DE3736133C2 - Lufterwärmungseinheit zur frost- und vereisungssicheren Erwärmung von Außenluft, bei welcher der Außenluft erwärmte Luft beigemischt wird - Google Patents

Lufterwärmungseinheit zur frost- und vereisungssicheren Erwärmung von Außenluft, bei welcher der Außenluft erwärmte Luft beigemischt wird

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Description

Lufterwärmungseinheit zur frost- und vereisungssicheren Erwärmung von Außenluft, bei welcher der Außenluft erwärmte Luft beigemischt wird.
Die Erfindung betrifft eine Lufterwärmungseinheit für Wärmeaustauscher-Anlagen und Wärmerückgewinnungssysteme zur Erwärmung von Außenluft insbesondere mit einer Temperatur 0°C.
Wärmeaustauscher und Wärmerückgewinnungssysteme, welche zur Erwärmung von Außenluft auch unter 0°C dienen, sind speziell gegen Einfrieren des Heizmittels (Frostgefahr) bzw. gegen das Vereisen des in der Fortluft ausgeschiedenen Kondensats (Vereisungsgefahr) zu sichern und zu schützen.
Dies erfolgte in der Regel durch Umluftbetrieb, durch Vorerwärmer mit Sekundärpumpe und konstantem Heizmittelstrom, durch solegefüllte Vorerwärmer sowie mittels elektronischen und thermostatischen Regeleinrichtungen wie z. B. im Artikel "Mixed air controll with DDC" von D. Coggan in "Heating/Piping/Air Conditioning", 5/1986, S. 113-115. Auch sind Schaltungen zur Vereisungssicherheit bei Plattenwärme­ austauschern zur Wärmerückgewinnung bekannt, "Wärmerückge­ winnung in lüftungstechnischen Anlagen", von H. Jüttemann, ISBN 3-7880-7084, S. 106 ff. oder auch aus dem Produktkatalog 1978 der Firma Deutsche Hoval GmbH, Rottenburg/Neckar, bei denen fremderwärmte Rückluft zur Vorerwärmung der Außenluft benutzt wird. Dabei wird die fremderwärmte Rückluft über einen Bypass vor den Ventilator dem Außenluftstrom zugeführt.
Soweit Umluftbetrieb für die klima- oder produktionstech­ nische Belüftung in Frage kommt oder überhaupt zulässig ist, besteht hier ein erhöhtes Risiko für Frostgefahr und Betriebsstörungen durch temperaturgeschichtete Anströmung des Wärmeaustauschers. Dieses Risiko wird auch von D. Coggan erkannt und mit aufwendiger Regelelektronik wird eine Lösung dadurch gesucht, daß hinter dem Frostschutzthermostat noch ein zusätzlicher Temperaturfühler angebracht ist. Über diesen Temperaturfühler wird eine Mitteltemperatur ermittelt, die überwacht wird. Dazu müssen jedoch detaillierte Kenntnisse über Luftverteilung nach der Mischung vorhanden sein, die jedoch erst dann bekannt werden, wenn die Außenluft mit einer Temperatur 0°C zugemischt wird.
Bei Wärmeaustauscher- und Wärmerückgewinnungs-Systemen für reinen Außenluftbetrieb entsteht ebenfalls ein erhöhtes Risiko, da die kalte Außenluft ( 0°C) unmittelbar mit dem Wasser reagiert und bereits bei geringster inhomogener Wasserströmung im Wärmeaustauscher, welche sich durch Feststoffablagerungen, Luftansammlungen etc. einstellen kann, unabwendbar einfriert.
Oben angeführte Risiken werden bei solebetriebenen Anlagen weitgehend verhindert. Hierbei kommt aber der nicht unerhebliche Umweltaspekt zum Tragen sowie eine Ver­ schlechterung der thermodynamischen Eigenschaften. So betriebene Anlagen verursachen außerdem einen erhöhten Wartungsaufwand.
Bei den bekannten Ausführungen mit Rückluft muß jeweils ein zusätzlicher Wärmeaustauscher im Haupt- oder Rückluftstrom installiert sein und mit mehr oder weniger viel Fremd­ energie derart beheizt werden, so daß die Mischtemperatur vor dem Wärmeaustauscher eine Frost- und Vereisungssicherheit garantiert.
Die Aufgabe der Erfindung ist deshalb, ein Betriebssystem für die Lufterwärmereinheit zu entwickeln, bei welchem die Frost- und Vereisungsgefahr für Lufterwärmer und Wärmerückgewin­ nungssysteme trotz maximalem Wärmeentzug erheblich gemindert wird, gleichzeitig eine umluft- und solefreie Betriebsweise sowie gleichzeitig eine temperaturschichtungsfreie Anströmung des Wärmeaustauschers ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Damit die Soll-Anlagenluftleistung erhalten bleibt (Außen­ luftmenge gleich Zuluftmenge), ist die Wärmeaustauscher- Ventilatoreinheit für eine erhöhte interne Betriebs­ luftleistung ausgelegt. Die erhöhte interne Betriebsluft­ leistung richtet sich nach der erforderlichen, minimalen Wärmeaustauscher-Anström-, der Außenluft- und der Rückluft­ temperatur.
Über bekannte Regelfunktionen ist es nun möglich, den Wärmeaustauscher unabhängig von der Minustemperatur gleichmäßig mit z. B. +1°C anzuströmen. Ein Einfrieren des Wärmeaustauschers oder bei Wärmerückgewinnungssystemen die Vereisung von Kondensat in der Fortluft wird so von vorneherein ausgeschlossen.
Durch das gemeinsame Durchströmen von eigenerwärmter Rückluft und kalter Außenluft durch den Ventilator ist die Gefahr einer Temperaturschichtung vor dem Wärmeaustauscher stark gemindert.
Sollte die minimale Wärmeaustauscher-Anströmtemperatur nicht erreicht werden, schließt die Regeleinrichtung (17) die Außenluftklappe (4).
Für eine stromsparende Betriebsweise kann die Ventilator­ einheit druck- und mengenabhängig geregelt werden.
Beispiel 1 Maximaler vereisungssicherer Wärmeentzug der Fortluft zur Erwärmung kalter Außenluft ( 0°C) mittels eines rekuperativen Platten-Wärmeaustauschers (Austausch Luft/Luft)
Außenluftleistung = Soll-Anlagenluftleistung = 10.000 m³/h
Minimale Wärmeaustauscher-Anströmtemperatur: +1°C
Außentemperatur: -12°C
Ablufttemperatur: 22°C/50% r.F.
Fortlufttemperatur: 2.5°C/100% r.F.
Temperatur eigenerwärmte Rückluft: 16.9°C
Benötigte Rückluftmenge: 8.170 m³/h
Interne Betriebsluftleistung: 18.170 m³/h
Prozeßbeschreibung zu Beispiel 1
10.000 m³/h Außenluft (1) werden mit einer Temperatur von -12°C angesaugt und in der Beimischkammer (5) mit den 8.170 m³/h eigenerwärmter Rückluft (3) mit einer Temperatur von 16.9°C gemischt, so daß hinter dem Ventilator (7) eine Temperatur von +1°C erreicht wird. Im Wärmeaustauscher (20) werden die 18.170 m³/h Betriebsluftmenge auf 16.9°C erwärmt. In der Luftverteilkammer (12) zweigt die Rückluftmenge (3) in den Rückluftbypass (14) ab und wird über die Regeleinrichtung (17) mittels des luftdichtabsperrbaren Luftmengenregulier­ organs (15) derart geregelt, daß die Wärmeaustauscher- Anströmtemperatur auf der Kaltseite 0°C beträgt und auf der Fortluftseite das anfallende Kondensat nicht mehr vereisen kann.
Beispiel 2 Maximaler frostsicherer Wärmeentzug von Kreislaufwasser zur Erwärmung von Außenluft ( 0°C) mittels eines rekuperativen Lamellenrohr-Wärmeaustauschers (Austausch Wasser/Luft)
Kreislaufwassermenge:
10.100 kg/h
Minimale Wärmeaustauscher-Anströmtemperatur: +1°C
Wassereintrittstemperatur: 20°C
Wasseraustrittstemperatur: 3°C
Außentemperatur: -12°C
Temperatur eigenerwärmte Rückluft: 16.9°C
Benötigte Rückluftmenge: 15.720 m³/h
Interne Betriebsluftleistung: 34.945 m³/h
Prozeßbeschreibung zu Beispiel 2
Um eine exotherme Anlage um 200 kW mit Außenluft zu kühlen, wird bei einer erwünschten, maximalen Temperaturdifferenz von 17 K der Wassermenge am Wärmeaustauscher (10) von 10.100 kg/h benötigt. Nach der Wärmebilanz und nach einem Temperaturaustauschgrad für die Luft von 89%, woraus sich die Temperatur der eigenerwärmten Rückluftmenge zu 16.9°C ergibt, sind dazu 34.945 m³/h notwendig. Um vor dem Wärme­ austauscher eine Anströmtemperatur von +1°C zu erreichen, muß die Regeleinrichtung (17) das luftdicht absperrbare Luftmengenregulierorgan derart geregelt werden, daß der kalten Außenluft (1) 15.720 m³/h eigenerwärmter Rückluft beigemischt wird.
Fig. 1 zeigt eine Lufterwärmungseinheit mit Wärmeaustauscher, Heizmittel Wasser.
Fig. 2 zeigt eine Lufterwärmungseinheit mit Luft-/Luft- Wärmeaustauscher.
Bezugszeichenliste
1 Außenluft
2 Zuluft
3 eigenerwärmte Rückluft
4 Außenluftklappe
5 Beimischkammer
6 geregelter Ventilatormotor
7 Ventilator
8 Temperaturerfassung zur Regelung der Beimischmenge
9 Diffusor
10 Wärmeaustauscher, Heizmittel Wasser
11 Regelung zur stromsparenden Betriebsweise der Ventila­ toreinheit
12 Luftverteilkammer
13 Druckerfassung zur Regelung der Ventilatoreinheit
14 Rückluftbypass
15 luftdicht absperrbares Luftmengenregulierorgan
16 geregelter Stellmotor des Luftmengenregulierorgans
17 Regelung der Rückluftbeimischmenge
18 geregelter Stellmotor der Außenluftklappe
19 Fortluft
20 Luft-/Luft-Wärmeaustauscher
21 Abluftventilator

Claims (2)

1. Lufterwärmungseinheit zur frostsicheren Erwärmung von Außenluft mittels solefreiem Wärmeaustauscher oder Lufterwär­ mungseinheit zur vereisungssicheren Erwärmung von Außenluft mittels Wärmerückgewinner, bei welcher der Außenluft bereits erwärmte, umluftfreie Luft beigemischt wird, bei der
  • - die Bauteilkomponenten in der Reihenfolge Beimischkammer (5)/ Ventilatoreinheit (6, 7)/Diffusor (9)/solefreier Wärmeaustauscher (10) bzw. Wärmerückgewinner (20)/ Luftverteilerkammer (12) aufgebaut sind,
  • - zwischen der Luftverteiler- (12) und der Beimischkammer (5) ein Rückluftbypass (14) mit einem luftdicht absperrbaren Luftmengenregulierorgan (15) ange­ ordnet ist, womit über eine entsprechende Regeleinrichtung (17) in Abhängigkeit der Außen-/Zulufttemperatur ausschließ­ lich eigenerwärmte Rückluft in der Menge beigemischt wird, so daß sich eine frost- und vereisungsfreie Wärmeaustauscher- Anströmtemperatur einstellt, und
  • - die Bauteilkomponenten derart dimensioniert sind, daß intern eine erhöhte Betriebsluftleistung gemäß dem notwendigen Mischungs­ verhältnis in Abhängigkeit der Außen- und Zulufttemperatur möglich ist, ohne die Soll-Anlagenluftleistung zu beinträchtigen.
2. Lufterwärmungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilatoreinheit (6, 7) mengen- und druckabhängig entsprechend der notwendigen internen Betriebsluftleistung, unter Beibehaltung der geforderten Soll-Anlagenluftleistung, geregelt wird.
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