DE4441066A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen eines Luftstroms - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines ersten Luftstroms mittels eines zweiten Luftstroms, insbesondere zum Kühlen von einem Raum von außen zugeführter Zuluft mittels aus dem Raum abgeführter Abluft, wobei der zweite Luftstrom zunächst befeuchtet und dann einem rekuperativen Wärmetausch mit dem ersten Luftstrom unterzogen wird.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durch­ führung dieses Verfahrens mit einem rekuperativen Wärme­ tauscher, der einerseits vom ersten Luftstrom und andererseits vom zweiten Luftstrom durchströmbar ist, und mit einem dem Wärmetauscher auf der Seite des Eintritts des zweiten Luftstroms vorgeordneten Luftbefeuchtungs­ aggregat.

Bei der Raumkonditionierung ergibt sich das Problem, daß im Sommer die Zuluft gekühlt werden muß. Dies geschieht mit der Abluft, die vorher mit Feuchtigkeit beaufschlagt und dadurch gekühlt wird. Hierzu wird die Abluft bisher mittels eines Luftwäschers adiabat befeuchtet. Hierbei wird die Sättigungslinie der Luft bei weitem nicht erreicht. Das Energieniveau der Abluft bleibt dementsprechend vergleichsweise hoch. Beim nachfolgenden Wärmetausch kann somit nur ein vergleichsweise kleines Wärmeaufnahmevermögen der befeuchteten Abluft zur Kühlung der Zuluft ausgenutzt werden. Hierbei läßt sich daher nur eine vergleichsweise geringe Zuluftabkühlung erreichen. Die Folge davon ist, daß eine Nachkühlung erforderlich ist, was zu einem hohen Energie-und Bauaufwand führt.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, daß ein ver­ gleichsweise hoher Kühleffekt erreicht wird.

Diese Aufgabe wird ausgehend vom gattungsgemäßen Verfah­ ren dadurch gelöst, daß der zweite Luftstrom bei der Be­ feuchtung zumindest bis in den Bereich der Sättigungslinie von 100% relativer Luftfeuchtigkeit mit Feuchtigkeit beaufschlagt wird.

Dies ergibt ein hohes, bisher nicht erreichbares Energieniveau der befeuchteten Luft und damit eine gute Kühlung.

Gemäß einer besonders zu bevorzugenden Fortbildung der übergeordneten Maßnahmen wird der zweite Luftstrom über die Sättigungslinie von 100% relativer Luftfeuchtigkeit hinaus mit Feuchtigkeit übersättigt, die beim anschließenden Wärmetausch mit dem ersten Luftstrom zumindest teilweise verdampft wird.

Diese Maßnahmen stellen sicher, daß beim Wärmetausch nicht nur das niedrige Energieniveau des vorher gekühlten zweiten Luftstroms zur Verfügung steht, sondern daß auch die zum Verdampfen des über die Sättigungslinie hinaus­ gehenden Feuchtigkeitsanteils des zweiten Luftstroms be­ nötigte Verdampfungsenergie zur Kühlung des ersten Luft­ stroms ausgenutzt werden kann. Es ergibt sich daher in vorteilhafter Weise eine zweiphasige Kühlung des ersten Luftstroms mit Ausnutzung der bei der Nachverdampfung der übersättigten Feuchtigkeit verbrauchten Energie und der zur Temperaturerhöhung des zweiten Luftstroms verbrauchten Energie.

Hierzu ist das Luftbefeuchtungsaggregat der gattungsge­ mäßen Vorrichtung erfindungsgemäß als Kaltdampfgenerator ausgebildet, mittels dessen der zweite Luftstrom zumindest bis zum Bereich der Sättigungslinie, vorzugsweise über die Sättigungslinie von 100% relativer Luftfeuchtigkeit hinaus mit Kaltdampf beaufschlagbar ist.

Diese Maßnahmen ergeben eine einfache und kostengünstige Bauweise sowie einen ausgezeichneten Wirkungsgrad. Mit Hilfe eines Kaltdampfgenerators läßt sich ohne weiteres eine Befeuchtung bis zur Sättigungslinie und falls erforderlich eine Übersättigung bis zum Bereich von 10 - 50% vorzugsweise von etwa 20% des jeweiligen Wasserge­ halts, der dem Betriebspunkt auf der Sättigungslinie zu­ geordnet ist, erreichen.

Zweckmäßig ist der Kaltdampfgenerator so ausgebildet, daß nicht netzender Kaltdampf erzeugt wird. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Wärmeübergangsflächen des Wärme­ tauschers nicht benetzt werden, so daß der Wärmedurchgang nicht beeinträchtigt wird.

Vorteilhaft kann der Kaltdampfgenerator einem Luft-Luft- Plattenwärmetauscher vorgeordnet sein. Hierbei ergeben sich große Wärmeübergangsflächen, so daß beide Kühlungs­ phasen voll zum Tragen kommen können. Insbesondere die Verwendung eines Plattenwärmeaustauschers mit Luftführung nach dem Gegenstromprinzip erweist sich dabei als besonders zu bevorzugen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nach­ stehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung ent­ nehmbar.

In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines er­ findungsgemäßen raumlufttechnischen Geräts,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Kaltdampfgenerator der Anordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Wärmetauschermoduls der Anordnung gemäß Fig. 1 und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des Platten­ wärmetauschers der Anordnung gemäß Fig. 3.

Das der Fig. 1 zugrunde liegende, raumlufttechnische Gerät, das als kompaktes Klimakastengerät ausgebildet sein kann, dient zur Konditionierung des Raumklimas in einem zugeordneten Raum, z. B. in einer Werkstätte. Aus diesem Raum wird Abluft entnommen, wie durch den Pfeil 1 angedeutet ist. Gleichzeitig wird diesem Raum Zuluft zugeführt, wie durch den Pfeil 2 angedeutet ist. Die Abluft wird als Fortluft an die Umgebung abgegeben, wie durch Pfeil 3 angedeutet ist. Die Zuluft wird als Frischluft aus der Umgebung entnommen, wie durch Pfeil 4 angedeutet ist. Der nach innen gerichtete, den Pfeilen 4, 2 folgende Luftstrom wird im folgenden als Primärluftstrom bezeichnet. Der nach außen gerichtete, den Pfeilen 1, 3 folgende Luftstrom wird im folgenden als Sekundärluftstrom bezeichnet.

Das der Fig. 1 zugrunde liegende, raumlufttechnische Gerät, das als kompaktes Klimakastengerät ausgebildet sein kann, besteht aus mehreren, aneinander angesetzten Modulen. Als Kernstück ist ein Wärmetauschermodul 5 vor­ gesehen, das vom Primärluftstrom von außen nach innen, in Fig. 1 von rechts nach links, und vom Sekundärluftstrom der Gegenrichtung durchströmt wird, wie durch einander kreuzende Strömungspfeile angedeutet ist. Das Wärmetauschermodul 5 besitzt dementsprechend zwei einander gegenüberliegende Strömungseingänge und zwei einander gegenüberliegende Strömungsausgänge, deren Quer­ schnitt jeweils die halbe Fläche der zugeordneten Seiten­ flanke des Wärmetauschermoduls 5 umfaßt. Dem Primärluft­ eingang des Wärmetauschermoduls 5 kann, wie durch unter­ brochene Linien angedeutet ist, ein Filtermodul 6 vorge­ ordnet sein, durch welches die von außen angesaugte Frischluft gefiltert werden kann. Stromabwärts des Primärluftausgangs des Wärmetauschermoduls 5 kann ein als Ventilatorteil 7 ausgebildetes Modul vorgesehen sein, das einen Ventilator zum Transport der Primärluft enthält. Im dargestellten Beispiel ist ein dem Ventilatorteil 7 vor­ geordnetes Lufterhitzermodul 8 angedeutet, durch welches die Primärluft bei Winterbetrieb erwärmbar ist.

Der Sekundärluftausgang des Wärmetauschermoduls 5 mündet in die Umgebung. An den Sekundärlufteingang des Wärme­ tauschermoduls 5 ist ein Kaltdampfgenerator 9 mit seinem Ausgang angeschlossen, durch den die Sekundärluft im Som­ merbetrieb befeuchtet und gekühlt werden kann, wodurch im Wärmetauschermodul 5 eine Kühlung der Primärluft bewirkt werden kann. Stromaufwärts vom Kaltdampfgenerator 9 sind ein als Ventilatorteil 10 zum Transport des Sekundärluft­ stroms ausgebildetes Modul mit eingansseitigem Filter­ modul 11 zur Filterung der aus dem zu konditionierenden Raum abgesaugten Abluft vorgesehen. Zwischen dem als Ven­ tilatorteil 10 ausgebildeten und dem als Kaltdampfgenerator 9 ausgebildeten Modul ist hier ein nicht näher bezeichnetes Leerteil angedeutet, das später den Einbau eines weiteren Behandlungsmoduls, beispiels­ weise zur Desinfektion der Sekundärluft, ermöglicht.

Bei Winterbetrieb wird die Primärluft erwärmt. Dement­ sprechend ist dabei das Erhitzermodul 8 aktiviert. Der Kaltdampfgenerator 9 ist passiviert, so daß im Wärmetauschermodul 5 eine Vorwärmung der Primärluft mittels der Sekundärluft erfolgen kann. Bei Sommerbetrieb wird die Primärluft im Wärmetauschermodul 5 gekühlt. Hierbei sind dementsprechend das Erhitzermodul 8 passiviert und der Kaltdampfgenerator aktiviert.

Im Kaltdampfgenerator 9 wird die Sekundärluft mit nicht netzendem Kaltdampf beaufschlagt. Die Beaufschlagung mit Kaltdampf erfolgt dabei über die Sättigungslinie von 100% relativer Luftfeuchtigkeit hinaus bis zu einer Übersättigung von 10-50%, vorzugsweise ca. 20% des jeweiligen Wassergehalts, der dem Betriebspunkt des Sekundärluftstroms auf der Sättigungslinie zugeordnet ist. Die so mit Feuchtigkeit übersättigte Sekundärluft gelangt anschließend in das Wärmetauschermodul 5. Hierbei wird der die Übersättigung bildende Feuchtigkeitsanteil nachverdampft. Die dazu erforderliche Energie wird der Primärluft entzogen, die dadurch eine Kühlung erfährt. Die befeuchtete Sekundärluft besitzt in Folge der Befeuchtung auch ein vergleichsweise niedriges Temperaturniveau, das beim Durchgang durch das Wärmetauschermodul angehoben wird. Die hierzu erforderliche Energie wird ebenfalls der Primärluft entzogen, die hierdurch eine weitere Kühlung erfährt. Im Wärmetauschermodul 5 ergibt sich somit eine zweiphasige Kühlung, nämlich aufgrund der Nachverdampfung des die Übersättigung bildenden Wasseranteils und durch Temperaturerhöhung der Sekundärluft.

Diese zweiphasige Kühlung der Primärluft ergibt einen hohen Kühleffekt. Versuche haben ergeben, daß die Primärluft um eine Differenz von etwa 14°C abgekühlt werden kann, was eine Kühlung der Zuluft auf ca. 20°C und tiefer ohne weiteres möglich macht. Die Feuchtigkeitsübersättigung der Abluft betrug dabei 1,5 g Wasser pro kg Luft. Der Wärmetausch erfolgte nach dem Gegenstromprinzip, wobei aufgrund einer über der ganzen Austauschfläche nahezu gleichen Temperaturdifferenz eine hohe Gesamtenergieübertragung erreicht wird.

Der Kaltdampfgenerator 9 besitzt, wie am besten aus Fig. 2 erkennbar ist, einen kastenförmigen Strömungskanal 12, in den gleichmäßig über die Kanalbreite verteilte Zer­ stäuberdüsen 13 eingebaut sind, die über eine Versor­ gungsleitung 14 mit unter hohem Druck stehendem Wasser beaufschlagt werden. Vor den Zerstäuberdüsen 13 kann ein Dissipator oder Deflector 15 angeordnet sein. Die Zer­ stäuberdüsen 13 sind in Längsrichtung des Strömungskanals 12 gesehen etwa am Ende es ersten Viertels platziert. Im Bereich vor und nach den Zerstäuberdüsen 13 sind von den Seitenwänden des Strömungskanals 12 in den Strömungsquer­ schnitt hineinragende Staubleche vorgesehen, die mit gegenseitigem Abstand angeordnet sind, und dementsprechend Resonanzräume 16 bzw. 17 bilden. Im dargestellten Beispiel sind vier der Zerstäuberdüsenebene vorgeordnete und sechs den Zerstäuberdüsen 13 nachgeordnete Staubleche vorgesehen. Durch die vorgeordneten Staubleche wird die über den Einströmquerschnitt des Strömungskanals 12 eintretende, durch Pfeile angedeutete Luft in Schwingungen versetzt. Durch die nachgeordneten Staubleche wird das nach den Zerstäuberdüsen 13 sich bildende Wassernebel-Luftgemisch durch Schwingungen intensiv durchmischt, wobei das Wasser bis annähernd zur Sättigung der Luft kalt verdampft. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die Luftschwingungen eine Frequenz im Bereich von 20-30 Hz, vorzugsweise von 25 Hz aufweisen. In diesem Frequenzbereich verbinden sich die Luft und das Wasser derart, daß kein Wasser ausgeschieden wird.

Auf den durch die nachgeordneten Staubleche gebildeten Resonanzraum 17 folgt ein staublechfreier Reaktionsraum 19, in welchem die Sättigung der Luft erreicht und das Luft-Wasser-Gemisch zu einem homogenen Gefüge gebracht wird. Damit wird der Wasserkondensat-Niederschlag vermieden und die nicht netzende Eigenschaft des Kaltdampfes gewährleistet. Im Bereich des Reaktionsraums 19 ist ein durch ein zentral angeordnetes Teller gebildeter Naßdampfeliminator 20 vorgesehen, der die in der Kernströmung vorhandenen größeren Tropfen ausscheidet. Ausgangsseitig ist der Strömungskanal 12 mit einem kombinierten Sattdampftrockner und Tropfenabscheider 21 versehen, welcher überflüssigen Sattdampf ausscheidet, den kalten Dampf durch Drosselung trocknet eventuell noch vorhandene kleine Tropfen ausscheidet. Dieser Aufbau des Kaltdampfgenerators 9 ermöglicht die Erzielung einer Wasserübersättigung der Sekundärluft bis ca. 50% des jeweilen Wassergehalts, der dem Betriebspunkt des Sekundärluftstroms auf der Sättigungslinie zugeordnet ist. Durch Änderung des Drucks des den Zerstäuberdüsen 13 zugeführten Wassers läßt sich praktisch jeder gewünschte Luftzustand einstellen.

Das Wärmetauschermodul 5 enthält, wie am besten aus Fig. 3 erkennbar ist, ein kastenförmiges Gehäuse 22, in das ein hier wabenförmiger Plattenwärmertauscher 23 eingebaut ist. Selbstverständlich sind auch andere Wärmetauscherkonfigurationen denkbar. Die vorliegende Konfiguration ergibt jedoch zweckmäßig im mittleren Bereich parallele Strömungsrichtungen. Der Plattenwärmetauscher 23 enthält, wie am besten aus Fig. 4 erkennbar ist, durch Wellenplatten 28 auf Distanz gehaltene Lamellen 29, welche die beiden durchgeleiteten Luftströme, hier den Primärluftstrom und den Sekundärluftstrom, voneinander trennen. Die Wellenplatten ergeben gerade, einen vergleichweise schlanken Querschnitt aufweisende Strömungskanäle und bewirken gleichzeitig eine Versteifung der Lamellen. Diese können daher vergleichsweise dünn sein, was einen guten Wärme­ austausch gewährleistet. Die Lamellen können aus Leicht­ metall, wie Aluminium, Edelstahl oder Kunststoff, wie PVC oder PP bestehen. Dasselbe gilt für die Wellenplatten. Zweckmäßig ist der Plattenwärmetauscher als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet, dabei wird durch die nahezu konstante Lufttemperaturdifferenz der beiden Massenströme über die ganze Austauschstrecke das Symptom der "kalten Ecke" vermieden und eine gleichmäßige Nachverdampfung über die gesamte Austauscherfläche erreicht. Somit können sehr gute Übertragungswerte des Plattenwärmetauschers erreicht und das Leistungsverhalten des ganzen Prozesses optimiert werden. Dabei kommt die im dargestellten Beispiel verwendete Wabenform mit parallelen Strömungsrichtungen besonders vorteilhaft zum Tragen.

Die den Plattenwärmetauscher 23 durchsetzenden Luftströme kreuzen einander. Der wabenförmige Plattenwärmetauscher 23 ist dabei, wie Fig. 3 anschaulich zeigt, so im kastenförmigen Gehäuse 22 des Wärmetauschermoduls 5 angeordnet, daß die zwei einander gegenüberliegenden in Geräteachsrichtung verlaufenden Wärmetauscherflanken an den benachbarten Seitenwänden des Gehäuses 22 anliegen, oder mit Abstand parallel dazu sind. Somit ergeben sich zu den Mitten der Gehäusestirnseiten vorspringende Wärmetauscherecken. Selbstverständlich sind auch andere Anordnungen denkbar. In jedem Falle ist es günstig, wenn die Anordnung so getroffen wird, daß sich im Bereich der Stirnseiten des Gehäuses 22 einander jeweils benachbarte Ein- und Auslaßquerschnitte 24 bzw. 25, die sich jeweils über die halbe Fläche der betreffenden Stirnseite erstrecken. Im dargestellten Beispiel befinden sich im Bereich der einen Stirnseite der Sekundärlufteinlaß 24 und der Primärluftauslaß 25 nebeneinander. Im Bereich der anderen Stirnseite ergeben sich der Sekundärluftauslaß 26 und Primärlufteinlaß 27. Dies ermöglicht die der Fig. 1 zugrunde liegende Bauweise mit parallel zum Kaltdampfgenerator 9 geführter Zuluft. Das Gehäuse 22 ist dabei so konzipiert, daß es den stirnseitig angesetzten Kaltdampfgenerator 9 um die Höhe des angesetzten Moduls, hier des Lufterhitzermoduls 8, überragt.

Claims (11)

1. Verfahren zum Kühlen eines ersten Luftstroms mittels eines zweiten Luftstroms, insbesondere zum Kühlen von einem Raum von außen zugeführter Zuluft mittels aus dem Raum abgeführter Abluft, wobei der zweite Luftstrom zunächst befeuchtet und dann einem rekuperativen Wärmetausch mit dem ersten Luftstrom unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Luftstrom bei der Befeuchtung zumindest bis zum Bereich der Sättigungslinie von 100% relativer Luftfeuchtigkeit mit Feuchtigkeit beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Luftstrom bei der Befeuchtung über die Sättigungslinie von 100% relativer Luftfeuchtigkeit hinaus mit Feuchtigkeit übersättigt wird, die beim anschließenden Wärmetausch mit dem ersten Luftstrom zumindest teilweise verdampft wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Luftstrom bei der Befeuchtung mit nicht netzendem Kaltdampf beaufschlagt bzw. übersättigt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersättigung 10%-50%, vorzugsweise 20% des jeweiligen Wassergehalts, der dem Betriebspunkt des zweiten Luftstroms auf der Sättigungslinie zuge­ ordnet ist, beträgt.

5. Vorrichtung zur Kühlung eines ersten Luftstroms mittels eines zweiten Luftstroms, insbesondere raum­ lufttechnisches Gerät, mit einem rekuperativen Wärmetauscher (23) der einerseits vom ersten Luft­ strom, vorzugsweise in Form von einem Raum von außen zugeführter Zuluft, und andererseits vom zweiten Luftstrom, vorzugsweise in Form von aus dem Raum ab­ geführter Abluft, durchströmbar ist, und mit einem dem Wärmetauscher (22) auf der Seite des Eintritts des zweiten Luftstroms vorgeordneten Luftbe­ feuchtungsaggregat, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftbefeuchtungsaggregat als Kaltdampfgenerator (9) ausgebildet ist, mittels dessen der zweite Luftstrom zumindest bis zum Bereich der Sättigungslinie, vorzugsweise über die Sättigungslinie von 100% relativer Luftfeuchtigkeit hinaus mit nicht netzendem Kaltdampf beaufschlagbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Kaltdampfgenerator (9) nachgeordnete Wärmetauscher (23) als Luft-Luft-Plattenwärme­ tauscher ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (23) als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist, der zumindest auf einem Teil seiner Länge parallele Strömungsrichtungen aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltdampfgenerator (9) wenigstens eine mit unter Druck stehendem Wasser beaufschlagbare Zerstäubungsdüse (13) aufweist, der in Strömungsrichtung der Luft Resonanzanordnungen (Resonanzräume 16 bzw. 17) vor- und nachgeordnet sind, und daß luftaustrittseitig ein kombinierter Sattdampftrockner und Tropfenabscheider (21) vorzugsweise mit vorgeordnetem Naßdampfeliminator (20) vorgesehen sind, der der in Strömungsrichtung vorderen Resonanzanordnung mit Abstand nachgeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzräume (16, 17) des Kaltdampfgenerators (9) so ausgebildet sind, daß sich eine Schwingungsfrequenz im Bereich von 20-30 Hz, vorzugsweise 25 Hz, ergibt.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltdampf­ generator (9) und der Wärmetauscher (23) in ein Klimakastengerät eingebaut sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (23) im Bereich einander gegenüberliegender Stirnseiten jeweils einen Ein- und einen Auslaß (29, 25; 27, 26) aufweist.