DE202017105468U1 - Heat exchange device - Google Patents
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Abstract
Wärmetauschvorrichtung zum Austausch von Wärmeenergie zwischen einem ersten Gasmassenstrom (10) und einem zweiten Gasmassenstrom (12), umfassend einen hocheffizienten Wärmetauscher (14) mit einer Mindesteffizienz von 75 %, eine in Flussrichtung des zweiten Gasmassenstroms (12) vor dem Wärmetauscher (14) angeordnete Druckveränderungsvorrichtung (18), die dazu ausgebildet ist, den Druck des zweiten Gasmassenstroms (12) zu verändern, wobei der Druckunterschied zwischen dem ersten (10) und dem zweiten Gasmassenstrom (12) im Wärmetauscher (14) maximal 0,5 bar beträgt.Heat exchange apparatus for exchanging heat energy between a first gas mass flow (10) and a second gas mass flow (12) comprising a high efficiency heat exchanger (14) with a minimum efficiency of 75%, one upstream of the heat exchanger (14) in the flow direction of the second gas mass flow (12) Pressure change device (18) which is adapted to change the pressure of the second gas mass flow (12), wherein the pressure difference between the first (10) and the second gas mass flow (12) in the heat exchanger (14) is at most 0.5 bar.
Description
Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschvorrichtung zum Austausch von Wärmeenergie zwischen einem ersten Gasmassenstrom und einem zweiten Gasmassenstrom. The invention relates to a heat exchange device for exchanging heat energy between a first gas mass flow and a second gas mass flow.
Wärmetauscher sind grundsätzlich bekannt und werden beispielsweise bei Lüftungsanlagen eingesetzt. Dabei wird die Temperatur eines ersten Gasmassenstroms, welcher auch Primärstrom genannt wird, mittels eines zweiten Gasmassenstroms, welcher auch Sekundärstrom genannt wird, verändert, insbesondere erniedrigt und/oder erhöht. Heat exchangers are basically known and are used for example in ventilation systems. In this case, the temperature of a first gas mass flow, which is also called the primary flow, is changed, in particular lowered and / or increased, by means of a second gas mass flow, which is also called secondary flow.
Bisher treten dabei jedoch Energieverluste auf, die durch andere Maßnahmen ausgeglichen werden müssen. So far, however, occur energy losses, which must be compensated by other measures.
Bekannt ist zudem der so genannte Brayton-Kreisprozess, welcher auch Joule-Kreisprozess genannt wird. Der ideale Brayton-Kreisprozess umfasst vier Stufen: Eine isentrope Kompression eines Gases, welches sich erhitzt, einen isobaren Austausch der Wärmeenergie, eine isentrope Entspannung des Gases sowie eine isobare Wärmeabgabe an die umgebende Atmosphäre. Also known is the so-called Brayton cycle, which is also called Joule cycle. The ideal Brayton cycle involves four stages: isentropic compression of a gas that heats up, an isobaric exchange of heat energy, an isentropic release of the gas, and an isobaric release of heat to the surrounding atmosphere.
Unter realen Bedingungen sind die vier Stufen wie folgt: Ein adiabatischer Prozess für die Kompression, ein isobarer Prozess für den Wärmeaustausch, ein adiabatischer Prozess für die Entspannung und ein isobarer Prozess für die Wärmeabgabe. Under real conditions, the four stages are as follows: an adiabatic process for compression, an isobaric process for heat exchange, an adiabatic process for relaxation, and an isobaric process for heat release.
Dieser Prozess wurde ursprünglich für Kolbenmotoren benutzt, erlangte seinen Durchbruch aber erst mit der Entwicklung der Turbostrahltriebwerke. Auch bei druckbelüfteten Kabinen für Flugzeuge kommt dieser Prozess zum Einsatz, wobei zur Klimatisierung der Kabinen unter Ausnutzung des Kabinendrucks eine Turbine verwendet wird und so genannte Zapfluft zum Einsatz kommt. Dort treten jedoch im Wärmetauscher hohe Druckunterschiede zwischen den Gasmassenströmen auf, was aufgrund der dadurch bedingten robusten Bauweise die Effizienz verschlechtert. This process was originally used for piston engines, but only made its breakthrough with the development of turbojet engines. This process is also used in pressurized cabins for airplanes, whereby a turbine is used for air conditioning of the cabs by utilizing the cabin pressure and so-called bleed air is used. There, however, occur in the heat exchanger high pressure differences between the gas mass flows, which deteriorates the efficiency due to the resulting robust construction.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Wärmetauschvorrichtung zum Austausch von Wärmeenergie zwischen einem ersten Gasmassenstrom und einem zweiten Gasmassenstrom zu schaffen, welche eine hohe Effizienz aufweist. It is therefore an object of the invention to provide a heat exchange device for exchanging heat energy between a first gas mass flow and a second gas mass flow having a high efficiency.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den Gegenstand des Anspruchs 1. The solution to this problem is achieved by the subject matter of claim 1.
Erfindungsgemäß wird Wärmeenergie zwischen einem ersten Gasmassenstrom und einem zweiten Gasmassenstrom ausgetauscht. Insbesondere wird die Wärmeenergie vom zweiten Gasmassenstrom auf den ersten Gasmassenstrom übertragen. Jedoch ist auch ein Wärmeaustausch in umgekehrter Richtung denkbar. According to the invention, heat energy is exchanged between a first gas mass flow and a second gas mass flow. In particular, the heat energy is transferred from the second gas mass flow to the first gas mass flow. However, a heat exchange in the opposite direction is conceivable.
Bei beiden Gasmassenströmen handelt es sich vorzugsweise um dasselbe Gas, vorzugsweise Luft. Both gas mass flows are preferably the same gas, preferably air.
Vor der Druckveränderungsvorrichtung kann der Druck des ersten und/oder zweiten Gasmassenstroms dem Umgebungsdruck entsprechen. Die Gasmassenströme können zu Beginn insbesondere denselben Druck aufweisen. Insbesondere sind die Gasmassenströme somit nicht bereits vorher komprimiert oder dekomprimiert, wie es beispielsweise bei Triebwerksluft der Fall ist. Before the pressure changing device, the pressure of the first and / or second gas mass flow may correspond to the ambient pressure. The gas mass flows may in particular have the same pressure at the beginning. In particular, the gas mass flows are thus not previously compressed or decompressed, as is the case for example with engine air.
Die Wärmetauschvorrichtung umfasst einen hocheffizienten Wärmetauscher mit einer Mindesteffizienz von 75 %. Ältere Wärmetauscher besitzen eine deutlich geringere Effizienz, sodass erfindungsgemäß auf moderne Wärmetauscher, vorzugsweise Luft-Luft-Wärmetauscher, zurückgegriffen wird. The heat exchange device includes a high efficiency heat exchanger with a minimum efficiency of 75%. Older heat exchangers have a significantly lower efficiency, so that according to the invention recourse is had to modern heat exchangers, preferably air-to-air heat exchangers.
Insbesondere kann die Mindesteffizienz des Wärmetauschers 80 %, 85 %, 90 % oder 95 % betragen. Je höher die Mindesteffizienz des Wärmetauschers, desto höher ist auch die Gesamteffizienz der Wärmetauschvorrichtung. In particular, the minimum efficiency of the heat exchanger may be 80%, 85%, 90% or 95%. The higher the minimum efficiency of the heat exchanger, the higher the overall efficiency of the heat exchange device.
In Flussrichtung des zweiten Gasmassenstroms ist vor dem Wärmetauscher eine Druckveränderungsvorrichtung angeordnet, die dazu ausgebildet ist, den Druck des zweiten Gasmassenstroms zu verändern, insbesondere zu erniedrigen oder zu erhöhen. In the flow direction of the second gas mass flow, a pressure change device is arranged in front of the heat exchanger, which is designed to change the pressure of the second gas mass flow, in particular to decrease or increase.
Zum Erniedrigen des Drucks kann die Druckveränderungsvorrichtung als Entspanner ausgebildet sein oder einen Entspanner umfassen. Das Gas kann darin beispielsweise auf ein größeres Volumen ausgedehnt werden. In order to lower the pressure, the pressure-changing device can be designed as a pressure-release device or comprise a pressure-release device. The gas can be expanded, for example, to a larger volume.
Bei dem Entspanner kann es sich z.B. um einen Filter, ein Ventil, eine Drossel, ein Divergenzrohr, eine Venturi-Absaugung im Einlass, ein z.B. tangential arbeitendes Turbinenrad, eine Radialturbine und/oder eine Axialturbine handeln. The expander may be e.g. around a filter, a valve, a throttle, a divergence tube, a Venturi suction in the inlet, e.g. tangentially operating turbine wheel, a radial turbine and / or an axial turbine act.
Zum Erhöhen des Drucks kann die Druckveränderungsvorrichtung als Kompressor ausgebildet sein oder einen Kompressor umfassen. Das Gas kann darin beispielsweise auf ein kleineres Volumen komprimiert werden. To increase the pressure, the pressure changing device may be formed as a compressor or comprise a compressor. The gas can be compressed in it, for example, to a smaller volume.
Bei dem Kompressor kann es sich beispielsweise um einen (einfachen) Staustrahl-Einlass, eine (speziell entwickelte) Staustrahl-Hutze, ein Konvergenzrohr, einen Axialverdichter, einen Radialverdichter und/oder einen Zentrifugalverdichter handeln. The compressor may be, for example, a (simple) ramjet inlet, a (specially designed) ramjet scoop, a convergence tube, an axial compressor, a centrifugal compressor and / or a centrifugal compressor.
Der Druckunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Gasmassenstrom im Wärmetauscher beträgt maximal 0,5 bar. Es war überraschend, dass derartig niedrige Druckunterschiede bei modernen, hocheffizienten Wärmetauschern möglich sind. Insbesondere von der Effizienz des Wärmetauschers ist abhängig, ob geringe Differenzdrücke zwischen Primär- und Sekundärstrom zur Überwindung von Effizienzverlusten ausreichend sind. Erfindungsgemäß werden daher hocheffiziente Komponenten verwendet. Der Wärmetauscher kann vorzugsweise Lamellen umfassen. Die Lamellen sind vergleichsweise dünn. The pressure difference between the first and the second gas mass flow in the heat exchanger is a maximum of 0.5 bar. It was surprising that such low pressure differences are possible in modern, highly efficient heat exchangers. In particular, the efficiency of the heat exchanger depends on whether small differential pressures between the primary and secondary currents are sufficient to overcome losses in efficiency. Therefore, highly efficient components are used according to the invention. The heat exchanger may preferably comprise fins. The slats are comparatively thin.
Insbesondere beträgt der Druckunterschied maximal 0,45 bar, 0,4 bar, 0,35 bar, 0,33 bar, 0,3 bar, 0,25 bar, 0,2 bar, 0,15 bar oder 0,1 bar. Vorzugsweise beträgt der Druckunterschied mindestens 0,01 bar, 0,02 bar, 0,03 bar 0,04 bar, 0,05 bar, 0,06 bar, 0,07 bar, 0,08 bar, 0,09 bar oder 0,1 bar. In particular, the maximum pressure difference is 0.45 bar, 0.4 bar, 0.35 bar, 0.33 bar, 0.3 bar, 0.25 bar, 0.2 bar, 0.15 bar or 0.1 bar. Preferably, the pressure difference is at least 0.01 bar, 0.02 bar, 0.03 bar 0.04 bar, 0.05 bar, 0.06 bar, 0.07 bar, 0.08 bar, 0.09 bar or 0 , 1 bar.
Dadurch, dass der Druck zumindest eines Gasmassenstroms vor dem Eintritt in den Wärmetauscher variiert wird, wird die Effizienz der Wärmetauschvorrichtung gegenüber herkömmlichen Wärmetauschern ohne eine Druckveränderungsvorrichtung deutlich erhöht. Characterized in that the pressure of at least one gas mass flow is varied before entering the heat exchanger, the efficiency of the heat exchange device compared to conventional heat exchangers without a pressure change device is significantly increased.
Erfindungsgemäß wird der ideale Brayton-Prozess dazu verwendet wird, einem Gasmassenstrom Energie zu entziehen und an einen anderen Gasmassenstrom zu überführen, vorzugsweise ohne den Aufwand zusätzlicher Energie, also zumindest im Wesentlichen ohne Energieverlust. According to the invention, the ideal Brayton process is used to extract energy from a gas mass flow and to transfer it to another gas mass flow, preferably without the expense of additional energy, ie at least substantially without energy loss.
Dem idealen Brayton-Kreislauf wird dabei möglichst nahe gekommen. Dazu werden hocheffiziente Komponenten eingesetzt, nämlich ein Wärmetauscher und wenigstens eine Druckveränderungsvorrichtung. Vorzugsweise werden zwei Druckveränderungsvorrichtungen verwendet, insbesondere ein Kompressor und ein Entspanner. The ideal Brayton cycle is getting as close as possible. For this purpose, highly efficient components are used, namely a heat exchanger and at least one pressure changing device. Preferably, two pressure-changing devices are used, in particular a compressor and a pressure-release device.
Vorzugsweise wird die Energie ausschließlich durch den Wärmetauscher übertragen. Energie wird von einem heißen, komprimierten bzw. einem kalten, entspannten Gas des Sekundärstroms auf den Primärstrom mit Hilfe eines hocheffizienten Wärmetauschers übertragen. Preferably, the energy is transferred exclusively through the heat exchanger. Energy is transferred from a hot, compressed or a cold, relaxed secondary stream gas to the primary stream using a high efficiency heat exchanger.
Durch die Verwendung des hocheffizienten Wärmetauschers ist für das Verfahren ein geringer Differenzdruck ausreichend, um den Energiegehalt des Sekundärstroms über das Niveau der Ausgangsumgebung zu heben bzw. beim Kühlen unter das Niveau der Umgebung am Ausgang des Wärmetauschers zu senken. Je höher die Effizienz des Wärmetauschers, desto geringere Differenzdrücke sind notwendig. By using the high efficiency heat exchanger, a small differential pressure is sufficient for the process to raise the energy content of the secondary flow above the level of the initial environment or to lower it to below the level of the environment at the exit of the heat exchanger during cooling. The higher the efficiency of the heat exchanger, the lower differential pressures are necessary.
Insbesondere durch eine geringfügige Manipulation des Druckes im Sekundärstrom wird die Temperatur derart eingestellt, dass durch den Wärmeaustausch innerhalb eines hocheffizienten Wärmetauschers die Temperatur über das am Ausgang des Primärstroms – und damit Eingang des Sekundärstroms – herrschende Niveau zum Heizen gehoben bzw. zum Kühlen gesenkt werden kann. In particular, by a slight manipulation of the pressure in the secondary flow, the temperature is adjusted so that the temperature can be raised by the heat exchange within a high-efficiency heat exchanger on the prevailing at the output of the primary flow - and thus the secondary current - level for heating or lowered for cooling ,
Die Erfindung ermöglicht die Übergabe von thermischer Energie von einem Gasmassenstrom auf einen anderen Gasmassenstrom über das ursprüngliche Vermögen eines Wärmetauschers hinaus. The invention enables the transfer of thermal energy from one gas mass flow to another gas mass flow beyond the original capability of a heat exchanger.
Die Wärmetauschvorrichtung kann insbesondere zur Temperierung, insbesondere Kühlung und/oder Erwärmung, von Batteriefächern eingesetzt werden. Auch bei Automobilen, insbesondere bei Elektroautos, kann die Wärmetauschvorrichtung eingesetzt werden. The heat exchange device can be used in particular for temperature control, in particular cooling and / or heating, of battery compartments. Also in automobiles, especially in electric cars, the heat exchange device can be used.
Insbesondere kann durch eine Kombination eines hocheffizienten Wärmetauschers mit einem Niedrigdruckverdichter eine Anhebung des Temperaturniveaus über den Effizienzverlust des Wärmetauschers hinaus erfolgen. In particular, by combining a high efficiency heat exchanger with a low pressure compressor, an increase in the temperature level beyond the loss of efficiency of the heat exchanger may occur.
Weiterbildungen der Erfindung sind auch den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen zu entnehmen. Further developments of the invention can be found in the dependent claims, the description and the accompanying drawings.
Gemäß einer Ausführungsform ist nach dem Wärmetauscher eine weitere Druckveränderungsvorrichtung angeordnet, die dazu ausgebildet ist, den Druck des zweiten Gasmassenstroms auf Umgebungsdruck zu verändern, vorzugsweise zu erhöhen oder zu erniedrigen. According to one embodiment, a further pressure changing device is arranged after the heat exchanger, which is adapted to change the pressure of the second gas mass flow to ambient pressure, preferably to increase or decrease.
Insbesondere erfolgt die Druckveränderung nach dem Wärmetauscher entgegengesetzt zur Druckveränderung vor dem Wärmetauscher. So wird ein zuvor komprimierter Gasmassenstrom beispielsweise nach dem Wärmetauscher durch die weitere Druckveränderungsvorrichtung entspannt. Wird der Gasmassenstrom vor dem Wärmetauscher hingegen entspannt, wird er durch die weitere Druckveränderungsvorrichtung nach dem Wärmetauscher rückverdichtet. In particular, the pressure change after the heat exchanger is opposite to the pressure change before the heat exchanger. Thus, a previously compressed gas mass flow, for example, after the heat exchanger by the further pressure changing device is relaxed. If the gas mass flow before the heat exchanger, however, relaxed, he is back-compressed by the further pressure-changing device after the heat exchanger.
Die Druckveränderung ist somit insbesondere temporär. Effizienzverluste im Wärmetauscher können dadurch aufgefangen werden und die Zuluft kann hinter dem Wärmetauscher über das Niveau der dort herrschenden Atmosphäre hinaus gehoben werden. The pressure change is thus in particular temporary. Efficiency losses in the heat exchanger can thereby be absorbed and the supply air can be lifted beyond the heat exchanger beyond the level of the atmosphere prevailing there.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die eine Druckveränderungsvorrichtung als Kompressor, insbesondere Verdichter, und die andere Druckveränderungsvorrichtung als Entspanner, insbesondere Turbine, ausgebildet. So kann ein Gasmassenstrom vor dem Eintritt in den Wärmetauscher komprimiert bzw. entspannt werden. Nach dem Wärmetauscher kann der Gasmassenstrom entsprechend wieder entspannt bzw. rückverdichtet werden. In accordance with a further embodiment, one pressure-changing device is designed as a compressor, in particular a compressor, and the other pressure-changing device as a pressure-release device, in particular a turbine. Thus, a gas mass flow can be compressed or expanded before entering the heat exchanger. After the heat exchanger, the gas mass flow can be correspondingly relaxed again or recompressed.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine in Flussrichtung des ersten Gasmassenstroms vor und/oder nach dem Wärmetauscher angeordnete Druckveränderungsvorrichtung vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, den Druck des ersten Gasmassenstroms zu verändern. Auf diese Weise kann auch der Druck des ersten Gasmassenstroms verändert werden. According to a further embodiment, a pressure variation device arranged in the flow direction of the first gas mass flow upstream and / or downstream of the heat exchanger is provided, which is designed to change the pressure of the first gas mass flow. In this way, the pressure of the first gas mass flow can be changed.
Vorzugsweise sind eine Druckveränderungsvorrichtung vor dem Wärmetauscher und eine weitere Druckveränderungsvorrichtung nach dem Wärmetauscher für den ersten Gasmassenstrom vorgesehen. Eine nach dem Wärmetauscher angeordnete Druckveränderungsvorrichtung kann den Druck des ersten Gasmassenstroms insbesondere auf Umgebungsdruck verändern. Preferably, a pressure change device before the heat exchanger and a further pressure change device are provided after the heat exchanger for the first gas mass flow. A pressure changing device arranged after the heat exchanger can change the pressure of the first gas mass flow in particular to ambient pressure.
Insbesondere kann der erste Gasmassenstrom vor dem Eintritt in den Wärmetauscher komprimiert bzw. entspannt werden. Nach dem Wärmetauscher kann der erste Gasmassenstrom entsprechend wieder entspannt bzw. rückverdichtet werden. In particular, the first gas mass flow can be compressed or expanded before it enters the heat exchanger. After the heat exchanger, the first gas mass flow can be correspondingly relaxed again or recompressed.
Insbesondere kann zur Manipulation der physikalischen Zustände von zwei abhängigen oder unabhängigen Gasmassenströmen eine geringfügige Kompression oder Dekompression eines oder beider Gasmassenströme aus der Umgebungsatmosphäre heraus erfolgen, bevor diese in einen hocheffizienten Wärmetauscher einströmen. Anschließend kann ein Gasmassenstrom bzw. können beide Gasmassenströme nach Verlassen des Wärmetauschers zurück auf Umgebungsdruck entspannt oder verdichtet werden, während im Wärmetauscher die Wärme des wärmeren Stroms an die Wärme des kälteren Stroms mit sehr hoher Effizienz übertragen wird. Dies hat den Zweck, die physikalischen Zustände eines oder beider Ströme zu steuern. In particular, for the manipulation of the physical states of two dependent or independent gas mass flows, a slight compression or decompression of one or both gas mass flows can take place from the ambient atmosphere before they flow into a highly efficient heat exchanger. Subsequently, a gas mass flow or both gas mass flows can be relaxed or compressed after leaving the heat exchanger back to ambient pressure, while in the heat exchanger, the heat of the warmer stream is transferred to the heat of the colder stream with very high efficiency. This has the purpose of controlling the physical states of one or both streams.
Die Temperaturen der Gasmassenströme können beispielsweise beeinflusst werden, indem der Primärstrom beheizt wird, entweder durch Kompression des Sekundärstroms oder durch Dekompression des Primärstroms. Auch ist es denkbar, dass der Primärstrom gekühlt wird, entweder durch Dekompression des Sekundärstroms oder durch Kompression des Primärstroms. For example, the temperatures of the gas mass flows may be affected by heating the primary flow, either by compression of the secondary flow or by decompression of the primary flow. It is also conceivable that the primary stream is cooled, either by decompression of the secondary stream or by compression of the primary stream.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist eine, insbesondere die weitere, Druckveränderungsvorrichtung mit der anderen Druckveränderungsvorrichtung des zweiten Gasmassenstroms gekoppelt und kann diese insbesondere antreiben. Beispielsweise ein Entspanner, insbesondere eine Turbine, kann dadurch noch besser ausgenutzt werden. According to a further embodiment, one, in particular the further, pressure-changing device is coupled to the other pressure-changing device of the second gas mass flow and can drive it in particular. For example, a decompressor, in particular a turbine, can be exploited even better.
Alternativ oder zusätzlich kann eine, insbesondere die weitere, Druckveränderungsvorrichtung mit einer Antriebsvorrichtung des ersten Gasmassenstroms und/oder einer vor oder nach dem Wärmetauscher angeordneten Druckveränderungsvorrichtung des ersten Gasmassenstroms gekoppelt sein und diese insbesondere antreiben. Vorzugsweise kann dadurch ein zusätzlicher Motor für den Primärstrom eingespart werden. Beispielsweise kann ein Propeller der Antriebsvorrichtung des Primärstroms durch die Turbine des Sekundärstroms angetrieben werden. Alternatively or additionally, one, in particular the further, pressure-varying device can be coupled to a drive device of the first gas mass flow and / or a pressure change device of the first gas mass flow arranged before or after the heat exchanger and drive it in particular. Preferably, this can save an additional motor for the primary current. For example, a propeller of the drive device of the primary flow can be driven by the turbine of the secondary flow.
Vorstellbar ist beispielsweise eine feste Verbindung beider Vorrichtungen auf einer Welle, sodass die Energieaufnahme der Turbine an den Propeller zurückgegeben werden kann. Insbesondere über einen Riemen könnte auch der Propeller für den anderen Strom mit angetrieben werden. It is conceivable, for example, a firm connection of both devices on a shaft, so that the energy absorption of the turbine can be returned to the propeller. In particular, via a belt and the propeller for the other power could be driven with.
Alternativ kann die weitere Druckveränderungsvorrichtung auch frei laufen und beispielsweise einen Generator antreiben. Alternatively, the further pressure-changing device can also run free and, for example, drive a generator.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist eine Entfeuchtungsvorrichtung zum Entfeuchten des ersten und/oder zweiten Gasmassenstroms vorgesehen. Ein Gasmassenstrom kann auf diese Weise getrocknet werden. Die Wärmetauschvorrichtung kann somit auch als Entfeuchter eingesetzt werden. According to a further embodiment, a dehumidifying device for dehumidifying the first and / or second gas mass flow is provided. A gas mass flow can be dried in this way. The heat exchange device can thus also be used as a dehumidifier.
Insbesondere kann beim Entspannen eines Gasstroms innerhalb des Wärmetauschers auskondensierte Flüssigkeit über zumindest ein Siphon und/oder wenigstens ein Ventil abgespült werden. Auch kann beim Entspannen nach Verlassen des Wärmetauschers auskondensierende Flüssigkeit offen ausfallen. In particular, during the expansion of a gas stream within the heat exchanger, condensed liquid can be rinsed off via at least one siphon and / or at least one valve. Also, when relaxing after leaving the heat exchanger auskondensierende liquid fail to open.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Befeuchtungsvorrichtung zum Befeuchten des ersten und/oder zweiten Gasmassenstroms vorgesehen. Ein Gasmassenstrom kann auf diese Weise befeuchtet werden. Die Wärmetauschvorrichtung kann somit auch als Befeuchter eingesetzt werden. According to a further embodiment, a moistening device is provided for moistening the first and / or second gas mass flow. A gas mass flow can be moistened in this way. The heat exchange device can thus also be used as a humidifier.
Insbesondere kann beim Verdichten eines Gasstroms innerhalb des Wärmetauschers Flüssigkeit über Düsen eingespritzt werden. Auch kann beim Rückverdichten nach Verlassen des Wärmetauschers Flüssigkeit über Düsen eingespritzt werden. In particular, when compressing a gas stream within the heat exchanger, liquid can be injected via nozzles. Also, when recompressed after leaving the heat exchanger liquid can be injected via nozzles.
Insbesondere können die Temperaturen der Gasmassenströme derart beeinflusst werden, dass der Anteil an festen Stoffen innerhalb der Gasströme beeinflusst wird, insbesondere im Sinne einer Sublimation und/oder Resublimation. Dazu resublimieren beim Entspannen eines Gasstroms innerhalb des Wärmetauschers Partikel oder beim Entspannen nach Verlassen des Wärmetauschers fallen resublimierende Partikel offen aus. Ferner ist es möglich, dass beim Verdichten eines Gasstroms innerhalb des Wärmetauschers Partikel sublimieren oder dass beim Rückverdichten nach Verlassen des Wärmetauschers Partikel sublimieren. In particular, the temperatures of the gas mass flows can be influenced in such a way that the proportion of solids within the gas streams is influenced, in particular in the sense of a sublimation and / or resublimation. To resublimate when relaxing a gas stream within the heat exchanger particles or when relaxing after leaving the heat exchanger resublimierende particles fall open. Furthermore, it is possible that sublimate particles in the compression of a gas stream within the heat exchanger or that sublimate when recompressed after leaving the heat exchanger particles.
Insbesondere können die Temperaturen der Gasmassenströme derart beeinflusst werden, dass eine Vereisung der Gasmassenströme erfolgt oder verhindert wird. Dazu wird beim Kühlen der Primärstrom komprimiert und somit der Sekundärstrom in Richtung Fortluft beheizt. Ferner ist es möglich, dass beim Heizen der Sekundärstrom komprimiert wird und somit den Primärstrom in der Außenluftansaugung frühzeitig beheizt. Daneben kann zur Bildung von Eis im Primärstrom der Sekundärstrom evakuiert werden bzw. kann zur Bildung von Eis im Sekundärstrom der Primärstrom evakuiert werden. In particular, the temperatures of the gas mass flows can be influenced in such a way that icing of the gas mass flows takes place or is prevented. For this purpose, the primary stream is compressed during cooling and thus the secondary stream is heated in the direction of exhaust air. Furthermore, it is possible that during heating, the secondary flow is compressed and thus the primary flow in the Außenluftansaugung heated early. In addition, the secondary stream can be evacuated to form ice in the primary stream or can be evacuated to form ice in the secondary stream, the primary stream.
Die Anwendungen können vorzugsweise in beliebiger Form und/oder Reihenfolge kombiniert werden. Somit kann der Zustand der Gasmassenströme insbesondere gleichzeitig für mehrere Anwendungen manipuliert werden. The applications may preferably be combined in any form and / or order. Thus, the state of the gas mass flows can be manipulated in particular simultaneously for several applications.
Insbesondere können beide Ströme parallel und/oder simultan im Wärmetauscher beliebig komprimiert und/oder dekomprimiert werden, solange die Druckdifferenz in beiden Strömen im Wärmetauscher ausreichend niedrig ist. Die Druckdifferenz beträgt dabei einen Bruchteil des atmosphärischen Drucks. Der Zustand der Gasmassenströme kann dadurch gleichzeitig für mehrere Anwendungen manipuliert werden. In particular, both streams can be compressed and / or decompressed in parallel in the heat exchanger in parallel and / or simultaneously, as long as the pressure difference in both flows in the heat exchanger is sufficiently low. The pressure difference amounts to a fraction of the atmospheric pressure. The state of the gas mass flows can thereby be manipulated simultaneously for several applications.
Vorzugsweise kann das Verfahren einer Platzierung folgen, z.B. zwischen zwei geschlossenen Räumen, ein gleiches Gas austauschend zwischen den Räumen oder ein gleiches oder zwei verschiedene Gase umwälzend oder in einer offenen Atmosphäre, so dass beide Seiten des Verfahrens offen sind und das gleiche Gas aufweisen. Auch ist eine Platzierung zwischen einer offenen Atmosphäre und einem geschlossenen Raum, entweder als Austausch von Gasmassen oder als Umwälzung des Gases im geschlossenen Raum möglich. Preferably, the method may follow a placement, e.g. between two confined spaces, exchanging a same gas between the rooms or recirculating one or two different gases or in an open atmosphere, so that both sides of the process are open and have the same gas. Also, a placement between an open atmosphere and a closed space, either as an exchange of gas masses or as circulation of the gas in a closed space is possible.
Insbesondere kann der Aufbau des Verfahrens in austauschenden und/oder umwälzenden Gasströmen komprimierend und/oder expandierend im Primärstrom und/oder Sekundärstrom oder beiden arbeiten. Das Verfahren bzw. die Bauteile der Wärmetauschvorrichtung können beliebig kombiniert werden in paralleler, serieller, schleifenförmiger oder jeder anderen denkbaren Anordnung. In particular, the structure of the method in exchanging and / or recirculating gas streams compressing and / or expanding in the primary flow and / or secondary flow or both work. The method or the components of the heat exchange device can be combined as desired in parallel, serial, loop-shaped or any other conceivable arrangement.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Wärmetauscher als Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet. Der erste Gasmassenstrom wird dabei im Wärmetauscher parallel, aber in entgegengesetzter Richtung zum zweiten Gasmassenstrom geleitet. Die Strecke, auf der der Wärmetausch stattfindet, ist somit vergleichsweise lang. Auf diese Weise erhöht sich die Effizienz im Vergleich zu rechtwinklig orientierten Gasmassenströmen. According to a further embodiment, the heat exchanger is designed as a countercurrent heat exchanger. The first gas mass flow is passed in parallel in the heat exchanger, but in the opposite direction to the second gas mass flow. The route on which the heat exchange takes place is thus comparatively long. In this way, the efficiency increases compared to rectangularly oriented gas mass flows.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Wärmetauscher als Gegenstrom-Kanal-Wärmetauscher ausgebildet. Der Wärmetauscher umfasst somit wenigstens zwei benachbarte Kanäle. In einem Kanal wird dabei der erste Gasmassenstrom geführt, während im anderen Kanal der zweite Gasmassenstrom geführt wird. According to a further embodiment, the heat exchanger is designed as a countercurrent-channel heat exchanger. The heat exchanger thus comprises at least two adjacent channels. In this case, the first gas mass flow is guided in one channel while the second gas mass flow is conducted in the other channel.
Vorzugsweise sind mehrere Kanäle vorgesehen, in denen abwechselnd Teile des ersten und Teile des zweiten Gasmassenstroms geführt werden. Die Kanäle können vorzugsweise lamellenartig ausgebildet sein. Preferably, a plurality of channels are provided, in which parts of the first and parts of the second gas mass flow are alternately guided. The channels may preferably be formed lamellar.
Insbesondere können die Kanäle auch in verschiedenen Ebenen bzw. Schichten übereinander angeordnet sein. So kann sich eine Sandwich-Struktur aus mehreren Ebenen parallel zueinander angeordneter Kanäle ergeben. In particular, the channels can also be arranged one above the other in different planes or layers. Thus, a sandwich structure may result from multiple levels of parallel channels.
Durch diese Querschnittsgeometrie ergibt sich eine hohe Effizienz des Wärmetauschers. This cross-sectional geometry results in a high efficiency of the heat exchanger.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Austausch von Wärmeenergie zwischen einem ersten Gasmassenstrom und einem zweiten Gasmassenstrom, insbesondere mittels einer erfindungsgemäßen Wärmetauschvorrichtung. The invention also relates to a method for exchanging heat energy between a first gas mass flow and a second gas mass flow, in particular by means of a heat exchanger device according to the invention.
Der Druck eines zweiten Gasmassenstroms wird verändert. Anschließend wird der zweite Gasmassenstrom einem hocheffizienten Wärmetauscher mit einer Mindesteffizienz von 75 % zugeführt. The pressure of a second gas mass flow is changed. Subsequently, the second gas mass flow is fed to a high efficiency heat exchanger with a minimum efficiency of 75%.
Im Wärmetauscher wird Wärmeenergie mit dem ersten Gasmassenstrom austauscht, wobei der Druckunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Gasmassenstrom maximal 0,5 bar beträgt. In the heat exchanger, heat energy is exchanged with the first gas mass flow, wherein the pressure difference between the first and the second gas mass flow is at most 0.5 bar.
Thermische Energie kann von einem Gasmassenstrom auf den anderen Gasmassenstrom übertragen werden und zwar insbesondere über das Energieniveau des ursprünglichen Gasmassenstroms hinaus. Dies wird dadurch realisiert, dass ein sekundärer Gasmassenstrom vor dem Eintritt in den Wärmetauscher komprimiert und damit erhitzt wird. Im Wärmetauscher kann er, zumindest nahezu, seine gesamte Temperaturdifferenz an den entgegenkommenden Primärstrom abgeben. Nach dem Austritt fällt die Temperatur bei der Entspannung auf den Umgebungsdruck unter das Niveau der Umgebungstemperatur ab. Thermal energy can be transferred from one gas mass flow to the other gas mass flow, specifically beyond the energy level of the original gas mass flow. This is realized by compressing and heating a secondary gas mass flow before entering the heat exchanger. In the heat exchanger it can, at least almost, give off its entire temperature difference to the oncoming primary stream. Upon exiting the temperature during the relaxation falls to the ambient pressure below the level of the ambient temperature.
Umgekehrt ermöglicht das Verfahren, thermische Energie einem Gasmassenstrom zu entziehen und zwar insbesondere unter das Niveau des eintretenden Energiezustands, indem der Sekundärstrom vor Eintritt in den Wärmetauscher dekomprimiert und damit unterkühlt wird. Im Durchfluss durch den Wärmetauscher nimmt der Sekundärstrom die sensible Enthalpie des entgegenkommenden Primärstroms auf und kühlt diesen unter das Niveau des Eintrittzustands ab. Nach dem Verlassen des Wärmetauschers wird der Sekundärstrom wieder auf Umgebungsdruck verdichtet. Die dadurch entstehende zusätzliche Hitze wird wie die dem Primärstrom entnommene Hitze an die Umgebung abgegeben. Conversely, the method allows thermal energy to escape from a gas mass flow, and in particular below the level of the incoming energy state, by decompressing the secondary stream prior to entry into the heat exchanger and thus being subcooled. In the flow through the heat exchanger, the secondary flow absorbs the sensitive enthalpy of the oncoming primary flow and cools it below the level of the inlet state. After leaving the heat exchanger, the secondary flow is compressed back to ambient pressure. The resulting extra heat is released to the environment as the heat taken from the primary flow.
Der Druck des Primärstroms kann insbesondere beim Umgebungsdruck verbleiben. The pressure of the primary stream can remain in particular at ambient pressure.
Beide Verfahren, also die Kompression und die Dekompression, können sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen verwendet werden, je nachdem, welcher Strom genutzt werden soll. Both methods, ie compression and decompression, can be used for both heating and cooling, depending on which power is to be used.
Zum Heizen wird die Temperatur des ersten Gasmassenstroms insbesondere über die Umgebungstemperatur am Ausgang gehoben. Zum Kühlen wird die Temperatur des ersten Gasmassenstroms vorzugsweise unter die Umgebungstemperatur am Ausgang gesenkt. For heating, the temperature of the first gas mass flow is in particular raised above the ambient temperature at the outlet. For cooling, the temperature of the first gas mass flow is preferably lowered below the ambient temperature at the outlet.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Druck des zweiten Gasmassenstroms nach Verlassen des Wärmetauschers auf Umgebungsdruck verändert. According to one embodiment, the pressure of the second gas mass flow is changed to ambient pressure after leaving the heat exchanger.
Zur Temperierung des gasförmigen Primärstroms kann der gasförmige Sekundärstrom insbesondere mittels Kompression erhitzt oder mittels Dekompression gekühlt werden. Anschließend wird in einem Hocheffizienz Luft-Luft-Wärmetauscher Wärme zwischen den beiden Strömen ausgetauscht. Anschließend wird der Sekundärstrom auf Umgebungsdruck entspannt oder rückverdichtet. For controlling the temperature of the gaseous primary stream, the gaseous secondary stream can be heated in particular by means of compression or cooled by means of decompression. Subsequently, heat is exchanged between the two streams in a high efficiency air-to-air heat exchanger. Subsequently, the secondary flow is expanded or recompressed to ambient pressure.
Dabei kann das Verfahren auch so angewendet werden, dass beide Ströme für den Verlauf im Wärmetauscher verdichtet oder entspannt werden, der Differenzdruck jedoch eine zusätzliche Wärmeübergabe ermöglicht und trotzdem noch klein genug ist, um mechanische Veränderungen im Wärmetauscher zu vermeiden. In this case, the method can also be applied so that both streams are compressed or expanded for the course in the heat exchanger, the differential pressure, however, allows additional heat transfer and still small enough to avoid mechanical changes in the heat exchanger.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird die Wärmeenergie zwischen dem ersten Gasmassenstrom und dem zweiten Gasmassenstrom ausschließlich durch den Wärmetauscher ausgetauscht. Zusätzliche Energie wird dem System folglich nicht zugeführt, wodurch sich eine hohe Effizienz ergibt. According to a further embodiment, the heat energy between the first gas mass flow and the second gas mass flow is exchanged exclusively by the heat exchanger. Additional energy is therefore not supplied to the system, resulting in a high efficiency.
Ferner wird insbesondere ausschließlich der Brayton-Kreisprozess verwendet. Ein weiterer Kreislauf, insbesondere eine Verbundkreislaufsystem, wie er beispielsweise bei Wärmepumpen Verwendung findet, ist nicht vorgesehen. Furthermore, in particular only the Brayton cycle is used. Another cycle, especially a composite cycle system, as used for example in heat pumps use, is not provided.
Ferner ist erfindungsgemäß auch kein Speicher für den ersten Gasmassenstrom und/oder den zweiten Gasmassenstrom vorgesehen. Furthermore, according to the invention, no storage is provided for the first gas mass flow and / or the second gas mass flow.
Alle hier beschriebenen Ausführungsformen und Bauteile der Vorrichtung sind insbesondere dazu ausgebildet, z.B. mittels einer Steuerungsvorrichtung, nach dem hier beschriebenen Verfahren betrieben zu werden. Ferner können alle hier beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung sowie alle hier beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens jeweils miteinander kombiniert werden, insbesondere auch losgelöst von der konkreten Ausgestaltung, in deren Zusammenhang sie erwähnt werden. All of the embodiments and components of the device described herein are particularly adapted, e.g. by means of a control device to be operated according to the method described herein. Furthermore, all embodiments of the device described here and all embodiments of the method described here can each be combined with each other, in particular also detached from the specific embodiment, in the context of which they are mentioned.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: The invention will now be described by way of example with reference to the drawings. Show it:
Zunächst ist zu bemerken, dass die dargestellten Ausführungsformen rein beispielhafter Natur sind. Die Merkmale einer Ausführungsform können auch beliebig mit Merkmalen einer anderen Ausführungsform kombiniert werden. First, it should be noted that the illustrated embodiments are merely exemplary in nature. The features of one embodiment may also be arbitrarily combined with features of another embodiment.
Enthält eine Figur ein Bezugszeichen, welches im unmittelbar zugehörigen Beschreibungstext nicht erläutert wird, so wird auf die entsprechenden vorhergehenden bzw. nachfolgenden Ausführungen in der Figurenbeschreibung Bezug genommen. So werden für gleiche bzw. vergleichbare Bauteile in den Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet und diese nicht nochmals erläutert. If a figure contains a reference numeral which is not explained in the directly associated descriptive text, reference is made to the corresponding preceding or following statements in the description of the figures. Thus, the same reference numerals are used for the same or comparable components in the figures and these are not explained again.
Die Wärmetauschvorrichtung umfasst einen hocheffizienten Wärmetauscher
Bei der Antriebsvorrichtung
Ferner umfasst die Wärmetauschvorrichtung eine erste Druckveränderungsvorrichtung
Zur Verdichtung kann jedes Verfahren und/oder jede Vorrichtung genutzt werden, welche in der Lage ist, einen Gasmassenstrom zu komprimieren bzw. in Überdruck zu versetzen, insbesondere auch unter Ausnutzung von unterschiedlichen statischen und dynamische Drücken. For compaction, any method and / or device can be used which is able to compress a gas mass flow or to put in overpressure, in particular also taking advantage of different static and dynamic pressures.
Beispielsweise kann die Druckveränderungsvorrichtung
Eine zweite Druckveränderungsvorrichtung
Insbesondere kann zwischen der verdichtenden Vorrichtung und der entspannenden Vorrichtung ein Überdruck aufgebaut werden bzw. der Unterdruck kann zwischen der entspannenden Vorrichtung und der verdichtenden Vorrichtung aufgebaut werden, welcher weniger als die Hälfte, insbesondere ein Drittel, des atmosphärischen Drucks betragen kann. In particular, an overpressure can be built up between the compressing device and the relaxing device or the negative pressure can be established between the relaxing device and the compressing device, which can amount to less than half, in particular one third, of the atmospheric pressure.
Die Druckdifferenz zwischen dem Primärstrom
Zur Entspannung kann jedes Verfahren und/oder jede Vorrichtung genutzt werden, welche/s in der Lage ist, einen Gasmassenstrom zu entspannen bzw. in Unterdruck oder Teilvakuum zu versetzen. Beispielsweise kann als Vorrichtung zur Entspannung ein Turbinenrad genutzt werden. For relaxation, any method and / or device can be used which is able to relax a gas mass flow or put it into negative pressure or partial vacuum. For example, a turbine wheel can be used as a device for relaxation.
Insbesondere kann die Vorrichtung zur Entspannung als ein Turbinenrad in Kombination mit einer Vorrichtung zur Verdichtung genutzt werden, z.B. als gekoppelte Verdichter-Turbinen-Kombination. In particular, the device for relaxation can be used as a turbine wheel in combination with a device for compaction, e.g. as a coupled compressor-turbine combination.
Beispielsweise kann die Vorrichtung zum Transport der Gasmassenströme
Ein Propeller kann zum Transport einer offenen Strömung oder ein Turbinenrad zum Entspannen der Strömung oder das Verdichterrad zur Verdichtung der Strömung vorgesehen sein. Auch kann eine Kombination aus zwei oder drei Rotoren verstellbare Propellerblätter aufweisen, um unterschiedliche Drücke, insbesondere Unterdruck und/oder Überdruck, bei unterschiedlichen Volumenströmen erzeugen zu können. A propeller may be provided for transporting an open flow or a turbine wheel for relaxing the flow or the compressor wheel for compressing the flow. A combination of two or three rotors can also have adjustable propeller blades in order to be able to generate different pressures, in particular negative pressure and / or overpressure, at different volume flows.
Vorzugsweise kann der Propeller, das Turbinenrad und/oder das Verdichterrad verstellbare Propellerblätter aufweisen, um die Strömungsrichtung der beiden Massenströme
Insbesondere kann der Einstellwinkel des Verdichterrades mit dem Einstellwinkel des Turbinenrades gekoppelt sein. In particular, the setting angle of the compressor wheel can be coupled to the setting angle of the turbine wheel.
Der Einstellwinkel des Propellers kann z.B. an den Einstellwinkel des Verdichterrades und/oder an den Einstellwinkel des Turbinenrades gekoppelt sein. The pitch angle of the propeller may be e.g. be coupled to the setting angle of the compressor wheel and / or to the setting angle of the turbine wheel.
Dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik folgend geht die Wärmeenergie innerhalb des Wärmetauschers
Aber auch andere Faktoren spielen eine Rolle, wie etwa das Vermögen der Trennwände, Wärme zu übergeben. Die Trennwände zwischen den Gasmassenströmen
Der Wärmetauscher
Da die Trennwände vergleichsweise empfindlich sind, dürfen keine großen Druckdifferenzen zwischen den beiden Strömen
Der Wirkungsgrad bzw. die Effizienz η des Wärmetauschers
Die nachfolgende Formel steht für die Effizienz η(ZuL) auf der Zuluft(ZuL)-Seite b des Primärstroms
Es ist auch ein Zustand möglich, bei dem in beiden Strömen
Unter idealen Bedingungen wäre der Wirkungsgrad eines Wärmetauschers 100 %, d.h. beide Temperaturen auf der Außenseite a und Innenseite b werden in den Strömen
Technologisch realisierbar sind bei Luft-Luft-Gegenstrom-Kanal-Wärmetauschern
Weitere Verluste werden durch die Antriebsvorrichtung
Der Sekundärstrom
Ein optionaler Entspanner
Die Temperatur in Abhängigkeit vom Druck wird beschrieben durch die Formel von Poisson. Sie definiert die Verhältnisse zwischen zwei Temperaturen und dazugehörigen Drücken eines Gases: wobei der Isentropenexponent κ verschiedene Konstanten für bestimmte Gase annimmt. Für Luft beträgt κ ungefähr 1,4 und bei idealen Gasen steigt der Isentropenexponentexponent maximal auf 1,66. Je höher der Exponent, desto leichter kann durch Kompression die Temperatur gesteigert werden. The temperature as a function of pressure is described by the formula of Poisson. It defines the relationships between two temperatures and corresponding pressures of a gas: wherein the isentropic exponent κ assumes different constants for certain gases. For air, κ is about 1.4, and for ideal gases, the isentropic exponent increases to a maximum of 1.66. The higher the exponent, the easier the compression of the temperature.
Die Internationale Standard Atmosphäre [ISA] wird durch folgende Werte definiert:
Gemäß der Formel muss ein Druck von 102.562 Pa erzeugt werden, um die Umgebungstemperatur um 1°C zu erhöhen, d.h. der Umgebungsdruck müsste um 1.237 Pa für 1°C erhöht werden. According to the formula it is necessary to generate a pressure of 102.562 Pa to increase the ambient temperature by 1 ° C, ie the ambient pressure should be increased by 1.237 Pa for 1 ° C.
Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringere Druckerhöhungen sind nötig. Da ein Ziel der Erfindung die Kühlung und Beheizung von menschlichen Umgebungen ist, wird die Umgebungstemperatur in den Behaglichkeitsbereich von 21°C (294 K) versetzt. Um Luft ausgehend von 21°C um 1°C zu erwärmen, werden jetzt nur noch 1.211 Pa benötigt. The higher the ambient temperature, the lower pressure increases are necessary. Since an object of the invention is the cooling and heating of human environments, the ambient temperature is placed in the comfort zone of 21 ° C (294 K). To heat air from 21 ° C by 1 ° C, now only 1,211 Pa are needed.
Wird nun der Druck im Sekundärstrom
Ist die absolute Differenz Δ der Temperatur höher als der thermische Effizienzverlust (1 – η) im Wärmetauscher
Als Gas kann Luft verwendet werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere geeignete Gase und/oder Gasgemische denkbar. As gas, air can be used. In principle, however, other suitable gases and / or gas mixtures are also conceivable.
Mit der erfindungsgemäßen Wärmetauschvorrichtung kann beispielsweise ein Gebäude auf der Seite b mit Hilfe der Außenluft aus der Seite a beheizt werden. With the heat exchange device according to the invention, for example, a building on the side b with the help of the outside air from the side a can be heated.
Soll innen beispielsweise eine Temperatur von 20°C eingestellt werden, wobei außen eine Temperatur von 0°C angenommen wird und der Wärmetauscher
Es kann somit das Problem von Vereisung auftreten. Erfindungsgemäß kann das in der Luft enthaltenen Wasser manipuliert werden. Damit sind die physikalischen Zustände wie Vereisung und Enteisung, Befeuchtung und Entfeuchtung, Sublimation und Resublimation gemeint. Thus, the problem of icing can occur. According to the invention, the water contained in the air can be manipulated. This refers to the physical conditions such as icing and defrosting, humidification and dehumidification, sublimation and resublimation.
Ein weiteres Beispiel betrifft trockene Luft. Im Sommer sei die Außentemperatur z.B. 30°C und sie soll mit 20°C in der Zuluft eingebracht werden. Der Wärmetauscher
Das Gebäude könnte aber auch gekühlt werden, indem anstelle einer Dekompression des Sekundärstroms
Das Verfahren der hier vorliegenden Erfindung kann also in beide Richtungen sowohl mit Kompression als auch mit Dekompression kühlen oder heizen. Thus, the process of the present invention can cool or heat in both directions with both compression and decompression.
Da sich die relative Luftfeuchtigkeit mit der Temperatur ändert, die absolute Feuchtigkeit als konstanter Massenstrom innerhalb des Wärmetauschers
Bei einer Kompression kann insbesondere zusätzliche Feuchtigkeit durch Verdunstung aufgenommen werden. Bei einer Dekompression kann insbesondere zusätzliches Wasser bei einer Kondensatbildung abgeschieden werden. Hierfür können Zustände aus dem Mollier-Diagramm entsprechend angefahren werden. During compression, in particular additional moisture can be absorbed by evaporation. In a decompression in particular additional water can be deposited in a condensate formation. For this, states from the Mollier diagram can be approached accordingly.
Durch die Aufnahme von zusätzlichem Wasser in der Gasphase kühlt die Luft adiabatisch ab, da sie Energie an das Wasser abgibt. Durch die Bildung von Kondensat erwärmt sich umgekehrt die Luft adiabatisch, da sie Energie vom Wasser aufnimmt. Unter Ausnutzung dieser Effekte kann das Verfahren insbesondere zusätzlich für adiabatische Kühlung oder/oder Rückerhitzung genutzt werden. By absorbing additional water in the gas phase, the air cools adiabatically as it releases energy to the water. Conversely, the formation of condensate causes the air to adiabatically heat up, absorbing energy from the water. Taking advantage of these effects, the method can be used in particular additionally for adiabatic cooling and / or reheating.
Heizen, Kühlen, Befeuchten, Entfeuchten, Sublimieren, Resublimieren, Vereisen und/oder Enteisen stellen verschiedene Anwendungen der Erfindung dar. Heating, cooling, humidifying, dehumidifying, sublimating, resublimating, icing and / or deicing constitute various applications of the invention.
Als Platzierung wird im Folgenden die Art und Weise bezeichnet, wie das Verfahren gegenüber seiner Umgebung eingesetzt werden kann. Insbesondere ergeben sich drei Möglichkeiten einer Platzierung des Verfahrens:
Erstens ein Energietransfer zwischen zwei Strömen in einer vollkommen offenen Umgebung. Zweitens ein Energietransfer zwischen zwei Strömen, die beide aus einer geschlossenen Umgebung kommen und in die geschlossene Umgebung strömen. Drittens ein Energietransfer zwischen zwei Strömen, wobei eine Seite geschlossen ist und die andere Seite die offene Umgebung darstellt. Placement is the manner in which the method can be used in relation to its environment. In particular, there are three ways of placing the method:
First, an energy transfer between two streams in a completely open environment. Second, an energy transfer between two streams, both coming from a closed environment and flowing into the closed environment. Third, an energy transfer between two streams, with one side closed and the other side representing the open environment.
Verschiedene Abhängigkeiten zwischen Anwendungen ANW, Platzierungen PLA und Aufbauten AUF sind in
Bei den Anwendungen ANW kann es sich z.B. um Heizen HE, Kühlen KÜ, Befeuchten BF, Entfeuchten EF, Vereisen VE, Enteisen EE, Resublimation RE und/oder Sublimation SU handeln. For the applications ANW, e.g. to heat HE, cool KÜ, humidify BF, dehumidify EF, freeze VE, defrost EE, resublimation RE and / or sublimation SU act.
Bei der Platzierung PLA gibt es z.B. die Varianten offen/offen o/o, geschlossen/geschlossen g/g und/oder geschlossen/offen g/o. In the placement PLA, there are e.g. the variants open / open o / o, closed / closed g / g and / or closed / open g / o.
Beim Aufbau AUF kann Austauschluft AUS und/oder Umluft UML vorgesehen sein. Der Primärstrom
Aufgrund der Platzierung PLA ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren entweder in Umluft UML oder im Austausch AUS zu betreiben. Diese alternativen Möglichkeiten werden als Aufbau AUF des Verfahrens bezeichnet. Due to the PLA placement, it is possible to operate the method according to the invention either in circulating air UML or in exchange AUS. These alternative possibilities are referred to as the construction UP of the method.
Bei Umluft UML werden die beiden Atmosphären durch die Wände des Wärmetauschers
Der Energietransfer zwischen zwei Strömen
Wenn das Verfahren in einer zu beiden Seiten offenen Umgebung angewendet wird, so befindet sich auf beiden Seiten a, b die gleiche Atmosphäre und der gleiche Zustand. Wird ein Strom durch das Verfahren erhitzt und der andere abgekühlt, so werden beide Ströme
Prinzipielle sind zwei Möglichkeiten für einen Aufbau des Verfahrens mit dieser beidseitig offenen Platzierung PLA denkbar:
Erstens führt die Expansion des Sekundärstroms
First, the expansion of the secondary current leads
Zweitens führt die Kompression des Sekundärstroms
Beispielsweise kann ein Wärmetauscher
Die Wärmetauschvorrichtung kann demnach in einer auf beiden Seiten geschlossenen Umgebung platziert werden. Insbesondere wird hierbei lediglich der Sekundärstrom
Bei Umluft UML arbeiten beide Umgebungen getrennt für sich. Hierbei können insbesondere verschiedene Gase verwendet werden. Bei Austauschluft AUS bedient eine geschlossene Umgebung die andere. Damit ergeben sich vier Möglichkeiten für einen Aufbau:
Erstens führt bei Austauschluft AUS die Expansion EX des Sekundärstroms
First, with replacement air OFF, expansion EX of the secondary flow will occur
Zweitens führt bei Austauschluft AUS die Kompression KO des Sekundärstroms
Drittens führt bei Umluft UML die Expansion EX des Sekundärstroms
Viertens führt bei Umluft UML die Kompression KO des Sekundärstroms
Die beiden letzten Fälle mit Aufbau AUF in Umluft UML erreichen lediglich die Temperaturdifferenz aufgrund des Druckunterschieds. Da die Ströme
Dies liegt daran, dass bei einer Platzierung PLA mit dem Aufbau AUF in Umluft UML die physikalischen Grenzen des Enthalpie-Tauschs mit dem Gegenstrom plus der Temperaturdifferenz erzeugt durch den Druckunterschied nicht überschritten werden kann. Wenn beispielsweise die Druckbeaufschlagung 10 K Temperatur erzeugt, dann werden auch beide Umgebungen nur um 10 K voneinander abweichen. Nachteilig kommt hinzu, dass ein reales System permanent Energie in das geschlossene System bringen wird, was zu einer Überhitzung führen würde. This is due to the fact that PLA placement with the AUF structure in recirculating air UML can not exceed the physical limits of the enthalpy exchange with the countercurrent plus the temperature difference generated by the pressure difference. For example, if the pressurization produces 10 K of temperature, then both environments will differ only by 10K. The disadvantage is that a real system will permanently bring energy into the closed system, which would lead to overheating.
Anders sieht die Situation des Aufbaus AUF in Austauschluft AUS aus. Da sich die Ströme
Oder es wird ein Zustand der Verflüssigung durch Kälte erreicht. Dies ist mit der erfindungsgemäßen Wärmetauschvorrichtung ebenfalls möglich. Or a state of liquefaction by cold is achieved. This is also possible with the heat exchange device according to the invention.
Angenommen in beiden geschlossenen Umgebungen herrscht ein Anfangszustand von 20°C, der Wirkungsgrad des Wärmetauschers beträgt 90 % und das Verfahren kann im Sekundärstrom
Die Wärmetauschvorrichtung ermöglicht somit die Erzeugung extremer Temperaturen ohne großen Energieaufwand. Die einzige Energie, die das Verfahren benötigt, sind die Antriebe
Ein Aufbau AUF mit austauschender Strömung ist in
Insbesondere kann gleichzeitig eine kalte und eine warme Umgebung erzeugt werden. So müssen beispielsweise Rechenzentren für eine bessere Rechnerleistung gekühlt werden, während umgebende Räumlichkeiten für Menschen und/oder Pflanzen besser geheizt werden sollen. In diesem Aufbau AUF kann ohne großen Energieaufwand dem Rechenzentrum Wärme entzogen und an einen habitablen Raum abgegeben werden. In particular, a cold and a warm environment can be generated at the same time. For example, data centers need to be cooled for better computer performance, while surrounding spaces for people and / or plants should be better heated. In this setup, heat can be extracted from the data center and released into a habitable room without much energy expenditure.
Da Pflanzen für besseres Wachstum CO2 benötigen, kann insbesondere auch ein Aufbau AUF zunächst in Umluft UML erfolgen und später, wenn Sauerstoff benötigt wird, auf eine Austauschluft AUS umschalten. Vorteil eines Aufbaus AUF in einer beidseitigen geschlossenen Platzierung PLA ist also auch, dass von der Umwelt getrennte Gase verwendet werden können. Since plants need CO2 for better growth, in particular a build-up AUF can first take place in recirculating air UML and later, when oxygen is needed, switch to an exchange air OFF. The advantage of a construction AUF in a two-sided closed placement PLA is therefore also that gases separated from the environment can be used.
Bei einem Aufbau AUF in Austauschluft AUS mit beidseitig geschlossener Platzierung PLA ist auch eine Anwendung als Energiespeicher denkbar. So ermöglicht das Verfahren, große Mengen an Wärmeenergie von einer Seite auf die andere zu pumpen. In a construction AUF in exchange air OFF with PLA closed on both sides and an application as energy storage is conceivable. This allows the process to pump large volumes of heat energy from one side to the other.
Durch die Wärmetauschvorrichtung kann auch ein Energietransfer zwischen zwei Strömen
Besonders vorteilhaft ist die Wärmetauschvorrichtung, welche derart platziert ist, dass eine Seite in eine offene Umgebung arbeitet und die andere Seite mit einer geschlossenen Umgebung arbeitet. Die offene Umgebung kann beispielsweise durch die erdnahe Atmosphäre gebildet sein. Particularly advantageous is the heat exchange device, which is placed such that one side works in an open environment and the other side works with a closed environment. The open environment can be formed, for example, by the near-Earth atmosphere.
Eine Platzierung PLA offen/geschlossen o/g ermöglicht einen Aufbau AUF des Verfahrens mit verschiedenen Möglichkeiten in Kombination von Strom, Druck und Kreislauf, die jeweils verschiedene Anwendungen möglich sind. Hier kann der Primärstrom
Bei einer Platzierung PLA zwischen offener und geschlossener Umgebung ergeben sich somit acht Möglichkeiten für einen Aufbau AUF:
Erstens führt bei Austauschluft AUS die Expansion EX des Sekundärstroms
First, with replacement air OFF, expansion EX of the secondary flow will occur
Zweitens führt bei Austauschluft AUS die Kompression KO des Sekundärstroms
Drittens führt bei Umluft UML die Expansion EX des Sekundärstroms
Viertens führt bei Umluft UML die Kompression KO des Sekundärstroms
Fünftens führt bei Austauschluft AUS die Expansion EX des Primärstroms
Sechstens führt bei Austauschluft AUS die Kompression KO des Primärstroms
Siebtens führt bei Umluft UML die Expansion EX des Primärstroms
Achtens führt bei Umluft UML die Kompression KO des Primärstroms
Nachfolgend werden Beispiele von allen acht Aufbaumöglichkeiten beschrieben. Dabei beschränken sich die Erklärungen auf atmosphärische Luft als beispielhaftes Gasgemisch. Below are examples of all eight setup options. The explanations are limited to atmospheric air as an exemplary gas mixture.
Die Reihenfolge entspricht dabei nicht der obigen Auflistung. The order does not match the list above.
In Austauschluft AUS führt die Kompression KO des Sekundärstroms
Dieser Aufbau ist z.B. typisch für eine Anwendung zur Beheizung von Räumlichkeiten. Die abströmende Abluft wird vor dem Wärmetauscher
Ein Vorteil dieses Aufbaus ist, dass die kalte, trockene Außenluft im wärmeren Bereich der Zuluft mit Feuchtigkeit angereichert werden kann. An advantage of this design is that the cold, dry outside air in the warmer part of the supply air can be enriched with moisture.
In Austauschluft AUS führt die Expansion EX, also Dekompression des Primärstroms
Auch dieser Aufbau ermöglicht die Beheizung der Räumlichkeiten. Die Außenluft wird vor dem Wärmetauscher
Ein Vorteil dieses Aufbaus ist, dass die Entspannung der Außenluft zusätzlich abgekühlt wird und auf diesem Wege Feuchtigkeit abgeschieden werden kann, sobald die Temperatur unter die Kondensationsgrenze fällt. Eine Abtrocknung ist in Gebäuden im Winter nicht wünschenswert. Bei Fahrzeugen kann eine trockene Warmluft zum schnellen Entfernen von Beschlag jedoch sehr positiv genutzt werden. An advantage of this construction is that the relaxation of the outside air is additionally cooled and in this way moisture can be deposited as soon as the temperature falls below the condensation limit. Drying is not desirable in buildings in winter. In vehicles, however, a dry warm air for quick removal of fog can be used very positively.
Auch bei diesem Aufbau liegt die Vorrichtung zur Verdichtung der Luft auf der Innenseite des geschlossenen Raums. Für den Anwendungsfall, dass der Aufbau hier nur mit Stauluft betrieben wird, kann ein Unterdruck im Primärstrom
In Austauschluft AUS führt die Expansion EX, also Dekompression des Sekundärstroms
Ein solcher Aufbau ermöglicht die Kühlung von geschlossenen Räumen mit wärmerer Frischluft von außen. Die Raumluft respektive Abluft wird vor dem Eingang zum Wärmetauscher
Da weltweit mehr Energie für das Kühlen aufgebracht wird als für das Heizen, stellt dieser Aufbau eine sehr nützliche Anwendung dar. As more energy is used for cooling worldwide than for heating, this design is a very useful application.
Der Verdichter ist dabei vorzugsweise auf der Außenseite des Aufbaus angeordnet. The compressor is preferably arranged on the outside of the structure.
Allerdings kann Feuchtigkeit auftreten. Feuchte, warme Außenluft beinhaltet eventuell mehr gasförmiges Wasser als die kalte Raumluft tragen kann. Wenn die relative Luftfeuchte während der Abkühlung im Wärmetauscher
Durch die erfindungsgemäße Wärmetauschvorrichtung können optimale Aufbauten für die verschiedenen Einsatzzwecke gefunden werden. The heat exchanger device according to the invention makes it possible to find optimal structures for the various purposes.
Immer wenn ein Stoff Teil einer Gasphase ist und in einer Atmosphäre gelöst ist, wie z.B. Wasser in der Luft, tauscht der entsprechende Stoff seine Energie E mit der umgebenden Atmosphäre aus. Verliert das Wasser an Energie E und wandert in einer energieärmere Phase, dann gibt es Energie E an die Luft ab und erwärmt diese und umgekehrt. Whenever a substance is part of a gas phase and is dissolved in an atmosphere, such as water in the air, the corresponding substance exchanges its energy E with the surrounding atmosphere. Lose that Water at energy E and migrates in a lower energy phase, then it releases energy E to the air and heats it and vice versa.
In Umluft UML führt die Expansion EX, also Dekompression des Sekundärstroms
Dieser Aufbau umgeht das Problem der Kondensatbildung bei der Kühlung geschlossener Räume in gewissem Rahmen. Die warme Außenluft wird eingangs des Wärmetauschers
Die Luft im Primärstrom
Ein weiterer Vorteil ist, dass der Verdichter und der Entspanner auf der Außenseite angeordnet sind. Another advantage is that the compressor and the expander are located on the outside.
Dieser Aufbau eignet sich besonders für den Einsatz bei Fahrzeugen und/oder Flugkörpern, wenn ein hoher Staudruck zur Verfügung steht. Der Staudruck müsste dann gemäß der Gleichung von Bernoulli
In Umluft UML führt die Kompression KO des Primärstroms
Dieser Aufbau ergibt eine Kühlung der geschlossenen Umgebung. Die durch die Kompression KO erhitze Luft wird an der Außenluft abgekühlt und kühlt dann weiter ab durch die Dekompression. Dieses Verfahren ist von der Temperatur der Außenluft abhängig. Innen kann die Temperatur nicht unter Außenluft abzüglich der Kompressionswärme sinken. Trotzdem bietet dieser Aufbau Vorteile, die bei bestimmten Anwendungen optimal sind. This structure results in a cooling of the closed environment. The air heated by the compression KO is cooled in the outside air and then further cooled by the decompression. This method depends on the temperature of the outside air. Inside, the temperature can not fall below the outside air minus the heat of compression. Nevertheless, this design offers advantages that are optimal in certain applications.
Dadurch, dass die Komponenten für Verdichtung und Entspannung im Inneren des geschlossenen Raums liegen, können diese gegen Umwelteinflüsse geschützt werden. Des Weiteren kann auch hier innen eine eigene Atmosphäre aufgebaut bzw. ein fremdes Gas verwendet werden. The fact that the components for compression and relaxation are inside the closed space, they can be protected against environmental influences. Furthermore, it is also possible to build up a unique atmosphere inside or to use a foreign gas.
Dieser Aufbau eignet sich daher z.B. für die Kühlung von abgeschlossenen elektronischen Gehäusen, Schaltschränken und/oder Bremsgehäusen. This structure is therefore suitable e.g. for the cooling of closed electronic housings, control cabinets and / or brake housings.
Die Manipulation innerhalb des geschlossenen Raums erlaubt weitere Anwendungen, wie z.B. Befeuchtung BF, Resublimation RE oder Vereisung VE, also Anwendungen bei Energieverlust durch das Entspannen im Primärstrom
In Austauschluft AUS führt die Kompression des Primärstroms
Ein komprimierter Strom kühlt ab, wenn er aus dem Überdruck entlassen wird. Somit eignet sich auch dieser Aufbau für Kühlung. Dabei wird warme Außenluft zum Eingang am Wärmetauscher
Ein Vorteil dieses Verfahrens gegenüber einer Dekompression des Sekundärstroms
Dadurch lassen sich mit dem gleichen absoluten Differenzdruck tiefere Temperaturen generieren. Der Prozess wird von der Kondensationsgrenze wegbewegt. Die Kondensation wird durch diesen Aufbau quasi verzögert. As a result, lower temperatures can be generated with the same absolute differential pressure. The process is moved away from the condensation boundary. The condensation is quasi delayed by this structure.
Eine weitere Umsetzung dieses Aufbaus ist die Möglichkeit, reinen Staudruck für die Kompression KO des Primärstroms
Wird z.B. ein Wärmetauscher
Für die Erzeugung von 1 K ist ein Druckanstieg von 1.211 Pa bei 20°C erforderlich. Dieser Staudruck resultiert in einer Geschwindigkeit v von 44,5 m/s (160 km/h). Da die Geschwindigkeit quadratisch eingeht, wird bei 300 km/h bereits ein ΔT von ca. 3,5 K erreicht, was bei η = 90 % eine Spanne von 35 K ergibt. So ist bei einer Außentemperatur von 55°C eine Frischluft von 20°C möglich und das ohne Energieverbrauch. For the production of 1 K, a pressure increase of 1,211 Pa at 20 ° C is required. This back pressure results in a speed v of 44.5 m / s (160 km / h). Since the speed is quadratic, at 300 km / h already a ΔT of about 3.5 K is reached, which gives a range of 35 K at η = 90%. Thus, with an outside temperature of 55 ° C a fresh air of 20 ° C is possible and that without energy consumption.
Eine Vorrichtung für die Aufnahme des Staudrucks kann insbesondere als ein speziell gestalteter aerodynamischer Lufteinlass ausgebildet sein. A device for receiving the dynamic pressure can in particular be designed as a specially designed aerodynamic air inlet.
Insbesondere könnten Flugkörper mit noch höheren Geschwindigkeiten auf diese Art und Weise die Elektronik und/oder Sensorik kühlen. In particular, missiles with even higher speeds could cool the electronics and / or sensors in this way.
In Umluft UML führt die Expansion EX, also die Dekompression des Primärstroms
Der Antriebsenergie aufnehmende Teil des Aufbaus liegt innerhalb der zu beheizenden, geschlossenen Umgebung. Dabei handelt es sich um die Vorrichtung zur Entspannung der Abluft bzw. Raumluft im Primärstrom
Trotz dieser zusätzlichen Energie kommt das Verfahren mit diesem Aufbau nicht über die Rekompressions-Temperatur hinaus, da die Raumluft am Wärmetauscher
Insbesondere eignet sich das Verfahren zur Entfeuchtung EF, Sublimation SU und/oder Enteisung EE bei kritischen Anlagen. Vorteilhaft ist, dass die Antriebskomponenten im geschlossenen Raum liegen können, z.B. zur Kapselung des Schalls. In particular, the method is suitable for dehumidification EF, sublimation SU and / or de-icing EE in critical systems. It is advantageous that the drive components can be in the closed space, e.g. to encapsulate the sound.
In Umluft führt die Kompression des Sekundärstroms
Wenn der Sekundärstrom
Nach einer Ausführungsform können die Bauteile der Wärmetauschvorrichtung auch in unterschiedlichen Formen miteinander kombiniert werden. According to one embodiment, the components of the heat exchange device can also be combined with one another in different forms.
Wie bereits erwähnt ist es möglich, mehrere Anwendungen miteinander zu kombinieren. Weiterhin ist es möglich, den Aufbau zu kombinieren, beispielsweise indem das Verfahren von Umluft UML auf Austauschluft AUS geschaltet wird. Auch ist es möglich, dass das Verfahren auf beide Ströme
Für letzteren Fall kann insbesondere eine Verdichter-Entspanner-Kombination von Überdruck auf eine Entspanner-Verdichter-Kombination mit Unterdruck reversiert werden. Eine solche Lösung ist relativ einfach zu bewerkstelligen, beispielsweise mit Hilfe von Axialrotoren mit verstellbaren Flügeln. Bei gleicher Drehzahl hat der Kompressor einen höheren Anstellwinkel als das nachfolgende Rad, welches mit geringerem Anstellwinkel als Turbine fungieren kann. For the latter case, in particular a compressor-expander combination of positive pressure can be reversed to a decompressor-compressor combination with negative pressure. Such a solution is relatively easy to accomplish, for example by means of axial rotors with adjustable wings. At the same speed, the compressor has a higher angle of attack than the subsequent wheel, which can act as a turbine with a lower angle of attack.
Für die Dekompression hat der vordere Rotor einen geringeren Anstellwinkel und verzögert die Strömung, während der hintere Rotor mit höherem Anstellwinkel sowohl Unterdruck als auch Transport der Strömung bewerkstelligt. Vorstellbar ist auch eine feste Verbindung beider Vorrichtungen auf einer Welle, sodass die Energieaufnahme der Turbine an den Propeller zurückgegeben werden kann. For decompression, the front rotor has a lower angle of attack and decelerates the flow, while the rear rotor with higher angle of attack accomplishes both vacuum and transport of the flow. It is also conceivable a firm connection of both devices on a shaft, so that the energy absorption of the turbine can be returned to the propeller.
Insbesondere über einen Riemen oder andere Übertragungsformen könnte auch der Propeller für den anderen Strom mit angetrieben werden. In particular, via a belt or other forms of transmission and the propeller for the other power could be driven with.
Rotoren mit verstellbarem Einstellwinkel haben jedoch auch einen anderen wichtigen Einfluss auf die Wärmetauschvorrichtung bzw. das Verfahren. Dieses erfordert von den Antrieben sowohl einen Massenstrom, als auch einen Druckunterschied. Während also mit der Drehzahl der Rotoren der Massenstrom variiert werden kann, ermöglicht der Einstellwinkel die Kontrolle des Druckunterschieds im Wärmetauscher
Bestimmte Temperaturen können somit direkt angefahren werden. Es kann umgehend geheizt oder gekühlt werden und gewünschte Temperaturen anvisiert werden. Eine Vorlaufzeit ist nicht erforderlich. Unnötige Energie wird nicht verschwendet. Certain temperatures can thus be approached directly. It can be heated or cooled immediately and desired temperatures can be targeted. A lead time is not required. Unnecessary energy is not wasted.
Kombinationen von verschiedenen Aufbauten ermöglichen dem Verfahren hingegen, verschiedene Anwendungen gleichzeitig mit demselben Gasmassenstrom zu erfüllen. So kann z.B. ein Aufbau kühlen, während ein weiterer Aufbau entfeuchtet. Combinations of different constructions, on the other hand, allow the process to satisfy different applications simultaneously with the same gas mass flow. Thus, e.g. cool a build while dehumidifying another build.
Auch Kombinationen von Aufbauten in Umluft UML sind möglich, welche im Zusammenhang mit
Eine Kombination von Aufbauten ermöglicht insbesondere zwei Lösungsansätze. Zum einen kann wie beschrieben eine Rotor-Kombination mit verstellbaren Flügeln auf der Innenseite des Verfahrens eingesetzt werden. Zum Heizen dekomprimiert die Kombination innerhalb des Wärmetauschers
Eine zweite, kostengünstige Lösung ohne verstellbare Rotoren ist eine Kompression auf beiden Seiten des Wärmetauschers
Zum Kühlen wird nun umgekehrt der Sekundärstrom
Nun wird der Primärstrom
Die Kühlleistung im Wärmetauscher
Mit der Erhöhung des Massenstroms lässt sich daher die Wärmeleistung erhöhen, aber auch mit der Temperaturdifferenz. Ist die Temperaturdifferenz und damit der Druckunterschied im Wärmetauscher
Das Verfahren in diesem Beispiel eignet sich insbesondere für sehr große Anwendungen wie z.B. Gewächshäuser und Rechenzentren, aber auch für sehr kleine elektronische Geräte wie z.B. Telefone oder tragbare Computer. The method in this example is particularly suitable for very large applications such as e.g. Greenhouses and data centers, but also for very small electronic devices such as Phones or portable computers.
Auch eine parallele Kombination mit Austauschluft AUS ist möglich. Die Situation stellt sich bei Atmosphären, die von Lebewesen oder Maschinen verbraucht werden und sich ändern, also belüftet werden müssen, jedoch komplexer dar. Menschen muss eine habitable Umgebung gewährleistet werden, deren Aufrechterhaltung als kritisch anzusehen ist. Während der Anteil bestimmter Gase gehalten werden muss, hat auch die habitable Temperatur ihre Grenzen. Ein weiterer Faktor ist die Feuchtigkeit, also die Gasphase von bestimmten Flüssigkeiten. A parallel combination with exchange air OFF is also possible. However, the situation is more complex in atmospheres that are consumed by living things or machines and that need to be changed, ie ventilated. Humans must be guaranteed a habitable environment, the maintenance of which is considered critical. While the proportion of certain gases must be kept, the habitable temperature has its limits. Another factor is the moisture, ie the gas phase of certain liquids.
In der Außenumwelt auf der Erde kann kein direkter Einfluss auf die Faktoren genommen werden. Innerhalb z.B. eines Gebäudes oder Gewächshaus muss jedoch hinsichtlich der Temperatur, der Feuchte und/oder des Gasanteils ein positiver Einfluss genommen werden. In the external environment on earth no direct influence on the factors can be taken. Within e.g. However, a building or greenhouse must have a positive influence on the temperature, humidity and / or gas content.
Gewünschte Anwendungen sind das Heizen HE, Befeuchten BF und Enteisen EE bei kalter Witterung sowie Kühlen KÜ mit Entfeuchten EF bei warmer Witterung. Desired applications are heating HE, humidifying BF and deicing iron EE in cold weather as well as cooling KÜ with dehumidifying EF in warm weather.
Dies wird durch eine Platzierung PLA geschlossen/offen g/o mit Aufbau AUF in Austauschluft AUS. This is done by placing PLA closed / open g / o with build UP in exchange air OFF.
Während des Winters trocknet Raumluft schnell aus und führt zur Verbreitung von Viren. Beheizung mittels Dekompression des Primärstroms
Während des Sommers trägt die Atmosphäre aufgrund des Energiegehalts viel Wasser in sich. Dies muss noch nicht einmal hohe Luftfeuchtigkeit bedeuten, aber beim Eintritt in ein gekühltes Gebäude kann dies dann doch zu sehr hoher Luftfeuchtigkeit führen. Fällt die gekühlte Luft unter die Kondensationsgrenze, kann dies im Gebäude zu Beschlag auf Oberflächen wie z.B. Möbeln, Wänden und/oder Pflanzen kommen. Dies führt leicht zu Sporen, die die Gesundheit des Menschen aber auch der Pflanzen gefährden können. Wenn nun die Luft entsprechend abgekühlt wurde, kann diese häufig mit 100 % Luftfeuchtigkeit in der Zuluft im Raum ankommen. During the summer, the atmosphere carries a lot of water due to its energy content. This does not even mean high humidity, but when entering a refrigerated building this can lead to very high humidity. If the cooled air falls below the condensation limit, it may fog in the building on surfaces such as e.g. Furniture, walls and / or plants are coming. This easily leads to spores that can endanger the health of humans and plants. If the air has been cooled down accordingly, it can often reach the room with 100% humidity in the supply air.
Die Bildung von Kondensat während der Durchströmung des Wärmetauschers
Wenn ein Gas, das keine auskondensierende Flüssigkeit enthält, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren abgekühlt wird, so ist es möglich, dieses bis auf die Temperaturspanne von ΔT/(1 – η) abzukühlen. Sobald aber entstehendes Kondensat durch eine Rückerwärmung verhindert, dass das Verfahren mit Hilfe der Manipulation des Drucks mit der Zuluft unter den Ausgangspunkt in der Abluft kommen kann, ist eine progressive Kühlung nicht mehr möglich. In dem Fall erzeugt die Druckmanipulation eine bestimmte Enthalpie, um die der Primärstrom
Diese doppelte Problematik kann insbesondere dadurch gelöst werden, dass die Luft durch Dekompression soweit abgekühlt wird, dass diese eine absolute Feuchte in sich trägt, die einer relativen Feuchte von z.B. 50 % im Behaglichkeitsbereich entspricht. Dies wäre z.B. bei etwa 10°C und 100 % relativer Feuchte der Fall. This double problem can be solved in particular by cooling the air by decompression to such an extent that it carries an absolute humidity which corresponds to a relative humidity of e.g. 50% in the comfort area corresponds. This would be e.g. at about 10 ° C and 100% relative humidity of the case.
Ein solcher Unterdruck würde jedoch schon fast dem halben atmosphärischen Druck entsprechen und jeden Wärmetauscher
Durch ein paralleles, simultan entspannendes Verfahren kann dieses Problem gelöst werden. Dabei wird das Verfahren parallel in beiden Strömen
Mit einem solchen parallelen, simultan dekomprimierten Aufbau AUF in Austauschluft AUS und offen/geschlossener Platzierung PLA können gleichzeitig drei Anwendungen kontrolliert werden. Der Volumenstrom wird über den Druckunterschied zwischen Außen- a und Innenseite b kontrolliert. Die Entfeuchtung EF wird über den Druckunterschied im Wärmetauscher
Die ausfallende Flüssigkeit hinter dem Entspanner muss noch vor dem Wärmetauscher
Um z.B. eine Vereisung im Sekundärstrom
Um den Druckunterschied zum Primärstrom
Zu bedenken ist, dass der Primärstrom
Ferner ist auch eine serielle Kombination in Austauschluft AUS möglich, wie sie beispielhaft in
Demnach kann eine Wärmetauschvorrichtung vorgesehen sein, bei der zunächst in einem ersten Aufbau die Feuchtigkeit abgebaut wird und dann in einem zweiten Aufbau die Temperatur abgesenkt wird. Verschiedene Bauteile werden demnach seriell kombiniert. Ein solcher Aufbau wird auch als serielles, simultan entspannendes Verfahren bezeichnet. Accordingly, a heat exchange device may be provided in which the moisture is first degraded in a first structure and then the temperature is lowered in a second structure. Different components are therefore combined serially. Such a construction is also referred to as a serial, simultaneously relaxing process.
Beispielsweise kann die Außenluft für eine Abkühlung genutzt werden, da davon genügend zur Verfügung steht. For example, the outside air can be used for cooling, since there is enough available.
Angenommen die Umweltsituation a besteht aus tropischem Wetter mit heißfeuchter Luft. Kurz vor tropischem Regen kann die Luft z.B. keine weitere Feuchtigkeit mehr aufnehmen. Kühlung würde in dem Fall fast alle Enthalpie an die Bildung von Regentropfen verschwenden. Suppose the environmental situation a consists of tropical weather with hot humid air. Just before tropical rain, the air may e.g. do not absorb any more moisture. Cooling in this case would waste almost all enthalpy on the formation of raindrops.
Um dies zu verhindern, kann in einem ersten Aufbau der Primärstrom
Bei der nachfolgenden Entspannung kühlt der Primärstrom
Mit diesem Verfahren im simultan entspannenden Aufbau sind beispielsweise 26°C bei 100 % Luftfeuchte erreichbar. Dabei ist zu bedenken, dass das Verfahren etwa 100 kJ pro m3 Luft entzieht, also Kühlenergie. With this method in a simultaneously relaxing structure, for example, 26 ° C at 100% humidity can be achieved. It should be remembered that the process extracts about 100 kJ per m 3 of air, ie cooling energy.
Denkbar ist ferner eine vereinigte Kombination obiger Aufbauten in Austauschluft AUS und Umluft UML. It is also conceivable a combined combination of above structures in exchange air OFF and recirculation UML.
Die Verfahren in Umluft UML unterliegen den Beschränkungen der Druckmanipulation. Andererseits sind sie aber gute Verfahren, um sich innerhalb der gegebenen Grenzen zu bewegen. The procedures in Umluft UML are subject to the limitations of pressure manipulation. On the other hand, they are good ways to move within the given limits.
Beispielsweise liegt bei der Wohnraumlüftung der Behaglichkeitsbereich zwischen 20°C und 26°C. Das Verfahren kann in Umluft zwischen 10°C und 36°C Außenluft funktionieren, wenn der definierte Druckunterschied beispielsweise bis zu 10 K Wärmeübergabe ermöglicht. For example, in the home ventilation, the comfort range is between 20 ° C and 26 ° C. The process can operate in circulating air between 10 ° C and 36 ° C outside air, if the defined pressure difference, for example, allows up to 10 K heat transfer.
Für eine gesunde Raumluft muss auch ein minimaler Frischluftanteil durch Austausch gewährleistet werden. Dieser kann aber auf den benötigten Sauerstoffverbrauch reduziert werden. Wenn aber die Außenatmosphäre in der Temperatur darüber hinaus abweicht, muss ebenfalls der Anteil an Austauschluft erhöht werden, um die Temperaturverluste aufzufangen. For a healthy indoor air, a minimum amount of fresh air must also be guaranteed through replacement. However, this can be reduced to the required oxygen consumption. If, however, the outside atmosphere also deviates in temperature, the proportion of replacement air must also be increased in order to absorb the temperature losses.
Eine Kombination zwischen Austauschlust AUS und Umluft UML wird als vereinigte Kombination von Aufbauten bezeichnet. A combination between exchange desire AUS and circulating air UML is called unified combination of superstructures.
Um das Verfahren für mehrere Anwendungen gleichzeitig zu nutzen, können Kombinationen in parallelem, seriellem und/oder schleifenförmigen Aufbau vorgesehen sein. Multiple Anwendungen können neben Heizen HE, Kühlen KÜ, Befeuchten BF, Entfeuchten EF auch Sublimation SU, Resublimation RE, Vereisen VE und Enteisen EE sein. In order to use the method for several applications at the same time, combinations in parallel, serial and / or loop-shaped construction can be provided. In addition to heating HE, cooling KÜ, humidifying BF, dehumidifying EF, sublimation SU, resublimation RE, icing VE and deicing EE can also be multiple applications.
Durch eine entsprechende Kombination kann ein möglichst hoher Transfer an Energie erwirkt werden. Through an appropriate combination, the highest possible transfer of energy can be obtained.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10 10
- erster Gasmassenstrom, Primärstrom first gas mass flow, primary flow
- 12 12
- zweiter Gasmassenstrom, Sekundärstrom second gas mass flow, secondary flow
- 13 13
- dritter Gasmassenstrom, Tertiärstrom third gas mass flow, tertiary flow
- 14 14
- Wärmetauscher heat exchangers
- 16 16
- Antriebsvorrichtung, erste PrimärdruckveränderungsvorrichtungDrive device, first primary pressure change device
- 17 17
- zweite Primärdruckveränderungsvorrichtung second primary pressure changing device
- 18 18
- erste Druckveränderungsvorrichtung, Kompressor first pressure changing device, compressor
- 20 20
- zweite Druckveränderungsvorrichtung, Entspanner second pressure change device, expander
- 21 21
- dritte Druckveränderungsvorrichtung third pressure-changing device
- 22 22
- Elektronikraum electronics compartment
- a a
- Außenseite outside
- b b
- Innenseite, Abluftseite Inside, exhaust side
- ANW ANW
- Anwendung application
- PLA PLA
- Platzierung placement
- AUF ON
- Aufbau construction
- HE HE
- Heizen Heat
- KÜ CT
- Kühlen Cool
- BF BF
- Befeuchten moisten
- EF EF
- Entfeuchten dehumidify
- VE VE
- Vereisen ice up
- EE EE
- Enteisen de-ice
- RE RE
- Resublimation resublimation
- SU SU
- Sublimation sublimation
- o/o o / o
- offen/offen Open / Open
- g/g g / g
- geschlossen/geschlossen closed / closed
- g/o g / o
- geschlossen/offen closed open
- AUS OUT
- Austauschluft replacement air
- UML UML
- Umluft circulating air
- KO KO
- Kompression compression
- EX EX
- Expansion expansion
- fe fe
- fest firmly
- fl fl
- flüssig liquid
- ga ga
- gasförmig gaseous
- E e
- Energie energy
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE202017105468.3U DE202017105468U1 (en) | 2017-09-08 | 2017-09-08 | Heat exchange device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE202017105468.3U DE202017105468U1 (en) | 2017-09-08 | 2017-09-08 | Heat exchange device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE202017105468U1 true DE202017105468U1 (en) | 2017-09-25 |
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ID=60082011
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE202017105468.3U Expired - Lifetime DE202017105468U1 (en) | 2017-09-08 | 2017-09-08 | Heat exchange device |
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Country | Link |
---|---|
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102021131043A1 (en) | 2021-11-26 | 2023-06-01 | Viessmann Climate Solutions Se | Building technology system |
-
2017
- 2017-09-08 DE DE202017105468.3U patent/DE202017105468U1/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102021131043A1 (en) | 2021-11-26 | 2023-06-01 | Viessmann Climate Solutions Se | Building technology system |
WO2023093944A1 (en) | 2021-11-26 | 2023-06-01 | Viessmann Climate Solutions Se | Building services system |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification | ||
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R157 | Lapse of ip right after 6 years |