DE2519371A1 - Vorrichtung zum klimatisieren - Google Patents
Vorrichtung zum klimatisierenInfo
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Description
HÖGER - STELLRECHT - GRIcSSBACH - HAECKER
25. April 1975
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A 41 200 m
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The Rovac Corporation
109 Building, Candace Drive
Maitland, Florida 32751 /USA
Vorrichtung zum Klimatisieren
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Klimatisieren, bei der zwischen dem Auslaß einer Kompressions- und dem Einlaß einer
Expansionseinheit ein erster Wärmetauscher angeordnet und mit dem Auslaß der Expansionseinheit ein zweiter, vom ersten isolierter
Wärmetauscher verbunden ist sowie an den Einlaß der Kompressionseinheit eine Zuleitung für ein bei den während des Betriebes
der Vorrichtung auftretenden Temperaturen und Drücken nicht kondensierendes Gas anschließt, welches in der Kompressionseinheit komprimier- und erwärmbar ist, im ersten Wärmetauscher
Wärme abgibt, in der Expansionseinheit expandier- und kühlbar ist sowie im zweiten Wärmetauscher Wärme absorbiert.
Es ist Aufgabe der Erfindung, den Nutzeffekt oder Wirkungsgrad
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einer gattungsgemäßen Vorrichtung zu verbessern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Mittel am Einlaß
der Eompressionseinheit zum Einbringen eines fein verteilten Ziisatzmediums von hoher Wärmekapazität und Verdampfungswärme in
das durch den Einlaß strömende GaS1. wobei dieses Susatsmedium
zur Steigerung des Nutzeffektes der Vorrichtung aero Gas in der Kompressionseinheit Wärme entzieht and in der Expansionseinheit
eiiie Phasenänderung vom dampf- in den nicht dampfförmigen Zustand
erfährt.
Es wird erfindungsgemäß eine Klimaanlage mit !Compressions- und
Expansionseinheiten vorgeschic-gen, denen eine Sprüheinrichtung
zugeordnet ist, um am Kompressoreinlaß Tröpfchen eines Zusatzmediums
in das Gas einzusprühen. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise die für die Kompression erforderliche Energie reduziert
and die Expansionsenergie erhöht, so daß insgesamt die Äatriebsenergie für die Kompressions- und Ejqpansionseinheiten
verringert wird, überschüssiges Eusatzmedium wird in flüssiger
Form in dem zwischen Kompressions- und Expansionseinheit angeordneten
Wärmetauscher gesammelt. In diesem Wärmetauscher ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Sumpf
mit Rückströmleitung vorgesehen, um das Zusatzmedium zum Kompressoreinlaß
zurückzirkulieren zu lassen^ wo es wieder in das einströmende Gas versprüht wird, Dabei wird zum Transport
des Zusatzmediums die Druckdifferenz ausgenutzt, die zwischen dem Wärmetauscher und dem Einlaß der Komprsssxonsexnheit
herrscht.
Wenn erfindungsgemäß fein verteilte Tröpfehen in das in den Einlaß
der Kompressionseinheit einströmende Gas gesprüht werden, kann man die Zustandsänderung des Zusatzmediums, die sowohl
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in der !Compressions- als auch in der Expansionseinheit auftritt,
ausnutzen, um die Antriebsenergie eines Rotors in einer kombinierten Kompressions- und Expansionsexnheit erheblich zu reduzieren.
Hierdurch läßt sich eine merkliche Steigerung des Wirkungsgrades oder des Nutzeffektes der Anlage erzielen. Durch das
Einsprühen der fein verteilten Tropfen des Zusatzmediums wird eine starke Übersättigung des Gases erzielt, überschüssiges
Medium wird durch Aufsammlung und Kondensation im Wärmetauscher entfernt. Hieran schließt sich eine Kondensation in der Expansionseinheit
an, wo das Zusatzmedium im Dampfzustand vorliegt.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist es, in dem Gas der Klimaanlage ein Zusatzmedium von hoher Wärmekapazität zu verwenden
und einen Überschuß dieses Mediums zur Kompressionseinheit zurückzirkulieren zu lassen. Die im Wärmetauscher auftretende
Kondensation und die Anwesenheit des Zusatzmediums, welches in flüssiger Form durch die Kompressionseinheit hindurchgeführt
wird, verbessert die Geschwindigkeit des Wärmeaustausches.
Besonders vorteilhaft ist die Erfindung, wenn in der vorgeschlagenen
Klimatisiervorrichtung Luft als ihr eigenes Kühlmittel verwendet wird, wobei die gekühlte Luft in einen geschlossenen
Raum eingespeist wird, in dem absichtlich Wasser in die eintretende Luft gesprüht wird, um auf diese Weise den
Wirkungsgrad der Vorrichtung zu erhöhen. Das Wasser wird jedoch, nachdem es seinen Zweck erfüllt hat, bei niederer Temperatur
wieder entfernt, um ab da relativ trockene Luft in den geschlossenen Raum einzuspeisen. In Gebieten geringer Luftfeuchtigkeit
kann die Kaltluft direkt und ohne Entfernung der zugegebenen Feuchtigkeit eingespeist werden, weil dies komfortabler
ist.
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Erfindungsgemäße Vorrichtungen lassen sich mit geringeren Kosten
als herkömmliche Klimaanlagen herstellen. Sie besitzen trotzdem einen wesentlich höheren Nutzeffekt als herkömmliche Systeme, sie
weisen eine hohe Kühlleistung auf, können automatisch betrieben werden, sind von kompaktem Aufbau und eignen sich insbesondere
für eine Anwendung in Automobilen u.dgl.
Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der
Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht, teilweise entlang der Linie 1-1 in
Fig. la, einer erfindungsgemäßen Klimatisiervorrichtung in "offener Bauweise",
wobei Luft als Kühlgas und Wasser als Zusatzmedium verwendet werden und Mittel vorgesehen sind, um die in einen geschlossenen
Raum eingespeiste Luft zu entfeuchten und zu temperieren;
Fig.la eine horizontale Teilschnittansicht entlang der Linie Ia-Ia in Fig. 1;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Filters entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Ansicht vereinfacht dargestellter
Mittel, die gewährleisten, daß Flüssigkeit in der Rückstromleitung vorhanden und die kondensierte Flüssigkeit im
Sumpf automatisch eine maximale Höhe nicht übersteigt;
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Fig. 4 eine alternative Ausführungsform von Sprühmitteln
zum Einbringen eines Überschusses an fein verteilten Tröpfchen, wobei diese Sprühmittel insbesondere bei Abwesenheit von
Rezirkulationsorganen Anwendung finden können;
Fig. 5 eine Teilschnittansicht eines Sumpfes mit kondensierter Flüssigkeit und einer zusammen mit
der Anordnung gemäß Fig. 4 verwendbaren Überfluß steuerung;
Fig. 5a eine Verschließeinrxchtung für eine Rückstromleitung;
Fig. 6 eine schematische Ansicht ähnlich Fig. 1 einer
einfacheren Vorrichtung gemäß der Erfindung, bei welcher dem Wärmetauscher kondensierte
Feuchtigkeit durch die Saugwirkung der Expansionseinheit entnommen wird;
Fig. 7 die Einsprühung von Wasser in den Auslaß der Expansionseinheit;
Fig. 8 eine Querschnittsansicht einer weiteren Aus-.führungsform
der Erfindung mit Kühlsystem in "geschlossener Bauweise", bei welcher ein Gas, überschüssiges Zusatzmedium und gegebenenfalls
Schmiermittel gegenüber der Atmosphäre abgedichtet sind und kontinuierlich rezirkulieren
und
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Fig. 9 eine schematische Darstellung von Mitteln
zur Injizierung einer Wasserladung zur
kräftigen und raschen Abkühlung und Anfeuchtung.
Fig» 1 seigt eine Kompressions-Expansions-Einheit 10 mit einem
Maschinengestell 11, in deir. feine von einer Hand 12 umgebene
Kammer ovalen Querschnitts ausgebildet ist, Die Kammer ist an
ihren beiden Stirnseiten durch (nicht dargestellte) Endstücken verschlossen, wie dies in der üSA-Petentanraeldimg Ser.i-io.
400*965 vom 26. September 1973 beschrieben ist. In den Endstücken ist ein Rotor 20 gelagert mit radial gerichteten, gleitbaren
Flügeln, z.B. zehn an der Zahl, die mit den Bezugszeichen
21 bis 30 bezeichnet sind. Eine Kelle 32 des Rotors ist von Lagern in den Endstücken gehalten, die »felle 32 selbst ist mit
einer Antriebsquelie 33 verbunden, beispielsweise dem Motor eines Kraftfahrzeugs, und wird lait einer Drehzahl zwischen
etwa 650 und 4000 U/min angetrieben. Die Flügel werden in den
ihnen zugeordneten Schlitzen durch zentrifugale Kräfte insgesamt nach außen gedrückt und bilden auf diese Weise abgeschlossene
Kammern 21' bis 301 , die beim Umlauf des Rotors Volumenveränderungen
erfahren. Die Flügel können durch in Nockenlaufbahnen abrollende Rollen geführt sein. Ein endloses Federband 34,
welches an den inneren Kanten jedes Flügeis angreift, kann eine zusätzliche Vorspannung vermitteln.
Unter der Annahme, daß der Rotor 20 in Pfeilrichtung umläuft,
wirkt die linke Hälfte der Einheit IC als Kornpressionseinheit mit Einlaß 41 und Auslaß 42, während die rechte Seite als
Expansionseinheit mit Einlaß 43 und Auslaß 44 arbeitete An den Auslaß 42 und den Einlaß 43 ist zwischen Kompressiorts- und
Expansionseinheit ein erster Wärmetauscher 45 angeschlossen,
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welcher dazu dient, die Kompressionswärme abzuleiten. Dieser Wärmetauscher ist von dem zu kühlenden Raum isoliert. Der
Wirkungsgrad des Wärmetauschers 45 läßt sich durch ein motorgetriebenes Gebläse 46 (Fig. la) verbessern.
An den Auslaß 44 der Expansionseinheit ist zur Aufnahme der erzeugten Kaltluft eine Auslaßeinrichtung 50 angeschlossen,
die eine Reihe verschiedener Funktionen ausübt. Sie dient in erster Linie als Wärmetauscher, um der Umgebungsluft, bevor
diese in den zu klimatisierenden Raum eingespeist wird, Wärme zu entziehen,um so die eingespeiste Luft entsprechend
zu temperieren. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung erfolgt dies durch Vermischung der Umgebungsluft mit der
aus der Expansionseinheit ausströmenden Luft. Die vermischte Luft wird durch Auslaßöffnungen 51, 52 in den zu klimatisierenden
Raum überführt. Zu diesem Zweck hat die Auslaßvorrichtung eine Mischkammer 53 mit einem offenen Einlaßende 54 und einem
Gebläse 55, das von einem Motor 56 getrieben ist. Das Gebläse
55 weist vorzugsweise eine Gebläsewalze auf, während der Motor
56 als Kurzschlußankermotor ausgebildet ist. Die vom Gebläse abgegebene Luft gelangt durch einen Verbindungskanal in eine
Kammer 57, aus welcher sie durch die Auslaßöffnungen 51, 52,
austritt.
Im Weg der Kaltluft von der Expansionseinheit zur Mischkammer 53 ist ein poröser Feuchtigkeitsabscheider 60 angeordnet,
der beispielsweise aus gesintertem Metall bestehen und eine Vielzahl von Poren aufweisen kann, durch die hindurch die Kaltluft
strömt, wobei in letzterer enthaltene Eisstückchen oder Feuchtigkeit in flüssiger Form zurückgehalten werden. Der
poröse Feuchtigkeitsabscheider 60 ist thermisch an die wärmere,
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.eintretende Umgebungsluft durch in Längsrichtung verlaufende
Rippen 61 (Fig. 2) angekoppelt. Die Kaltluft aus der Expansionseinheit wird an das links gelegene Ende des Abscheiders
durch eine Leitung 62 herangeführt. Das rechts gelegene Ende des Abscheiders 60 ist geschlossen. Wenn die Leitung 62
isoliert und/oder kurz ausgebildet ist, und wenn die von der Expansionseinheit abgegebene Kaltluft kälter als 0 C ist,
werden Eisstückchen von der in den Abscheider 60 eintretenden Luft mitgeführt. Wegen der ständigen Erwärmung des Abscheiders
60 durch die einströmende ümgebungsluft werden die Eisstückchen
jedoch geschmolzen und bilden ein Kondensat, welches zum Boden 63 des Abscheiders abfließt (Fig. 2).
Entsprechend dem allgemeinen Erfindungsgedanken sind Mittel vorgesehen,
um in das Gas, vorzugsweise Luft, welches in den Einlaß der Kompressionseinheit eintritt, ein Zusatzmedium, vorzugsweise
Wasser, in Form fein verteilter Tröpfchen zu injizieren, welches durch den Gas- oder Luftstrom mitgenommen wird. Vorzugsweise
wird das Wasser im Überschuß zugegeben, unter "Überschuß" versteht
man, daß die Gesamtmenge an Wasser in der einströmenden Luft diejenige Menge übersteigt, welche bei der vorliegenden
Temperatur, z.B. 26,7° C, in-Dampfform gehalten werden kann. Das
in der Luft pro Vulumeinheit enthaltene Wasser kann die Wassermenge, welche bei dieser Temperatur durch die Luft in Dampfform
gehalten werden kann, bis zum zwei- oder mehrfachen übersteigen. Die Beschickung der einströmenden Luft mit mehr Feuchtigkeit,
als sie in lorm voll gelösten Dampfes halten kann, wird im folgenden als Übersättigung bezeichnet. Es liegt im Bereich
der Erfindung, Wasser selbst in so großem Überschuß einzusprühen, daß das Gewicht des Wassers gleich dem Gewicht der
Luft ist.
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Wenn das Wasser in den Einlaß der Kompressoreinheit gesprüht wird, verdampft es zumindest teilweise. Wenn der Rotor 20 von
der Antriebsquelle 33 angetrieben wird, wird die durch den Einlaß eintretende Luft zusammen mit dem in Tropfenform mitgeführten
Wasser komprimiert, wobei die Kompression von einem Temperaturanstieg begleitet ist, der auf die erzeugte "Kompressionswärme" zurückgeht. Die Flüssigkeitsteilchen kühlen die Luft,
wenn diese komprimiert wird. In dem Maße, in dem der Temperaturanstieg
zu einem Abfall der relativen Feuchtigkeit führt, findet darüber hinaus weitere Verdampfung statt. Durch diesen
Verdampfungsprozeß wird die Luft bei Maximaltemperatur und Maximaldruck in der Kompressionseinheit gesättigt, wobei die
kleineren Tröpfchen vollständig in Dampfform übergehen und die größeren Tröpfchen zumindest teilweise aufgezehrt werden. Als
Ergebnis dieser beiden Effekte wird der Luft eine erhebliche Wärmemenge entzogen, so daß die Luft, während sie beispielsweise
im Verhältnis von 2 bis 4:1 komprimiert wird, bei einem Druck und einer Temperatur ist, die niedriger liegen als die normalerweise
erreichten Werte. Auf diese Weise wird der Erwärmung teilweise entgegengewirkt. Die Temperatur steigt bei einer praktischen
Ausführungsform lediglich auf beispielsweise 126,7 C
anstatt auf z.B'. 154° C, wobei der Druck entsprechend vermindert ist. Aufgrund des zugefügten Wassers ist im Ergebnis die pro
Volumeinheit erforderliche Arbeit zur Reduzierung des Luftvolumens erheblich kleiner. Eine Energieverringerung in der
Größenordnung von etwa 15% läßt sich leicht erreichen.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist der Wärmetauscher
45 einen Sumpf zur AufSammlung des Wassers auf, welches bei der Abkühlung der komprimierten Luft kondensiert. Der Sumpf
ist mit einer Rückstromleitung versehen, die vorzugsweise in einer Sprühdüse am Einlaß 41 der Kompressionseinheit endet, so
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daß das aufgesammelte Kondensat, zum Einlaß der Kompressionseinheit
zurückgeführt oder resirkuliert werden kann.
Der Wärmetauscher 45 (Fig. 1) weist ein Gehäuse 80 mit Einlaßleitung
81 und Auslaßleitung 82 auf. Obwohl der Wärmetauscher abgedichtet ist, ist er vorzugsweise von einer Reihe quer verlaufender
Rohre 83 durchbrochen, welche Luftkanäle zur Erhöhung der wirksamen Wärmeaustauschfläche bilden. Um Luft durch die
Rohre 83 hindurchzuleiten, ist eine Ummantelung 84 vorgesehen, die eine Kammer 85 ausbildet (Fig. la). In diese Kammer wird
die Kühlluft durch ein motorgetriebenes Gebläse 46 hineingedrückt .
Am Boden des Wärmetauschergehäuses 80 ist der Sumpf 86 zum Aufsammeln
des Kondensats 87 vorgesehen. Ein Schauglas 88 dient der ständigen Anzeige der Höhe des Kondensats im Sumpf.
Uni das Kondensat wieder verwend-n zu können, ist eine Abzugsanordnung 90 vorgesehen. Diese «ruf aßt eine Rückströmleitung 91,
die in einer Sprühdüse 92 endet. Die Düse 92 liegt am oder im Einlaß 41 der Kompressionseinheit und versprüht eine Wolke von
Tröpfchen.
Heben der Kondensierung der in der komprimierten Luft gelösten Feuchtigkeit, welche auskondensiert, wenn die komprimierte Luft
abgekühlt wird, dient der Wärmetauscher 45 auch als Falle zum Auffangen ungelöster Feuchtigkeitströpfchen, welche noch im
Luftstrom vorhanden sind. Diese Auffangwirkung wird bei der dargestellten
Ausführungsform dadurch erreicht, daß die komprimierte
Luft zu plötzlichen Richtungsänderungen bei 95 und 96 veranlaßt wird β
Im Betrieb wird das von der Düse 92 im Überschuß in den Luftstrom in Form von Tröpfchen eingesprühte Wasser während des
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Kompressionszyklus weitgehend verdampft, wobei die aus dem Auslaß
42 der Kompressionseinheit austretende, komprimierte Luft bei einer Temperatur ist, die niedriger als die normalerweise
erreichte liegt. Die komprimierte Luft, welche durch den Wärmetauscher 45 fließt, erfährt einen Temperaturabfall bis
nahe Umgebungstemperatur. Der Temperaturabfall wird begleitet von der Kondensation des gelösten Dampfes und Ansammlung der
mitgeführten Tröpfchen auf den Innenflächen des Wärmetauschers. Wegen der Zustandsänderung von dampfförmig nach flüssig werden
durch das Wasser erhebliche Wärmemengen direkt an der Oberfläche des Wärmetauschers freigesetzt, so daß der Wärmeaustauschvorgang
beträchtlich wirksamer ist, als er es bei Abwesenheit von Wasser wäre. Selbst die Wassertröpfchen, die in den Wärmetauscher
noch in Tropfenform eintreten und an den Oberflächen des Wärmetauschers aufgefangen werden, setzen ihre fühlbare
Wärme frei. Diese Tröpfchen laufen zusammen mit dem kondensierten Wasser in den Sumpf 86.
Das aufgesammelte Kondensat 87 (Wasser) unterliegt der Wirkung der komprimierten, über ihm liegenden Luft und steht damit
unter starkem Druck im Vergleich zu demjenigen Druck, der am Einlaß 41 der Kompressionseinheit herrscht. Der ausgeübte
Druck kann beispielsweise in der Größenordnung von etwa
2,11 kg/cm sein. Infolgedessen wird das durch die Rückströmleitung
91 gedrückte Wasser der Düse 92 über das Ventil 93 bei ausreichend hohem Druck angeboten, so daß die Düse eine relativ
feine Auslaßöffnung haben kann, die in der Lage ist, den Wasserstrom in feine Tröpfchen aufzubrechen, die ihrerseits so fein
verteilt sein können, daß eine große Gesamtfläche für die Verdampfung während des Kompressionsschrittes verfügbar ist.
Es sind weiterhin Mittel vorgesehen, um einen Teil des Wassers
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iiii Sumpf abzuziehen, wenn der Wasserstand zu hoch wird. Dies
kann insbesondere vorkommen, wenn die eintretende oder Umgebungsluft
zusammen mit Wasser aus einer Hilfsquelle, wie noch beschrieben werden wird, angeliefert wird. Der Wasserabzug
erfolgt durch die öffnung eines Abzugventils 94. Wenn umgekehrt bei ümgebungsbedingungen mit geringer relativer Feuchtigkeit
gearbeitet wird, kann im Sumpf ein Wasserverlust auftreten, der es erforderlich macht, frisches Wasser von Zeit zu Zeit zuzugeben.
Dieses Wasser kann durch ein Ventil 38 eingebracht werden,
daß von einem Wassereinlaß 99 gespeist wird. Wenn es gewünscht
wird, das Frischwasser dem unter Druck stehenden System zuzuführen,
kann eine Pumpe 97 zwischengeschaltet werden.
Obwohl die komprimierte Luft, die den Wärmetauscher über die Äuslaßleitung 92 verläßt und in den Einlaß 93 der Expansionseinheit eintritt, einen Feuchtigkeitsverlust infolge Kondensation
und Tröpfchenauffang erfahren hat, ist diese Luft in
keiner Weise trocken, sondern im Gegenteil voll mit Feuchtigkeitsdampf
gesättigt und beginnt den Expansionsprozeß im gesättigten Zustand. Der Sättigungsgrad überschreitet noch diejenige
Sättigung, die erreichbar ist, wenn die eintretende Luft ihren Wassergehalt durch Verdampfung von ainem porösen Element
erfährt, wie dies früher bereits vorgeschlagen wurde. Sine grobe Übersättigung der Luft bei ihrem Eintritt in das System
vermindert nicht nur die Kompressxonsenergxe, sondern erhöht auch die bei der Expansion wieder gewonnene Energie.
Die gesättigte Luft expandiert allmählich, wenn sie nach oben zum Auslaß 44 der Expansionseinheit gelangt. Dabei erfüllt sie
zwei Funktionen: Sie bringt nicht nur einen scharfen Temperaturabfall
der Luft zum Zwecke der Kühlung hervor, sondern die von
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einem Druckabfall begleitete Expansionsenergie hat das Bestreben, den Rotor 20 im Gegenuhrzeigersinn anzutreiben/ und hierdurch
die Antriebsquelle 33 zu unterstützen.
Wegen des Temperatur- und Druckabfalls wird die Luftfeuchtigkeit in Form mitgeführter Eisstückchen oder Tröpfchen kondensiert.
Die Mischung aus Kaltluft und mitgeführter Feuchtigkeit gelangt in den porösen Abscheider 60, durch den die Luft hindurchtritt,
während die Eisteilchen auf den porösen, inneren Wänden abgeschieden werden. Die Eisteilchen werden ständig durch die Wärme
der eintretenden Umgebungsluft geschmolzen, so daß die Poren des Abscheiders offengehalten werden. Die Mischung aus trockener
Kaltluft und eintretender Umgebungsluft, die durch die Kammer
57 strömt, wird in einem angenehm wirkenden, temperierten Zustand durch die Auslaßöffnungen 51, 52 in den zu klimatisierenden
Raum eingespeist.
Die Sättigungsfeuchtigkeit hat aufgrund ihrer Kondensation in der Expansionseinheit das Bestreben, die Temperatur und den
Druck der expandierenden Luft auf einen Wert anzuheben, der oberhalb des Wertes liegt, der bei Feuchtigkeitsabwesenheit
erreichbar wäre. Mit anderen Worten, der Abkühlung und dem Druckabfall der-expandierenden Luft wird teilweise entgegengewirkt.
Dieser entgegenwirkende Temperaturanstieg erhöht die auf die Flügel des Rotors 20 aufgebrachte Expansionsarbeit erheblich,
wodurch die Anforderungen an die Antriebsquelle 33 weiter reduziert und letzten Endes ein Nettoanstieg des Nutzeffekts
erreicht wird. Außerdem erhöht die Anwesenheit der zugefügten Feuchtigkeit in Form von Eis auf der Expansionsseite die Wärmekapazität
der Luft-Wasser-Mischung, welche durch die Kompressions-Expansions-Einheit
bei jedem Umlauf hindurchgelangt, indem eine größere Nutzanwendung der latenten Wärme der Eis-
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stückchen neben der fühlbaren Wärme der Wasserteilchen gemacht
wird, wodurch ein noch größerer Kühleffekt pro Umdrehung
erreicht wird.
Somit hat die durch die Düse 92 injizierte Feuchtigkeit wenigstens vier wichtige Wirkungen: In erster Linie verringert
die Anwesenheit des Wassers in der Kompressionseinheit die Kompressionsarbeit. Zweitens erhöht die Kondensation und die
Anwesenheit von Feuchtigkeit im Wärmetauscher 45 den Wärmeaustausch
erheblich. Drittens steigert die Kondensation im Wärmetauscher die dort wiedergewonnene Energie. Schließlich wird
die latente Wärme, nämlich die Schmelzwärme der Eisstückchen und die fühlbare Wärme jedes verbleibenden Wassertröpfchens
zur Abkühlung am Auslaß der Expansionseinheit ausgenutzt. Das Ergebnis dieser kombinierten Wirkungen liegt darin, eine erhebliche
Verbesserung des Wirkungsgrades oder des Nutzeffektes der Klimatisiervorrichtung zu erzielen, d.h. eine Verbesserung
des Verhältnisses zwischen der Kühlkapazität in kcal pro Rotationszyklus zu der Energie, die während eines solchen
Zyklus von den äußeren Antriebsmitteln geleistet wird. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Sättigung der eintretenden
Luft läßt sich ein Nutzeffekt in der Größenordnung von zwei oder drei erzielen. Durch das Einsprühen von Wassertröpfchen im
Überschuß, um hierdurch die eintretende Luft zu übersättigen, kann erfindungsgemäß der Nutzeffekt auf drei bis vier gebracht
werden. Bei einem üblichen Freon-System wird es im allgemeinen als ausreichend betrachtet, einen Nutzeffekt in der
Größenordnung 1,5 bis 2 zu erreichen.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung liegt darin, daß neben der Injizierung von Wasser, welches aus dem Sumpf des Wärmetauschers
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rezirkuliert wird, das sich beim Schmelzen des Eises im Abscheider
60 ergebende Wasser ebenfalls zu der einströmenden Luft zurückgeführt wird. Dies erfolgt durch eine zweite Rückströmleitung
100 (siehe Fig. 1 und 2), welche zu einem porösen, schwammähnlichen Injektions- oder Verdampfungselement 102 führt,
das seinerseits im Weg der einströmenden Luft und vorzugsweise vor der Düse 92 angeordnet ist. Falls das Wasser im Abscheider
60 schneller entsteht, als es durch das poröse Element 102 verbraucht werden kann, fließt es unschädlich durch eine Abzuqsleitung
103 ab. Das poröse Element 102 wirkt aufgrund seiner Sättigung mit Wasser auf die relativ trockene, einströmende
(Umgebungs-) Luft ein und hebt deren Feuchtigkeit bis in die Nähe des Sättigungspunktes. Die im Anschluß hieran durch die
Düse 92 eingesprühten Tröpfchen schaffen den Zustand der Übersättigung, wodurch der Luftstrom mit Tröpfchen beladen wird,
die durch die Bewegung und Turbulenz der Strömung in Suspension gehalten sind. Die Elemente 102 und 92 dienen somit gemeinsam
als Injektionsmittel.
Die absichtliche Zugabe von Wasser zum Zwecke einer Übersättigung des Gases am Kompressoreinlaß bringt nicht nur einen
höheren Nutzeffekt der Anlage als Ganzes hervor, sondern steigert auch beträchtlich die Kühlleistung in kcal pro Stunde.
Eine Vorrichtung mit einer Nennleistung von 7560 kcal pro Stunde erhöht ihre Leistungsfähigkeit auf 12.600 kcal pro
Stunde einfach dadurch, daß man Gebrauch von der thermischen Kapazität und der latenten Wärme des Wassers als Hilfskühlmittel
Gebrauch macht.
Der Betrieb der Vorrichtung vollzieht sich automatisch. Um jedoch die Geschwindigkeit, mit welcher das Wasser aus dem Sumpf
86 in den Kompressoreinlaß eingespeist wird, zu steuern, kann
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die Düse 92 mit einer einstellbaren Nadel 105 (Fig. 3) ausgestattet
werden. Stattdessen kann auch in der Leitung 91 ein Drosselventil 93 vorgesehen werden. In ähnlicher Weise kann
auch in die Leitung 100, welche zu dem porösen Element 102 führt, ein auf kleine Strömungsgeschwindigkeiten einjustierbares
Ventil eingeschaltet werden.
Um zu gewährleisten, daß in der Rückströmleitung 91 jederzeit
flüssiges Wasser zur Verfügung steht und kein Luftkurzschluß durch diese Leitung stattfindet, falls die Flüssigkeit 87 im
Sumpf auf ein zu niedriges Niveau absinkt, kann eine Steuerventilanordnung
110 verwendet werden, wie sie schematisch in Fig. 3 dargestellt ist. Die Anordnung umfaßt einen Schwimmer
111, der an einem im wesentlichen horizontal angeordneten Hebelarm 112 befestigt ist. Der Hebelarm ist bei 113 schwenkbar
gelagert und steuert einen konischen Ventilstößel 114, der mit einem Ventilsitz 115 zusammenwirkt. Durch die Wirkung dieser
Ventilanordnung wird die Leitung 91 automatisch verschlossen, sobald die Flüssigkeit aus dem Sumpf ausgelaufen
ist. Durch die konische Ausbildung des Ventilstößels kann die Durchflußmenge automatisch in Abhängigkeit von der Höhe der
im Sumpf verfügbaren Flüssigkeit eingestellt werden. Um es weiterhin unnötig zu machen, das Ablaßventil 94 manuell zu betätigen,
wenn die Flüssigkeit im Sumpf eine zu große Standhöhe erreicht, kann eine Überflußventilanordnung 120 vorgesehen
werden mit einem Schwimmer 121 an einem im wesentlichen horizontal verlaufenden Hebelarm 122, der bei 123 schwenkbar
gelagert ist und einen Stößel 124 steuert. Der Stößel 124 arbeitet mit einem Ventilsitz 125 zusammen, der zu einer Abflußleitung
126 führt. Solange die Flüssigkeit im Sumpf einer bestimmten Höhe bleibt, ist die Leitung 126 durch den Ventilstößel
124 versperrt. Sobald jedoch die Flüssigkeit eine vor-
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bestimmte Höhe überschreitet, öffnet der Stößel 124, und zwar
so lange, bis der Flüssigkeitsspiegel wieder auf einen Punkt abgesunken ist, an dem die Ventilanordnung geschlossen ist.
Der Stößel 124 kann die Form eines hin- und hergehenden, nadelähnlichen Elements mit kleinem Durchmesser haben, so daß die
Wirkung des Schwimmers durch die an beiden Seiten des Ventilsitzes 125 wirkende Druckdifferenz nicht wesentlich beeinflußt
wird. Als Alternative zum Ventilstößel 114 kann auch eine "pneumatische Sicherung" 127 mit einer von einer Feder 129 belasteten
Kugel 128. in die Leitung 91 eingesetzt werden, um diese Leitung bei Abwesenheit von Flüssigkeit zu verschließen (vgl.
Fig. 5a) .
Obwohl eine Rezirkulation der Feuchtigkeit, wie oben beschrieben,
bevorzugt wird, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Es kann auch eine getrennte Quelle für unter Druck stehendes Wasser
verwendet werden, wie in Fig. 4 gezeigt, wobei der Wasserdruck durch eine Pumpe so weit erhöht wird, daß Zerstäubung stattfindet.
Die Düse 92 wird so eingestellt, wie es im Zusammenhang mit Fig. 3 erörtert wurde. Die Mehrheit der Tröpfchen soll vorzugsweise
in den Bereich von 0,01 bis 2.000 Mikron fallen, so daß die Tropfen eine große Gesamtfläche bilden, die für die Verdampfung
zur Verfügung steht. Die Düse 92 (Fig. 4) kann eine bei hohem Druck.betriebene, spezielle Zerstäuberdüse sein. Es
kann jedoch auch bei niederem Druck gearbeitet werden, wobei dann die von der Düse produzierten Tröpfchen durch eine besondere
Zerstäubervorrichtung fein verteilt werden. Eine solche Zerstäubervorrichtung kann beispielsweise die Gestalt eines mit
hoher Geschwindigkeit umlaufenden Laufrades oder eines piezoelektrischen Elementes A haben, welches von einem Oszillator
mit Schall- oder überschallfrequenz angetrieben ist. Wenn eine
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besondere Wasserquelle verwendet wird, reicht es aus, das sich
im Sumpf des Wärmetauschers aufsammelnde Wasser durch eine einfache uberflußventilanordnung gemäß Fig. 5 zu steuern.
Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 ist die temperierte Luft, welche in den zu kühlenden Raum durch die Auslaßöffnung 51,
eintritt, von relativ geringer Feuchtigkeit und angenehm trocken, obwohl der Luft am Kompressoreinlaß Feuchtigkeit bis zur starken
Übersättigung zugegeben wurde. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Erzeugung einer kalten Mischung relativ trockener Luft
beschränkt, sondern sie läßt sich auch bei solchen Räumen anwenden, bei denen ein hoher Feuchtigkeitsbedarf vorliegt. Eine
beträchtliche Feuchtigkeitsmenge läßt sich dem Luftstrom dadurch zugeben, daß man eine steuerbare Nebenleitung an der
Seite des Abscheiders 60 ausbildet. Es ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, daß sie auch zur absichtlichen Beschickung
der Luft in einem gekühlten Raum mit Feuchtigkeit Anwendung finden kann, beispielsweise beis-i Transport und bei der Lagerung
leicht verderblicher Früchte und Gemüsesorten. Dies kann bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 z.B. einfach dadurch erfolgen, daß
man den porösen Abscheider oder Filter 60 wegläßt, so daß Eis und kondensierte Wasserteilchen nicht mehr zurückgehalten werden,
sondern in einfacher Weise durch den Kaltluftstrom in den eintretenden Strom der Umgebungsluft, die aus dem gekühlten Raum
stammen kann, eingeblasen werden. Hierdurch schmelzen die Eisstückchen während der überführung. Das Verhältnis der Umgebungsluft zur Kaltluft kann dadurch eingestellt werden, daß man die
Leistung und die Geschwindigkeit des Gebläses 55 bzw. des Motors 56 entsprechend auswählt oder einstellt. Daneben kann
auch frische Außenluft in einstellbaren Verhältnissen allen hier beschriebenen Vorrichtungen zugegeben werden, indem man am
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Einlaß 54 ein Regulierventil vorsieht, welches die Raum- oder Umgebungsluft und die frische Außenluft entsprechend proportioniert.
Falls erwünscht, kann die Kühlluft und das mitgeführte Eis in den zu kühlenden Raum auch direkt aus dem Auslaß 54 eingeführt
werden, ohne daß eine vorherige Mischung mit Umgebungsluft erfolgt.
Um wahlweise die Feuchtigkeit im Kaltluftstrom zu erhöhen, kann das im Wärmetauscher gesammelte und kondensierte Wasser auch
wieder in die die Expansionseinheit durchlaufende Luft injiziert werden. Dies ist beispielsweise in Fig. 6 angegeben, in welcher
die Bezugszeichen für bereits beschriebene Teile mit einem Strich versehen sind. Das im Sumpf 86' angesammelte Kondenswasser wird
durch Ansaugung in einer vergaserähnlichen Düse 130 mit Eintauchrohr 131 injiziert. Die Feuchtigkeit wird in die Düse in Form
von Tröpfchen eingeführt, welche ihre Identität beibehalten, wenn sie durch die Expansionseinheit hindurchpassieren. Dabei
können die Tröpfchen aufgrund von weiterer Kondensation wachsen und sich in Eisstückchen verwandeln, wenn die Temperatur und der
Druck abfallen. Ein ähnliches Ergebnis läßt sich auch ohne Ansaugdüse einfach dadurch erzielen, daß der Wärmetauscher 45
entsprechend hoch montiert wird, so daß das Kondensat aufgrund seiner Schwerkraft zum Einlaß 43' der Expansionseinheit gelangt
und dort durch die vorbeilaufenden Flügel auseinander gerissen wird. Der Ausdruck "Ansaugung" sollte daher in einem so weiten
Sinne verstanden werden, daß auch diese Möglichkeit mit eingeschlossen ist. Wenn eine maximale Feuchtigkeit erforderlich
ist, kann die kalte, mit Eis beladene Luft einfach vom Auslaß 44' der Expansionseinheit direkt in den gekühlten Raum entlassen
werden, wie dies in Fig. 6 durch den Pfeil angegeben ist. Die Luft kann jedoch auch durch eine Leitung 62" zum Abscheider 60' geführt
werden, wo das Eis geschmolzen und das so gewonnene
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Wasser der Düse 92' über die Leitung 100' zugeführt werden kann.
In beiden Fällen erreicht man, daß der Wärmeaustauscher im abgeschlossenen
Zustand arbeiten kann.
Ein Vorteil der Aufgabe des im Wärmetauscher aufgesammelten Wassers durch Ansaugung o.dgl. in die Expansionseinheit liegt
darin, daß die Luft künstlich befeuchtet wird, was in Gebieten, die besonders heiß und trocken sind, günstig ist. Bei einer
anderen bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung kann die im
Wärmetauscher aufgesammelte Feuchtigkeit auch unter Druck zum Auslaß der Expansionseinheit und dort in die austretende Luft
eingesprüht werden. Eine solche Ausführungsform der Erfindung
ist in Fig. 7 dargestellt. Die Bezugszeichen bereits beschriebener Bauteile sind dort mit zwei Strichen versehen. Eine
Leitung 133 führt vom Sumpf 86" zu einer Düse 134 im Auslaß 44", Das Wasser wird an der Düse 134 aufgrund des im Wärmetauscher
herrschenden Druckes zu kleinen Tröpfchen zerrissen. Die Geschwindigkeit,
mit welcher das Wasser aus der Düse 134 austritt,
läßt sich durch ein in die Leitung 133 eingeschaltetes Drosselventil 135 steuern.
Im voranstehenden wurde die Erfindung im Zusammenhang mit in
"offener Bauweise" vorliegenden Ausführungsformen beschrieben,
bei denen das Arbeitsgas Luft und das 2usatzmedium Wasser war.
Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Mit zusätzlichen Vorteilen läßt sie sich auch auf Vorrichtungen in "geschlossener
Bauweise" anwenden, bei denen der zweite Wärmetauscher in ähnlicher Weise wie der erste Wärmetauscher 45
direkt, wie in Fig. 8 gezeigt, an den Auslaß der Expansionseinheit und den Einlaß der Kompressionseinheit angeschlossen
ist. Die Bezugszeichen bereits beschriebener Bauteile sind in
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Fig. 8 mit dem Buchstaben a versehen. Die "offene" und "geschlossene"
Bauweise sind in mancher Hinsicht einander ähnlich. Der Hauptunterschied besteht darin, daß die geschlossene Vorrichtung
gemäß Fig. 8 permanent mit einem Zusatzmedium beschickt werden kann, so daß keine Notwendigkeit besteht, Zusatzmedium
abzuziehen oder in frischer, flüssiger Form zuzuführen. Der Verteiler des Zusatzmediums kann aus zwei Teilen bestehen: Ein Ring
102a aus Schwamm oder anderem porösen Material ist kapillar mit einem Vorrat 104a von Zusatzmedium verbunden und ein Nadelventil
105a kann dazu dienen, die Düse 92a zu dem bereits erwähnten Zwecke zu steuern, d.h. das eine Zustandsänderung erfahrende
Zusatzmedium bei einem Maximum und die Menge der nicht umgewandelten Tröpfchen auf einem vernünftigen Niveau zu halten.
Die Ähnlichkeiten beim Betrieb der beiden Ausführungsformen
wird am besten dann sichtbar, wenn man annimmt, daß die Vorrichtung vor ihrem dichten Verschluß mit einer Mischung aus Luft und
Wasser beschickt wird, wobei überschüssiges Wasser im Sumpf 86a und im Vorrat 104a vorhanden ist. Wenn daher der Rotor 20a umläuft,
wird Luft in den Einlaß 41a hinter dem. wassergesättigten Ring 102a und der Düse 92a eingesaugt. Die jeweils zwischen benachbarten
Rotorflügeln eingeschlossene Luft-Wasser-Mischung wird allmählich komprimiert und gelangt durch den Auslaß 42a
in den ersten Wärmetauscher 45a, wo die Mischung bis nahezu auf Umgebungstemperatur abgekühlt und das meiste Wasser kondensiert
wird. Die Luft, welche immer noch im gesättigten Zustand ist, fließt nun in die Expansionseinheit und wird dort in den durch
die Rotorflügel bestimmten Abteilungen expandiert, wobei ein Temperaturabfall stattfindet, der von einer Kondensation der
Feuchtigkeit in Form von Eisstückchen begleitet ist. Der Luftstrom mit dem mitgeführten Eis gelangt in den zweiten Wärmetauscher
50a, der in dem zu kühlenden Raum angeordnet und mit
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diesem Raum durch die dargestellten Rippen und das Gebläse 55a
wärmemäßig verbunden ist. Innere Prallplatten 61a können dazu
dienen, im Wärmetauscher die Eisteilchen oder kaltenTröpfchen
aufzuhalten und somit den Wärmeübergang zu erleichtern. Die Prallplatten haben Abflußöffnungen 61b, die den Abfluß des
Wassers nach abwärts in die Leitung 71a und in den Vorrat 104a ermöglichen. Falls erwünscht/ kann die gesamte Leitung 71a mit
porösem Material ausgefüttert werden.
Da der Motor 56a, welcher das Gebläse 55a antreibt, eine Energie
verbraucht# die mit derjenigen des Motors 56 vergleichbar ist,
durch welche bei der früheren Ausführungsform das Gebläse angetrieben
wurde, sind im Hinblick auf die Energieerfordernis die beiden Systeme ziemlich dieselben. Der Hauptvorteil der geschlossenen
Bauweise liegt darin, daß sie es ermöglicht, eine größere Vielfalt von Gasen und Zusatzmedien zu verwenden, da
weder das Gas noch das Zusatzmedium in die offene Luft austritt und darüber hinaus die Vorrichtung auch mit Schmiermitteln
beschickt werden kann, die im ZusatSEiedium löslich oder mit
diesem mischbar sind, so daß die Möglichkeit einer konstanten Schmierung der Flügel 21a bis 30a vermittelt wird. Es lassen
sich beispielsweise dieselben, emulgierten Schmiermittel wie auch bei Werkzeugmaschinen verwenden. Jedes Gas ist für den
genannten Zweck geeignet, das bei den während des Betriebs der Vorrichtung auftretenden Temperaturen und Drücken nicht kondensiert!
jedes Zusatzmedium eignet sich, welches eine hohe Verdampf ungswärme, vorzugsweise in der Nähe derjenigen von Wasser,
hat und welches in der Lage ist, in der Kompressionseinheit rasch zu verdampfen und im Wärmetauscher und in der Expansionseinheit
rasch zu kondensieren. Bei Verwendung von Luft kann das Zusatzmedium beispielsweise in Form von Alkohol oder eines Kohlenwasserstoffes,
insbesondere Benzin, vorliegen. Beide Stoffe
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durchlaufen in praktisch anwendbaren Temperatur- und Druckbereichen
die erforderlichen Zustandsänderungen. Anstelle von Luft läßt sich z.B. auch Kohlendioxyd anwenden oder jedes andere
Gas, welches stabil, nichtkorrodierend ist sowie bei den auftretenden Temperaturen und Drücken nicht kondensiert. Auch jedes
Schmiermittel kann Anwendung finden, das mit dem Zusatzstoff mischbar oder in diesem lösbar ist, beispielsweise gewöhnliches
Schmieröl in gelöstem oder mischbarem Zustand. Erwünschtenfalls kann auch ein solches Zusatzmedium Anwendung finden, welches
inhärente Schmiereigenschaften neben seinen Verdampfungs- und Kondensationseigenschaften besitzt. Dem Fachmann ist es verständlich,
daß die Erfindung nicht auf die Verwendung eines herkömmlichen oder existierenden Stoffes als Zusatzmedium beschränkt
ist. Erhebliche Arbeit wurde bereits geleistet bei der Synthetisierung neuer Fluor-Kohlenwasserstoffverbindtmgen zu dem
Zweck, bestimmte Kenndaten bei der Zustandsänderung zu erreichen. Im Falle einer geschlossenen Bauweise der vorliegenden Vorrichtung
kann es beispielsweise günstig sein, ein Zusatzmedium zu
benutzen, welches zwischen etwa 37,8 und 93,3° C in einem Druck-
2
bereich von etwa 0,98 bis 3,52 kg/cm verdampft und im gleichen
bereich von etwa 0,98 bis 3,52 kg/cm verdampft und im gleichen
Druckbereich bei Temperaturen zwischen etwa 37,8 und -17,8° C
kondensiert. Es ist natürlich günstig, eine handelsübliche Substanz mit diesen Eigenschaften zu verwenden. Alternativ kann jedoch
ein Zusatzmedium auch als Einzelsubstanz oder als Kombination zweier Substanzen künstlich hergestellt werden, von denen jede
einzeln entweder während der Kompression oder der Expansion die entsprechende Wirkung entfaltet. Die Synthetisierung solcher
Substanzen liegt jedoch außerhalb der vorliegenden Erfindung.
Die hier beschriebene Erfindung ist in erster Linie dazu bestimmt,
mit kontinuierlich eingesprühtem Wasser zu arbeiten, so
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daß man den Vorteil hoher Kühlleistung und eines hohen Nutzeffektes
auf kontinuierlicher Basis erreicht. Die Erfindung läßt sich jedoch auch bei solchen Kompressions- und Expansionseinheiten einsetzen, die normalerweise im "Trockenzustand"
arbeiten, um dort beim Start eine kräftige und rasche Kühlung und Befeuchtung hervorzurufen. In Fig. 9 sind bereits beschriebene
Bauteile mit dem Buchstaben b versehen. Eine Kompressions-Expansionseinheit 10b arbeitet normalerweise mit trockener Luft
und ist mit einer einfachen Form eines Wärmetauschers 45b versehen, um am Auslaß 44b kalte Luft auszustoßen. Am Einlaß 41b
ist eine Düse 92b angeordnet, die so eingerichtet ist, daß mit ihrer Hilfe eine Ladung Wasser über einen manuell betätigten
Injektor 140 eingebracht werden kann. Der Injektor umfaßt einen Zylinder 141 mit Kolben 142 sowie einen Betätigungsgriff 143
und eine kräftige Rückholfeder 144.
Nach dem Ziehen des Griffes 143 wird Wasser aus einem Reservoir 145 über ein erstes Rückschlagventil 146 angesaugt. Ein zweites
Rückschlagventil 147 verhindert ein Rücksaugen von Luft durch
die Düse während der Füllphase des Zyklus beim Ziehen des Griffes 143.
Wenn der Zylinder 141 mit Wasser vollgefüllt ist, beispielsweise mit etwa 60 bis 90 cm ,läßt man den Griff 143 los. Die Rückholfeder
144 treibt nun das Wasser durch das zweite Rückschlagventil 147, wo es in Tröpfchenform durch die Düse 92b in den
Luftstrom gespritzt wird.
Bei praktischer Anwendung führt dies unmittelbar beinahe zu einer Verdopplung der Kühlleistung von z.B. 7.500 kcal pro
Stunde auf 12.600 kcal pro Stunde. Es ergibt sich ein unmittelbarer und kräftiger Temperaturabfall in einem Automobil, welches
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z.B. in der Sonne gestanden hat und dessen Temperatur bis zu
etwa 50° C oder mehr angestiegen ist. Die Düse 92b, der Kolben 142 und die Kraft der Feder 144 können so dimensioniert und
aufeinander abgestimmt werden, daß die Wasserinjizierung sich über einen Zeitraum von beispielsweise 15 bis 30 see erstreckt.
Aus Bequemlichkeitsgründen wird der Betätigungsgriff 143 so
montiert, daß er aus dem Armaturbrett des Automobils herausragt. Da die Rückschlagventile automatisch arbeiten, braucht lediglich der Griff 143 gezogen und wieder losgelassen zu
werden, worauf die Feder 144 alles weitere übernimmt. Das
Wasserreservoir 145 kann in ähnlicher Weise wie das Reservoir für eine Scheibenwaschanlage unter der Motorhaube angeordnet werden.
montiert, daß er aus dem Armaturbrett des Automobils herausragt. Da die Rückschlagventile automatisch arbeiten, braucht lediglich der Griff 143 gezogen und wieder losgelassen zu
werden, worauf die Feder 144 alles weitere übernimmt. Das
Wasserreservoir 145 kann in ähnlicher Weise wie das Reservoir für eine Scheibenwaschanlage unter der Motorhaube angeordnet werden.
Bei Betrieb in trockenem Klima, beispielsweise im Südwesten der Vereinigten Staaten von Amerika, wird die Befeuchtung, welche
den augenblicklichen Temperaturabfall begleitet, in gleicher
Weise als angenehm empfunden. In diesen Gebieten kann ein Kippventil 148, welches in das Innere des Automobils öffnet und
direkt dem Auslaß 44b zugeordnet ist, vorgesehen werden. Das Ventil 148 ist vorzugsweise über eine mechanische Verbindung 150 an den Bed^Lenungsgriff 143 angekoppelt, so daß das Ventil automatisch schließt, wenn der Betätigungsgriff 143 in seine Normallage zurückkehrt und umgekehrt. Bei feuchterem Klima
können die entstehenden Wasser- und Eisteilchen durch einen
Abscheider 60 zurückgehalten und die entstehende Flüssigkeit abgelassen werden. Diese Ausführungsform der Erfindung erlaubt somit die Anwendung einer einfachen und billigen Kompressor-Expandereinheit, ohne besondere Vorkehrungen für Wasser, jedoch mit den erfindungsgemäß erzielbaren Vorteilen beim Start der Anlage. Bei dieser Ausführungsform ist der Wärmetauscher 45b
direkt dem Auslaß 44b zugeordnet ist, vorgesehen werden. Das Ventil 148 ist vorzugsweise über eine mechanische Verbindung 150 an den Bed^Lenungsgriff 143 angekoppelt, so daß das Ventil automatisch schließt, wenn der Betätigungsgriff 143 in seine Normallage zurückkehrt und umgekehrt. Bei feuchterem Klima
können die entstehenden Wasser- und Eisteilchen durch einen
Abscheider 60 zurückgehalten und die entstehende Flüssigkeit abgelassen werden. Diese Ausführungsform der Erfindung erlaubt somit die Anwendung einer einfachen und billigen Kompressor-Expandereinheit, ohne besondere Vorkehrungen für Wasser, jedoch mit den erfindungsgemäß erzielbaren Vorteilen beim Start der Anlage. Bei dieser Ausführungsform ist der Wärmetauscher 45b
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vorzugsweise so angeordnet, daß er automatisch durch Schwerkraft
in den Einlaß 43 b der Expansionseinheit entwässert.
Der hier verwendete Ausdruck "Umgebung" ist so allgemein zu verstehen, daß er sowohl die Luft in dem abgeschlossenen,
klimatisierten Raum, frische Außenluft sowie eine Mischung dieser beiden umfaßt. Der Ausdruck "Flügel", wie er hier verwendet
wird, umfaßt in breitester Weise alle kammerähnlichen Abteilungen, die sich im Hinblick auf ihre Abmessungen allmählich
komprimieren und wieder vergrößern lassen, um auf diese Weise die erforderlichen Kompressions- und Expansionsfunktionen auszuüben. Der Ausdruck "Sprühmittel" umfaßt alle
Mittel, mit deren Hilfe eine Flüssigkeit in fein verteilter Form in Luft injiziert werden kann. Solche Mittel werden vorzugsweise
durch eine Düse oder einen kraftgetriebenen Zerstäuber realisiert. Es fallen unter diesen Ausdruck jedoch
auch passive Injektionsmittel, beispielsweise ein Schwamm oder andere poröse Elemente, die der Wirkung eines eintretenden Luftstroms
unterliegen. Der Ausdruck "Sumpf" umfaßt jede Art von Behälter oder Bereiche, in die ein Kondensat abläuft und von denen
aus es entnommen wird, sei es zum Zwecke der Rezirkulation oder des Ablassens.
Der Ausdruck "zweiter Wärmetauscher", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf jede Art von Anordnung, die am Auslaß
der Expansionseinheit angeordnet ist und einen Wärmeübergang zwischen der Luft in dem zu kühlenden Raum und der aus dem Auslaß
austretenden Luft hervorbringt. Im Falle der "geschlossenen Bauweise" handelt es sich um einen Wärmetauscher, wie er in
Fig. 8 mit dem Bezugszeichen 50a versehen ist. Bei "offener Bauweise" vermittelt die Mischkammer 53 und der poröse Abscheider
60 zusammen mit den Einrichtungen zur Induzierung eines durch
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sie hindurchgerichteten Luftstromes die Wärmetauscherfunktion; daher fallen diese Teile unter den Ausdruck "Wärmetauscher".
Jedes Wärmetauschermittel, selbst ein direkter Ausstoß in die Umgebungsluft, erfüllt die hier geforderten Bedingungen.
Obwohl es vorgezogen wird, eine Kompressions-Expansionseinheit zu verwenden, bei der ein Rotor mit einem Stator von ovaler
Querschnittsform zusammenwirkt, um auf diese Weise die Kompressions- und Expansionsbereiche zu bilden, ist die Erfindung
hierauf nicht beschränkt. Falls erwünscht, kann die Erfindung auch ausgeübt werden unter Verwendung eines getrennten, mit
Flügeln versehenen Kompressors und einer getrennten, mit Flügel versehenen Expansionseinheit, wobei jeweils entsprechende Einlasse
und Auslässe vorgesehen sind. Jede Vorrichtung mit einer gemeinsamen Welle und daran angeordneten Mittel zur Komprimierung
und anschließenden Expandierung eines Gases läßt sich bei Ausübung der Erfindung verwenden.
Der Ausdruck "Klimatisieren" bedeutet normalerweise "Kühlung".
Dennoch läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch dadurch als Wärmepumpe einsetzen, daß man den ersten Wärmetauscher 45a
in dem zu klimatisierenden Raum anordnet und einen zweiten Wärmetauscher 45a in der äußeren Umgebung; daher umfaßt der
Ausdruck "Klimatisierung" sowohl Erwärmung als auch Kühlung.
Obwohl die Erfindung in erster Linie im Zusammenhang mit derjenigen
bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, bei
der die Injizierung oder Einspritzung von Wasser oder eines anderen Zusatzmediums in solcher Menge und mit solcher Geschwindigkeit
erfolgt, daß eine Übersättigung der einströmenden Luft stattfindet, ist die Erfindung auf eine solche Übersättigung
nicht beschränkt. Die Vorteile der Erfindung ergeben sich
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dann - wenn auch in geringerem Maß -, wenn Wasser in solchem
Umfang eingegeben wird, daß nur Sättigung oder Untersättigung erreicht wird.
Die Betriebsbeschreibung der Kompressions-Expansionseinheit wurde stark vereinfacht. In der praktischen Anwendung ist es
vorteilhaft, die Kompressions- und Expansionsseiten der Einheit etwas unsymmetrisch auszubilden, so daß die Luftmasse, die sich
zwischen einem Flügelpaar befindet, welches die Luft in den Wärmetauscher 45 auf der Kompressionsseite drückt, im wesentlichen
gleich derjenigen Luftmasse zwischen einem Flügelpaar ist, welches die Luft auf der Expansionsseite aus dem Wärmetauscher
absaugt, so daß die Luftmenge im Wärmetauscher 45, d.h. der Druck in diesem Wärmetauscher, im wesentlichen über
eine bestimmte Zeitdauer hinweg konstant bleibt. Diese Bedingung läßt sich, wie in Fig. 1 gezeigt, leicht dadurch erfüllen,
daß man die Größe oder Lage des Auslasses 42 und des Einlasses 43 an ihren Verbindungspunkten mit den Abteilungen 23" bzw. 24'
voneinander verschieden ausbildet. Bei der dargestellten Ausführungsform weist der linke Rand des Auslasses 52 gegenüber
der Vertikalen einen größeren Winkel auf als der rechte Rand des Einlasses 43. Dieses Merkmal wird als Kompensation bezeichnet.
Die hier anhand einer Vorrichtung beschriebene Erfindung läßt sich auch als Verfahren auffassen und als solches darstellen.
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Claims (24)
1. !Vorrichtung zum Klimatisieren, bei der zwischen dem Auslaß
v— einer Kompressions- und dem Einlaß einer Expansionseinheit
ein erster Wärmetauscher angeordnet und mit dem Auslaß der Expansionseinheit ein zweiter, vom ersten isolierter Wärmetauscher
verbunden ist sowie an den Einlaß der Kompressionseinheit eine Zuleitung für ein bei den während des Betriebes
der Vorrichtung auftretenden Temperaturen und Drücken nicht kondensierendes Gas anschließt, welches in der Kompressionseinheit komprimier- und erwärmbar ist, im ersten Wärmetauscher
Wärme abgibt, in der Expansionseinheit expandier- und kühlbar ist sowie im zweiten Wärmetauscher Wärme absorbiert,
gekennzeichnet durch Mittel (92) am Einlaß (41) der Kompressionseinheit zum Einbringen eines fein verteilten Zusatzmediums
von hoher Wärmekapazität und Verdampfungswärme in das durch den Einlaß (41) strömende Gas, wobei dieses
Zusatzmedium zur Steigerung des Nutzeffektes der Vorrichtung dem Gas in der Kompressionseinhext Wärme entzieht und
in der Expansionseinheit eine Phasenänderung vom dampf- in den nichtdampfförmigen Zustand erfährt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressions- und Expansionseinheiten einen von einer gemeinsamen
Welle (32) getriebenen Rotor (20) aufweisen und daß am Rotor angeordnete Flügel (21 bis 30) Kammern (21' bis
301) begrenzen, die sich bei Rotation der Welle jeweils verkleinern
und vergrößern.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmedium in solcher Menge und mit solcher Ge-
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schwindigkeit einsprühbar ist, daß das in den Einlaß (41) der
Kompressionsexnheit eintretende Gas in den Zustand der Übersättigung gelangt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gas Luft und das Zusatzmedium Wasser ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß im ersten Wärmetauscher (45) ein Sumpf zur Ansammlung des kondensierten Zusatzmediums in flüssiger Form
vorgesehen ist und vom Sumpf zu den Sprühmitteln (92) eine Rückströmleitung (91) verläuft, durch die das kondensierte
Zusatzmedium unter Druck den Sprühmitteln wieder zuführbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rückströmleitung (91) ein die Strömungsgeschwindigkeit
regulierendes Ventil (93) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühmittel (92) das Zusatzmedium
mit solcher Geschwindigkeit versprühen, daß wenigstens ein Teil der gebildeten Tröpfchen in den ersten Wärmetauscher
(45) gelangt und hierdurch eine maximale Verdampfung des Zusatzmediums in der Kompressionseinheit gewährleistet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vocanstehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch Mittel (130, 131) zur überführung von kondensiertem Zusatzmedium in den aus dem ersten Wärmetauscher
(45) in die Expansionseinheit fließenden Gasstrom.
9. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch eine Leitung (133), welche den Sumpf (86")
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des ersten Wärmetauschers mit dem Auslaß (44") der Expansionseinheit
verbindet.
10. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sprühmittel (92) das Zusatzmedium zu Tröpfchen mit Durchmessern im Bereich von 0,01 bis
2.000 Mikrons zerreißen.
11. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch eine Ventilanordnung (110) zum Absperren der vom Sumpf (86) des ersten Wärmetauschers (45) zur Einlaßöffnung
(41) der Kompressionseinheit führenden Leitung (91) bei Absinken des Flüssigkeitsstandes im Sumpf unter ein vorbestimmtes
Niveau.
12. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch eine Ventilanordnung (120) zum Ablassen überschüssiger Flüssigkeit beim Ansteigen des Flüssigkeitsniveaus
im Sumpf (86) über eine vorbestimmte Höhe.
13. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Sprühmittel (92) eine Wasserquelle
angeschlossen ist.
14. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Wärmetauscher (45) Tropfenauffangmittel
(83) angeordnet sind, die plötzliche Richtungsänderungen (95, 96) des durchströmenden Gases hervorrufen.
15. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß des zweiten Wärmetauschers
(50a) in geschlossener Bauweise mit dem Einlaß (41a) der Kompressoreinheit verbunden ist.
-A-
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16. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch Mittel (60) zum Auffangen und Schmelzen festen Zusatzmediums in dem die Expansionseinheit verlassenden
Gasstrom.
17. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch Mittel (94, 103) zum Abführen des im Wärmetauscher (45) bzw. in dem die Expansionseinheit verlassenden
Gasstrom enthaltenen Wassers.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das abgeführte Wasser den Sprühmitteln (92) zuleitbar ist.
19. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühmittel (92) als Düse ausgebildet
und kraftgetriebene Zerstäubermittel (A, 0) vorgesehen sind, welche die aus der Düse austretenden Tröpfchen feiner
verteilen.
20. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wärmetauscher (50) Luft in
einen zu kühlenden Raum abgibt und daß im Weg der Luft ein Abscheider (60) zum Ausfiltern von Wasser- und Eisteilchen
angeordnet ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch Mittel (54) zum Heranführen von ümgebungswärme an den Abscheider
(60) .
22. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmedium ein in ihm lösbares oder
mit ihm mischbares Schmiermittel enthält.
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m - 150
25. April 1975 --β·-
23. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch Mittel (140) zum vorübergehenden, durch eine
von Hand betätigte Einrichtung ausgelösten überführen von
Wasser aus einem Reservoir (145) zum Sprühmittel (92b).
24. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch Mittel (60, 61a) zum Auffangen des in der Kühlluft enthaltenen Wassers und durch ein poröses Element
(102, 102a) am Einlaß (41) der Kompressoreinheit sowie durch eine Leitung (100, 71a) zur überführung des aufgefangenen
Wassers zu dem porösen Element.
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