sekundärluft­ strom SL wird durch einen saugenden Ventilator 34 erzeugt. Die Saugleitung 35 ist dabei nahe ihrer Saugöffnung mit einem Filter 36 ausgestattet. Der aufgrund des Kontaktes mit den Wasserrieselfilmen 10 gegenüber dem Primärluftstrom PL kühlere, nahezu gesättigte feuchte Sekundärluftstrom SL wird mit der Zwischenschaltung des Wärmetauschers 5 zur Vorkühlung der Primärluft PL genutzt.

Als Sekundärluft SL selbst kann Außenluft AU oder Abluft AB des klimatisierten Raums benutzt werden, wobei die Abluft AB in der Regel trockener und kühler als die Außenluft AU (Umge­ bungsluft) ist. Die energetisch vorteilhaftere Variante der Abluftnutzung kann jedoch nicht in jedem Fall realisiert werden.

Die Trocknung der Primärluft kann als Pendant zu dem im Solar­ system ablaufenden Prozeß aufgefaßt werden, d. h., der Partial­ druck der konzentrierten Sorptionslösung ist geringer als der­ jenige der Primärluft. Bei der Wasseraufnahme der Sorptions­ lösung entsteht Verdampfungswärme und ein geringer Anteil Verdünnungswärme. Bei einer unzureichenden Wärmeabfuhr würde es zu einer unerwünschten Erwärmung der Sorptionslösung kommen. Damit würde die Trocknung zum Erliegen kommen und die Primärluft erwärmt werden. Mit der sehr guten thermischen An­ kopplung von Sorptionslösungsrieselfilm und kühlendem Wasser­ rieselfilm über eine gemeinsame Trennfläche 6 wird dies ver­ mieden und bereits eine deutliche Kühlung der Primärluft PL erzielt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ferner mit einer mehrere Temperaturensensoren aufweisenden Steuerungs- und Regelungs­ einrichtung (nicht gezeigt) ausgestattet, mit der die Volumenströme in der Vorrichtung derart steuerbar sind, daß der Primärluftstrom PL am Austritt des Stoff-Wärmetauschers 1 eine niedrigere Temperatur als am Eintritt des Stoff-Wärme­ tauschers aufweist. In Fig. 4 ist beispielhaft der Temperatur­ verlauf der hygroskopischen Sorptionslösung, des Primärluftt stroms PL, des Wasserrieselfilms sowie des Sekundärluftstroms SL jeweils über die Höhe einer Trennfläche 6 des Stoff-Wärme­ tauschers dargestellt. In Fig. 1 sind mit 37, 38 Ventile be­ zeichnet, die eine Einstellung des dem Solarkollektor 21 zuge­ führten Volumenstroms der Sorptionslösung ermöglichen, wobei das Ventil 38 in einer die Vorlaufleitung 18 mit der Rücklauf­ leitung 25 kurzschließenden Verbindungsleitung 39 angeordnet ist. Das Ventil 37 ist im Betriebszustand offen und das Ventil 38 geschlossen. Mittels der Ventile 37 und 38 kann die zirku­ lierende Lösungsmenge im Stoff-Wärmetauscher 1 gegenüber der den Solarkollektor 21 durchlaufenden Lösungsmenge erhöht wer­ den. Auf diese Weise kann die Benetzbarkeit infolge höherer Masseströme verbessert werden. Während der Startphase der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Durchlauf durch den Solarkollektor 21 durch Verschließen des Ventils 37 und Öffnen des Ventils 38 unterbunden werden.

Das erfindungsgemäße System eignet sich zur Gebäudeklima­ tisierung mit hohen Reinheitsanforderungen an die Zuluft. Der Stoff-Wärmetauscher 1 und der Solarkollektor 21 können dabei voneinander räumlich getrennt angeordnet werden. Aufgrund der Verschattungsfunktion und der Abluftenergienutzung ist das System insbesondere für Gebäude mit hohem Verglasungsanteil und inneren Wärmelasten geeignet. Das System ermöglicht in den Nachtstunden bzw. sonnenstrahlungsarmen Perioden eine vorzugs­ weise im Teillastbereich durchgeführte Klimatisierung. Dazu wird der Stoff-Wärmetauscher 1 entweder als reines indirektes Verdunstungskühlsystem ohne Trocknungsleistung oder mit eingeschränkter Trocknungsleistung (Desorption nur mit Abluft bzw. Umgebungsluft) betrieben. Auch eine ausschließliche Beschränkung auf die Funktion der Lufttrocknung ist möglich.

In Fig. 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Die Elemen­ te, die denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels ent­ sprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der wesentliche Unterschied des zweiten Ausführungsbeispiel gegen­ über dem ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, daß die bei der Trocknung des zu konditionierenden Primärluftstromes PL in der Sorptionslösung entstehende Wärme zur Desorption von Wasser aus der niedrigkonzentrierten hygroskopischen Sorp­ tionslösung genutzt wird. Hierzu weist die Vorrichtung zwei Stoff-Wärmetauscher bzw. Stoff-Wärmetauscherabschnitte 1A und 1B auf. Die im Solarkollektor 21 durch Desorption von Wasser konzentrierte Sorptionslösung gelangt über die Rohrleitung 25 zunächst in den Stoff-Wärmetauscher 1A, in welchem sie an einer Trennfläche 6A flächig als Rieselfilm herabläuft und den über die Rohrleitung 3 zugeführten Primärluftstrom PL durch Sorption von darin enthaltenem Wasser trocknet. Die Sorptions­ lösung wird danach in den zweiten Stoff-Wärmetauscher 1B geleitet, wo sie an einer Trennfläche 6B wiederum flächig als Rieselfilm herabläuft und den über die Rohrleitung 3 zugeführ­ ten Primärluftstrom PL durch Sorption trocknet.

Anschließend wird die infolge der Wasseraufnahme verdünnte Sorptionslösung mittels einer Pumpe 17A zurück zum ersten Stoff-Wärmetauscher 1A gepumpt und an der gegenüberliegenden Seite der Trennfläche 6A, welche dem über die Rohrleitung 35 zugeführten Sekundärluftstrom SL zugewandt ist, erneut als Rieselfilm flächig verrieselt. Die Sorptionslösung gelangt dann in den Vorratsbehälter 14, von wo aus sie mittels der Pumpe 17 über die Rohrleitung 18 zum Solarkollektor 21 gepumpt wird.

In dem zweiten Stoff-Wärmetauscher 1B wird die Sorptionslösung mittels eines an der anderen Seite der Trennfläche 6B herab­ laufenden Wasserfilms gekühlt. Der herablaufende Wasserfilm wird dabei in einer Auffangwanne aufgefangen und dem Sammel­ behälter 31 zugeleitet. Von dort wird das Wasser über die Pumpe 32 im Kreislauf zurück zu einem der Trennfläche 6B zuge­ ordneten Verteilersystem gepumpt.

Die mittels der Pumpe 17A in den ersten Stoff-Wärmetauscher 1A zurückgepumpte verdünnte Sorptionslösung weist eine geringere Temperatur auf als die vom Solarkollektor 21 über die Rohr­ leitung 25 dem Stoff-Wärmetauscher 1A zufließende konzen­ trierte Sorptionslösung. Die bei der Trocknung des Primärluft­ stromes PL im ersten Stoff-Wärmetauscher 1A in der Sorptions­ lösung entstehende Wärme wird über die Trennfläche 6A an die niedrigkonzentrierte Sorptionslösung abgegeben, wodurch ein Teil des darin enthaltenen Wassers bereits vor dem Solar­ kollektor 21 desorbiert wird. Das desorbierte Wasser wird von dem Sekundärluftstrom SL aufgenommen und mit diesem über die Rohrleitung 35 abgeführt.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von dem in den Patentansprüchen wieder­ gegebenen Erfindungsgedanken auch bei abweichender Gestaltung Gebrauch machen. So kann beispielsweise der Primärluftstrom PL nicht nur im Gegenstrom zu den Lösungsrieselfilmen 9 im Stoff- Wärmetauscher 1 geführt werden, sondern ebenso auch im Gleich­ strom dazu.

Bezugszeichenliste

FO Fortluft
ZU Zuluft
AU Außenluft
AB Abluft
SL Sekundärluft
PL Primärluft

1

Stoff-Wärmetauscher

1

A Stoff-Wärmetauscher

1

B Stoff-Wärmetauscher

2

Ventilator

3

Rohrleitung (Primärluft)

4

Filter (Primärluft)

5

Wärmetauscher (Primärluft/Sekundärluft)

6

Trennfläche

6

A Trennfläche

6

B Trennfläche

7

Primärluftkanal

8

Sekundärluftkanal

9

Rieselfilm (Sorptionslösung)

10

Wasserrieselfilm

11

Verteilkanäle (Sorptionslösung)

12

durchlässige Kunststoffstopfen

13

Auffangwanne (Sorptionslösung)

14

Vorratsbehälter (Sorptionslösung)

15

Rohrleitung

16

Luftbefeuchter (z. B. Ultraschallzerstäuber)

17

Pumpe (Sorptionslösung)

17

A Pumpe (Sorptionslösung)

18

Rohrleitung (Sorptionslösung)

19

Feinstfilter (Sorptionslösung)

20

Wärmetauscher (Lösung/Lösung)

21

Solarkollektor

22

Flächenelement

23

Verteilereinrichtung

24

Sammelkanal

25

Rohrleitung (Sorptionslösung)

26

transparente Abdeckung

27

Ventilator

28

Vorfilter (Sorptionslösung)

29

Verteilkanäle (Wasser)

30

Bodenabschnitte

31

Sammelbehälter (Wasser)

32

Pumpe (Wasser)

33

Rohrleitung

34

Ventilator (Sekundärluft)

35

Saugleitung (Sekundärluft)

36

Filter

37

Ventil

38

Ventil

39

Verbindungsleitung

40

Zusatzwasser

Claims (29)

1. Verfahren zur Luftkonditionierung durch Sorption und Desorption von Wasser mittels einer im Kreislauf geführten hygroskopischen Sorptionslösung, umfassend die Schritte:

• a) Trocknung eines zu konditionierenden Luftstromes durch Sorption von darin enthaltenem Wasser und
• b) Regeneration der durch die Sorption von Wasser niedrigkonzentrierten Sorptionslösung durch Desorption von Wasser unter Verwendung von Niedrigtemperaturwärme und Umgebungsluft,
  dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung des zu konditionierenden Luftstromes (PL) in einem Rieselfilm-Stoff-Wärmetauscher (1) durchgeführt wird derart, daß die hygroskopische Sorptionslösung als Rieselfilm an einer Trennfläche (6) flächig herabfließt und der zu konditionier­ ende Luftstrom (PL) am Austritt des Rieselfilm-Stoff-Wärme­ tauschers (1) eine niedrigere Temperatur als am Eintritt des Rieselfilm-Stoff-Wärmetauschers aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tempera­ tur des getrockneten Luftstromes (PL) durch Befeuchtung mit daraus resultierender Verdunstungskühlung weiter verringert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeneration der Sorptionslösung mit einem Solarkollektor (21) durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sorptionslösung in dem Solarkollektor (21) drucklos flächig verrieselt und quer oder im Gegenstrom zu diesem Rieselfilm Umgebungsluft und/oder Abluft geführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeneration der Sorptionslösung derart durchgeführt wird, daß die Konzentration der Sorptionslösung nach der Regeneration geringfügig über der zum Außenluftzustand gehörigen Gleichgewichtskonzentration liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeneration der Sorptionslösung derart durchgeführt wird, daß sich deren Temperatur dabei um weniger als 6 Kelvin erhöht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die niedrigkonzentrierte Sorptionslösung einem Wärmetauscher (20) zugeführt wird, in welchem sie durch bereits regenerierte Sorptionslösung vorgewärmt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sorptionslösung im Rieselfilm-Stoff-Wärmetauscher (1) durch einen an der anderen Seite der Trennfläche (6) herabfließenden Flüssigkeitsfilm (10) und/oder einen an der anderen Seite der Trennfläche (6) entlang strömenden Sekundärluftstrom (SL) gekühlt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärluftstrom (SL) zur Vorkühlung des zu konditionierenden Luftstromes (PL) genutzt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Trocknung des zu konditionierenden Luftstromes (PL) in der Sorptionslösung entstehende Wärme zur Desorption von Wasser aus einer in einem zweiten Kreislauf geführten hygroskopischen Sorptionslösung genutzt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als hygroskopische Sorptionslösung eine strahlungsabsorbierende Feststoffteilchen enthaltende Sorptionslösung verwendet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung des zu konditionierenden Luftstromes während Nachtstunden und/oder strahlungsarmen Perioden eingestellt oder die Trocknungsleistung verringert wird.

13. Vorrichtung zur Luftkonditionierung durch Sorption und Desorption von Wasser mittels einer im Kreislauf geführten hygroskopischen Sorptionslösung, umfassend
einen Stoff-Wärmetauscher (1) zur Trocknung eines Luftstromes durch Sorption von darin enthaltenem Wasser und
eine Einrichtung zur Regeneration der durch die Sorption von Wasser niedrigkonzentrierten Sorptionslösung,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff- Wärmetauscher (1) mindestens eine Trennfläche (6) aufweist, an welcher die hygroskopische Sorptionslösung flächig als Rieselfilm (9) herabfließt, und daß eine Temperatursenoren aufweisende Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung vorhanden ist, mit der die Volumenströme in der Vorrichtung derart steuerbar sind, daß der zu konditionierende Luftstrom (PL) am Austritt des Stoff-Wärmetauschers (1) eine niedrigere Temperatur als am Eintritt des Stoff-Wärmetauschers aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stoff- Wärmetauscher (1) ein Luftbefeuchter (16) zur Verdunstungs­ kühlung des zu konditionierenden getrockneten Luftstromes (PL) nachgeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Regeneration der Sorptionslösung als Solarkollektor (21) ausgeführt ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff- Wärmetauscher (1) eine Mehrzahl von Trennflächen (6) aufweist, an deren jeweils einen Seite die Sorptionslösung flächig als Rieselfilm (9) herabfließt und an deren jeweils anderen Seite ein Kühlfluid, insbesondere Wasser ebenfalls flächig als Rieselfilm (10) herabfließt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennflächen (6) aus Kunststoff gebildet sind, der zumindest an der mit der Sorptionslösung in Kontakt stehenden Seite hydrophile Oberflächeneigenschaften aufweist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennflächen (6) in Fließrichtung der Sorptionslösung und des Kühlfluids gewellt ausgebildet sind.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Trennfläche (6) eine Verteileinrichtung für die Sorptions­ lösung und eine Verteileinrichtung für das Kühlfluid zugeordnet sind, wobei jede Verteileinrichtung rohr- oder kanalförmig ausgebildet ist und eine Vielzahl von seitlichen Bohrungen aufweist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß in die Bohrungen poröse, durchlässige Stopfen (12) eingesetzt sind.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Regeneration der Sorptionslösung ein Flächen­ element (22) aufweist, dem in Fließrichtung der Sorptions­ lösung gesehen eine Verteileinrichtung (23) vorgeordnet ist, von der aus die Sorptionslösung drucklos über das Flächen­ element (22) zu einem Sammelkanal (24) fließt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß beabstandet zu dem Flächenelement (22) eine transparente Abdeckung (26) angeordnet ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventilator (27) zur Erzeugung eines Luftstromes zwischen dem Flächenelement (22) und der Abdeckung (26) vorgesehen ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Regeneration der Sorptionslösung derart ausgebildet ist, daß der Luftstrom darin quer oder im Gegenstrom zur Sorptionslösung strömt.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Regeneration der Sorptionslösung mehrere Leiteinrichtungen zur Richtungsumlenkung des Luftstromes aufweist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenelement (22) eine mit der Sorptionslösung in Kontakt stehende Beschichtung aus einem Faservlies aufweist.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher (20) für eine Wärmeübertragung vom Ablauf der Einrichtung zur Regeneration der Sorptionslösung zu deren Zulauf vorgesehen ist.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß im Zulauf und im Ablauf der Einrichtung zur Regeneration der Sorptions­ lösung Temperatursensoren und/oder Konzentrationssensoren angeordnet sind.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher (5) für eine Wärmeübertragung von dem zu konditionierenden Luftstrom (PL) auf einen Sekundärluftstrom (SL) vorgesehen ist.