DE4321863C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Desorption eines Feuchtigkeit adsorbierenden Materials - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Desorption eines Feuchtigkeit adsorbierenden Materials

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Desorption eines Feuchtigkeit adsorbierenden Materials sowie eine Vorrich­ tung zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der DE 41 33 917 A1 ist eine Einrichtung zur Klimati­ sierung eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges bekannt, die aus zwei Reaktoren mit einem darin angeordneten Sorbens besteht. Die Reaktoren dienen der Trocknung eines Umluft­ stroms, wobei von den parallel geschalteten Reaktoren je­ weils nur einer in Betrieb ist. Der andere Reaktor wird gleichzeitig desorbiert, wozu ihm ein aufgeheizter Luft­ strom zugeführt ist, der das Sorbens durchströmt und die darin adsorbierte Feuchtigkeit austreibt. Zur Aufheizung des Luftstroms ist ein Wärmetauscher vorgesehen, über den Abgaswärme, Kühlmittelwärme o. dgl. zugeführt werden kann.
Die Desorption eines Reaktors erfolgt derart, daß der auf eine ausreichend hohe Temperatur aufgeheizte Luftstrom für eine feste Zeitspanne den zu desorbierenden Reaktor durch­ strömt. Die Zeitspanne ist nach Erfahrungswerten gewählt und abhängig von der Luftmenge des aufgeheizten Luftstroms sowie der zur Verfügung stehenden Heizenergie. Da nur in begrenztem Umfang Heizenergie zur Verfügung steht, muß zur Erzielung einer ausreichenden Eintrittstemperatur des auf­ geheizten Luftstroms dessen Luftmenge entsprechend ange­ passt sein.
Die Desorptionszeit eines Reaktors bestimmt wesentlich die Auslegung der parallel geschalteten, wechselweise betrie­ benen Reaktoren an sich. Es muß sichergestellt sein, daß für die gesamte Desorptionszeit des einen Reaktors der andere Reaktor auch unter ungünstigen Bedingungen die not­ wendige Trocknung des zugeführten Luftstroms garantiert. Hierzu ist eine bestimmte Menge an Sorbens notwendig.
Die JP 58-79520 A beschreibt Maßnahmen zur Verbesserung bei der Entschwefelung in Regenerationsöfen. Dabei wird die Temperatur in der Wirbelschicht eines Regenerationsofens gemessen und bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur, die größer ist als diejenige, bei der die Regenerationsrate des Entschweflers gut ist, wird mit Hilfe eines Ventils die Durchflußrate von Entschweflern in den Ofen erhöht, was ein Absinken der Temperatur zur Folge hat. Bei der bekannten Einrichtung wird die Temperatur in der Wirbelschicht des Regenerationsofens gemessen. Dabei wird ausschließlich die Temperatur der Wirbelschicht innerhalb vorgegebener Grenzen dadurch konstant gehalten, daß mehr oder weniger Entschwefler zugegeben werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Desorption eines Sorbens anzugeben, mit dem bei geringer Desorptionszeit eine größtmögliche Desorption erzielt wer­ den kann. Ferner soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 5 angegeben.
Zur Desorption eines Reaktors wird zunächst ein Luftstrom großer Menge durch den Reaktor geführt, der aufgrund der begrenzten Heizleistung nur auf eine entsprechend niedere Temperatur aufgeheizt werden kann. Der hohe Luftstrom ge­ währleistet ein rasches Austragen der Feuchtigkeit. Mit sich verringernder Aufnahme von Wasser wird dem Luftstrom weniger Wärme entzogen, so daß die Austrittstemperatur des aus dem Sorbens austretenden Luftstroms ansteigt. Bei Er­ reichen eines vorgegebenen Temperaturgrenzwertes, der auch eine vorgegebene Temperaturdifferenz zwischen der Ein­ trittstemperatur und der Austrittstemperatur sein kann, wird die Menge des Luftstroms vorzugsweise durch Senkung der Strömungsgeschwindigkeit reduziert, so daß der Luft­ strom in der Heizeinrichtung auf eine höhere Endtemperatur aufgeheizt wird. Die Eintrittstemperatur des in das Sorbens eintretenden Luftstroms steigt deutlich an, wobei die De­ sorption nun mit dem auf eine höhere Temperatur aufgeheiz­ ten Luftstrom geringerer Menge fortgesetzt wird. Die er­ höhte Temperatur treibt einen weiteren Teil der verblie­ benen Feuchtigkeit aus dem Sorbens und wird mit dem Luft­ strom geringerer Menge abgeführt. Es hat sich gezeigt, daß durch die erfindungsgemäße Mengensteuerung des Luftstroms eine niedrige Desorptionszeit bei niedrigerem Energiebedarf erzielbar ist. Auch die Restbeladung des Sorbens ist deut­ lich geringer als nach einer Desorption mit einem Luftstrom konstanter Menge und konstanter Temperatur. Die geringere Restbeladung ermöglicht eine Adsorption über eine längere Betriebszeit, weshalb bei gleicher Baugröße eine größere Leistung zur Verfügung steht.
Die durch die erfindungsgemäße Desorption erzielte gerin­ gere Desorptionszeit und die aufgrund der geringeren Rest­ beladung sich ergebende längere Adsorptionszeit ermöglicht, die Baugröße abwechselnd betriebener Reaktoren bei gleicher Klimatisierungsleistung geringer zu wählen. Das geringere Bauvolumen und das geringere Gewicht eröffnet so die Möglichkeit des Einsatzes auch in kleineren Fahrzeugen mit Verbrennungs- oder Elektromotoren.
In Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, bei Annähe­ rung der Austrittstemperatur des Luftstroms geringerer Menge an dessen Eintrittstemperatur den Luftstrom selbst abzuschalten.
Es kann vorteilhaft sein, den als Schwellwert zur Absenkung der Menge des Luftstroms vorgegebenen Temperaturgrenzwert aus der Differenz zwischen der Eintrittstemperatur und der Austrittstemperatur abzuleiten. Damit ist eine Anpassung an die zur Verfügung stehende Heizleistung möglich.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist eine Steuereinheit auf, die einerseits mit dem Gebläse und ande­ rerseits mit einem im Austrittsluftstrom angeordneten Tem­ peratursensor in Verbindung steht. In Abhängigkeit des Aus­ gangssignals des Temperatursensors wird - vorzugsweise in einer Stufe - die Drehzahl des Gebläses gesenkt und damit die Strömungsgeschwindigkeit verringert, wodurch der Mengenstrom des Luftstroms reduziert ist.
Um eine Überhitzung des Reaktors sicher zu vermeiden ist vorgesehen, die Steuereinheit mit einem weiteren, im Ein­ trittsluftstrom angeordneten Temperatursensor zu verbinden. Sobald ein zulässiger Temperaturgrenzwert überschritten wird, schaltet die Steuereinheit die Heizeinrichtung ab, wozu diese zweckmäßig elektrisch abschaltbar ausgebildet ist. In entsprechender Weise überwacht die Steuereinheit das Gebläse, um bei dessen Ausfall die Heizeinrichtung abzuschalten.
Bevorzugt ist die Steuereinheit ein Mikroprozessor, der zugleich anfallende notwendige Berechnungen ausführen kann und darüberhinaus im Rahmen von Randbedingungen pro­ grammierbar ist.
Als Heizung ist bevorzugt eine PTC-Heizung vorgesehen, also eine Widerstandsheizung mit einem positiven Temperatur­ koeffizienten. Eine derartig ausgebildete Heizung gewähr­ leistet nach Erreichen der Betriebstemperatur einen gerin­ gen Strombedarf.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den wei­ teren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in der ein nachfolgend im einzelnen beschriebenes Ausführungs­ beispiel der Erfindung dargestellt ist. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrich­ tung zur Desorption eines Feuchtigkeit adsor­ bierenden Materials,
Fig. 2 einen Ausschnitt der Darstellung nach Fig. 1 mit einem Wärmetauscher als Heizeinrichtung,
Fig. 3 ein Diagramm zur Luftmenge als Funktion der Austrittstemperatur und der Zeit,
Fig. 4 ein Diagramm zur Eintrittstemperatur als Funktion über der Zeit,
Fig. 5 ein Diagramm der elektrischen Heizleistung einer PTC-Heizung als Funktion über der Temperatur.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Reaktor bezeichnet, in dem als lose Schüttung oder monolithischer Körper ein Sorbens 2 angeord­ net ist. Als Sorbens ist vorzugsweise Zeolith (Aluminium­ silikat) verwendet, auch Silicagel o. dgl. Material ist zweckmäßig.
An gegenüberliegenden Stirnseiten des Reaktors 1 ist ein Luftaustrittskanal 4 bzw. ein Lufteintrittskanal 5 ange­ schlossen. Im Luftaustrittskanal 4 ist stromab des Reaktors 1 ein Temperatursensor 3 angeordnet, der mit einer elektro­ nischen Steuereinheit 10 verbunden ist. Im Lufteintritts­ kanal 5 ist ein weiterer Temperatursensor 6 angeordnet, der ebenfalls mit der Steuereinheit 10 in Verbindung steht.
Der Luftzufuhrkanal 5 ist an einer Heizeinrichtung 8 ange­ schlossen, der über einen Luftzufuhrkanal 7 von einem Ge­ bläse 11 ein Luftstrom vorgebbarer Menge zugeführt ist. Der vorzugsweise elektrische Antriebsmotor des Gebläses 11 ist über eine Steuerleitung 12 von der Steuereinheit 10 schalt­ bar, insbesondere in der Drehzahl regelbar. Über eine wei­ tere Steuerleitung 13 betätigt die Steuereinheit 10 eine Schalteinheit 14, über die die vorzugsweise als elektrische Widerstandsheizung ausgebildete Heizeinrichtung 8 an eine elektrische Versorgungsspannung 15 anschließbar ist.
Zur Desorption des Sorbens 2 im Reaktor 1 wird zunächst das Gebläse 11 mit hoher Drehzahl betrieben, so daß über den Luftzufuhrkanal 7 ein Luftstrom 16 großer Menge in die Heizeinrichtung 8 strömt. Die Luft wird in der Heizeinrich­ tung 8 auf eine Temperatur aufgeheizt und strömt mit hoher Strömungsgeschwindigkeit als erhitzter Luftstrom 16' über den Lufteintrittskanal 5 in den Reaktor 1, treibt dort die im Sorbens adsorbierte Flüssigkeit aus und führt sie im Abluftstrom 16" durch den Austrittskanal 4 ab. Die Aus­ trittstemperatur des abströmenden Luftstroms 16" wird durch den Sensor 3 erfaßt und der Steuereinheit 10 mit­ geteilt. Erreicht die Austrittstemperatur einen vorgege­ benen Temperaturgrenzwert, der der Steuereinheit fest vorgegeben sein kann, wird die Drehzahl des Gebläses 11 über die Steuerleitung 12 - vorzugsweise in einer Stufe - abgesenkt, wodurch die Luftmenge des Luftstroms 16 ver­ ringert ist. Der nun in seiner Menge verringerte Luftstrom weist eine geringere Strömungsgeschwindigkeit auf; er wird in der Heizeinrichtung 8 auf eine höhere Temperatur auf­ geheizt. Der auf eine erhöhte Temperatur aufgeheizte Luft­ strom 16' tritt in den Reaktor 1 ein, um die noch im Sorbens gebundene Feuchtigkeit auszutreiben und mit dem Abluftstrom 16" auszutragen. Wird nach Absenkung der pro Zeiteinheit in den Reaktor 1 eintretenden Luftmenge über den Sensor 3 eine Austrittstemperatur festgestellt, die einem nächsten Temperaturgrenzwert entspricht, wird bevor­ zugt zunächst die Heizeinrichtung 8 abgeschaltet, um durch den nun nicht weiter aufgeheizten Luftstrom 16 ein Abkühlen des im Reaktor 1 enthaltenen Sorbens 2 einzuleiten. Hierzu kann vorteilhaft das Gebläse wieder auf höchste Drehzahl (höchste Leistung) zurückgeschaltet werden.
Die Absenkung der pro Zeiteinheit in den Reaktor 1 eintre­ tenden Luftmenge mL ergibt sich aus Fig. 3. Bei Erreichen des Temperaturgrenzwertes TG zum Zeitpunkt G sinkt der Mengenstrom m1 auf den Mengenstrom m2, wodurch eine weitere Temperaturerhöhung gegeben ist.
In Fig. 4 ist die Eintrittstemperatur Tein dargestellt, die entsprechend nach Erreichen der Zeit tG aufgrund der Absen­ kung der Luftmenge ansteigt. Zum Zeitpunkt t2 ist der Ab­ schluß der Desorption auf einem erhöhten Temperaturniveau erreicht.
In Fig. 4 ist zum Vergleich die Desorption mit konstantem Luftstrom und konstanter Temperatur strichliert darge­ stellt. Es ergibt sich eine Desorptionszeit t1, die deut­ lich länger als die Desorptionszeit t2 ist, welche sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielen läßt.
Um die zur Aufheizung des Luftstroms notwendige Heizlei­ stung zu minimieren ist vorgesehen, die Heizeinrichtung 8 als Widerstandsheizung, insbesondere PTC-Heizung, auszu­ bilden. Diese selbstregelnde Heizung hat den Vorteil, daß mit steigender Temperatur die aufgenommene elektrische Leistung zurückgeht, wie in Fig. 5 dargestellt.
Mit dem im Lufteintrittskanal 5 angeordneten Temperatur­ sensor 6 wird die Eintrittstemperatur des aufgeheizten Luftstroms 16' in den Reaktor 1 erfaßt. Einerseits kann so als Sicherheitsmaßnahme bei Erreichen eines kritischen Tem­ peraturhöchstwertes die Heizung 8 abgeschaltet werden, um eine Überhitzung der Systemkomponenten zu vermeiden; ande­ rerseits ist durch Anordnung des Temperatursensors 6 die Möglichkeit gegeben, die Steuerung der Luftmenge in Abhän­ gigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen Eintritts­ temperatur und Austrittstemperatur vorzunehmen. Der Tem­ peraturgrenzwert zur Umschaltung von einer höheren Luft­ menge auf eine geringere Luftmenge ist dabei vorteilhaft aus der Differenztemperatur abgeleitet, die von der Steuereinheit 10 berechnet wird. Bei Erreichen eines vorgegebenen, minimalen Differenzwertes wird die Steuer­ einheit 10 das Gebläse 11 auf eine geringere Drehzahl umschalten, wodurch die Eintrittstemperatur ansteigt und somit der Differenzwert wieder größer wird. Bei einem nächsten Erreichen eines vorgegebenen minimalen Differenz­ wertes kann entweder eine weitere Drehzahlreduzierung des Gebläses vorgenommen oder aber die Abschaltung der Heizein­ richtung 8 initiiert werden, da die Desorption abgeschlos­ sen ist. Mit einem Erhöhen der Eintrittstemperatur in ein oder mehreren Stufen kann die notwendige Desorptionszeit deutlich reduziert und die Restbeladung des Sorbens auf ein Minimum gesenkt werden. Die auftretende Verlustwärme ist dabei niedrig.
In der schematischen Darstellung nach Fig. 1 ist eine elek­ trische Heizeinrichtung vorgesehen. Wie in Fig. 2 darge­ stellt, kann die Heizeinrichtung 8 zweckmäßig auch ein insbesondere flüssigkeitsdurchströmter Wärmetauscher sein. Im Zulauf 18 ist ein den Durchfluß steuerndes Regelventil 19 geschaltet, welches über die Schalteinheit 14 und die Steuerleitung 13 der Steuereinheit 10 betätigbar ist. Der Wärmetauscher kann z. B. vom Kühlkreislauf eines Motors (Elektromotor, Verbrennungsmotor) gespeist sein.

Claims (12)

1. Verfahren zur Desorption eines Feuchtigkeit adsorbie­ renden Materials durch einen von einem Gebläse (11) geförderten Luftstrom (16), der vor Eintritt in das Sorbens (2) in einer Heizeinrichtung (8) aufgeheizt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Luftstroms (16) in Abhängigkeit von der Austrittstemperatur des aus dem Sorbens (2) austretenden Luftstroms (16") eingestellt wird, derart, daß bei Erreichen eines vor­ gegebenen Temperaturgrenzwertes die Menge des Luft­ stroms (16) reduziert und die Desorption mit einem auf eine höhere Temperatur aufgeheizten Luftstrom (16') ge­ ringerer Menge fortgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduzierung der Menge des Luftstroms durch Regelung seiner Strömungsgeschwin­ digkeit erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Annäherung der Aus­ trittstemperatur des Luftstroms geringerer Menge an die Eintrittstemperatur die Aufheizung des Luftstroms abgeschaltet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturgrenzwert aus der Differenz zwischen der Eintrittstemperatur und der Austrittstemperatur abgeleitet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittstemperatur überwacht wird und bei Überschreiten eines vorgegebenen Temperaturgrenzwertes die Aufheizung des Luftstroms abgeschaltet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Feuchtigkeit adsorbierendes Material Zeolith oder Silicagel vorgesehen ist.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (11) über eine Steuerleitung (12) mit einer Steuereinheit (10) verbun­ den ist, an die ein im Austrittsluftstrom (16") ange­ ordneter Temperatursensor (3) angeschlossen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (10) mit einem weiteren, im Eintrittsluftstrom angeordneten Tem­ peratursensor (6) in Verbindung steht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (8) von der Steuereinrichtung (10) abschaltbar ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung eine Widerstandsheizung, insbesondere eine PTC-Heizung ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung ein vorzugsweise flüssigkeitsdurchströmter Wärmetauscher mit im Zulauf angeordnetem, von der Steuereinheit einstellbarem Regelventil ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (10) ein Mikroprozessor ist.
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