Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Heizen
und/oder Kühlen einer Kabine, insbesondere eines Fahr
gastraumes, einer Schlafkabine oder dergleichen in
einem Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des An
spruchs 1 (gemäß Hauptpatent 41 33 917).
In der DE 41 25 993 A1 ist eine Einrichtung zum Klima
tisieren einer Kabine eines Kraftfahrzeuges be
schrieben, bei der als Heizvorrichtung zur Erzeugung
eines für die Desorption benötigten Heißluftstroms ein
Abgaswärmetauscher vorgesehen ist. Bei Betrieb des
Kraftfahrzeuges kann so die zur Desorption notwendige
Energie zugeführt werden.
Eine Kühlung der Kabine mit einem derartigen Sorp
tionsreaktor ist auch an heißen Tagen zufrieden
stellend, jedoch kann die zur Verfügung stehende Heiz
leistung des Sorptionsreaktors bei sehr tiefen Tempe
raturen zu gering sein, da die z. B. über die Fenster
flächen abgegebene Verlustwärme erheblich ist. Zudem
ist die Heizleistung von der Feuchtigkeit der dem Re
aktor zugeführten Luft abhängig, weshalb insbesondere
bei trockener, kalter Luft ein Befeuchten des Luft
stroms notwendig ist, was jedoch Probleme hinsichtlich
einer nachteiligen Vereisung der Luftführungskanäle
aufwirft. Auch ist bei starker Befeuchtung der dem Re
aktor
zugeführten Luft die Kapazität des Sorbens rasch erschöpft,
weshalb häufige Desorptionsphasen notwendig sind. Insbeson
dere bei Kurzstreckenbetrieb steht jedoch eine ausreichende
Motorabwärme zur Desorption des Sorbens nicht zu Verfügung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungs
gemäße Einrichtung derart weiterzubilden, daß bei geringer
Belastung des Sorbens auch bei tiefen Außentemperaturen
eine rasche, ausreichende Aufheizung einer Kabine möglich
ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Der Grundgedanke der Erfindung ist darin zu sehen, daß für
die unmittelbare Aufheizung der Kabine die Heizvorrichtung
selbst eingesetzt wird, so daß das Sorbens im Sorptions
reaktor beim Heizen nicht belastet wird. Das Sorbens stellt
somit im wesentlichen den benötigten Kühlbedarf bereit. Die
Anzahl der notwendigen Desoptionsphasen kann gering gehal
ten werden. Zweckmäßig ist auch eine Reduzierung des Reak
torvolumens möglich, wodurch die Gesamteinrichtung weniger
Bauraum benötigt und somit auch in kleinen Fahrzeugen pro
blemlos einsetzbar ist.
Wird als Heizvorrichtung eine schaltbare Brennstoffheizung
verwendet, ist ein Kühlen und Heizen der Kabine in einem
Kraftfahrzeug auch ohne Motorbetrieb möglich, so daß wäh
rend dem Betrieb der Einrichtung im wesentlichen keine
Lärmbelästigung gegeben ist. Dies ist insbesondere bei der
Klimatisierung von Lkw-Schlafkabinen von Bedeutung.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren
Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in
der nachfolgend im einzelnen beschriebene Ausführungs
beispiele der Erfindung dargestellt sind. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsge
mäßen Einrichtung mit einer Brennstoffheizung im
Kühl- oder Heizbetrieb,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Einrichtung nach
Fig. 1 im Desorptionsbetrieb,
Fig. 3 eine schematische Darstellung nach Fig. 1 im Reak
torkühlbetrieb,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Aus
führungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Ein
richtung im zeitgleichen Kühlbetrieb und Desorp
tionsbetrieb,
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Einrichtung nach
Fig. 4 im Heizbetrieb,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines anderen Ausfüh
rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung im
kontinuierlichen Kühl- und Desorptions- sowie Reak
torkühlbetrieb,
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Einrichtung gem.
Fig. 6 im Heizbetrieb.
Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung dient zum Heizen
und/oder Kühlen einer Kabine wie des Fahrgastraums in einem
Kraftfahrzeug, der Schlafkabine in einem Lastkraftwagen,
des Wohnraums in einem Wohnmobil oder dergleichen. An die
Kabine 10 ist ein Warmluftkanal 5, ein Abluftkanal 6 und
ein Zuluftkanal 7 angeschlossen. Der Warmluftkanal 5 kann
auch zusammen mit dem Zuluftkanal 7 als ein Kanal ausge
führt sein.
Der Abluftkanal 6 ist mit einem Kanal 23 verbunden, der in
die Kammer 21 eines Sorptionsreaktors 20 mündet. In der
Kammer 21 ist ein Sorbens wie Zeolith oder dergleichen an
geordnet. An dem dem Kanal 23 gegenüberliegenden Ende der
Reaktionskammer 21 mündet ein weiterer Kanal 22, der im
gezeigten Ausführungsbeispiel mit dem Zuluftkanal 7 ver
bunden ist. Der Zuluftkanal 7 und der Abluftkanal 6 kreuzen
sich, wobei im Kreuzungspunkt ein Kreuzstromwärmetauscher B
angeordnet ist. Stromab des Wärmetauschers mündet über ein
Luftstromsteuerelement 56 ein Frischluftkanal 8 ein. Zwi
schen der Einmündung des Frischluftkanals 8 und dem Kanal
23 des Reaktors 20 ist im Abluftkanal 6 ein Gebläse 26 vor
gesehen.
Der mit dem Zuluftkanal 7 verbundene Kanal 22 des Reaktors
20 weist ferner einen Wärmetauscher A auf, durch den im
Kreuzstrom mittels eines Gebläses 18 Frischluft geführt
sein kann, um Abwärme abzuführen.
Die Kanäle 22 und 23 des Sorptionsreaktors 20 sind über
einen Brückenkanal 15 miteinander verbindbar, wobei das
eine Ende des Brückenkanals 15 über ein Luftstromsteuer
element 54 am Ausgang des Kreuzstromwärmetauschers B mit
dem Zuluftkanal 7 verbunden ist, während das andere Ende
des Brückenkanals 15 vor Einmündung des Frischluftkanals 8
über ein Luftstromsteuerelement 55 mit dem Abluftkanal 6 in
Verbindung steht.
Im Zuluftkanal 7 ist - kurz vor dessen Einmündung in die
Kabine 10 - ein Befeuchter 30 angeordnet, in dem Wasser
über eine Pumpe 31 zur Befeuchtung des ihn durchströmenden
Luftstroms umgepumt ist.
Die Einrichtung weist ferner eine Heizvorrichtung 4 auf,
die bevorzugt eine Brennstroffheizung ist. Die Brennstoff
heizung 4 ist aus einem Tank 40 mit Brennstoff versorgt.
Bevorzugt ist der Tank 40 der Kraftstofftank des Fahrzeu
ges.
Die Brennstoffheizung 4 ist in einem Heizluftkanal 24 ange
ordnet, der über ein Luftstromsteuerelement 51 mit dem
Kanal 23 des Reaktors 20 verbunden ist. Zwischen dem Luft
stromsteuerelement 51 und dem Reaktor 20 ist ein Abluft
stutzen 9 über ein Luftstromsteuerelement 52 mit dem Kanal
23 verbunden. Das andere Ende des Heizluftkanals 24 ist
über ein Luftstromsteuerelement 50 sowohl mit dem Warmluft
kanal 5 als auch mit einem Luftleitkanal 25 verbunden, der
über ein Luftstromsteuerelement 53 die Verbindung zu dem am
anderen Ende ausmündenden Kanal 22 des Reaktors 20 her
stellt.
Zum Kühlen der Kabine 10 sind die Luftstromsteuerelemente
51, 52, 53, 54 und 55 derart geschaltet, daß ihre Klappen 3
in der dargestellten Stellung "1" liegen. Das Gebläse 26
saugt dann über den Abluftkanal 6 Luft aus der Kabine 10
ab, welche über die Luftstromsteuerelemente 51 und 52 und
den Kanal 23 in die Sorptionskammer 21 eintritt, wobei sie
unter Abgabe von Feuchtigkeit Adsorptionswärme aufnimmt.
Der trockene, warme Luftstrom strömt über den Kanal 22 und
die Luftstromsteuerelemente 53 und 54 über dem Befeuchter
30, in dem die Luft durch Aufnahme von Flüssigkeit abkühlt.
Die kühle Luft tritt dann über den Zuluftkanal 7 in die
Kabine 10 ein. Die Funktionsweise dieser Einrichtung ist im
einzelnen in der älteren Patentanmeldung P 41 25 993.9 be
schrieben, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
Falls erforderlich, kann durch Einschalten des Gebläses 18
der aufgeheizte, trockene Luftstrom bei Durchtritt durch
den Kreuzwärmetauscher A vorgekühlt werden. Im nachgeschal
teten Kreuzstromwärmetauscher B findet ferner ein Wärmeaus
tausch zwischen dem Abluftstrom und dem Zuluftstrom statt.
Ferner ist durch Teilöffnung der Klappe 3 des Luftstrom
steuerelementes 56 die Möglichkeit gegeben, dem Abluftstrom
eine Teilmenge Frischluft beizumischen.
Zum Heizen der Kabine 10 wird die Klappe 3 des Luftstrom
steuerelementes 51 in die Stellung "2" geschaltet (strich
liert dargestellt) und die Klappe 3 des Luftstromsteuerele
mentes 50 in die Stellung "1". Der - gegebenenfalls mit
Frischluft vermischte - Abluftstrom tritt nun über das
Luftstromsteuerelement 51 in den Heizluftkanal 24 ein, wird
in der Brennstoffheizung 4 aufgeheizt und über den Warm
luftkanal 5 der Kabine 10 unmittelbar zugeführt. Es ist
eine Aufheizung der Kabine 10 ohne Benutzung des Sorptions
reaktors 20 möglich, so daß dieser ausschließlich nach
einer benötigten Kühlleistung ausgelegt sein muß.
Gegen Ende einer Adsorptionsphase ist der Reaktor 20 zur
Regeneration zu desorbieren. Hierzu werden die Luftstrom
steuerelemente 50, 51, 52, 53 und 56 in Stellung "2" ge
schaltet. Der über den Frischluftkanal 8 angesaugte Frisch
luftstrom tritt über das Luftstromsteuerelement 51 in den
Heizluftkanal 24 ein, wird in der Brennstoffheizung 4 auf
geheizt und über das Luftstromsteuerelement 50, den Luftleitkanal
25 und das Luftstromsteuerelement 53 sowie den
Kanal 22 der Reaktionskammer 21 zugeführt. Die verdunstende
Feuchtigkeit wird vom Luftstrom über den Kanal 23 und den
Abluftkanal 9 ausgetragen.
Wie ein Vergleich der Strömungsrichtungen im Reaktor 20
während dem Kühlmodus (Fig. 1) und dem Desorptionsmodus
(Fig. 2) zeigt, durchströmt der Heizluftstrom den Reaktor
in entgegengesetzter Strömungsrichtung wie der Kühlluft
strom. Dies gewährleistet eine rasche und energetisch gün
stige Desorption.
Um nach abgeschlossener Desorptionsphase eine rasche Zufuhr
von Kühlluft zur Kabine 10 zu gewährleisten ist gem. Fig. 3
vorgesehen, für eine vorgebbare Zeitspanne die Luftstrom
steuerelemente 51, 52, 53 und 56 in Stellung "1" zu schal
ten und die Luftstromsteuerelemente 54 und 55 in Stellung
"2". Dadurch ist der Reaktor strömungstechnisch über den
Brückenkanal 15 "kurzgeschlossen", so daß bei eingeschal
tetem Gebläse 26 ein Umluftstrom entsteht. Bei eingeschal
tetem Gebläse 18 wird dieser Umluftstrom über den Kurz
stromwärmetauscher A permanent gekühlt, so daß die Tem
peratur in der Sorptionskammer 21 rasch gesenkt wird. Nach
Abkühlung des Sorbens werden die Luftstromsteuerelemente
wieder entsprechend Fig. 1 geschaltet, wodurch eine weitere
Kühlung der Kabine 10 möglich ist.
Die Einrichtung gem. dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1
bis 3 stellt ein diskontinuierliches System dar, bei dem
die Kühlung der Kabine 10 zur Desorption des Sorbens zu
unterbrechen ist. Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4
und 5 ist ein kontinuierliches System dargestellt, mit dem
eine Kühlung der Kabine 10 ohne Unterbrechnung möglich ist.
Der Grundaufbau der Einrichtungen ist gleich, weshalb für
gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet sind. Anstel
le eines Reaktors 20 sind bei der Einrichtung nach den
Fig. 4 und 5 zwei Reaktoren 20.1 und 20.2 vorgesehen,
deren Kanäle 22.1 und 22.2 über Luftstromsteuerelemente
52.1 und 52.2 sowie einen Querkanal 11 mit dem Fortluft
kanal 9 verbunden sind, während die Kanäle 22.1 und 22.2
über Luftstromsteuerelemente 53.1 und 53.2 mit dem Zuluft
kanal 7 verbunden sind. Der Abluftkanal 6 ist mit den
Kanälen 23.1 bzw. 23.2 über die Luftstromsteuerelemente
52.1 bzw. 52.2 verbunden. Die Kanäle 22.1 und 22.2 sind
über Luftleitkanäle 25 mit dem Heizluftkanal 24 verbunden.
Das eine Ende des Heizluftkanals 24 ist über ein Luftstrom
steuerelement 50 mit dem Luftleitkanal 25 und dem Warm
luftkanal 5 verbunden, während das andere Ende des Heiz
luftkanals 24 über das Luftstromsteuerelement 54 wahlweise
mit einem Frischluftkanal 8' oder einem weiteren Abluft
stutzen 6' der Kabine 10 verbindbar ist. Im Heizluftkanal
ist der Wärmetauscher A des Zuluftkanals angeordnet, wobei
das Gebläse 18 zwischen dem Luftstromsteuerelement 54 und
dem Wärmetauscher A liegt. Stromab des Wärmetauschers
mündet vor der Brennstoffheizung 4 über ein Luftstrom
steuerelement 57 ein Fortluftkanal 9'. Die Brennstoffhei
zung 4 ist - entsprechend der Ausführung nach den Fig. 1
und 2 - mit einem Brennstofftank 40 verbunden.
Um eine Kühlung des Reaktors nach der Desorptionsphase zu
ermöglichen, ist wieder ein Brückenkanal 15 vorgesehen, der
den Frischluftkanal 8' mit dem Fortluftkanal 9 - jeweils
über Luftstromsteuerelemente 55, 58 - verbindet. Im Brüc
kenkanal 15 ist ein Wärmetauscher C angeordnet, durch den
mittels eines Gebläses 16 Frischluft als Kühlluft geführt
ist.
Zur Kühlung (Fig. 4) der Kabine 10 werden zunächst alle
Luftstromsteuerelemente in Stellung "1" geschaltet und das
Gebläse 26 in Betrieb genommen. Der über den Abluftkanal 6
abgezogene Abluftstrom strömt dann über das Luftstromsteu
erelement 52.1 in den Reaktor 20.1 und tritt über das Luft
stromsteuerelement 53.1 und den Querkanal 12 über den Zu
luftkanal 7 und dem Befeuchter 30 in die Kabine 10 aus.
Werden die Luftstromsteuerelemente 52.1, 52.2, 53.1 und
53.2 in die Stellung "2" geschaltet, wird der Abluftstrom
über das Luftstromsteuerelement 53.2 in den Reaktor 20.2
eintreten und über das Luftstromsteuerelement 53.2 und den
Querkanal 12 über den Luftkanal 7 und den Befeuchter 30 in
die Kabine 10 austreten. Ist ein Reaktor 20.1 bzw. 20.2
erschöpft, müssen lediglich die Luftstromsteuerelemente
52.1 bis 53.2 umgeschaltet werden. Die Betriebsweise einer
derartigen Einrichtung ist ausführlich in der deutschen
Patentanmelung P 41 33 917.7 der Anmelderin beschrieben,
auf deren Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen wird.
Während der eine Reaktor 20.1 bzw. 20.2 zur Kühlung genutzt
wird, kann der nicht genutzte Reaktor 20.2 bzw. 20.1 zeit
gleich desorbiert werden. Dabei stehen die Luftstromsteuer
elemente 50, 54, 55 und 58 unabhängig von dem zu desorbie
renden Reaktor in Stellung "1". Über den Frischluftkanal 8'
wird von dem in Betrieb genommenen Gebläse 18 Frischluft in
den Heizluftkanal 24 angesaugt und über den Wärmetauscher A
der Brennstoffheizung 4 zugeführt. Der durch den Wärmetau
scher A zugeführte Frischluftstrom nimmt Wärmeenergie von
dem kreuzweise geführten Zuluftstrom 7 auf, der aus dem
anderen Reaktor 20.1 ausströmt. Der aus der Brennstoffhei
zung 4 austretende Heißluftstrom strömt zu dem nicht zur
Kühlung genutzten Reaktor 20.2 bzw. 20.1 und tritt über den
Querkanal 11 und den Fortluftstutzen 9 aus. Um nach erfolg
reich durchgeführter Desorption eine rasche Abkühlung des
Reaktors zu ermöglichen ist vorgesehen, die Luftstromsteu
erelemente 55 und 58 in die Stellung "2" zu schalten, wo
durch der Brückenkanal 15 und der darin angeordnete Wärme
tauscher C durchströmt werden. Die Brennstoffheizung 4 ist
nun ausgeschaltet; das Luftstromsteuerelement 57 steht be
vorzugt in der Stellung "1". Die mit dem Umluftstrom aus
dem Reaktor abgeführte Wärme wird im Wärmetauscher C an den
vom Gebläse 16 erzeugten Kühlluftstrom abgegeben. Die an
die Desorptionsphase anschließende Kühlphase kann für eine
vorgebbare Zeit oder in Abhängigkeit der Temperatur der aus
dem Reaktor austretenden Luft vorgesehen sein.
Zum Heizen der Kabine 10 wird ausweislich der Fig. 5 aus
schließlich der Heizluftkanal 24 betrieben. Die Luftstrom
steuerelemente 50 und 54 sind in Stellung "2" geschaltet,
während das Luftstromsteueremelent 53.1 in Stellung "1"
steht. Das Luftstromsteuerelement 57 steht bevorzugt in
Stellung "1".
Das Gebläse 18 erzeugt einen Abluftstrom, der über den
Kanal 6' aus der Kabine 10 abgezogen und durch den - wir
kungslosen - Wärmetauscher A der Brennstoffheizung 4 zuge
führt ist. Der aus der Brennstoffheizung 4 austretende
Heißluftstrom tritt dann über den Warmluftkanal 5 unmittel
bar in die Kabine 10 ein. Durch Teilöffnung des Luftstrom
steuerelementes 57 kann ein Teil des Abluftstroms über den
Fortluftstutzen 9' abgeführt werden.
Auch das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 6 und 7 ent
spricht dem Grundaufbau der Einrichtung nach den Fig. 1
bis 3 bzw. 4 und 5. Der Sorptionsreaktor 200 ist als zylindrischer
Rotationskörper aufgebaut, der im gezeigten Aus
führungsbeispiel 3 in Umfangsrichtung voneinander getrennte
Kammern 201, 202, 203 mit verschiedenen, vorzugsweise glei
chen Erstreckungswinkel von z. B. etwa 120° aufweist. Die
voneinander getrennten Kammern sind mit einem Sorbens wie
Zeolith oder dergleichen aufgefüllt. Der Reaktor dreht in
Pfeilrichtung 13 um eine Drehachse. An dem einen axialen
Ende des Reaktors 200 ist ein Zuführkanal 23 sowie ein
weiterer Luftleitkanal 150 angeordnet, während am anderen
axialen Ende des Reaktors 200 ein weiterer Kanal 22 sowie
ein Heizluftkanal 220 angeordnet ist. Die Kanäle 22 und 23
liegen einander in etwa gegenüber. Die Gesamtanordnung der
Kanäle 22, 220, 150 und 23 ist so vorgesehen, daß die Kanä
le 23 und 22 im Zeitpunkt t der Kammer 103, der Kanal 220
der Kammer 202 und der Kanal 150 der Kammer 201 zugeordnet
ist. Durch Drehung des Reaktors 200 in Pfeilrichtung 13
wechseln die Kammern, wie dies im einzelnen auch in der
älteren Patentanmeldung der Anmelderin P 41 33 917.7
beschrieben ist, auf die hier Bezug genommen wird.
Zur Kühlung der Kabine 10 wird über den Abluftkanal 6 mit
tels des Gebläses 26 ein Abluftstrom abgezogen, dem am
Luftstromsteuerelement 56 entsprechend der Stellung der
Klappe 3 nach Bedarf Frischluft zugemischt ist. Der Abluft-
bzw. Mischluftstrom oder auch ausschließlich Frischluft
strömt über das Luftstromsteuerelement 59 und den Kanal 23
zum Reaktor 200, durchströmt dort die Kammei 203, wobei
unter Abgabe von Feuchtigkeit Adsorptionswärme aufgenommen
wird. Über den Kanal 22 strömt der aufgeheizte Luftstrom
durch die Wärmetauscher A und B, wird abgekühlt und nimmt
im Befeuchter 30 unter weiterer Senkung der Temperatur
Feuchtigkeit auf, bevor er zur Kühlung der Kabine 10 zuge
führt ist. Während des Kühlbetriebs mit der Kammer 203 wird
über den Frischluftkanal 8' von dem Gebläse 18 über den
Wärmetauscher A der Brennstoffheizung 4 ein Luftstrom zuge
führt, wobei am Luftstromsteuerelement 57 entsprechend der
Stellung der Klappe 3 eine Teilmenge über den Abluftstutzen
9' abgeführt werden kann. Der die Brennstoffheizung 4 ver
lassende Heißluftstrom wird über das Luftstromsteuerelement
50 und den Heizluftkanal 220 der Kammer 202 zugeführt, wo
durch diese desorbiert wird. Der mit Feuchtigkeit angerei
cherte Heißluftstrom tritt auf der dem Kanal 220 gegenüber
liegenden Axialseite der Kammer 202 - wenn nötig geführt -
ins Freie aus.
Die Kammer 201 wird durch Abzweigung aus dem Luftstromsteu
erelement 59 über den Luftleitkanal 150 mit einem kühlen
Luftstrom beaufschlagt, wodurch die Kammer 201 nach Ab
schluß der Desorptionsphase und vor Beginn der Adsorptions
phase gekühlt wird. Die Drehgeschwindigkeit des Sorptions
reaktors 200 ist derart vorgesehen, daß bei ausreichender
Leistung einer Sorptionskammer zwischen den Kanälen 22 und
23 die Desorption einer anderen Kammer über den Heizluft
kanal 220 und eine ausreichende Kühlung einer bereits de
sorbierten Kammer über den Luftleitkanal 150 gewährleistet
ist.
Zum Heizen der Kabine 10 werden die Luftstromsteuerelemente
50 und 51 in die Stellung "2" geschaltet, so daß über den
Abluftstutzen 6' ein vom Gebläse 18 abgezogener Abluftstrom
der Heizeinrichtung 4 zugeführt und aufgeheizt über den
Warmluftkanal 5 unmittelbar in die Kabine 10 zurückgeführt
wird.