DE4221242A1 - Einrichtung zum Heizen einer Kabine, insbesondere eines Fahrgastraums in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Heizen einer Ka­ bine, insbesondere eines Fahrgastraums in einem Kraftfahr­ zeug, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Einrichtung ist in der älteren Patentanmel­ dung P 41 25 993.9 B60H 1/00 beschrieben. Die Einrichtung ist zum Kli­ matisieren der Kabine vorgesehen und kann sowohl Kühlluft als auch Heizluft erzeugen. Hierzu wird ein Sorptionsreaktor verwendet, der mit einem Sorbens wie Zeolith oder dgl. ge­ füllt ist, welches Material bei Adsorption von Feuchtigkeit Wärme erzeugt. Diese Adsorptionswärme kann zum Heizen und - unter Benutzung von Verdunstern - zum Kühlen der Kabine her­ angezogen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorbeschrie­ bene Einrichtung derart auszubilden, daß die durch die Menge des Zeoliths vorbestimmte Wärmeenergie weitgehend vollstän­ dig zum Heizen der Kabine ausgenutzt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Obwohl der in die Kabine eintretende Zuluftstrom über den Wärmetauscher bereits eine hohe Menge der Adsorptionswärme aufgenommen hat, ist durch die Rückführung der aus der Reak­ tionskammer austretenden Abluft als Zuluftstrom eine bessere Ausnutzung der freigesetzten Wärmemenge möglich.

Da die aus der Reaktionskammer austretende Abluft trocken ist, wird sie vorteilhaft über einen im Abströmkanal ange­ ordneten Verdunster geführt, bevor sie über den Wärmetau­ scher der Kabine zuströmt. In dieser Betriebsart arbeitet die Einrichtung unabhängig von äußeren Bedingungen wie Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit usw . . Das Temperaturniveau der einströmenden Luft ist über die zugeführte Luftmenge regelbar.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist der Ab­ strömkanal mit dem Zuströmkanal verbunden und der Luftstrom vor Eintritt in die Reaktionskammer über einen Verdunster geführt, wobei die Verbindung zwischen dem Abströmkanal und dem Zuströmkanal über zumindest einen Teilabschnitt des zur Kabine gesperrten Abluftkanals hergestellt ist. Auf diese Weise ist eine geschlossene Prozeßführung möglich, so daß nur eine geringe Wärmemenge an die Umgebung verloren geht.

Um der im geschlossenen Kreislauf durch die Reaktionskammer geführten Luft ausreichend Feuchtigkeit zum Freisetzen der Adsorptionswärme zuzugeben, kann die Verbindung zwischen dem Abluftkanal und dem Zuströmkanal über einen Brückenkanal ge­ schaffen sein, der von einem im Abluftkanal angeordneten Verdunster abgeht. In besonderer Weiterbildung der Erfindung sind der Zuströmkanal und der Abströmkanal über einen Wärme­ tauscher miteinander verbunden, wobei der Wärmetauscher als isothermer Verdunster ausgelegt ist.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in der nach­ folgend im einzelnen beschriebene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemä­ ße Einrichtung zum Heizen einer Kabine mit offe­ ner Luftführung,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Heizen einer Kabine mit geschlossener Luftführung,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Heizen einer Kabine mit einer anderen geschlossenen Luftführung.

Die in den Ausführungsbeispielen schematisch dargestellten Einrichtungen zum Heizen und/oder Kühlen einer Kabine 10, insbesondere des Fahrgastraums eines Kraftfahrzeuges, weisen als Energiespeicher (Wärmequelle) einen Sorptionsreaktor 20 mit einem Sorbens wie Zeolith oder dgl. auf. Über Luftkanäle sind entsprechend dem gewünschten Betriebszustand mittels Luftstromsteuerelementen Luftströme geführt.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung weist der Sorp­ tionsreaktor 20 eine Reaktionskammer 21 auf, der über einen Zuströmkanal 22 ein Luftstrom zugeführt ist, welcher über einen Abströmkanal 23 wieder abgeführt wird. Vorteilhaft ist bei Einsatz der Einrichtung in Verbindung mit verbrennungs­ motorischen Antrieben im Zuströmkanal 22 vor der Reaktions­ kammer 21 ein Abgaswärmetauscher 18 angeordnet. So kann die für eine Desorption des Zeoliths notwendige Wärmemenge eben­ so zugeführt werden wie die Heizleistung im Betrieb als Heizvorrichtung unterstützt werden. Der Abgaswärmetauscher 18 kann auch eine andere Art von Wärmetauscher oder eine Heizvorrichtung sein, über die der in die Reaktionskammer 21 einströmenden Luft Wärmeenergie zugeführt wird.

Im Abströmkanal 23 ist ein Wärmetauscher 27, vorzugsweise ein Kreuzstromwärmetauscher, angeordnet, über den ein von einem Gebläse 29 geförderter Zuluftstrom 28 geführt ist, der über einen Zuluftkanal 11 der Kabine 10 zugeführt ist. Die von dem aus der Reaktionskammer 21 austretenden Luftstrom aufgenommene Adsorptionswärme wird über den Wärmetauscher 27 auf den Zuluftstrom 28 übertragen und der Kabine 10 zum Hei­ zen zugeführt.

Der Zuströmkanal 22 ist über einen Brückenkanal 7 mit einem Abluftkanal 12 der Kabine 10 verbunden, über den zu erwär­ mende Luft aus der Kabine 10 abgezogen wird. Im Abluftkanal 12 ist - bevorzugt unmittelbar benachbart zur Kabine 10 - ein Verdunster 13 angeordnet, in dem die Abluft weitgehend bis zur Sättigung adiabatisch befeuchtet wird. Hierzu wird aus einem Wasserspeicher 15 mittels einer Pumpe 16 Wasser einer Verdunstungsoberfläche 17 zugeführt.

Der Abströmkanal 23 ist bis zum Zuluftgebläse 29 verlängert und endet auf der Saugseite des Gebläses, so daß die aus dem Abströmkanal 23 austretende Abluft zumindest teilweise vom Zuluftgebläse 29 über den Wärmetauscher 27 und den Zuluftka­ nal 11 in die Kabine 10 eintritt. Da die Abluft im Abström­ kanal 23 trocken ist, ist im Abströmkanal ein weiterer Ver­ dunster 40 angeordnet, in dem die trockene, warme Abluft adiabatisch befeuchtet ist. Der Verdunster 40 ist entspre­ chend dem Verdunster 13 aufgebaut; aus einem Wasserspeicher 15 wird über eine Pumpe 16 einer Verdunstungsoberfläche 17 Wasser zugeführt, so daß die den Verdunster 40 durchströmen­ de Abluft Feuchtigkeit aufnimmt.

Da der Abströmkanal offen auf der Saugseite des Gebläses 29 endet, wird neben der feuchten Abluft Frischluft 34 ange­ saugt und dieser Mischluftstrom als Zuluftstrom 28 - durch den Wärmetauscher 27 erwärmt - über den Zuluftkanal 11 der Kabine 10 zugeführt.

Die Einrichtung gemäß Fig. 1 ist im dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel mit offenem Luftkreislauf ausgebildet. Über die angeordneten Luftstromsteuerelemente 50, 51, 52, 53, 54 und 55, deren Klappen in unterschiedliche Betriebsstellungen (Stellung 1, Stellung 2) eingestellt werden können, ist die Einrichtung auch in anderer Weise zu betreiben. So wird zur Desorption das Luftstromsteuerelement 51 in die Stellung 2 und das Luftstromsteuerelement 53 in die Stellung 1 ver­ stellt. Über den Frischluftkanal 8 kann nun Frischluft (ge­ punktete Linie) zuströmen, welche über die Luftstromsteuer­ elemente 51 und 53 in den Zuströmkanal 22 eintritt. Über einen Wärmetauscher 24 wird der zugeführte Frischluftstrom von der im Abströmkanal 23 strömenden Luft vorgeheizt und tritt - gefördert über das Gebläse 19 - über den Wärmetau­ scher 18 aufgeheizt in die Reaktionskammer 21 ein. Der Ab­ strömkanal 23 ist über das Luftstromsteuerelement 50, wel­ ches in Stellung 2 steht, und das Luftstromsteuerelement 55, welches in Stellung 1 geschaltet sein muß, mit einem Fort­ luftkanal 9 verbunden, über den die Fortluft (gepunktete Linie) zusammen mit der ausgetragenen Feuchtigkeit abgeführt wird.

Die Kabine 10 ist ferner über einen Bypasskanal 33 mit dem Zuströmkanal 22 verbindbar, über den aus der Kabine 10 eben­ falls Abluft abgezogen werden kann. Eine derartige Luftfüh­ rung kann zweckmäßig sein, wenn eine Befeuchtung der Abluft nicht notwendig ist. Ausreichend Wärmeenergie zum Heizen kann dann zum Beispiel über den Wärmetauscher 18 zugeführt werden.

Die Einrichtung nach Fig. 2 entspricht im Grundaufbau der nach Fig. 1, weshalb für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet sind. In Abweichung zur Einrichtung nach Fig. 1 ist der Abströmkanal 23 über das Luftstromsteuerelement 50 wahlweise mit dem Fortluftkanal 9 oder dem Abluftkanal 12 verbindbar. Ferner ist ein Umluftkanal 32 vorgesehen, der von der Kabine 10 zur Saugseite des Zuluftgebläses 29 führt. Über ein Ventil 14 ist an den Wasserkreislauf der Pumpe 16 des Verdunsters 13 ein weiterer Verdunster 25 angeschlossen, dessen Verdunstungsoberflächen 26 zur Befeuchtung des quer zum Abströmkanal 23 geführten Luftstroms im Wärmetauscher 24 dienen. Der Verdunster 25 bildet einen isothermen Befeuch­ ter.

In Fig. 2 ist der Abströmkanal 23 über das Luftstromsteuer­ element 50 (Stellung 1) und einen Teilabschnitt des Abluft­ kanals 12 sowie das Luftstromsteuerelement 54 (Stellung 1) mit dem Brückenkanal 7 verbunden, der über das Luftstrom­ steuerelement 53 (Stellung 2) mit dem Zuströmkanal 22 des Sorptionsreaktors 20 in Verbindung steht. Der Zuströmkanal 22 und der Abströmkanal 23 des Sorptionsreaktors 20 bilden somit einen geschlossenen Kreis, so daß die aus dem Abström­ kanal 23 austretende Luft über den Brückenkanal 7 rückge­ führt wird, im isothermen Verdunster 24 Wasser aufnimmt und über den Zuströmkanal 22 sowie den Wärmetauscher 18 erneut in die Reaktionskammer 21 eintritt. Der Kreislauf wird durch das Gebläse 19 aufrechterhalten. Die vom Luftstrom aufgenom­ mene Adsorptionswärme wird über den Wärmetauscher 27 auf den Zuluftstrom 28 übertragen, der im wesentlichen aus über den Umluftkanal 32 abgezogener Kabinenluft besteht. Es kann vor­ teilhaft sein, auf der Saugseite des Gebläses 29 einen An­ teil Frischluft 34 zuzuführen.

Es kann zweckmäßig sein, durch Veränderung der Stellungen der Luftstromsteuerelemente 50 und 53 den die Reaktionskam­ mer 21 durchströmenden Luftstrom an die Umgebung anzukop­ peln. Hierzu wird das Luftstromsteuerelement 50 in Stellung 2 verstellt, so daß der Abströmkanal 23 mit dem Fortluftka­ nal 9 in Verbindung steht. Ferner wird das Luftstromsteuer­ element 53 in die Stellung 1 geschaltet, so daß - über das in Stellung 2 befindliche Luftstromsteuerelement 51 - dem Zuströmkanal 22 über den Frischluftkanal 8 unmittelbar Frischluft (gepunktete Linie) zugeführt ist. Diese zugeführ­ te Frischluft wird im Verdunster 25 isotherm befeuchtet, nimmt vorteilhaft am Wärmetauscher 18 zusätzlich Wärmeener­ gie auf und tritt in die Reaktionskammer 21 ein, wo die Luftfeuchtigkeit in die Temperatur des Luftstroms erhöhende Wärme umgesetzt wird. Diese wird dann - wie vorstehend be­ reits beschrieben - über den Wärmetauscher 27 an den Zuluft­ strom 28 abgegeben. Über den Fortluftkanal 9 strömt die Luft ab (gepunktete Linie).

Zur Desorption des Sorptionsreaktors 20 ist die Ankopplung an die Umgebung vorgesehen, wobei die notwendige Wärmeener­ gie über den Wärmetauscher 18 zugeführt wird. Nach erfolg­ reicher Desorption wird das Luftstromsteuerelement 50 in die Stellung 1 und das Luftstromsteuerelement 53 in die Stellung 2 zurückgestellt, so daß wieder eine geschlossene Prozeßfüh­ rung vorliegt. Zweckmäßig kann nun zur raschen Kühlung des Zeoliths im Sorptionsreaktor 20 bei geschlossener Prozeßfüh­ rung überschüssige Wärme über den Wärmetauscher 27 abgeführt werden, wozu das Luftstromsteuerelement 52 in die Stellung 2 geschaltet und der Kühlluftstrom 28 über den Fortluftkanal 31 abgeführt wird.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 entspricht der Einrich­ tung nach Fig. 2, weshalb für gleiche Teile gleiche Bezugs­ zeichen verwendet sind. In der Einrichtung nach Fig. 3 ist die Strömungsverbindung zwischen der Kabine 10 und dem Ver­ dunster 13 durch eine Klappe 5 verschließbar. An den Ver­ dunster 13 ist als Brückenkanal ein Rückführkanal 30 ange­ schlossen, der über ein Luftstromsteuerelement 56 mit dem Zuströmkanal 22 verbindbar ist. Zur Erzielung einer ge­ schlossenen Prozeßführung ist der Abströmkanal 23 über das Luftstromsteuerelement 50 (Stellung 1) mit dem Abluftkanal 12 verbunden, der in den Verdunster 13 mündet. Über den Verdunster 13 ist der Abluftkanal 12 mit dem Rückführkanal 30 verbunden, der über das Luftstromsteuerelement 56 (Stel­ lung 2) unmittelbar mit der Saugseite des Gebläses 19 im Zuströmkanal 22 in Verbindung steht. Der aus dem Sorptions­ reaktor 20 austretende Luftstrom wird somit - nachdem ein Teil seiner Wärmemenge über den Wärmetauscher 27 an den Zuluftstrom 28 abgegeben ist - über den Abluftkanal 12 in den Verdunster 13 eintreten, adiabatisch befeuchtet und - aufgrund der geschlossenen Klappe 5 - über den Rückführkanal 30 zum Gebläse 19 strömen. Über den Wärmetauscher 18 strömt diese befeuchtete Luft in den Sorptionsreaktor 20 ein, gibt ihre Feuchte an das Zeolith ab und nimmt die dabei entste­ hende Adsorptionswärme auf; der Kreislauf beginnt von vorn.

Durch eine entsprechende Einstellung der Luftstromsteuerele­ mente können beliebige weitere zweckmäßige Prozeßführungen zum Heizen und/oder Kühlen der Kabine 10 eingestellt werden.

Claims (11)

1. Einrichtung zum Heizen einer Kabine, insbesondere eines Fahrgastraums in einem Kraftfahrzeug, mit je einem an die Kabine (10) angeschlossenen Zuluftkanal (11) und einem Abluftkanal (12) mit einem Sorptionsreaktor (20), dessen Reaktionskammer (21) mit einem Sorbens wie Zeo­ lith oder dgl. gefüllt ist, und ein die Reaktionskammer (21) durchströmender Luftstrom über einen Zuströmkanal (22) zugeführt und über einen Abströmkanal (23) abge­ führt ist, wobei die im Luftstrom enthaltene Feuchtig­ keit vom Sorbens adsorbiert und die dabei entstehende Adsorptionswärme an den Luftstrom abgegeben wird, mit einem im Abströmkanal (23) angeordneten Wärmetauscher (27), über den der der Kabine (10) zugeführte Luftstrom (28) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abluftkanal (12) mit dem Zuströmkanal (22) verbunden ist, und daß zumindest ein Teil der im Abströmkanal (12) geführten Abluft der Kabi­ ne (10) als aufgeheizte Zuluft (28) zugeführt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abluft über einen im Abströmkanal (23) angeordneten Verdunster (40) und den Wärmetauscher (27) der Kabine (10) zugeführt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abströmkanal (23) auf der Saugseite eines Zuluft (28) fördernden Gebläses (29) endet.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (29) neben der über den Abströmkanal (23) zugeführten Abluft Frischluft (34) ansaugt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die über den Abluftkanal (12) abgezogene Abluft vor Eintritt in die Reaktionskam­ mer (21) durch einen Verdunster (13) geführt ist.

6. Einrichtung zum Heizen einer Kabine (10), insbesondere eines Fahrgastraums in einem Kraftfahrzeug, mit je einem an die Kabine (10) angeschlossenen Zuluftkanal (11) und einem Abluftkanal (12), mit einem Sorptionsreaktor (20), dessen Reaktionskammer (21) mit einem Sorbens wie Zeo­ lith oder dgl. gefüllt ist, und ein die Reaktionskammer (21) durchströmender Luftstrom über einen Zuströmkanal (22) zugeführt und über einen Abströmkanal (23) abge­ führt ist, wobei die im Luftstrom enthaltene Feuchtig­ keit vom Sorbens adsorbiert und die dabei entstehende Adsorptionswärme an den Luftstrom abgegeben wird, mit einem im Abströmkanal (23) angeordneten Wärmetauscher (27), über den der der Kabine (10) zugeführte Zuluft­ strom (28) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abströmkanal (23) mit dem Zuströmkanal (22) verbunden und der Luftstrom vor Eintritt in die Reaktionskammer (21) über einen Verdun­ ster (13, 25) geführt ist und die Verbindung zwischen dem Abströmkanal (23) und dem Zuströmkanal (22) über zu­ mindest einen Teilabschnitt des zur Kabine (10) gesperr­ ten Abluftkanals (12) hergestellt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Abluftkanal (12) und dem Zuströmkanal (22) über einen Brückenkanal (7) geschaffen ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brückenkanal als Rück­ führkanal (30) von einem im Abluftkanal (12) angeordne­ ten Verdunster (13) abgeht.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuströmkanal (22) und der Abströmkanal (23) über einen Wärmetauscher (24), insbesondere einen Kreuzstromwärmetauscher in Wärme aus­ tauschender Verbindung miteinander stehen.

10. Einrichtung nach Anspruch 6, 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (24) als isothermer Verdunster (25) ausgelegt ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß vor Eintritt in die Reak­ tionskammer (21) im Zuströmkanal (22) ein Wärmeenergie zuführender Wärmetauscher (18), vorzugsweise ein Abgas­ wärmetauscher angeordnet ist.