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Verfahren und Vorrichtung zur Optimierung
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der Reifung und Trocknung von Wurst, Schinken o. ä. Lebensmitteln
Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Optimierung
der Reifung und Trocknung von Wurst, Schinken o. ä. Lebensmitteln, wobei dem zu
behandelnden Gut durch die Zufuhr von ggf. konditionierter Luft Wasser entzogen
wird, bis der gewünschte Trocknungs- und Reifegrad erreicht ist.
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Bei der Reifung und Trocknung von Nahrungsmitteln, insbesondere von
Rohwurst, Rohschinken u. ä. Gütern der fleischverarbeitenden Industrie werden klimatisierte
Anlagen verwendet, die dazu dienen, die Luftfeuchtigkeit und die Lufttemperatur
im Behandlungsraum im Laufe der Zeit abzusenken,
damit das zu behandelnde
Gut einer allmählichen Trocknung unterworfen wird und im Laufe der Zeit seine Feuchtigkeit
abgibt. Zu diesem Zweck werden Luft, ggf. konditionierte Luft oder Rauch durch den
Behandlungsraum geleitet, wobei dies vom jeweiligen Produkt und der Prozeßphase
abhängen wird.
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Da das zu behandelnde Gut während des gesamten Prozesses Feuchtigkeit,
also Wasser, an die Umgebungsluft abgibt, muß die Umgebungsluft ständig entfeuchtet
werden, damit sie in der Lage ist, weiteres Wasser aufzunehmen. Wenn einerseits
die Feuchtigkeit nicht aus dem zu behandelnden Gut abgeführt wird, wenn z. B. die
Umgebungsluft selbst zu feucht ist, so wird sich in nachteiliger und fehlerhafter
Weise eine Keimflora im Gut und am Rand des Gutes entwickeln, so daß es zu Fäulnis
und zur Bildung von unerwünschten Hefe- und Schimmelkulturen kommt, die wiederum
Mykotoxine bilden können.
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Wenn andererseits die Feuchtigkeit zu rasch aus dem zu behandelnden
Gut abgeführt wird, so kann in nachteiliger Weise der Effekt eintreten, daß die
Feuchtigkeit bzw. das Wasser nicht rasch genug aus dem Inneren des Gutes nachströmen
kann. In der Folge werden die Randzonen des Gutes zu stark austrocknen und sich
verdichten, so daß das im Inneren bzw. im Kern des Gutes verbleibende Wasser nur
noch verzögert nach außen dringen kann. Eine derartige Verzögerung der Feuchtigkeitsabführung
kann jedoch ebenfalls zu erheblichen bakteriologischen Fehlentwicklungen im Gut
führen und damit sowohl eine Wertminderung als auch häufig den Verderb des Gutes
zur Folge haben.
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Aus den genannten Gründen müssen daher die Luftfeuchtigkeit und die
Temperatur in den Behandlungsräumen so eingestellt und geregelt werden, daß sie
dem Trocknungs- und Reifegrad des zu behandelnden Gutes entsprechen. In der
Praxis
wird dabei so vorgegangen, daß die frischen Rohwürste, Rohschinken od. dgl. zunächst
in Klimakammern auf Temperaturen in der Größenordnung von 15 OC - 25 0C erwärmt
werden, wobei man dann den Reifungs- und Trocknungsprozeß in den nordeuropäischen
Ländern bei einer Temperatur in der Größenordnung von 22 OC - 25 0C beginnen läßt
und die relative Luftfeuchtigkeit zu Beginn der Behandlung auf einem Wert von ungefähr
95 % Luftfeuchtigkeit hält. Im Laufe des Trocknungsprozesses werden die Temperaturen
dann auf etwa 14 0C - 16 OC abgesenkt. Auch wenn in verschiedenen Ländern, klimatisch
bedingt, mit unterschiedlichen Temperaturen gearbeitet wird, liegen die Behandlungstemperaturen
in Europa etwa im Bereich von 14 0C - 28 °C.
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Die Dauer der Startphase des Trocknungsprozesses liegt in der Größenordnung
von ungefähr 5 - 7 Tagen, in denen die Lufttemperatur und die Luftfeuchtigkeit stufenweise
abgesenkt werden und man sich herkömmlicherweise nach Erfahrungswerten richtet.
Beispielsweise kann ein typischer Rohwurst-Reifungsprozeß im nordeuropäischen Raum
in der Weise ablaufen, daß die nachstehenden Werte für die Temperatur und die relative
Luftfeuchtigkeit eingehalten werden: relative Luft-Zeit Temperatur feuchtigkeit
1. Tag 24 oO C 95 % 2. Tag 22 0C 92 % 3. Tag 22 0 90 % 4. Tag 20 0 88 % 5. Tag 20
oC 86 % 6. Tag 18 0 84 % Diese Werte geben lediglich ungefähre Größenordnungen an.
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In Abhängigkeit von unterschiedlichen Rezepturen, Körnungen, Beimengung
von Salzen, Zuckerstoffen, vorhandenen Starterkulturen sowie verwendeten Hüllen
für das Gut kön-
nen auch andere spezielle Temperatur- und Feuchtigkeitswerte
durchlaufen werden.
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Anschließend wird das so vorgereifte Gut in einen klimatisierten Raum
zur Nachreifung gebracht, wo es bei konstanter Temperatur und Luftfeuchtigkeit so
lange lagert, bis der gewünschte Eintrocknungsgrad des Gutes erreicht ist.
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Zur Durchführung der Reifungs- und Trocknungsprozesse werden die Reife-
und Nachreifeanlagen für derartige Güter üblicherweise mit Luftaufbereitungsaggregaten
ausgerüstet, in denen die Behandlungsluft in Abhängigkeit vom Bedarf beheizt, gekühlt,
getrocknet und/oder befeuchtet wird. In vielen Anlagen wird dabei mit Umluft gearbeitet,
wobei teilweise auch Außenluft dem umgewälzten Umluftstrom beigemischt wird.
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Bei Anlagen, die mit reinem Umluftbetrieb arbeiten, werden das Wasser
bzw. die Feuchtigkeit dadurch aus der Luft entfernt, daß man die Luft mit einem
Kühler abkühlt. Das dabei ausfallende Wasser wird beispielsweise an Tropfenabscheidern
ausgeschieden. Da bei diesem Vorgang auch die Lufttemperatur absinkt, muß der Umluftstrom
anschließend wieder in einem Lufterhitzer erwärmt werden. Das bedeutet, daß sowohl
für die Kühlung zur Taupunktunterschreitung als auch zur anschließenden Wiedererwärmung
Energie aufgewendet werden muß.
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In geschlossenen Umluftanlagen wird die Befeuchtung nur dann arbeiten,
wenn in großen Behandlungsräumen nur relativ geringe Mengen des Behandlungsgutes
behandelt werden und aus diesem Grunde deren Wasserabgabe nicht ausreicht, um die
Luft auf den erforderlichen Feuchtewert zu befeuchten. Wenn dem Umluftstrom ein
Frischluftanteil aus der Außenluft zugefügt wird, so ist einsichtig, daß dann der
Beheizungs-, Kühlungs-, Befeuchtungs- und Entfeuchtungs-
bedarf
zusätzlich von dem sich ständig ändernden Außenklima abhängen wird.
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In derartigen Behandlungsanlagen werden bei zu hoher Temperatur die
Kühlung und bei zu niedriger Temperatur die Heizung eingeschaltet. Wenn die Luftfeuchtigkeit
zu gering ist, so wird die Luft vorzugsweise mit Dampf befeuchtet; wenn die Luftfeuchtigkeit
andererseits zu hoch ist, erfolgen eine Entfeuchtung der Luft durch Kühlung und
Taupunktunterschreitung und eine anschließende Wiedererwärmung der Luft durch Einschalten
der Heizung. Es erscheint einsichtig, daß dazu erheblicher Energieaufwand erforderlich
ist, wobei der wesentliche Teil des Energieaufwandes der Trocknung der durch das
Behandlungsgut befeuchteten Luft gilt, also der Entfeuchtung des Behandlungsgutes.
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Die Beheizung der Anlagen erfolgt meistens mit Dampf oder Heißwasser,
wobei die Dosierung des Heizmediums durch Auf-Zu-Ventile oder durch proportional
wirkende Regelventile erfolgt. Die Befeuchtung der Luft wird üblicherweise mit Dampf
vorgenommen, der ebenfalls durch Auf-Zu-Ventile oder proportional wirkende Regelventile
dosiert wird.
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Die Kühlung der Luft zur Temperaturabsenkung und zur Luftentfeuchtung
erfolgt in den meisten Fällen durch direkte Verdampfung von Kältemitteln, wie z.
B. Chlorkohlenwasserstoffen oder Ammoniak. Dabei werden die Kühler oft in mehrere
Stufen aufgeteilt, um ein stufenweises Ein- und Ausschalten zu ermöglichen. In bestimmten
Fällen wird zur Kühlung auch Sole verwendet, die wiederum das Dosieren der Kälteleistung
durch proportional geregelte Ventile ermöglicht.
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Die Anlagen der angesprochenen Art arbeiten im Hinblick auf den Energiebedarf
mit sehr hohen Verlusten, die einer-
seits durch unzureichende
Regelanlagen und andererseits durch unzureichende Abfuhr des ausgetauten Wassers
entstehen.
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Verluste durch unzureichende Regelanlagen entstehen dadurch, daß sowohl
Auf-Zu-Regelungen als auch Proportionalregelungen Über- und Unterschreitungen hervorrufen,
wobei zu berücksichtigen ist, daß bei Proportionalregelungen zum Erreichen der erforderlichen
Genauigkeit sehr enge Proportionalbereiche benötigt werden. Bei zu niedriger Temperatur
wird z. B. die Heizung eingeschaltet, wobei durch die Trägheit bzw. Halbwertzeit
des Temperaturfühlers das Erreichen des Temperatur-Sollwertes erst verspätet signalisiert
wird. Dadurch wird das Heizungsventil verspätet geschlossen, die Luft zu stark erwärmt
und dadurch wiederum das Einschalten der Kühlung ausgelöst. Durch das Einschalten
der Kühlung wird aber nicht nur die Temperatur der Luft abgesenkt, sondern auch
ihre Feuchtigkeit.
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In der Folge schaltet nun die Befeuchtung ein, die ihrerseits durch
den Einfluß auf den Temperaturverlauf den Betrieb der Heizung (wenn die Befeuchtung
durch Wasser erfolgt) oder der Kühlung (wenn die Befeuchtung durch Dampf erfolgt)
anfordert.
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Diese Vorgänge wiederholen sich ständig, so daß stets eine große Energiemenge
verbraucht wird, ohne daß diese für die Durchführung des eigentlichen Reifungsprozesses
erforderlich wäre. Vielmehr wird diese Energie lediglich zum Ausgleich der Schwingungen
beim Regelvorgang aufgewendet.
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Ferner sind noch Energieverluste durch unzureichende Wasserabführung
zu berücksichtigen, denn das ausgetaute Wasser wird vom Luftstrom teilweise wieder
mitgerissen und an dem nachgeschalteten Lufterhitzer wieder verdampft oder im Kanalsystem
der Anlage verdunstet, so daß dem Luftstrom zusätzliche Energie entzogen wird. Obwohl
das Wasser nun
in unerwünschter Weise wieder als Dampf in der umgewälzten
Luft enthalten ist, wurde zu seiner Abscheidung bereits beträchtliche Energie aufgewendet,
nämlich zur Kühlung des Luftstromes zur Abscheidung, zur Wiedererwärmung des Luftstromes
auf seine Solltemperatur und zur Verdunstung oder Verdampfung des wieder mitgerissenen
Wassers im Lüftungssystem. Auch wenn in solchen Anlagen zum Teil Tropfenabscheider
verwendet werden, ist für diese eine Wartung und Reinigung erforderlich, um gute
Abscheideergebnisse zu erzielen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß mit wesentlich geringerem
Energieaufwand gearbeitet werden kann und gleichwohl eine schonende und gleichmäßige
Behandlung des Gutes gewährleistet ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß während der Behandlung
des Gutes kontinuierlich die relative Feuchte und die Temperatur im Behandlungsraum
gemessen und mit vorgegebenen Sollwerten verglichen werden, daß in Abhängigkeit
von einer Überschreitung bzw. Unterschreitung der vorgegebenen Temperatur- und Feuchte-Sollwerte
die Temperatur und/oder die Feuchte im Behandlungsraum erniedrigt bzw. erhöht werden,
und daß zur Regelung der Temperatur und/oder Feuchte im Behandlungsraum die umgewälzte
Umluft zunächst mit einem Außenluftstrom vermischt wird und erst dann, wenn dieser
zum Ausgleich der Störungen bzw. Abweichungen nicht ausreicht, eine zusätzliche
Beeinflussung von Temperatur und/oder Feuchte der Umluft erfolgt, um die Abweichungen
von den Sollwerten auszugleichen.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird somit in vorteilhafter Weise
der Zustand der Außenluft ständig daraufhin untersucht, ob diese Außenluft zur Kühlung,
Heizung, Trocknung und Befeuchtung der Umluft durch Vermischung
mit
ihr geeignet ist. Es erscheint einsichtig, daß bei geeigneter Zufuhr des Außenluftstromes
erhebliche Energieeinsparungen vorgenommen werden können, wenn dadurch die Aggregate
für Kühlung, Heizung und Befeuchtung weniger häufig arbeiten.
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In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
vorgesehen, daß die umgewälzte Umluft dosiert und kontinuierlich mit dem Außenluftstrom
vermischt wird. Damit wird erreicht, daß keine unkontrollierte Zumischung der Außenluft
erfolgt; vielmehr findet eine Auswahl unter dem Aspekt statt, ob die Außenluft zur
Trocknung und/oder Kühlung der Umluft geeignet ist. Je genauer diese Beurteilung
ist, um so höher werden die Einsparungen an Energie und der damit verbundenen Kosten
bei der Behandlung sein.
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Für den Fall, daß die Zumischung der Außenluft nicht ausreichend ist,
um die Umluft in der erforderlichen Weise aufzubereiten, ist weiterhin vorgesehen,
daß die umgewälzte Umluft vor ihrer Rückführung in den Behandlungsraum mit einer
Heizung und/oder einer Befeuchtung und/oder einer Kühlung behandelt wird, um die
Behandlung insgesamt nicht in Frage zu stellen. Dennoch wird selbstverständlich
zunächst das Potential des Außenluftstromes voll genutzt, bevor diese Zusatzaggregate
eingeschaltet werden.
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Die Messung des Zustandes der Luft im Behandlungsraum wird zweckmäßigerweise
mit einem (Doppel-)Widerstandsthermometer und einem Widerstandsthermometer mit Feuchtedocht
gemessen, um die Temperatur und Luftfeuchtigkeit zu bestimmen. Die erhaltenen elektrischen
Ausgangssignale können in einfacher und rascher Weise weiterverarbeitet werden.
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Ferner erweist es sich als zweckmäßig, die Temperatur-
und
Feuchtewerte der Umluft für den Behandlungsraum mit Proportional-Integral-Reglern
zu regeln, da auf diese Weise ein zeitlich besonders günstiges Regelverhalten erzielt
wird und geringe Schwingungen beim Regel vorgang eintreten.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Regelbereiche für die
Temperatur- und Feuchtewerte der Umluft jeweils zweckmäßigerweise in drei Arbeitsbereiche
unterteilt, wobei im ersten Bereich mit Zusatzaggregaten beheizt bzw.
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befeuchtet, im zweiten Bereich durch den Außenluftstrom gekühlt bzw.
entfeuchtet und im dritten Bereich mit einem Kühlaggregat gekühlt bzw. entfeuchtet
wird. Diese Arbeitsbereiche entsprechen bestimmten Temperatur- und Feuchte-Intervallen,
wobei mit besonders geringem Energieaufwand gearbeitet werden kann, wenn sich das
System im zweiten Bereich befindet.
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Dabei werden zur Regelung der Umluft ständig die beiden Ausgangssignale
der Regler für Temperatur und Feuchte verglichen, wobei das niedrigere Ausgangssignal
der Regler Priorität hat und zur Ansteuerung der Außenluftzufuhr dient.
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Wenn in Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Mischungsverhältnis
von umgewälzter Umluft und zugeführter Außenluft in vorgegebenen Zeitintervallen
überprüft wird, so wird dadurch sichergestellt, daß nicht mit einer starren Einstellung
des Systems gearbeitet wird; vielmehr kann geänderten äußeren Bedingungen Rechnung
getragen und damit eine gleichmäßige Behandlung des Gutes gewährleistet werden.
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Dabei wird die Überprüfung des Mischungsverhältnisses von Umluft und
Außenluft beispielsweise dann eingeleitet werden, wenn die Regelung für die Umluft
aus dem zweiten Arbeitsbereich in den ersten Bereich oder in den dritten Be-
reich
übergeht. Dadurch kann in vorteilhafter Weise vermieden werden, daß ein Kühl- oder
Trocknungsbedarf etwa nur dadurch verursacht wird, daß ungeeignete Außeniuft mit
der Umluft vermischt wird.
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Zur Überprüfung der umgewälzten Umluft erweist es sich als zweckmäßig,
wenn während einer ersten Zeitspanne der Verlauf der Temperatur- und Feuchtewerte
gemessen und gespeichert, während einer zweiten Zeitspanne bei abgeschalteter Außenluftzufuhr
der Verlauf der Temperatur-und Feuchtewerte ebenfalls gemessen und gespeichert und
anschließend die gespeicherten Meßwerte miteinander verglichen werden. Auf diese
Weise kann rasch festgestellt werden, ob sich die Zuführung der Außenluft positiv
oder negativ bemerkbar macht, so daß entsprechende Korrekturen vorgenommen werden
können.
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Wenn während der Überprüfung sämtliche Stellglieder in ihren jeweiligen
Stellungen festgehalten werden, ist eine zuverlässige Überprüfung gewährleistet
und der Einfluß von sonstigen Parametern ausgeschaltet.
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Zur optimalen Energieeinsparung wird man in den Fällen, wo Feuchte-
und Temperaturabsenkung mit Außenluftzufuhr rascher erfolgen als ohne Außenluftzufuhr,
die weitere Behandlung mit Außenluftzufuhr vornehmen.
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Andererseits wird man in den Fällen, wo Feuchte- und Temperaturabsenkung
ohne Außenluftzufuhr rascher erfolgen als mit Außenluftzufuhr, die weitere Behandlung
bis zur nächsten Überprüfung ohne Außenluftzufuhr vornehmen.
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Des weiteren wird man nach einer Periode der Behandlung mit abgeschalteter
Außenluftzufuhr zur Überprüfung der geltenden Verhältnisse die Außenluftzufuhr für
die Dauer eines Meßintervalles auf einen vorgegebenen Wert einschalten und die so
gemessenen Werte für Temperatur und Feuchte
mit denen bei abgeschalteter
Außenluftzufuhr vergleichen.
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Dadurch wird gewährleistet, daß bei geänderten äußeren Bedingungen
zu einem günstigen Zeitpunkt die Zusatzaggregate wieder abgeschaltet werden können,
wenn die Außenluft wieder die erforderlichen Eigenschaften besitzt.
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Wenn beim erfindungsgemäßen Verfahren die Dauer der Überprüfungsmessungen
in der Größenordnung von 1 Minute liegt, so ist damit eine ausreichend zuverlässige
Messung gewährleistet, ohne daß die Behandlung des Gutes selbst erheblich gestört
würde.
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Die Überprüfungen der umgewälzten Umluft können in vorgegebenen, ggf.
unregelmäßigen Zeitabständen in der Größenordnung von 1 - 5 Stunden erfolgen, vorzugsweise
etwa alle 2 Stunden, um rasch genug optimale Bedingungen im Behandlungsraum beizubehalten.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß im
Behandlungsraum mindestens ein Temperaturmeßfühler und ein Feuchtemeßfühler angeordnet
sind, deren Meßsignale als Temperatur-Istwerte bzw. Feuchte-Istwerte in Reglern
mit vorgegebenen Temperatur- und Feuchte-Sollwerten von Sollwertstellgliedern verglichen
werden, und daß die Regler über einen zentralen Rechner an eine Kühlung, eine Befeuchtung,
eine Heizung und eine Außenluftversorgung angeschlossen sind, mit denen die Umluft
vor ihrer Rückführung in den Behandlungsraum behandelt wird.
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Zweckmäßigerweise werden die Temperaturmeßfühler und Feuchtemeßfühler
jeweils über Meßumformer an ihre Regler angeschlossen sein, um mit kleinen Spannungen
arbeiten zu können. Zu diesem Zweck wird man (Doppel-)Widerstandsthermometer und
Widerstandsthermometer mit Feuchtedocht für die Temperatur- und Feuchtemessung verwenden.
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Die Sollwertstellglieder sind zweckmäßigerweise mit Speichern für
zeitabhängige Temperatur- und Feuchte-Sollwerte ausgerüstet und nicht nur an die
jeweiligen Regler, sondern auch an den zentralen Rechner angeschlossen.
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Für die gleichmäßige Aufbereitung der Umluft erweist es sich als zweckmäßig,
wenn die Ausgänge des Rechners über Stellmotoren an Stellventile in den Zuführungsleitungen
von Kühlung, Befeuchtung, Heizung und Außenluftversorgung angeschlossen sind. Dabei
wird, wie oben bereits erwähnt, zunächst einmal der Arbeitsbereich der Außenluftversorgung
voll ausgenutzt, bevor die anderen Zusatzaggregate zur Luftaufbereitung eingesetzt
werden.
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Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale
und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme
auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 eine
vereinfachte schematische Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig.
2 eine schematische Darstellung der wesentlichen Elemente und Baugruppen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Temperatur- und Feuchteregelung; Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung
der Arbeitsbereiche bei der Temperaturregelung; und in Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung
der Arbeitsbereiche bei der Feuchteregelung.
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Nachstehend soll zunächst die Wirkungsweise der Gesamtvorrichtung
anhand von Fig. 1 erläutert werden. Im Behandlungsraum 10 gibt das nicht dargestellte
Behandlungsgut Wasser bzw. Feuchtigkeit an die mit einem Pfeil angedeu-
tete
Umluft ab. Am Ausgang des Behandlungsraumes 10 werden die Temperatur und die Feuchte
der Luft mit einem Temperaturmeßfühler 12 bzw. einem Feuchtemeßfühler 14 gemessen.
Anschließend verläßt die Umluft den Behandlungsraum 10 über die Leitung 16 und durchströmt
nacheinander einen Kühler 20, einen Tropfenabscheider 22, einen Erhitzer 24 sowie
einen Ventilator 26, der die Umluft über die Rückleitung 18 wieder in den Behandlungsraum
10 zurückbringt. Die aus dem Behandlungsraum 10 entweichende Abluft ist schematisch
mit dem Bezugszeichen 11 angedeutet.
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Während dieses Strömungsvorganges kühlt sich die Umluft beim Durchgang
durch den Kühler 20 und den Tropfenabscheider 22 ab, wird anschließend im Erhitzer
24 wieder erwärmt und auch vom Ventilator 26 weiter erwärmt, bis die Umluft wieder
in den Behandlungsraum 10 gelangt. Um den Energieaufwand möglichst gering zu halten,
ist an die Ausgangsleitung 16 eine Außenluftversorgung 28 über ein Stellventil 29
angeschlossen, das von einem Stellmotor 30 beaufschlagt ist. Durch geeignete Zumischung
von Außenluft kann der Betrieb der zusätzlichen Aggregate reduziert und dadurch
Energie eingespart werden.
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Anhand von Fig. 2 wird nachstehend erläutert, wie eine optimierte
Beaufschlagung und Regelung der Umluft bei reduziertem Energieaufwand realisiert
werden kann. Am Ausgang eines Behandlungsraumes 40 erkennt man einen Temperatur-Meßfühler
42 und einen Feuchte-Meßfühler 44. Der Temperatur-Meßfühler 42 kann zweckmäßigerweise
als (Doppel-) Widerstandsthermometer ausgebildet sein, während man für den Feuchte-Meßfühler
44 ein Widerstandsthermometer mit Feuchtedocht verwenden wird. Auch wenn es in der
Zeichnung nicht eigens dargestellt ist, können selbstverständlich auch mehrere Temperatur-Meßfühler
42 sowie Feuchte-Meßfühler 44 vorgesehen werden, um gemittelte Werte zu erhalten
und
diese in der anschließenden Schaltung zu verarbeiten.
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Der Temperatur-Meßfühler 42 ist an einen ersten Meßumformer 46 angeschlossen,
während der Feuchte-Meßfühler 44 an einen zweiten Meßumformer 48 und parallel dazu
an den ersten Meßumformer 46 angeschlossen ist. Die Meßumformer 46, 48 wandeln die
Widerstandssignale jeweils in Gleichspannungssignale zwischen 0 und 10 Volt um,
wobei diese Gleichspannungssignale Temperaturen von 0 OC - 60 OC bzw.
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0 O ° - 6 ° psychrometrischer Differenz entsprechen. Die beiden Meßumformer
46 und 48 sind über Leitungen 47 und 49 an Regler 50 bzw. 52 angeschlossen.
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Als zweites Eingangssignal erhalten die beiden Regler 50 und 52 für
Luftfeuchtigkeit bzw. Temperatur Sollwerte von Sollwertstellgliedern 54 bzw. 56.
Diese Sollwertstellglieder 54 und 56 sind außerdem direkt an einen zentralen Rechner
60 angeschlossen. Dieser Rechner 60 erhält außerdem die gemessenen Temperatur- und
Feuchte-Istwerte von den Meßumformern 46 und 48 über die Leitungen 47 und 49.
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Ferner erhält der Rechner 60 die beiden Ausgangssignale der Regler
50 und 52. Die Leitungen für die Zuführung der jeweiligen Eingangssignale sind in
Fig. 2 mit den Bezugszeichen 47, 49, 51, 53, 55 und 57 bezeichnet.
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An den Behandlungsraum 40 ist ein Luftaufbereitungsaggregat 90 angeschlossen,
und zwar über eine Ausgangsleitung 91 und eine Rückleitung 92. Das Luftaufbereitungsaggregat
90 ist seinerseits an eine Kühlung 62, eine Heizung 64, eine Befeuchtung 66 und
eine Außenluftversorgung 68 angeschlossen. Die Einwirkung dieser Aggregate hängt
von der Stellung der jeweiligen Stellventile 72, 74, 76 und 78 ab, die von Stellmotoren
82, 84, 86 und 88 gesteuert sind.
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Die Ansteuerung der Stellmotoren 82, 84, 86 und 88 erfolgt
vom
zentralen Rechner 60, und zwar über dessen Ausgangs-Steuerleitungen 61, 63, 65 und
67.
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Bei der Anordnung gemäß Fig. 2 handelt es sich dabei um eine schematische
Darstellung, die Realisierung kann in der Praxis auch anders erfolgen. Beispielsweise
kann die Kühlung 62 mehrere Ausgänge oder Kühlventile besitzen, um eine unterschiedlich
starke Kühlung vorzunehmen, wie es den unterschiedlichen Schaltpunkten K1 und K2
der Kühlung entspricht, die in Fig. 3 und 4 schematisch angedeutet sind.
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Es darf darauf hingewiesen werden, daß auch die beiden Sollwertstellglieder
54 und 56 für Temperatur und Feuchte Gleichspannungssignale im Bereich von 0 - 10
Volt für die beiden Regler 50 und 52 liefern, und zwar für O 0C - 60 OC bzw. 0 °
- 6 ° psychrometrische Differenz. Die Ausgangssignale der beiden Regler 50, 52 im
Bereich von 0 - 10 V Gleichspannung werden über den Rechner 60 auf die jeweiligen
Stellventile 72 bis 78 der Stellmotoren 82 bis 88 gegeben.
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Der Rechner 60 wählt das Signal mit niedrigerem Pegel für Kühlung
oder Entfeuchtung aus und gibt es auf den entsprechenden Stellmotor und den Ausgang
für die Kühlung bzw.
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die Kühiventile. Während der Durchführung von Vergleichsmessungen
hält der Rechner 60 die Ausgangssignale für sämtliche Stellglieder konstant und
speichert die Änderungen der Temperatur und der Feuchte bei geöffneter und geschlossener
Außenluftversorgung 68. Der Rechner 60 vergleicht die Meßergebnisse und gibt die
Außenluftversorgung entweder frei oder schließt diese, und zwar in Abhängigkeit
vom jeweiligen Meßergebnis. Außerdem enthält der Rechner 60 einen Zähler für die
Zeit, damit in vorgegebenen Zeitabständen Vergleichsmessungen durchgeführt werden
können, wenn die Außenluftversorgung 68 abgeschaltet bleibt.
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Die Fig. 3 und 4 zeigen Diagramme zur Erläuterung der Steuerung von
Temperatur und Feuchte. In beiden Fällen liegt der Arbeitsbereich des Stellmotors
88 für das Stellventil 78 der Außenluftversorgung 68 zwischen 2 Volt und 6 Volt
Gleichspannung. Bei einem Pegel von 2 Volt ist die Außenluftklappe der Außenluftversorgung
68 voll geöffnet und bei einem Pegel von 6 Volt ganz geschlossen. Im Bereich von
6 Volt - 10 Volt arbeiten die Befeuchtung 66 und die Heizung 64. Ihre Stellventile
74 bzw. 76 sind bei einem Pegel von 6 Volt Gleichspannung geschlossen und bei einem
Pegel von 10 Volt voll geöffnet.
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Im Bereich von 0 - 2 Volt Gleichspannung von den Proportional-Integral-Reglern
50 und 52 arbeitet die Kühlung 62, wobei die Schaltpunkte für die Kühlung 62 mit
K1 und K2 in Fig. 3 und 4 angegeben sind.
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Bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung werden die Temperatur
und die Feuchte ständig in dem Behandlungsraum 40 gemessen. Die Meßsignale werden
über die Meßumformer 46 und 48 jeweils auf den Temperaturregler 52 bzw. den Feuchteregler
50 gegeben, die gleichzeitig die Sollwertsignale von den Sollwertstellgliedern 56
bzw. 54 erhalten. Die Regler 50 und 52 liefern dann in Abhängigkeit von der Differenz
zwischen den Sollwerten und den gemessenen Istwerten Ausgangssignale im Bereich
zwischen 0 und 10 Volt Gleichspannung , wobei diese Gleichspannungssignale sich
proportional-integral verhalten.
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Der Arbeitsbereich zwischen 6 und 10 Volt dient im Temperaturregelkreis
der Beheizung und im Feuchteregelkreis der Befeuchtung. Der Arbeitsbereich zwischen
6 Volt und 2 Volt Gleichspannung dient in den beiden Regelkreisen der Kühlung bzw.
der Entfeuchtung der Umluft, und zwar durch die Beimischung von Außenluft, die über
die Außenluftversorgung zugeführt wird. Der Arbeitsbereich unterhalb von 2 Volt
Gleichspannung dient schließlich der Küh-
lung bzw. Entfeuchtung
der Umluft durch die angeschlossene Kühlung 62.
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Durch diese Aufteilung der Ausgangssignale der beiden Regler 50 und
52 und das Proportional-Integral-Verhalten der Ausgangssignale ist gewährleistet,
daß die maschinelle Kühlung 62 erst einschaltet, wenn das Ausgangssignal den Arbeitsbereich
von 2 - 6 Volt Gleichspannung für den Stellmotor der Außenluftversorgung 68 unterschritten
hat. Dabei öffnet der Stellmotor 88 das Stellventil 78 der Außenluftversorgung in
zunehmendem Maße mit fallender Regelspannung.
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Das Stellventil 78 ist bei einer Regelspannung von 6 Volt noch geschlossen
und bei einer Regelspannung von 2 Volt voll geöffnet.
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Erst wenn der volle Außenluftstrom nicht mehr ausreicht, um die Umluft
auf ihren Sollwert zu bringen, wird das Regelsignal weiter abfallen und dafür sorgen,
daß nacheinander die maschinellen Kühlstufen der Kühlung 62 einschalten. Dabei werden
ständig die beiden Ausgangssignale der beiden Regler 50 und 52 miteinander verglichen
und in dem Rechner 60 so ausgewählt, daß jeweils der niedrigere Pegel zur Ansteuerung
des Stellmotors 88 am Stellventil 78 der Außenluftversorgung 68 dient. Auf diese
Weise wird ständig derjenige Regelkreis bevorzugt, der den jeweils höheren Bedarf
an Kühlung bzw. Entfeuchtung signalisiert.
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Wenn der Zustand der Außenluft noch nicht geeignet ist, die Temperatur
oder die Feuchte der Luft für den Behandlungsraum 40 abzusenken, wird der Stellmotor
88 in die voll geöffnete Stellung fahren, da die Temperatur oder die Feuchte trotz
steigender Zuführung von Außenluft ansteigt. Ferner wird die erste Kühlstufe der
Kühlung 62 eingeschaltet, beispielsweise bei einem Wert von 0,18 Volt.
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Da das Ausgangssignal im betreffenden Regelkreis nun unterhalb von
2 Volt liegt, signalisiert dies dem Rechner 60 bei längerer Dauer, daß eine Prüfung
erforderlich ist,
ob der hohe Kühlbedarf bzw. Trocknungsbedarf
von der starken Wasserabgabe des Behandlungsgutes abhängt oder aber auf andere Störgrößen
oder ungeeignete Außenluftzufuhr zurückzuführen ist.
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Zu diesem Zweck wird in vorgegebenen, ggf. regelmäßigen zeitlichen
Abständen eine Überprüfung der Stellglieder bzw. des Mischungsverhältnisses von
umgewälzter Umluft und zugemischter Außenluft vorgenommen. Nach einer Einlaufzeit
beispielsweise von 30 Minuten oder 1 Stunde werden während einer ersten Zeitspanne,
beispielsweise in der Größenordnung von 1 Minute, der Verlauf der Temperatur- und
Feuchtewerte gemessen und gespeichert, wobei während dieser ersten Zeitspanne sämtliche
Stellglieder in ihren jeweiligen Steilungen festgehalten werden, so daß die Ausgangssignale
der beiden Regler 50 und 52 in dieser Zeitspanne konstant bleiben.
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Anschließend wird die Außenluftversorgung 68 voll abgeschaltet, d.
h. die Außenluftklappe ganz geschlossen, während die übrigen Stellglieder in ihren
jeweiligen Stellungen festgehalten werden. In diesem Zustand erfolgt in einer zweiten
Zeitspanne, beispielsweise ebenfalls in der Größenordnung von 1 Minute, eine Messung
und Speicherung des Verlaufes der Temperatur- und Feuchtewerte.
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Anschließend vergleicht der Rechner 60 den zeitlichen Verlauf der
Feuchtewerte sowie den zeitlichen Verlauf der Temperaturen. Wenn Feuchteabsenkung
und Temperaturabsenkung bei geöffneter Außenluftversorgung 68 rascher erfolgen als
bei geschlossener Außenluftversorgung 68, so kann zur Entfeuchtung und zur Temperaturabsenkung
weiterhin die Außenluft genutzt werden. Das bedeutet, die Beimengung oder Zumischung
der Außenluft bleibt zum Zwecke der Entfeuchtung und/oder Kühlung in Funktion.
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Wenn andererseits die Feuchteabsenkung oder die Temperaturabsenkung
bei geschlossener Außenluftversorgung 68 rascher stattfinden als bei geöffneter
Außenluftversorgung, ist klar, daß das Außenklima zur Trocknung und Kühlung der
Umluft nicht geeignet ist. Daraufhin bleibt die Außenluftversorgung 68 geschlossen.
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Diese Überprüfung des Systems wird in vorgegebenen, ggf.
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gleichen zeitlichen Abständen durchgeführt, beispielsweise im Abstand
von einigen Stunden, z. B. alle 2 Stunden. In diesen Zeitintervallen werden die
oben beschriebenen Meßkurven für Temperatur- und Feuchtewerte aufgenommen, gespeichert
und miteinander verglichen, um festzustellen, ob die Außenluft zur Beimischung geeignet
ist und auf diese Weise maschinelle Zusatzaggregate abgeschaltet werden können.
Wenn zwischen den Überprüfungen mit abgeschalteter Außenluftversorgung 68 gearbeitet
wird, wird diese jeweils nur für die kurzzeitige Messung der Vergleichskurven geöffnet
und dann wieder geschlossen, sofern sich nicht der Zustand der Außenluft in nutzbarer
Weise geändert hat.
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Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung wird die Entscheidung,
ob die Zuführung von Außenluft zur Kühlung oder Entfeuchtung überhaupt sinnvoll
ist, stets von den tatsächlichen Gegebenheiten abhängig gemacht. Es ist dabei keinesfalls
erforderlich, den Einfluß der verschiedenen Parameter einzeln zu messen oder etwa
in aufwendiger Weise theoretisch zu berechnen, Aufgrund der klimatischen Gegebenheiten
ist es zumindest in Europa während vieler Monate im Jahr mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung möglich, ohne maschinelle Kühlung auszukommen, wenn entsprechende Mengen
an Außenluft der Umluft zugemischt werden. Es kommt daher in diesem Zeitraum auch
nicht zu Über- und Unterschwingungen des Systems, was sonst wieder weitere Energie
zum Ausgleich dieser Schwingungen erforderlich macht.
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Des weiteren können Energieverluste durch mangelhafte Tropfenabscheidung
entfallen, wenn die Entfeuchtung durch dosierte Beimischung von trockener Außenluft
und entsprechende Abführung von feuchter Luft erfolgt, da es dann nicht erforderlich
ist, das Wasser aus der Umluft auszutauen.
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Wenn der Bedarf an Kühlung zur Temperaturabsenkung größer ist als
der Bedarf an Kühlung zur Trocknung, wird das Ausgangssignal des Temperaturreglers
52 niedriger sein als das Ausgangssignal des Feuchtereglers 50. Die Stellung des
Stellventils 78 der Außenluftversorgung 68 wird dann durch das niedrigere Ausgangssignal
des Temperaturreglers 52 bestimmt. Nur in diesen Fällen kann ein Befeuchtungsbedarf
durch die Befeuchtung 66 entstehen, da durch die zur Temperaturabsenkung beigemengte
Außenluft gleichzeitig eine Absenkung der Feuchte hervorgerufen werden kann. Allerdings
würde dieser Effekt auch entstehen, wenn zum Zwecke der Temperaturabsenkung die
maschinelle Kühlung 62 eingeschaltet würde, denn auch durch die daraus resultierende
Taupunktunterschreitung würde sich eine unbeabsichtigte Entfeuchtung ergeben, die
wieder durch eine Befeuchtung ausgeglichen werden muß.
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Bei Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens bleibt normalerweise
nur ein Heizungsbedarf zur Aufrechterhaltung des Temperatur-Sollwertes übrig, wobei
der dadurch entstehende Energiebedarf weitaus geringer ist als bei der sonst erforderlichen
Beheizung bei Verwendung von maschineller Kühlung und/oder ungeregelter Zufuhr von
Außenluft.
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Bezugszeichenl iste 10 Behandlungsraum 11 Abluft 12 Temperatur-Meßfühler
14 Feuchte-Meßfühler 16 Ausgangsleitung 18 Rückleitung 20 Kühler 22 Tropfenabscheider
24 Erhitzer 26 Ventilator 28 Außenluftversorgung 29 Stellventil 30 Stellmotor 40
Behandlungsraum 42 Temperatur-Meßfühler 44 Feuchte-Meßfühler 46 Meßumformer 47 Leitung
48 Meßumformer 49 Leitung 50 Feuchteregler 51 Leitung 52 Temperaturregler 53 Leitung
54 Temperatur-Sollwertstellglie 55 Leitung 56 Feuchte-Sollwertstellglied 57 Leitung
60 Rechner 61 Steuerleitung 62 Kühlung 63 Steuerleitung 64 Heizung 65 Steuerleitung
66 Befeuchtung 67 Steuerleitung 68 Außenluftversorgung 72 Stellventil 74 Stellventil
76 Stellventil 78 -Stellventil 82 Stellmotor 84 Stellmotor 86 Stellmotor 88 Stellmotor
90 Luftaufbereitungsaggregat 91 Ausgangsleitung 92 Rückleitung 93 Abluft
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