DE60117000T2

DE60117000T2 - Wärmepumpe und entfeuchter

Info

Publication number: DE60117000T2
Application number: DE60117000T
Authority: DE
Inventors: LTD Kensaku łc/o EBARA RESEARCH CO. Fujisawa-shi MAEDA
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2001-03-07
Filing date: 2001-03-07
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2021-03-08
Also published as: CN1172128C; DE60117000D1; CN1416519A; EP1367333B1; EP1367333A1; EP1367333A4; WO2002070960A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpe und eine Entfeuchtungsvorrichtung und insbesondere eine Wärmepumpe mit einem hohen COP und eine Entfeuchtungsvorrichtung, welche eine solche Wärmepumpe hat.
Stand der Technik
Wie in 17 gezeigt ist war vorher eine trocknende Klimaanlagenvorrichtung verfügbar, welche eine Wärmepumpe als eine Wärmequelle hat. Die Klimaanlagenvorrichtung, welche in 17 gezeigt ist, verwendet eine Wärmepumpe HP des Kompressionstyps einschließlich eines Kompressors 260 als die Wärmepumpe. Die Klimaanlagenvorrichtung hat einen Pfad für Prozessluft A, von welcher Feuchtigkeit adsorbiert wird durch ein Austrocknungsrad 103, und einem für Regenerationsluft B, welche durch eine Wärmequelle erwärmt wird und dann durch das Trocknungsrad 103 hindurch geht, welches die Feuchtigkeit adsorbiert hat, um die Feuchtigkeit von dem Trocknungsmittels zu desorbieren, um dadurch das Trocknungsmittel zu regenerieren. Die Klimaanlagenvorrichtung hat eine Klimaanlage, welche einen angemessenen Wärmeaustauscher 104 zum Austausch von Wärme zwischen der Prozessluft, von welcher Feuchtigkeit adsorbiert wurde, und der Regenerationsluft hat, bevor sie das Trocknungsmittel des Trocknungsrads 103 regeneriert und auch bevor sie durch die Wärmequelle erwärmt wird, und hat auch die Wärmepumpe HP des Kompressionstyps. Die Regenerationsluft der Klimaanlage zum Regenerieren des Trocknungsmittels wird verwendet als eine Hochtemperaturwärmequelle in der Wärmepumpe HP des Kompressionstyps, und wird durch eine Wärmeeinheit 220 erwärmt. Die Prozessluft der Klimaanlage wird als eine Tieftemperaturwärmequelle in der Wärmepumpe HP des Kompressionstyps verwendet, und wird durch eine Kühleinheit 210 gekühlt.
Hier wird der Betrieb der Wärmepumpe HP des Kompressionstyps, die in 17 gezeigt ist, unten stehend beschrieben mit Bezug auf ein Mollierdiagramm, welches in 18 gezeigt ist. Das Diagramm, welches in 18 gezeigt ist, ist ein Mollierdiagramm in dem Fall, in welchem HFC134a als das Kühlmittel verwendet wird. Ein Punkt a repräsentiert einen Zustand, in welchem das Kühlmittel durch die Kühleinheit 210 verdampft wurde, und das Kühlmittel ist in der Form eines gesättigten Dampfes. Das Kühlmittel hat einen Druck von 4,2 kg/cm², eine Temperatur von 10° Celsius und eine Enthalpie von 148,83 kcal/kg. Ein Punkt b repräsentiert einen Zustand, in welchem der Dampf angesaugt und komprimiert ist durch den Kompressor 260, das heißt ein Zustand an dem Auslassanschluss des Kompressors 260. In diesem Zustand hat das Kühlmittel einen Druck von 19,3 kg/cm² und eine Temperatur von 78° Celsius, und ist in der Form eines Heißdampfes. Der Kühlmitteldampf wird gekühlt in der Wärmeeinheit (als eine Kühleinheit oder ein Kondensator von der Sichtweise des Kühlmittels) 220 und erreicht einen Zustand, welcher durch einen Punkt c in dem Mollierdiagramm repräsentiert ist. In dem Punkt c ist das Kühlmittel in der Form eines gesättigten Dampfes und hat einen Druck von 19,3 kg/cm² und eine Temperatur von 65° Celsius. Unter diesem Druck wird das Kühlmittel weiter gekühlt und kondensiert, um einen Zustand zu erreichen, welcher durch einen Punkt d repräsentiert ist. In diesem Punkt d ist das Kühlmittel in der Form einer gesättigten Flüssigkeit und hat den gleichen Druck und die gleiche Temperatur wie diejenigen in dem Punkt c. Die gesättigte Flüssigkeit hat eine Enthalpie von 122,97 kcal/kg. Die Kühlmittelflüssigkeit wird durch ein Expansionsventil 250 entspannt, auf einen Sättigungsdruck von 4,2 kg/cm² und eine Temperatur von 10° Celsius. Das Kühlmittel wird als eine Mischung der Kühlmittelflüssigkeit und des Dampfes bei einer Temperatur von 10° Celsius zu der Kühleinheit (als ein Verdampfer von dem Sichtpunkt des Kühlmittels aus) 210 geliefert, wo die Mischung Wärme von der Prozessluft entfernt und verdampft wird, um einen Zustand des gesättigten Dampfes zu erreichen, welcher durch den Punkt a in dem Mollierdiagramm repräsentiert wird. Der gesättigte Dampf wird wieder in den Kompressor 260 gezogen, und der obige Zyklus wird wiederholt.
Die Wärmepumpe, welche in der obigen konventionellen Klimaanlagenvorrichtung verwendet wird, hat keinen exzellenten COP (Coefficient of Performance = Leistungskoeffizient), weil der Kühleffekt eines Kühlmittels in einem Kühlmittelzyklus nicht notwendigerweise groß ist.
In der konventionellen Klimaanlagenvorrichtung spielt der angemessene Wärmeaustauscher 104 zur anfänglichen Kühlung der Prozessluft, bevor die Prozessluft durch die Kühleinheit 210 gekühlt wird, eine wichtige Rolle. Weil jedoch der angemessene Wärmeaustauscher im Allgemeinen ein großes Volumen in dem System einnimmt ist es schwierig, das System zu konstruieren, und das System wird unvermeidbarer Weise groß in den Abmessungen.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Wärmepumpe vorzusehen, welche ein hohes COP hat, und eine Entfeuchtungsvorrichtung, welche ein hohes COP und eine kompakte Struktur hat.
Offenbarung der Erfindung
Dieses Ziel wird erreicht durch eine Wärmepumpe und eine Entfeuchtungsvorrichtung, wie in den Ansprüchen definiert ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie in den 1 und 2 beispielsweise gezeigt ist, ist eine Wärmepumpe HP1 vorgesehen, in welchem eine Druckvorrichtung 260, eine Kondensationsvorrichtung 220 und ein Verdampfer 210 über Kühlmittelpfade 201 bis 207 verbunden sind, wobei diese Wärmepumpe folgendes aufweist: Mittel, welche in dem Kühlmittelpfad angeordnet sind, welche die Kondensationsvorrichtung 220 und den Verdampfer 210 verbinden, um alternierend ein Kühlmittel wiederholt zu verdampfen und zu kondensieren unter einem mittleren Druck, welcher mittig zwischen einem Druck, welcher durch die Druckvorrichtung 260 unter Druck gesetzt werden soll, und einem Druck, welcher durch die Druckvorrichtung 260 unter Druck gesetzt wurde, angeordnet ist (von einem Punkt e zu einem Punkt f1 und von einem Punkt f1 zu einem Punkt g1a und ähnliches in 3).
Die Wärmepumpe kann derart angeordnet sein dass während das Kühlmittel alternierend wiederholt verdampft und kondensiert wird wie beispielsweise in einem Flussdiagramm, welches in 9 gezeigt ist, gezeigt ist, und in einem korrespondierenden Mollierdiagramm, welches in 10 gezeigt ist, das kondensierte Kühlmittel kondensiert wird nachdem es auf einen zweiten dazwischen liegenden Druck entspannt wurde, welcher geringer ist als der vorherige dazwischen liegende Druck (von einem Punkt g2 zu einem Punkt E in 10). Zum Beispiel kann die Wärmepumpe zwei Mittel zum alternierenden wiederholten Verdampfen und Kondensieren des Kühlmittels haben, wie in einem Flussdiagramm, welches in 12 gezeigt ist, gezeigt ist, und in einem korrespondierenden Mollierdiagramm, welches in 13 gezeigt ist, und die Wärmepumpe kann derart angeordnet sein, dass der Verdampfungsdruck und der Kondensationsdruck in einem der Mittel geringer gemacht wird als der Verdampfungsdruck und der Kondensationsdruck in den anderen Mitteln, und wobei die Kühlmittel alternierend wiederholt verdampft und kondensiert werden durch die jeweiligen Mittel, und die kondensierten Kühlmittel werden gleichzeitig entspannt auf einen Verdampfungsdruck in dem Verdampfer (von einem Punkt g2 zu einem Punkt j1 und von einem Punkt G2 zu einem Punkt j in 13). Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine feuchtigkeitsentziehende Klimaanlagenvorrichtung vorgesehen, welche folgendes aufweist: Ein feuchtigkeitsabsorbierendes Gerät 103 zum Entfernen von Feuchtigkeit von Prozessluft und zum regeneriert werden durch Desorbieren von Feuchtigkeit davon mit Regenerationsluft; und eine Wärmepumpe HP1 mit einer Kondensationsvorrichtung 220, einem Verdampfer 210 und einer dünnen Rohrgruppe, welche die Kondensationsvorrichtung 220 und den Verdampfer 210 verbindet; wobei die dünne Rohrgruppe derart angeordnet ist, dass sie ein Kühlmittel, welches durch die Kondensationsvorrichtung 220 kondensiert wurde, in den Verdampfer 210 einführt, und damit das Kühlmittel in alternierenden Kontakt mit der Prozessluft und der Regenerationsluft bringt.
Wie in 12 oder 14 beispielsweise gezeigt ist können zwei der obigen dünnen Rohrgruppen vorhanden sein, der Kühlmittelpfad zum Einführen des Kühlmittels von der Kondensationsvorrichtung zu den dünnen Rohrgruppen kann in zwei Passagen aufgeteilt sein, welche jeweils mit den zwei dünnen Rohrgruppen verbunden sind, und Kühlmittelrohre, welche sich von den jeweiligen dünnen Rohrgruppen erstrecken, können miteinander verbunden sein an dem Eingang des Verdampfers oder direkt in den Verdampfer.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie beispielsweise in den 1 und 2 gezeigt ist, wird eine Wärmepumpe vorgesehen, welche folgendes aufweist: Eine Druckvorrichtung 260 zum Erhöhen eines Drucks eines Kühlmittels; ein Verdampfer 210 zum Kühlen eines Tieftemperaturwärmequellenfluids A mit Verdampfungswärme des Kühlmittels, welches unter Druck gesetzt werden soll durch die Druckvorrichtung 260; eine Kondensationsvorrichtung 220 zum Heizen eines Hochtemperaturwärmequellenfluids B mit Kondensationswärme des Kühlmittels, welches durch die Druckvorrichtung 260 unter Druck gesetzt wurde; und einen ersten Wärmeaustauscher 300a zum Austausch von Wärme zwischen dem Tieftemperaturwärmequellenfluid A stromaufwärts des Verdampfers 210 und eines Kühlungsfluids; wobei der erste Wärmeaustauscher 300a ein erstes Abteil 310 besitzt, durch welches das Tieftemperaturwärmequellenfluid A fließt, ein zweites Abteil 320 durch welches das Kühlungsfluid fließt, und Kühlmittelpassagen 251A1–A9, 252A1–A9, welche sich durch das erste Abteil 310 und das zweite Abteil 320 erstrecken, wobei die Kühlmittelpassagen 251A1–A9, 252A1–A9 mit der Kondensationsvorrichtung 220 durch eine erste Einschränkung bzw. Drossel 330 verbunden sind, sich alternierend durch das erste Abteil 310 und das zweite Abteil 320 wiederholt erstrecken, und dann mit dem Verdampfer 210 durch eine zweite Einschränkung 250 verbunden sind. Das Kühlungsfluid soll bevorzugterweise das Hochtemperaturwärmequellenfluid B enthalten. Insbesondere soll das Kühlungsfluid, welches dafür vorgesehen ist, Wärme mit dem kalten Wärmequellenfluid stromaufwärts des Verdampfers in dem ersten Wärmeaustauscher 300a auszutauschen, bevor zugterweise das Hochtemperaturwärmequellenfluid B stromaufwärts der Kondensationsvorrichtung 220 enthalten.
In der Kühlmittelpassage fliest das Kühlmittel typischerweise als Ganzes in einer Richtung. Dies bedeutet, dass das Kühlmittel im Wesentlichen in einer Richtung durch die Kühlmittelpassage fließt, wenn es als Ganzes gesehen wird, auch wenn das Kühlmittel lokal zurückfließen kann aufgrund von Turbulenzen oder in der Flussrichtung aufgrund von Druckwellen vibrieren kann, welche durch Luftblasen oder instantane Unterbrechungen erzeugt wurden. Die Kühlmittelpassage weist beispielsweise ein Wärmeaustauschrohr auf, und erstreckt sich alternierend durch das erste Abteil und das zweite Abteil. Deshalb wird das Kühlmittel, welches als Ganzes in einer Richtung fließt, alternierend wiederholt verdampft und kondensiert. Der Ausdruck, dass sich die Kühlmittelpassage alternierend durch das erste Abteil und das zweite Abteil erstreckt, bedeutet, dass die Kühlmittelpassage nicht nur einmal durch das erste Abteil und das zweite Abteil geht, sondern dass die Kühlmittelpassage durch das erste Abteil und das zweite Abteil einmal geht und dann mindestens einmal durch das zweite Abteil oder das erste Abteil geht. In dem ersten Abteil tauscht das Tieftemperaturwärmequellenfluid Wärme mit dem Kühlmittel aus, und in dem zweiten Abteil tauscht das Hochtemperaturwärmequellenfluid Wärme mit dem Kühlmittel aus. Typischerweise ist das Kühlmittel mindestens teilweise verdampft in der Kühlmittelpassage, welche sich durch das erste Abteil erstreckt, und das Kühlmittel in der Dampfphase ist mindestens teilweise verdampft in der Kühlmittelpassage, welche sich durch das zweite Abteil erstreckt.
Nachdem das Kühlmittel die ersten und zweiten Abteile mehrmals durchläuft wird mit der obigen Anordnung das Kühlmittel nicht komplett ausgetrocknet, auch wenn es in der Kühlmittelpassage, welche sich durch das erste Abteil erstreckt, verdampft wird.
In der Wärmepumpe kann das erste Abteil 310 und das zweite Abteil 320 derart angeordnet sein, dass das Tieftemperaturwärmequellenfluid A und das Kühlungsfluid im Gegenstrom fließen; die Kühlmittelpassage in dem ersten Abteil 310 und in dem zweiten Abteil 320 kann mindestens ein Paar von sich durch das erste Abteil erstreckenden Teilen 251A1 und sich durch das zweite Abteil erstreckenden Teilen 252A1 in einer ersten Ebene PA haben, welche im Wesentlichen senkrecht zu dem Fluss des Tieftemperaturwärmequellenfluids A und des Kühlungsfluids ist, mindestens ein Paar von sich durch das erste Abteil erstreckenden Teilen 251B1 und sich durch das zweite Abteil erstreckenden Teilen 252B1 in einer zweiten Ebene PB, verschieden von der ersten Ebene PA, welche im Wesentlichen senkrecht zu den Flüssen des Tieftemperaturwärmequellenfluids A und des Kühlungsfluids ist, und eine dazwischen liegende Einschränkung 331, welche in einer Übergangslage von der ersten Ebene PA zu der zweiten Ebene PB angeordnet ist.
In dem Teil der Kühlmittelpassage, welche sich durch das erste Abteil erstreckt, wird mindestens ein Teil des Kühlmittels typischerweise verdampft. Der Teil der Kühlmittelpassage kann somit als eine Verdampfungssektion bezeichnet werden. In diesem Teil der Kühlmittelpassage, welche sich durch das zweite Abteil erstreckt, wird typischerweise mindestens ein Teil des Kühlmittels kondensiert. Dieser Teil der Kühlmittelpassage kann somit als eine Kondensationssektion bzw. -abschnitt bezeichnet werden. Das Paar, welches oben genannt ist, bezieht sich auf ein Paar von Verdampfungssektionen und die Kondensationssektion (oder die Kondensationssektion und die Verdampfungssektion). Weil die Wärmepumpe die dazwischen liegende Einschränkung hat können die Drücke in der Kühlmittelpassage in der ersten Ebene und die Drücke in der Kühlmittelpassage in der zweiten Ebene verschiedene Werte haben. Weil das Tieftemperaturwärmequellenfluid und das Kühlungsfluid im Gegenfluss fließen werden die verschiedenen Drücke progressiv geringer in der stromabwärts weisenden Richtung des Tieftemperaturwärmequellenfluids oder in der stromaufwärts weisenden Richtung des Kühlungsfluids. Deshalb führen das Tieftemperaturwärmequellenfluid und das Kühlungsfluid Gegenflusswärmeaustausch dazwischen aus, was zu einer extrem hohen Wärmeaustauscheffizienz führt.
In der obigen Wärmepumpe kann die dazwischen liegende Einschränkung 331 in einer Position gelegen sein, wo die Kühlmittelpassage sich durch das zweite Abteil 320 erstreckt hat, wie beispielsweise in 1 gezeigt ist, oder die dazwischen liegende Einschränkung 331 kann in einer Position gelegen sein, wo die Kühlmittelpassage sich durch das erste Abteil 310 erstreckt hat, wie beispielsweise in 6 gezeigt ist.
Zum Beispiel kann, wie in 12 gezeigt ist, die Wärmepumpe ferner einen zweiten Wärmeaustauscher 300d2 zum Austauschen von Wärme zwischen dem Tieftemperaturwärmequellenfluid A stromaufwärts des Verdampfers 210 und dem Kühlungsfluid aufweisen; wobei der zweite Wärmeaustauscher 300d2 ein drittes Abteil 310B hat, durch welches das Tieftemperaturwärmequellenfluid A fließt, ein viertes Abteil 320B, durch welches das Kühlungsfluid fließt, und eine Kühlmittelpassage, welche sich durch das dritte Abteil 310b und das vierte Abteil 320b erstreckt, wobei die Kühlmittelpassage mit der Kondensationsvorrichtung 220 durch eine dritte Einschränkung 330b verbunden ist und sich alternierend durch das dritte Abteil 310b und das vierte Abteil 320b wiederholend erstreckt, und dann mit dem Verdampfer 210 durch eine vierte Einschränkung 340B verbunden ist; und das dritte Abteil 310B ist stromabwärts des ersten Abteils 310a mit Bezug auf das Tieftemperaturwärmequellenfluid A angeordnet, und das vierte Abteil 320b ist stromaufwärts des zweiten Abteils 320A mit Bezug auf das Kühlungsfluid angeordnet. Das Kühlungsfluid soll bevorzugterweise das Hochtemperaturwärmequellenfluid B aufweisen. Insbesondere soll das Kühlungsfluid, welches dafür vorgesehen ist, Wärme mit dem kalten Wärmequellenfluid stromaufwärts des Verdampfers in dem zweiten Wärmeaustauscher 300d2 auszutauschen, bevorzugterweise das Hochtemperaturwärmequellenfluid B stromaufwärts der Kondensationsvorrichtung 220 aufweisen.
Mit der obigen Anordnung kann, weil die Wärmepumpe den zweiten Wärmeaustauscher 300d2 hat, die Wärmepumpe unter einem Druck verschieden von dem Druck des ersten Wärmeaustauschers betrieben werden, wodurch eine gesamte Wärmeaustauscheffizienz erhöht wird
Zum Beispiel kann, wie in 9 gezeigt ist, die Wärmepumpe ferner einen dritten Wärmeaustauscher 300c2 zum Austauschen von Wärme zwischen dem Tieftemperaturwärmequellenfluid A stromaufwärts des Verdampfers 210 und des Kühlungsfluids aufweisen; wobei der dritte Wärmeaustauscher 300c2 das fünfte Abteil 310B hat, durch welches das Tieftemperaturwärmequellenfluid A fließt, ein sechstes Abteil 320B, durch welches das Kühlungsfluid fließt, und eine Kühlmittelpassage, welche sich durch das fünfte Abteil 310b und das sechste Abteil 320b erstreckt, wobei die Kühlmittelpassage mit der Kühlmittelpassage des ersten Wärmeaustauschers 300c1 durch eine fünfte Einschränkung 340 verbunden ist, sich alternierend durch das fünfte Abteil 310b und das sechste Abteil 320b wiederholt erstreckt, und dann mit dem Verdampfer 210 durch die zweite Einschränkung 250 verbunden ist; und das fünfte Abteil 310b ist stromabwärts des fünften Abteils 310A mit Bezug auf das Tieftemperaturwärmequellenfluid A angeordnet, und das sechste Abteil 320b ist stromaufwärts des zweiten Abteils 320A mit Bezug auf das Kühlungsfluid angeordnet. Das Kühlungsfluid soll bevorzugterweise das Hochtemperaturwärmequellenfluid B aufweisen. Insbesondere soll das Kühlungsfluid, welches dafür vorgesehen ist, Wärme mit dem kalten Wärmequellenfluid stromaufwärts des Verdampfers in dem dritten Wärmeaustauscher 300c2 auszutauschen, bevorzugterweise das Hochtemperaturwärmequellenfluid B stromaufwärts der Kondensationsvorrichtung 220 aufweisen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie beispielsweise in den 1, 6, 9 und 12 gezeigt ist, wird eine Entfeuchtungsvorrichtung vorgesehen, welche folgendes ausweist: Die obige Wärmepumpe; ein feuchtigkeitsabsorbierendes Gerät 103, welches stromaufwärts des ersten Wärmeaustauschers mit Bezug auf das Tieftemperaturwärmequellenfluid A angeordnet ist und ein Trocknungsmittel zum Adsorbieren von Feuchtigkeit von dem Tieftemperaturwärmequellenfluid A hat.
Das Tieftemperaturwärmequellenfluid ist typischerweise die Prozessluft der Klimaanlagenvorrichtung. Weil die Klimaanlagenvorrichtung ein feuchtig keitsadsorbierendes Gerät hat kann die Feuchtigkeit des Tieftemperaturwärmequellenfluids verringert werden. Das Hochtemperaturwärmequellenfluid ist typischerweise Außenluft als Regenerationsluft.
Die vorliegende Entfeuchtungsvorrichtung soll bevorzugterweise derart angeordnet sein, dass die Feuchtigkeit des Trocknungsmittels mit dem Hochtemperaturwärmequellenfluid B desorbiert, welche durch die Kondensationsvorrichtung 220 erwärmt wird.
Wie zum Beispiel in 3 gezeigt ist kann das Ziel der vorliegenden Erfindung auch erreicht werden durch ein Verfahren des Transferierens von Wärme von einem Tieftemperaturwärmequellenfluid A zu einem Hochtemperaturwärmequellenfluid B, wobei das Verfahren folgendes aufweist: Ein erster Schritt des Verdampfens von Kühlmittel durch Kühlung einer Tieftemperaturwärmequelle unter einem vorbestimmten geringen Druck von 4,2 kg/cm² (von einem Punkt j zu einem Punkt a); ein zweiter Schritt des Erhöhens eines Drucks des Kühlmittels, welches in dem ersten Schritt verdampft wurde auf einen vorbestimmten hohen Druck von 19,3 kg/cm² (von dem Punkt a zu einem Punkt b); ein dritter Schritt des Kondensierens des Kühlmittels, welches in dem zweiten Schritt unter einem vorbestimmten hohen Druck unter Druck gesetzt wurde, um ein Hochtemperaturwärmequellenfluid zu erwärmen, mit Kondensationswärme (von dem Punkt b zu einem Punkt d); ein vierter Schritt des Entspannens des Kühlmittels, welches in dem dritten Schritt auf einen ersten zwischen liegenden Druck zwischen dem vorbestimmten hohen Druck und dem vorbestimmten niedrigen Druck kondensiert wurde (von dem Punkt d, einem Punkt c zu einem Punkt e); ein fünfter Schritt des wiederholten Verdampfens des entspannten Kühlmittels in dem vierten Schritt durch Kühlen des Tieftemperaturwärmequellenfluids und Kondensieren des Kühlmittels durch Erwärmen des Hochtemperaturwärmequellenfluids; und ein sechster Schritt des Lieferns des Kühlmittels, welches in dem fünften Schritt kondensiert wurde, als Kühlmittel, welches in dem ersten Schritt verdampft wird. Der Wärmeaustausch wird typischerweise durch das Pumpen von Wärme durchgeführt.
Wie beispielsweise in 3 gezeigt ist wird die wiederholte Verdampfung und Kondensation in dem fünften Schritt durch Verdampfen durch Kühlung des Tieftemperaturwärmequellenfluids A (von dem Punkt e zu einem Punkt f1, von einem Punkt h1 zu einem Punkt f2, von einem Punkt h2 zu einem Punkt f3, von einem Punkt h3 zu einem Punkt h4) und Kondensation von Wärme des Hochtemperaturwärmequellenfluids B (von dem Punkt f1 zu einem Punkt g1a, von einem Punkt g1b zu dem Punkt h1, von einem Punkt f2 zu einem Punkt g2a, von einem Punkt g2b zu einem Punkt h2, und ähnliches) erreicht. In dem in 3 gezeigten Beispiel ist der sechste Schritt ein Schritt (von einem Punkt h4 zu dem Punkt j) des Vorsehens, als das Kühlmittel, welches in dem ersten Schritt verdampft wird, des Kühlmittels, welches kondensiert wurde (von dem Punkt f4 zu dem Punkt h4) durch Erwärmen des Hochtemperaturwärmequellenfluids B.
Es kann ein Entfeuchtungsverfahren vorgesehen sein, welches das obige Verfahren des Pumpens von Wärme aufweist, und, wie beispielsweise in 4 gezeigt ist, einen elften Schritt des Adsorbierens mit einem Trocknungsmittel von Feuchtigkeit, welche in dem Tieftemperaturwärmequellenfluid enthalten ist, bevor es durch Verdampfen des Kühlmittels in dem fünften Schritt gekühlt wird (von einem Punkt K zu einem Punkt L); und ein zwölfter Schritt des Desorbierens von Feuchtigkeit von dem Trocknungsmittel, welcher die Feuchtigkeit in dem elften Schritt adsorbiert hat, mit dem Hochtemperaturwärmequellenfluid, welches durch Kondensation des Kühlmittels in dem dritten Schritt (von einem Punkt T zu einem Punkt U) erwärmt wurde.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nummer 11-245022, angemeldet am 31. August 1999, welche hierin mit aufgenommen wird als Teil der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung.
Die vorliegende Erfindung kann voller verstanden werden basierend auf der folgenden detaillierten Beschreibung. Weitere Anwendungen der vorliegenden Erfindung werden offensichtlicher werden von der folgenden detaillierten Beschreibung. Jedoch werden die folgende detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele als bevorzugte Ausführungsbeispiele nur zum Zweck der Erklärung der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es ist dem Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen an den Ausführungsbeispielen in der folgenden detaillierten Beschreibung innerhalb des Rahmens und des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
Die Anmelderin hat keine Absicht, einige der unten beschriebenen Ausführungsbeispiele der Öffentlichkeit zu widmen, und alle offenbarten Modifikationen und Alternativen, welche nicht in dem Umfang der Ansprüche enthalten sein könnten, bilden einen Teil der Erfindung unter dem Grundsatz der Äquivalenz.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Flussdiagramm einer Wärmepumpe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und eine feuchtigkeitsentziehende Klimaanlagenvorrichtung, welche die Wärmepumpe verwendet;
2(a) und 2(b) sind jeweils schematische Seitenansichten bzw. Querschnittsdraufsichten eines Wärmeaustauschers, welcher geeignet ist zur Verwendung in der Wärmepumpe, welche in 1 gezeigt ist;
3 ist ein Mollierdiagramm der Wärmepumpe, welche in 1 gezeigt ist;
4 ist ein psychrometrischer Graph, welcher illustrativ für den Betrieb der feuchtigkeitsentziehenden Klimaanlagenvorrichtung ist, welcher in 1 gezeigt ist;
5 ist eine Querschnittsfrontansicht, weiche schematisch ein Beispiel einer tatsächlichen Struktur einer feuchtigkeitsentziehenden Klimaanlagenvorrichtung zeigt, welche eine Wärmepumpe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet;
6 ist ein Flussdiagramm einer Wärmepumpe gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und eine feuchtigkeitsentziehende Klimaanlagenvorrichtung, welche die Wärmepumpe hat;
7 ist ein Mollierdiagramm der Wärmepumpe, welche in 6 gezeigt ist;
8 ist eine Querschnittsfrontansicht, welche schematisch ein Beispiel einer tatsächlichen Struktur einer feuchtigkeitsentziehenden Klimaanlagenvorrichtung zeigt, welche eine Wärmepumpe gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet;
9 ist ein Flussdiagramm einer Wärmepumpe gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und einer feuchtigkeitsentziehenden Klimaanlagenvorrichtung mit der Wärmepumpe;
10 ist ein Mollierdiagramm der Wärmepumpe, welche in 9 gezeigt ist;
11 ist eine Querschnittsfrontansicht, welche schematisch ein Beispiel einer tatsächlichen Struktur einer feuchtigkeitsentziehenden Klimaanlagenvorrichtung hat, welche eine Wärmepumpe gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat;
12 ist ein Flussdiagramm einer Wärmepumpe gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und einer feuchtigkeitsentziehenden Klimaanlagenvorrichtung, welche die Wärmepumpe hat;
13 ist ein Mollierdiagramm der Wärmepumpe, welche in 12 gezeigt ist;
14 ist eine Querschnittsfrontansicht, welche schematisch ein Beispiel einer tatsächlichen Struktur einer feuchtigkeitsentziehenden Klimaanlagenvorrichtung zeigt, welche eine Wärmepumpe gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat;
15(a) und 15(b) sind jeweils schematische Plan- und Seitenansichten, welche einen Wärmeaustauscher zeigen, welcher zur Verwendung in einer Wärmepumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
16 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Anzahl von Stufen eines Wärmetauscherrohrs und der Temperatureffektivität zeigt;
17 ist ein Flussdiagramm einer konventionellen Wärmepumpe und einer konventionellen feuchtigkeitsentziehenden Klimaanlagenvorrichtung; und
18 ist ein Mollierdiagramm der konventionellen Wärmepumpe, welche in 17 gezeigt ist.
Beste Art zur Ausführung der Erfindung
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden unten stehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Identische oder korrespondierende Komponenten sind durch identische oder ähnliche Bezugszeichen durch die Zeichnungen hindurch bezeichnet, und werden nicht wiederholt beschrieben.
1 ist ein Flussdiagramm einer Wärmepumpe HP1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und einer feuchtigkeitsentziehenden Klimaanlagenvorrichtung, welche die Wärmepumpe HP1 verwendet. Die feuchtigkeitsentziehende Klimaanlagenvorrichtung ist eine Klimaanlagenvorrichtung, welche ein Trocknungsmittel verwendet. Die 2(a) und 2(b) sind jeweils schematische Seitenansichten und teilweise Querschnittsdraufsichten, welche ein Beispiel einer Struktur eines ersten Wärmeaustauschers zeigen, welcher in der Klimaanlagenvorrichtung verwendet wird, welche in 1 gezeigt ist. 3 ist ein Kühlmittel-Mollierdiagramm einer Wärmepumpe HP1, welche in der Klimaanlagenvorrichtung, welche in 1 gezeigt ist, enthalten ist. 4 ist ein psychrometrischer Graf der Klimaanlagenvorrichtung, welche in 1 gezeigt ist.
Strukturelle Details der Wärmepumpe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und der feuchtigkeitsentziehenden Klimaanlagenvorrichtung, welche die Wärmepumpe verwendet, werden unten stehend mit Bezug auf 1 beschrieben. Die Klimaanlagenvorrichtung verringert die Feuchtigkeit von Prozessluft mit einem Trocknungsmittel, um eine komfortable Umgebung in einem klimatisierten Raum 101 zu halten, welcher mit der Prozessluft versorgt wird. In 1 werden Geräte, welche mit der Prozessluft in Beziehung stehen, entlang eines Pfads für die Prozessluft A von dem klimatisierten Raum 101 beschrieben. Ein Pfad 107, welcher mit dem klimatisierten Raum 101 verbunden ist, ein Luftgebläse 102, welches mit dem Pfad 107 zur Zirkulation der Prozessluft verbunden ist, ein Pfad 108, ein Trocknungsrad 103, welches mit einem Trocknungsmittel gefüllt ist, ein Pfad 109, ein erstes Abteil 310 in einem ersten Wärmeaustauscher 300a gemäß der vorliegenden Erfindung, ein Pfad 110, ein Kühlmittelverdampfer (als eine Kühleinheit von dem Sichtpunkt der Prozessluft aus) 210, und ein Pfad 111 sind in der genannten Reihenfolge angeordnet, um die Prozessluft zu dem klimatisierten Raum 101 zurückzuführen.
Ein Pfad 124, ein Luftgebläse 140 zum Zirkulieren von Regenerationsluft, ein Pfad 125, ein zweites Abteil 320 des Wärmeaustauschers 300a zum Austauschen von Wärme zwischen der Regenerationsluft, welche in ein Trocknungsrad 103 fließt und der Prozessluft, welche aus dem Trocknungsrad fließt, ein Pfad 126, eine Kühlmittelkondensationsvorrichtung (als eine Wärmeeinheit von dem Sichtpunkt der Regenerationsluft aus) 220, ein Pfad 127, das Trocknungsrad 103 und ein Pfad 128 sind hintereinander in der genannten Reihenfolge entlang eines Pfads für die Regenerationsluft B von dem Außenraum OA derart angeordnet, dass sie die Regenerationsluft als eine Abgasluft EX in den äußeren Raum abgeben.
Geräte der Wärmepumpe HP1 werden untenstehend entlang eines Pfads für das Kühlmittel von dem Kühlmittelverdampfer 210 beschrieben. In 1 sind der Kühlmittelverdampfer 210, ein Pfad 207, ein Kompressor 260 zum Komprimieren des Kühlmittels, welches durch den Kühlmittelverdampfer 210 in Dampf verdampft wurde, ein Pfad 201, die Kühlmittelkondensationsvorrichtung 220, ein Pfad 202, eine Einschränkung 330, der Wärmeaustauscher 300a, ein Pfad 204, eine Einschränkung 250 und ein Pfad 206 in der genannten Reihenfolge derart angeordnet, dass sie das Kühlmittel zu dem Kühlmittelverdampfer 210 zurückführen. Die Wärmepumpe HP1 ist derart aufgebaut.
Das Trocknungsrad 103 weist ein dickes scheibenförmiges Rad auf, welches um eine Drehachse AX drehbar ist, und ein Trocknungsmittel wird in das Rad mit Lücken gefüllt, um einem Gas zu erlauben, dass es hier durch fließt. Zum Beispiel weist das Trocknungsrad 103 eine Anzahl von rohrförmigen Trocknungselementen auf, welche derart miteinander verbunden sind, dass ihre Mittenachsen sich parallel zu der Drehachse AX erstrecken. Das Rad ist derart angeordnet, um sich in einer Richtung um die Drehachse AX zu drehen, und auch um der Prozessluft A und der Regenerationsluft B zu erlauben, in das Trocknungsrad 103 und aus diesem heraus parallel zu der Drehachse AX zu fließen. Jedes der Trocknungselemente ist derart positioniert, dass es alternierend die Prozessluft A und die Regenerationsluft B gemäß der Rotation des Rads 103 kontaktiert. Im Allgemeinen ist das Trocknungsrad 103 derart angeordnet, dass die Prozessluft A um die Regenerationsluft B im Gegenfluss parallel zu der Drehachse AX durch jeweilige im Wesentlichen hälftige Flächen des kreisförmigen Trocknungsrads 103 fließen.
Weil die Klimaanlagenvorrichtung derart angeordnet ist, dass die Wärmepumpe HP1 des Kompressionstyps gleichzeitig die Prozessluft der trocknenden Klimaanlage kühlt und die Regenerationsluft davon erwärmt, erzeugt die Wärmepumpe HP1 des Kompressionstyps einen Kühleffekt an der Prozessluft, basierend auf der Antriebsenergie, welche von einer externen Quelle zu der Wärmepumpe HP1 des Kompressionstyps angelegt wird, und das Trocknungsmittel wird regeneriert mit Wärme, welche die Summe von Wärme ist, welche von der Prozessluft durch den Wärmepumpenbetrieb gepumpt wurde, und der Antriebsenergie der Wärmepumpe HP1 des Kompressionstyps. Deshalb kann die Antriebsenergie, welche von der externen Quelle angelegt wird, auf verschiedenen Arten für hohe Energieeinspareffekte verwendet werden. Die Energieeinspareffekte werden weiter erhöht durch den Wärmeaustauscher 300a zum Austauschen von Wärme zwischen der Prozessluft und der Regenerationsluft.
Strukturelle Details des Wärmeaustauschers 300a, welche geeignet sind zur Verwendung in der Wärmepumpe HP1 werden unten stehend mit Bezug auf die 2(a) und 2(b) beschrieben. 2(a) ist eine Seitenansicht, welche einen Platte-Lamelle-Rohrwärmeaustauscher zeigt, gesehen in der Längsrichtung der Rohre als Kühlmitteldurchlässe, wobei einige Plattenlamellen fragmentarisch gezeigt sind. Das Symbol „x" an den Mitten der kreisförmigen Querschnitte der Rohre zeigt an, dass das Kühlmittel von dem Betrachter in Richtung des Blatts von 2(a) fließt, und das Symbol „•" an den Mitten der kreisförmigen Querschnitte der Rohre zeigt an, dass das Kühlmittel zu dem Betrachter von dem Blatt von 2(a) fließt. 2(b) ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie X-X von 2(a). In 2(b) hat der Wärmeaustauscher 300a ein erstes Abteil 310, um der Prozessluft A zu erlauben, hindurch zu fließen und ein zweites Abteil 320, um der Außenluft zu erlauben, als die Regenerationsluft hindurch zu fließen, und die ersten und zweiten Abteile 310, 320 sind benachbart zueinander angeordnet mit einer einzelnen Abtrennwand 301, welche dazwischen angeordnet ist.
In 2(a) wird Prozessluft A von der oberen Seite durch den Pfad 109 zu dem ersten Abteil 310 geliefert, und von der unteren Seite des ersten Abteils 310 durch den Pfad 110 ausgestoßen. Die Regenerationsluft B wird von der unteren Seite durch den Pfad 125 zu dem zweiten Abteil 320 geliefert, und von der oberen Seite des zweiten Abteils 320 durch den Pfad 126 ausgestoßen. Wie in 2(a) gezeigt ist hat der Wärmeaustauscher 300 eine Vielzahl von im Wesentlichen parallelen Wärmeaustauscherrohren als Kühlmitteldurchlässe in jeder der Vielzahl von verschiedenen Ebenen PA, PB, PC, ..., welche im Wesentlichen horizontal sind, (das heißt senkrecht zu dem Blatt von 2(a)).
Wie in 2(b) gezeigt ist erstreckt sich die Vielzahl von Wärmeaustauschrohren durch das erste Abteil 310, das zweite Abteil 320, und die Abtrennwand 301, welche diese Abteile voneinander separiert. Die Wärmeaustauschrohre, welche zum Beispiel in der Ebene PA, welche in 2(a) gezeigt ist, angeordnet sind, haben Teile, welche sich durch das erste Abteil 310, wie in 2(b) gezeigt ist, erstrecken, und solche Teile werden als eine Verdampfungssektion 251 als eine erste Kühlmittelpassage bezeichnet. Die Vielzahl von Verdampfungssektionen werden mit den jeweiligen Bezugszeichen 251A1, 251A2, 251A3, ... 251A9 (in dem illustrierten Beispiel sind neun Rohre in der einzigen Ebene PA angeordnet) bezeichnet. Nachfolgend werden diese Verdampfungssektionen durch das einzige Bezugszeichen 251 in dem Fall bezeichnet, in welchem es nicht notwendig ist, eine Vielzahl von Verdampfungssektionen separat zu bezeichnen. Die Wärmeaustauschrohre, welche in der Ebene PA angeordnet sind, haben auch Teile, welche sich durch das zweite Abteil 320 erstrecken, und solche Teile werden als eine Kondensationssektionen 252 als eine zweite Kühlmittelpassage bezeichnet. Die Vielzahl von Kondensationssektionen wird durch jeweilige Bezugszeichen 252A1, 252A2, 252A3, ... 252A9 bezeichnet. Nachfolgend werden diese Kondensationssektionen durch das einzige Bezugszeichen 252 in dem Fall bezeichnet, in welchem es nicht notwendig ist eine Vielzahl von Kondensationssektionen separat zu beschreiben. Die Verdampfungssektionen 251A1 und die Kondensationssektionen 252A1, 251A2 und 252A2, 251A3 und 252A3, ... 251A9 und 252A9 dienen jeweils als ein Paar eines ersten sich durch eine Abteilung erstreckenden Teils und eines zweiten sich durch eine Abteilung erstreckenden Teils, und bilden Kühlmittelpassagen.
Ferner haben, wie in 2(B) gezeigt ist, die Wärmeaustauschrohre, welche in der Ebene PB angeordnet sind, eine Vielzahl von Teilen, welche sich durch das erste Abteil 310 erstrecken, und solche Teile werden als die Verdampfungssektionen 251B1, 251B2, 251B3, ... 251B8 (in dem illustrierten Beispiel sind acht Rohre in der Ebene PB angeordnet) bezeichnet. Die Wärmeaustauschrohre, welche in der Ebene PB angeordnet sind, haben auch Teile, welche sich durch das zweite Abteil 320 erstrecken, und solche Teile, welche ein Paar von Kühlmittelpassagen mit den obigen Verdampfungssektionen bilden, werden als die Kondensationssektion 252B1, 252B2, 252B3, ... 252B8 als zweite Kühlmittelpassagen bezeichnet. Kühlmittelpassagen werden auch in der Ebene PC wie auch in der Ebene PB, welche nicht gezeigt ist, vorgesehen.
In dem in den 2(a) und 2(b) gezeigten Wärmeaustauscher sind die Verdampfungssektion 251A1 und die Kondensationssektion 252A1 miteinander gepaart und durch ein einziges Rohr als eine integrale Passage ausgebildet. Die Verdampfungssektionen 251A1, 251A3, ... und die Kondensationssektionen 252A1, 252A3, ... und die Verdampfungssektionen 251B1, 251B2, 251B3, ... und die Kondensationssektionen 252B1, 252B2, 252B3, ... sind ähnlich konstruiert. Dieses Merkmal, zusammen mit der Tatsache, dass das erste Abteil 310 und das zweite Abteil 320 benachbart zueinander angeordnet sind mit der einzigen Abtrennwand 310, welche dazwischen angeordnet ist, ist effektiv darin, dass der Wärmeaustauscher 300a als Ganzes klein und kompakt gemacht ist
In dem in den 2(a) und 2(b) gezeigten Wärmeaustauscher sind die Verdampfungssektionen 251A, 251B, 251C aufeinanderfolgend in der genannten Reihenfolge von der oberen Seite von 2(a) angeordnet, und die Kondensationssektionen 252A, 252B, 252C sind auch aufeinander folgend angeordnet in der genannten Reihenfolge von der oberen Seite von 2(a). In der Ebene PA sind die Verdampfungssektionen in der Reihenfolge von 251A1–251A9 von links nach rechts in 2(a) aufgereiht, und die Kondensationssektionen sind auch in der Reihenfolge von 252A1–252A9 von links nach rechts in 2(a) aufgereiht.
Wie in 2(b) gezeigt ist sind das Ende der Kondensationssektion 252A1 (entfernt von der Abtrennwand 301) und das Ende der Kondensationssektion 252A2 (beabstandet von der Abtrennwand 301) miteinander durch ein U-Rohr verbunden. Das Ende der Verdampfungssektion 251A2 und das Ende der Verdampfungssektion 251A1 sind ähnlich miteinander durch ein U-Rohr verbunden.
Deshalb wird das Kühlmittel, welches in einer Richtung von der Verdampfungssektion 251A1 zu der Kondensationssektion 252A1 als Ganzes fließt, in die Kondensationssektion 252A2 durch das U-Rohr eingeführt, und fließt dann in die Verdampfungssektion 251A2, von welcher das Kühlmittel in die Verdampfungssektion 251A3 über das U-Rohr fließt. In dieser Art und Weise erstrecken sich die Kühlmittelpassagen einschließlich der Verdampfungssektionen und der Kondensationssektionen durch das erste Abteil 310 und das zweite Abteil 312, alternierend und wiederholend. Mit anderen Worten sind die Kühlmittelpassagen als eine Gruppe von meanderförmig verlaufenden dünnen Rohren vorgesehen. Eine Gruppe von meanderförmig verlaufende dünnen Rohren erstreckt sich durch das erste Abteil 310 und das zweite Abteil 320, und wird in alternierendem Kontakt mit der Prozessluft und der Regenerationsluft gehalten.
In 2(a) sind das rechtshändige Ende der Kühlmittelpassage in der Ebene PA, das heißt das Ende der Kondensationssektion 252A9, und das rechtshändige Ende der Kühlmittelpassage in der Ebene PB, das heißt das Ende der Kondensationssektion 252B8, miteinander über eine Zumessöffnung 331 verbunden, welche als eine Einschränkung bzw. Drossel dient. Das linkshändige Ende der Kühlmittelpassage in der Ebene PB, das heißt das Ende der Kondensationssektion 252B1, und das linkshändige Ende der Kühlmittelpassage in der Ebene PC, das heißt das Ende der Kondensationssektion 252C1 (nicht gezeigt), sind miteinander über eine Zumessöffnung 332 verbunden, welche als eine Einschränkung dient.
In 2(a) fließt die Prozessluft A nach unten in das erste Abteil 310 durch eine Leitung 109, und fließt dann nach unten aus dem ersten Abteil 310 heraus. In 2(a) wird Außenluft verwendet, wenn die Regenerationsluft B nach oben in das zweite Abteil 320 durch eine Leitung 125 fließt, und fließt dann nach oben aus dem zweiten Abteil 320 heraus.
Mit dem Wärmeaustauscher, welcher so konstruiert ist, wird das Kühlmittel, welches in die Verdampfungssektion 251A1 eingeführt wird, teilweise verdampft in der Verdampfungssektion 251A1, und fließt in einem feuchten Zustand in die Kondensationssektion 252A1. Das Kühlmittel wird in der Richtung umgekehrt durch das U-Rohr, und fließt in die Kondensationssektion 252A2, wo das Kühlmittel kondensiert wird. Das kondensierte Kühlmittel fließt dann in die Verdampfungssektion 251A2, wo das Kühlmittel teilweise verdampft wird, wird dann in der Richtung durch das U-Rohr umgekehrt, und fließt dann in die Verdampfungssektion 251A3. Das Kühlmittel wird dann alternierend wiederholt verdampft und kondensiert, bis es die Kondensationssektion 252A9 in dem letzten Rohr in der letzten Reihe in der Ebene PA erreicht. Das Kühlmittel wird dann entspannt durch die Einschränkung 331, und fließt in die Kondensationssektion 252B8 in der Ebene PB. Dann durchfließt das Kühlmittel ähnlich alternierend durch die Kondensationssektionen und die Verdampfungssektionen in der Ebene PB, während es darin wiederholt kondensiert und verdampft wird, bis das Kühlmittel die letzte Kondensationssektion 252B1 in der Ebene PB erreicht. Das Kühlmittel wird dann entspannt durch die Einschränkung 332, und fließt in die Kondensationssektion 252C1 in der Ebene PC.
Ein Verdampfungsdruck in der Verdampfungssektion 251A und ein Kondensationsdruck in der Kondensationssektion 252A, das heißt erste dazwischen liegende Drücke, oder Drücke in den Verdampfungssektionen 251B und den Kondensationssektionen 252B, das heißt zweite dazwischen liegende Drücke, werden durch die Temperatur der Prozessluft A und der Temperatur der Außenluft, welche als die Regenerationsluft B verwendet wird, bestimmt. Weil der Wärmeaustauscher 300a, welcher in den 2(a) und 2(b) gezeigt ist, Wärmetransfer im Weg der Verdampfung und Kondensation verwendet, hat der Wärmeaustauscher eine exzellente Rate des Wärmetransfers. Ferner besitzt der Wärmeaustauscher eine sehr hohe Effizienz des Wärmeaustauschs, weil er einen Wärmeaustausch nach den Gegenflussprinzipien ausführt. Weil das Kühlmittel dazu gezwungen wird, im Wesentli chen in eine Richtung als Ganzes in den Kühlmittelpassagen zu fließen, von der Verdampfungssektion 251 zu der Kondensationssektion 252 oder von der Kondensationssektion 252 zu der Verdampfungssektion 251, ist die Effizienz des Wärmeaustauschs zwischen der Prozessluft und der Regenerationsluft (Außenluft) sehr hoch. Der Ausdruck „Das Kühlmittel fließt im Wesentlichen als Ganzes in einer Richtung" bedeutet, dass das Kühlmittel in im Wesentlichen in einer Richtung in den Kühlmittelpassagen fließt, wenn es als Ganzes gesehen wird, auch wenn das Kühlmittel lokal zurückfließen kann aufgrund von Turbulenzen oder vibriert werden kann in der Flussrichtung aufgrund von Druckwellen, welche durch Luftblasen oder instantane Unterbrechungen erzeugt werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Kühlmittel dazu gezwungen, in eine Richtung unter dem Druck, welcher durch den Kompressor 260 erhöht wird, zu fließen.
Wenn das Hochtemperaturfluid gekühlt wird, das heißt wenn der Wärmeaustauscher zum Kühlen des Hochtemperaturfluids verwendet wird, ist die Effizienz ϕ des Wärmeaustauschs definiert durch ϕ = (TP1 – TP2)/(TP1 – TC1)
Wobei die Temperatur des Hochtemperaturfluids an dem Einlass des Wärmeaustauschers durch TP1 repräsentiert wird, die Temperatur davon bei dem Auslass des Wärmeaustauschers durch T, die Temperatur des Tieftemperaturfluids an dem Einlass des Wärmeaustauschers wird repräsentiert durch TC1, und die Temperatur davon an dem Auslass des Wärmeaustauschers durch TC2. Wenn das Tieftemperaturfluid erwärmt werden soll, das heißt wenn der Wärmeaustauscher verwendet wird, um das Tieftemperaturfluid zu erwärmen, ist die Effizienz ϕ des Wärmeaustauschs definiert durch ϕ = (TC2 – TC1)/(TP1 – TC1)
Die innere Oberfläche des Wärmeaustauschrohrs, welcher in der Verdampfungssektion 251 und der Kondensationssektion 252 verwendet wird, soll bevorzugterweise eine Hochperformancewärmeaustauschoberfläche aufweisen, durch Ausbildung von spiralförmigen Nuten wie linearen Nuten wie solche Nuten, welche sich in der inneren Oberfläche eines Gewehrlaufs befinden. Die Kühlmittelflüssigkeit, welche durch das Wärmeaustauschrohr fließt, fließt normalerweise so, dass die innere Oberfläche davon befeuchtet wird. Die spiralförmigen Nuten stören die Grenzschicht des Flusses der Kühlmittelflüssigkeit, was zu einer erhöhten Rate von Wärmetransfer führt.
Die Prozessluft fließt durch das erste Abteil 310. Die Lamellen, welche an der äußeren Oberfläche des Wärmeaustauschrohrs in dem ersten Abteil 310 montiert sind, sollen bevorzugterweise in der Form von Schlitzen angeordnet sein, um den Fluss des Fluids, welches durch das erste Abteil 310 fließt; zu stören. Ähnlich sollen die Lamellen in dem zweiten Abteil 320 auch bevorzugterweise angeordnet sein, um den Fluss der Flüssigkeit, welche durch das zweite Abteil 320 fließt, zu stören. Die Lamellen sollen bevorzugterweise aus Aluminium oder Kupfer oder einer Legierung daraus gemacht werden.
Als erstes wird der Fluss des Kühlmittels zwischen den Geräten untenstehend mit Bezug auf 1 beschrieben, und dann wird der Betrieb der Wärmepumpe HP1 untenstehend mit Bezug auf 3 beschrieben.
In 1 wird ein Kühlmitteldampf, welcher durch den Kühlmittelkompressor 260 komprimiert wurde, in die Regenerationsluftwärmeeinheit (Kühlmittelkondensator) 220 durch das Kühlmitteldampfrohr 201, welches mit dem Auslassanschluss des Kompressors verbunden ist, eingeführt. Der Kühlmitteldampf, welcher durch den Kompressor 260 komprimiert wurde, wird in der Temperatur durch die Kompressionswärme erhöht, und die Wärme des Kühlmitteldampfes wärmt die Regenerationsluft. Wärme wird von dem Kühlmitteldampf selbst entfernt, und der Kühlmitteldampf wird kondensiert.
Die Kühlmittelkondensationsvorrichtung 220 hat einen Kühlmittelauslass, welcher durch den Kühlmittelpfad 202 zu dem Einlass der Verdampfungssektion 251A1 in den Wärmeaustauscher 300a verbunden ist. Die Einschränkung 330 ist an dem Kühlmittelpfad 202 in der Nähe des Einlasses der Verdampfungssektion 251A1 angeordnet.
In 1 sind nur die Verdampfungssektion 251A1 und die Kondensationssektion 252A1, welche damit gepaart ist, als zwischen der Einschränkung 330 und der Einschränkung 331 des Wärmeaustauschers 330a gezeigt. Obwohl die Verdampfungssektion 251A1 und die Kondensationssektion 252A1 ein minimales Erfordernis darstellen, ist eine Vielzahl von Verdampfungssektionen und Kondensationssektionen typischerweise in einer Ebene angeordnet, zum Beispiel die Ebene PA, wie oben stehend mit Bezug auf die 2(a) und 2(b) beschrieben ist.
Die Kühlmittelflüssigkeit, welche aus der Kühlmittelkondensationsvorrichtung (als eine Wärmeeinheit von dem Sichtpunkt der Regenerationsluft) 220 herausfliest wird entspannt durch die Einschränkung 330 und expandiert, um teilweise verdampft (entspannt) zu werden. Das Kühlmittel, welches eine Mischung aus der Flüssigkeit und dem Dampf ist erreicht die Verdampfungssektion 251A1, wobei die Kühlmittelflüssigkeit derart fließt, dass sie die innere Wandoberfläche des Rohrs in der Verdampfungssektion 251A1 befeuchtet, und wird verdampft, um die Prozessluft zu kühlen, welche durch das erste Abteil 310 fließt.
Die Verdampfungssektion 251A1 und die Kondensationssektion 252A1 sind als ein kontinuierliches Rohr konstruiert. Insbesondere, weil die Verdampfungssektion 251A1 und die Kondensationssektion 252A1 als eine integrierte Passage vorgesehen sind, fließt der verdampfte Kühlmitteldampf (und die Kühlmittelflüssigkeit, welche nicht verdampft wurde) in die Kondensationssektion 252A2. In dieser Zeit wird Wärme von dem Kühlmitteldampf durch die außenseitige Luft, welche durch das zweite Abteil 320 fließt, entfernt, und der Kühlmitteldampf wird kondensiert.
Wie oben stehend beschrieben hat der Wärmeaustauscher 300a die Verdampfungssektion als die Kühlmittelpassage, welche sich durch das erste Abteil 310 erstreckt, und die Kondensationssektion als die Kühlmittelpassage, welche sich durch das zweite Abteil 320 (mindestens ein Paar davon, zum Beispiel bezeichnet durch 251A9 und 252A9) in der ersten Ebene PA erstreckt, und hat auch die Kondensationssektion als die Kühlmittelpassage, welche sich durch das zweite Abteil 320 erstreckt, und die Verdampfungssektion als die Kühlmittelpassage, welche sich durch das erste Abteil 310 (mindestens ein Paar davon, zum Beispiel bezeichnet durch 252B8 und 251B8) in der zweiten Ebene PB. Der Wärmeaustauscher 300a hat die zwischen liegende Einschränkung 331 in einer Übergangs- bzw. Zwischenposition, wo das Kühlmittel sich von der Kondensationssektion 252A9 in der Ebene PA zu der Kondensationssektion 252B8 in der Ebene PB bewegt. Insbesondere ist die zwischen liegende Einschränkung 331 in einer Position angeordnet, wo die Kühlmittelpassage sich durch das zweite Abteil 320 erstreckt.
In dem ersten Ausführungsbeispiel hat die Wärmepumpe HP1 zwischen liegende Einschränkungen 331, 332, 333, welche Kondensationssektionen in den verschiedenen Ebenen verbinden, und eine Vielzahl von Paaren von Kondensationssektion und Verdampfungssektion, welche stromabwärts der Einschränkung 333 angeordnet sind. Somit ist die Wärmepumpe HP1 derart angeordnet, dass das Kühlmittel in der flüssigen Phase aus dem Wärmeaustauscher 300a schließlich durch die Kondensationssektion heraus fließt.
Die letzte Kondensationssektion des Wärmeaustauschers 300a hat ihren Ausgang mit einem Expansionsventil 250 als eine zweite Einschränkung über das Kühlmittelflüssigkeitsrohr 204 verbunden. Das Expansionsventil 250 ist mit dem Kühlmittelverdampfer (als eine Kühleinheit von dem Sichtpunkt der Prozessluft aus) 210 über das Kühlmittelrohr 206 verbunden.
Die Einschränkung 250 kann bei jeder Position von der Kondensationssektion zu dem Einlass des Kühlmittelverdampfers 210 angeordnet sein, aber soll bevorzugterweise gerade vor dem Einlass des Kühlmittelverdampfers 210 angeordnet sein. Dies ist so, weil das Wärme isolierende Material des Kühlmittelrohrs dicker ausgebildet werden muss wenn die Temperatur des Kühlmittels, welches aus der Einschränkung 250 heraus fließt, wesentlich geringer ist als die Atmosphärentemperatur. Die Kühlmittelflüssigkeit, welche in der Kondensationssektion kondensiert wurde, wird durch die Einschränkung 250 entspannt, und expandiert und in der Temperatur verringert. Das Kühlmittel wird dann in den Kühlmittelverdampfer 210 eingeführt, wo das Kühlmittel verdampft wird, um die Prozessluft mit Verdampfungswärme zu kühlen. Die Einschränkungen 330, 250 können Öffnungen, Kapillarrohre, Expansionsventile oder ähnliches aufweisen. Die zwischen liegenden Einschränkungen 331, 332, 333 weisen normalerweise Zumessöffnungen auf.
Das Kühlmittel, welches in einen Dampf in dem Kühlmittelverdampfer 210 verdampft wurde, wird in die Saugseite des Kühlmittelkompressors 260 eingeführt, und somit wird der obige Zyklus wiederholt.
Das Verhalten des Kühlmittels in den Verdampfungssektionen und den Kondensationssektionen des Wärmeaustauschers 300a wird unten stehend mit Bezug auf 2(b) beschrieben. Das Kühlmittel fließt in die Verdampfungssektion 251A1 in der flüssigen Phase. Das Kühlmittel kann eine Kühlmittelflüssigkeit sein, welche teilweise verdampft wurde, um leicht eine Dampfphase zu enthalten. Während die Kühlmittelflüssigkeit durch die Verdampfungssektion 251A1 fließt, wird sie durch die Prozessluft erwärmt und tritt in die Kondensationssektion 252A1 ein, während sich die Dampfphase davon erhöht. In der Kondensationssektion 252A1 erwärmt das Kühlmittel die Regenerationsluft. In dieser Zeit wird Wärme von dem Kühlmittel selbst entfernt, und während das Kühlmittel in der Dampfphase kondensiert wird fließt das Kühlmittel in die nächste Kondensationssektion 252A2. Während das Kühlmittel durch die Kondensationssektion 252A2 fließt, wird Wärme ferner von dem Kühlmittel durch die Regenerationsluft entfernt, und das Kühlmittel in der Dampfphase wird weiter kondensiert. Danach fließt das Kühlmittel in die nächste Verdampfungssektion 251A2. In dieser Art und Weise fließt das Kühlmittel durch die Kühlmittelpassagen, während es sich in der Phase zwischen der Dampfphase und der Flüssigkeitsphase verändert. Somit wird Wärme zwischen der Prozessluft als ein Tieftemperaturwärmequellenfluid in der Wärmepumpe HP1 und der Regenerationsluft als ein Hochtemperaturwärmequellenfluid in der Wärmepumpe HP1 ausgetauscht.
Als nächstes wird der Betrieb der Wärmepumpe HP1 unten stehend mit Bezug auf 3 beschrieben. 3 ist ein Mollierdiagramm in dem Fall, in welchem HFC134a als das Kühlmittel verwendet wird. In dem Mollierdiagramm bezeichnet die horizontale Achse die Enthalpie, und die vertikale Achse bezeichnet den Druck.
Für illustrative Zwecke wird es angenommen, dass die Kühlmittelpassage durch ein Paar der Verdampfungssektion 251A1 und der Kondensationssektion 252A1 in der Ebene PA, die Einschränkung 331, die Kondensationssektion 252B2 und die Verdampfungssektion 251B2, und die Verdampfungssektion 251B1 und die Kondensationssektion 252B1 in der Ebene PB, die Einschränkung 332, die Kondensationssektion 252C1 und die Verdampfungssektion 251C1, und die Verdampfungssektion 251D2 und die Kondensationssektion 252C2 in der Ebene PC, die Einschränkung 333, die Kondensationssektion 252D2 und die Verdampfungssektion 251D2, und die Verdampfungssektion 251D1 und die Kondensationssektion 252D1 in der Ebene PD, gebildet wird, und die Einschränkung 250 erreicht.
In 3 bezeichnet ein Punkt „a" einen Zustand des Kühlmittels an dem Auslassanschluss des Kühlmittelverdampfers 210, und das Kühlmittel ist in der Form eines gesättigten Dampfes. Das Kühlmittel hat einen Druck von 4,2 kg/cm², eine Temperatur von 10° Celsius und eine Enthalpie von 148,83 kcal/kg. Ein Punkt b repräsentiert einen Zustand des Dampfes, welcher eingezogen und komprimiert ist durch den Kompressor 260, das heißt ein Zustand an dem Auslassanschluss des Kompressors 260. In dem Punkt b hat das Kühlmittel einen Druck von 19,3 kg/cm² und eine Temperatur von 78° Celsius und ist in der Form eines Heißdampfs.
Der Kühlmitteldampf wird in der Kühlmittelkondensationsvorrichtung 220 gekühlt und erreicht einen Zustand, welcher durch einen Punkt c in dem Mollierdiagramm bezeichnet ist. In dem Punkt c ist das Kühlmittel in der Form eines gesättigten Dampfes und hat einen Druck von 19,3 kg/cm² und eine Temperatur von 65° Celsius. Unter diesem Druck wird das Kühlmittel weiter gekühlt und kondensiert, um einen Zustand zu erreichen, welcher durch einen Punkt d repräsentiert ist. In dem Punkt d ist das Kühlmittel in der Form einer gesättigten Flüssigkeit und hat den gleichen Druck und die gleiche Temperatur wie dasjenige in dem Punkt c. Die gesättigte Flüssigkeit hat eine Enthalpie von 122,97 kcal/kg.
Die Kühlmittelflüssigkeit wird durch die Einschränkung 330 entspannt und fließt durch die Verdampfungssektion 251A1 in den Wärmeaustauscher 300a. Dieser Zustand ist bei dem Punkt e in dem Mollierdiagramm bezeichnet. Die Temperatur der Kühlmittelflüssigkeit ist geringfügig höher als die Temperatur der Außenluft. Der Druck der Kühlmittelflüssigkeit ist ein erster zwischen liegender Druck gemäß der vorliegenden Erfindung, das heißt ist von einem Zwischenwert zwischen 4,2 kg/cm² und 19,3 kg/cm² in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Die Kühlmittelflüssigkeit ist eine Mischung einer Flüssigkeit und des Dampfes, weil ein Teil der Flüssigkeit verdampft wurde.
In der Verdampfungssektion 251A1 wird die Kühlmittelflüssigkeit unter dem ersten zwischen liegenden Druck verdampft, und erreicht einen Zustand, welcher durch einen Punkt f1 repräsentiert ist, welcher zwischen liegend zwischen der gesättigten Flüssigkeitskurve und der gesättigten Dampfkurve angeordnet ist, unter dem zwischen liegenden Druck. In dem Punkt f1 bleibt, während ein Teil der Flüssigkeit verdampft wird, die Kühlmittelflüssigkeit in einer beachtenswerten Menge.
Das Kühlmittel in dem Zustand, welcher durch den Punkt f1 repräsentiert ist, fließt in die Kondensationssektion 252A1. In der Kondensationssektion 252A1 wird Wärme von dem Kühlmittel durch die Außenluft entfernt, welche durch das zweite Abteil 320 fließt, und das Kühlmittel erreicht einen Zustand, welcher durch einen Punkt g1a repräsentiert ist.
Das Kühlmittel in dem Zustand an dem Punkt g1a wird entspannt durch die Einschränkung 331 und erreicht einen Zustand, welcher durch einen Punkt g1b repräsentiert ist. In dem Punkt g1b hat das Kühlmittel einen zweiten zwischen liegenden Druck, welcher geringer ist als ein Druck an dem Punkt g1a. Dann wird Wärme von dem Kühlmittel in der Kondensationssektion 252B2 entfernt, und das Kühlmittel erreicht einen Zustand, welcher durch einen Punkt h1 repräsentiert ist, während seine flüssige Phase erhöht wird. Dann fließt das Kühlmittel in die Verdampfungssektion 251B2, wo das Kühlmittel seine Dampfphase erhöht und einen Zustand erreicht, welcher durch einen Punkt f2 repräsentiert ist. Danach fließt das Kühlmittel in die Kondensationssektion 252B1. In der Kondensationssektion 252B1 wird Wärme von dem Kühlmittel durch die Außenluft entfernt, welche durch das zweite Abteil 320 fließt, und erreicht einen Zustand, welcher durch einen Punkt g2a repräsentiert ist.
Das Kühlmittel in dem Zustand bei dem Punkt g2a wird entspannt durch die Einschränkung 332 und erreicht einen Zustand, welcher durch einen Punkt g2b repräsentiert ist. In dem Punkt g2b hat das Kühlmittel einen dritten zwischen liegenden Druck welcher geringer ist als der Druck an dem Punkt g2a. Dann wird Wärme von dem Kühlmittel in der Kondensationssektion 252C2 entfernt, und das Kühlmittel erreicht einen Zustand, welcher durch einen Punkt h2 repräsentiert ist, während seine flüssige Phase erhöht wird. Danach fließt das Kühlmittel in die Verdampfungssektion 251C2.
Das Kühlmittel wird entspannt durch die zwischen liegende Einschränkung 333, fließt dann durch die Kühlmittelpassagen in die Kondensationssektion, die Verdampfungssektion, die Verdampfungssektion, und die Kondensationssektion, und erreicht einen Zustand, welcher durch einen Punkt h4 auf dem Mollierdiagramm repräsentiert ist. Auf dem Mollierdiagramm ist der Punkt h4 auf der gesättigten Flüssigkeitskurve. In diesem Punkt hat das Kühlmittel eine Temperatur von 30° Celsius und eine Enthalpie von 109,99 kcal/kg.
Die Kühlmittelflüssigkeit bei diesem Punkt h4 wird entspannt auf 4,2 kg/cm², welches der Sättigungsdruck bei einer Temperatur von 10° Celsius ist, durch die Einschränkung 250. Das Kühlmittel fließt als eine Mischung der Kühlmittelflüssigkeit und des Dampfes bei einer Temperatur von 10° Celsius in den Kühlmittelverdampfer 210, wo das Kühlmittel Wärme von der Prozessluft entfernt und an einem Zustand verdampft wird, welcher durch den Punkt a auf dem Mollierdiagramm repräsentiert ist. Der verdampfte Dampf wird wieder durch den Kompressor 260 eingezogen und somit wird der obige Zyklus wiederholt.
In dem Wärmeaustauscher 300a geht, wie oben beschrieben, das Kühlmittel von dem verdampften Zustand von dem Punkt e zu dem Punkt f1 oder von dem Punkt h1 zu dem Punkt f2 in der Verdampfungssektion 251, und geht durch Wechsel von dem kondensierten Zustand von dem Punkt f1 zu dem Punkt g1a oder von dem Punkt g1b zu dem Punkt h1 in der Kondensationssektion 252. Weil das Kühlmittel Wärme im Weg der Verdampfung und Kondensation transferiert, ist die Rate des Wärmeaustauschs sehr hoch.
In der Wärmepumpe HP1 des Kompressionstyps, einschließlich des Kompressors 260, der Kühlmittelkondensationsvorrichtung (Regenerationsluftwärmeeinheit) 220, der Einschränkungen 330, 250, und des Kühlmittelverdampfers 210, wird, wenn der Wärmeaustauscher 300a nicht vorgesehen ist, das Kühlmittel in dem Zustand, welcher durch den Punkt d repräsentiert ist, in der Kühlmittelkondensationsvorrichtung 220 zu dem Kühlmittelverdampfer 210 durch die Einschränkungen zurück geführt. Deshalb ist die Enthalpiedifferenz, welche durch den Kühlmittelverdampfer 210 verwendet werden kann, nur 148,83 – 122,97 = 25,86 kcal/kg. Mir der Wärmepumpe HP1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, welche den Wärmeaustauscher 300a hat, ist jedoch die Enthalpiedifferenz, welche durch den Kühlmittelverdampfer 210 verwendet werden kann, 148,83 – 109,99 = 38,84 kcal/kg. Somit kann die Menge an Dampf, welche zu dem Kompressor bei derselben Kühlungslast zirkuliert wird, und die benötigte Leistung um 33 % reduziert werden. Konsequenterweise kann die Wärmepumpe HP1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel den gleichen Betrieb wie ein gut bekannter unterkühlter Zyklus ausführen.
Der Betrieb der feuchtigkeitsentziehenden Klimaanlagenvorrichtung, welche die Wärmepumpe HP1 verwendet, wird unten stehend mit Bezug auf 4 beschrieben. Auf 1 wird für strukturelle Details Bezug genommen. In 4 bezeichnen die alphabetischen Buchstaben K bis N und Q bis U Zustände von Luft in verschiedenen Bereichen, und entsprechen den eingekreisten Buchstaben in dem Flussdiagramm, welches in 1 gezeigt ist. Der psychrometrische Graph, welcher in 4 gezeigt ist, ist auch anwendbar auf eine feuchtigkeitsentziehende Klimaanlagenvorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welches später beschrieben werden wird.
Zunächst wird der Fluss der Prozessluft A unten stehend beschrieben. In 4 wird die Prozessluft (in einem Zustand K) von dem klimatisierten Raum 101 über den Prozessluftpfad 107 in das Luftgebläse 102 gezogen, und durch den Prozessluftpfad 108 in das Trocknungsrad 103 geliefert. Die Feuchtigkeit der Prozessluft wird durch das Trocknungsmittel in den Trocknungselementen des Trocknungsrads 103 adsorbiert. Die absolute Feuchtigkeit der Prozessluft wird reduziert, und die Trockentemperatur davon wird durch Adsorbtionswärme durch das Trocknungsmittel erhöht, so dass die Prozessluft einen Zustand L erreicht. Die Prozessluft fließt durch den Prozessluftpfad 109 in das erste Abteil 310 in dem Wärmeaustauscher 300a, wo die Prozessluft gekühlt wird, mit der konstanten absoluten Feuchtigkeit, durch das Kühlmittel, welches in der Verdampfungssektion 251 (2) verdampft wurde. Die Prozessluft erreicht dann einen Zustand M und fließt über den Pfad 110 in die Kühleinheit 210. In der Kühleinheit 210 wird die Prozessluft weiter gekühlt, mit konstanter absoluter Feuchtigkeit, und erreicht einen Zustand N. Die Prozessluft wird dann getrocknet und gekühlt, und als Prozessluft SA, welche eine geeignete Feuchtigkeit und eine geeignete Temperatur hat, über die Leitung 111 in den klimatisierten Raum 101 zurückgeführt.
Der Fluss der Regenerationsluft B wird unten stehend beschrieben. Die Regenerationsluft B (in einem Zustand Q) von dem äußeren Raum OA wird ü ber den Regenerationsluftpfad 124 eingezogen, und fließt über den Pfad 125 in das zweite Abteil 320 des Wärmeaustauschers 300a. In dem zweiten Abteil 320 tauscht die Regenerationsluft Wärme mit der Prozessluft (in einem Zustand L) aus, welche durch das zweite Abteil 310 fließt, indirekt durch das Kühlmittel, welches durch die Verdampfungssektion 251 und die Kondensationssektion 252 als die Kühlmittelpassage in den Wärmeaustauscher 300a fließt. Als ein Ergebnis des Wärmeaustauschs wird die Trockentemperatur der Regenerationsluft erhöht, und erreicht einen Zustand R. Die Regenerationsluft wird dann über den Pfad 126 in die Kühlmittelkondensationsvorrichtung (als eine Wärmeeinheit von dem Sichtpunkt der Regenerationsluft) 220 geliefert, wo die Regenerationsluft erwärmt wird und ihre Trockentemperatur erhöht wird, um, einen Zustand T zu erreichen. Die Regenerationsluft wird dann über den Pfad 127 in das Trocknungsrad 103 geliefert, wo Feuchtigkeit entfernt (desorbiert) wird von dem Trocknungsmittel in den Trocknungselementen, so dass das Trocknungsmittel regeneriert wird. Die Regenerationsluft wird in der absoluten Feuchtigkeit erhöht und ihre Trockentemperatur gesenkt, aufgrund der Desorbtionswärme der Feuchtigkeit von dem Trocknungsmittel, und erreicht einen Zustand U. Wie oben stehend beschrieben wird die Regenerationsluft dann durch den Pfad 128 als die Abgasluft EX ausgestoßen.
Von einem Luftzyklus in dem psychrometrischen Graphen, welcher in 4 gezeigt ist, kann es gezeigt werden, dass bei der oben beschriebenen Klimaanlagenvorrichtung die Menge an Wärme N, welche auf die Regenerationsluft angelegt wird um das Trocknungsmittel zu regenerieren, die Menge an Wärme q, welche von der Prozesswärme gepumpt wurde, und die Antriebsenergie h des Kompressors zueinander durch H = q + h in Beziehung stehen.
Eine mechanische Anordnung der feuchtigkeitsentziehenden Klimaanlagenvorrichtung, wie oben stehend beschrieben, wird unten stehend mit Bezug auf 5 beschrieben. In 5 sind Geräte der feuchtigkeitsentziehenden Klimaanlagenvorrichtung in einem Schrank 700 beinhaltet. Der Schrank 700 weist ein Gehäuse auf, welches jeweils aus dünnen Stahlblechen in der Form eines rechteckigen Parallelflachs gemacht ist, und hat einen Einlassanschluss für Prozessluft RA, welcher in der Mitte einer vertikalen oberen Deckplatte davon geöffnet ist. Ein Filter 501 ist an dem Einlassanschluss vorgesehen, um zu verhindern, dass Staub in dem klimatisierten Raum in die feuchtigkeitsentziehende Klimaanlagenvorrichtung eintritt. Das Luftgebläse 102 ist nach innen von dem Filter 501 in dem Schrank 700 angeordnet, und hat einen Einlassanschluss, welcher mit dem Prozesslufteinlassanschluss des Schranks durch den Filter 501 kommuniziert. Das Luftgebläse 102 hat einen Auslassanschluss, welcher vertikal nach unten gerichtet ist, und das Trocknungsrad 103 ist unterhalb des Luftgebläses 102 angeordnet, wobei die Drehachse AX vertikal orientiert ist. Das Trocknungsrad 103 ist operativ mit einem Riemen, einer Kette oder ähnlichem mit einem elektrischen Motor 501 als ein Betätiger verbunden, wobei seine Drehwelle vertikal orientiert ist und mit einer geringen Drehzahl von ungefähr einer Umdrehung in mehreren Minuten gedreht werden kann. Weil das Trocknungsrad 103 in einer im Wesentlichen horizontalen Ebene um die vertikale Drehachse AX drehbar ist, ist die feuchtigkeitsentziehende Klimaanlagenvorrichtung kompakt, wobei ihre Höhe reduziert ist.
Der Auslassanschluss des Luftgebläses 102 ist mit dem Trocknungsrad über eine Passage 108 verbunden. Die Passage 108 ist von den anderen Teilen durch dünne Stahlbleche getrennt, welche zum Beispiel ähnlich zu denjenigen des Schranks 700 sind. Die Prozessluft fließt in ungefähr eine Hälfte (halbkreisförmiger Bereich) des kreisförmigen Trocknungsrads 103.
Das erste Abteil 310 des Wärmeaustauschers 300a, das heißt die Verdampfungssektion 251, ist unten unterhalb einer Hälfte (halbkreisförmiger Bereich) des Trocknungsrads 103, durch welches die Prozessluft fließt, angeordnet. Das Trocknungsrad 103 und das erste Abteil 310 sind miteinander durch einen Pfad 109 verbunden, welcher als ein Raum zwischen dem horizontal angeordneten Trocknungsrad 103 und Rohren, welche horizontal angeordnet sind (und Lamellen, welche darauf montiert sind) der Verdampfungssektion in 7 definiert ist.
Der Kühlmittelverdampfer 210 mit horizontalen Kühlrohren ist unten unterhalb des ersten Abteils 310 angeordnet. In 7 ist ein Pfad 110 definiert als ein Raum zwischen dem ersten Abteil 310 und dem Kühlmittelverdampfer 210. Weil das erste Abteil 310 und der Kühlmittelverdampfer 210 integral miteinander kombiniert sind, wird der Raum dazwischen zusammengefügt zu dem Wärmeaustauscher 300a und dem Kühlmittelverdampfer 210. Vertikal unter dem Kühlmittelverdampfer 210 ist ein Startteil eines Pfads 111 angeordnet, welcher sich durch den Boden des Schranks 700 erstreckt. Der Pfad 111 verändert seine Richtung und wird aufwärts gerichtet und isoliert von den Pfaden 109, 108 durch Abtrennwände, und erreicht schließlich die obere Deckplatte des Schranks 700, das heißt einen Luftversorgungsanschluss SA, welcher entlang des Einlassanschlusses für die Prozessluft RA geöffnet ist.
Ein Einlassanschluss zum Einfügen von Außenluft UA ist in einer unteren Seitenplatte des Schranks 700 geöffnet, und ein Filter 502 ist an dem Einlassanschluss vorgesehen, um Staub, welcher durch die Außenluft getragen wird, zu blockieren. Ein Raum, welcher einwärts von dem Filter 502 definiert ist, dient als ein Pfad 124, in welchem der Kompressor 260 installiert ist. Während das Luftgebläse 140 zwischen dem Außenlufteinlassanschluss und dem Wärmeaustauscher 300a in 1 angeordnet ist, ist das Luftgebläse 140 zwischen dem Trocknungsrad 103 und einem Regenerationsluftauslassanschluss in 5 angeordnet, wie später beschrieben ist. Das Luftgebläse 140 kann in jeder dieser Positionen angeordnet sein, solang es die Regenerationsluft zirkulieren kann.
Das zweite Abteil 320 des Wärmeaustauschers 300a ist vertikal über dem Kompressor 260 angeordnet. Die Kondensationsvorrichtung 220 ist über dem zweiten Abteil 320 des Wärmeaustauschers 300a angeordnet. In diesem Beispiel haben das zweite Abteil 320 des Wärmeaustauschers 300a und die Kondensationsvorrichtung 220 gemeinsame Lamellen und sind integral aufgebaut. Die zwischen liegenden Einschränkungen 331, 332, 333 sind an den Enden der Kondensationssektionen montiert, welche sich durch das zweite Abteil 320 erstrecken, und entlang des Schranks 700 angeordnet sind.
Ungefähr eine Hälfte (halbkreisförmiger Bereich) des kreisförmigen Trocknungsrads 103, durch welche die Regenerationsluft fließt, ist vertikal über der Kondensationsvorrichtung 220 angeordnet.
Der Raum vertikal über dem letztgenannten halben Bereich des Trocknungsrads 103 dient als ein Pfad 128 wo das Luftgebläse 140 angeordnet ist. Das Luftgebläse 140 hat einen Auslassanschluss, welcher an der oberen Deckplatte des Schranks 700 benachbart zu dem Prozesslufteinlassanschluss angeordnet ist. Der Auslassanschluss des Luftgebläses 140 dient als ein Anschluss zum Ausstoßen der verwendeten Regenerationsluft in den äußeren Raum.
Weil der Wärmeaustauscher 300a Wärmetransfer im Weg der Verdampfung und Kondensation verwendet und Wärme zwischen der Prozessluft und der Regenerationsluft im Wesentlichen nach dem Gegenflussprinzip austauscht kann die Wärmepumpe HP1 und somit die feuchtigkeitsentziehende Klimaanlagenvorrichtung in einer kompakten Größe angeordnet sein.
Strukturelle Details der Wärmepumpe HP2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und die feuchtigkeitsentziehende Klimaanlagenvorrichtung, welche die Wärmepumpe umfasst, werden unten stehend mit Bezug auf 6 beschrieben. Ein Wärmeaustauscher 300b ist der gleiche wie der Wärmeaustauscher gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, außer dass die zwischen liegenden Einschränkungen 331, 332, 333 in der Verdampfungssektion angeordnet sind.
Insbesondere hat der Wärmeaustauscher 300b die Kondensationssektion als Kühlmittelpassage, welche sich durch das zweite Abteil 320 erstreckt, und die Verdampfungssektion als die Kühlmittelpassage, welche sich durch das erste Abteil 310 erstreckt (mindestens ein Paar davon, zum Beispiel durch 252A1 und 251A1 bezeichnet) in der ersten Ebene PA, und hat auch die Verdampfungssektion als die Kühlmittelpassage, welche sich durch das erste Abteil 310 und die Kondensationssektion als die Kühlmittelpassage, welche sich durch das zweite Abteil 320 (mindestens ein Paar davon, zum Beispiel durch 251B1 und 252B1 bezeichnet) in der zweiten Ebene PB erstreckt. Der Wärmeaustauscher 300a hat die zwischen liegende Einschränkung 331 an einem Übergangsort, wo sich das Kühlmittel von der Verdampfungssektion 251A1 in der Ebene PA zu der Verdampfungssektion 251B1 in der Ebene PB bewegt. Insbesondere ist die zwischen liegende Einschränkung 331 in einer Position angeordnet, wo die Kühlmittelpassage sich durch das erste Abteil 310 erstreckt hat. Wie bei dem Wärmeaustauscher 300a, wird in dem Wärmeaustauscher 300b, das Kühlmittel welches in dem Wärmepumpenzyklus zirkuliert, normalerweise in gesamter Menge davon verwendet, um wiederholt Wärme alternierend durch Paare von Verdampfungs- und Kondensationssektionen auszutauschen, welche in Serie verbunden sind. Deshalb kann Wärme ausreichend zwischen der Prozessluft und der Regenerationsluft ausgetauscht werden, wenn ein kleiner Teil des fließenden Kühlmittels verdampft und kondensiert wird. Normalerweise bleibt, in der Verdampfungssektion, die Kühlmittelflüssigkeit in einer beachtlichen Menge unverdampft. Konsequenterweise können, auch wenn die zwischen liegenden Einschränkungen 331, 332, 333 in der Verdampfungssektion angeordnet sind, notwendige Druckdifferenzen ausgebildet werden in der Kühlmittelpassage in den jeweiligen Ebenen (PA, PB, PC, ...).
Der Betrieb der Wärmepumpe HP2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird unten stehend mit Bezug auf 7 beschrieben. In 7 sind die Übergänge von dem Punk „a" zu dem Punkt e identisch zu denjenigen, welche in 3 gezeigt sind, und werden nicht unten stehend beschrieben. Das Kühlmittel in dem Zustand, welcher durch den Punkt e gezeigt ist, welches in eine Verdampfungssektion 251A1 in dem Wärmeaustauscher 300b fließt, ist eine Mischung der Flüssigkeit und des Dampfes, wobei ein Teil der Flüssigkeit verdampft wird unter dem ersten zwischen liegenden Druck, wie oben stehend mit Bezug auf 3 beschrieben ist.
Das Kühlmittel wird ferner in der Verdampfungssektion verdampft, und erreicht einen Punkt f1 in der Nähe der gesättigten Dampfkurve in dem feuchten Bereich des Mollierdiagramms. Das Kühlmittel in diesem Zustand fließt in die Kondensationssektion, wo das Kühlmittel kondensiert wird. Dann erreicht das Kühlmittel einen Punkt g1 in der Nähe der gesättigten Flüssigkeitskurve, obwohl es in dem feuchten Bereich ist. Dann fließt das Kühlmittel in die Verdampfungssektion, geht zu der gesättigten Dampfkurve innerhalb des feuchten Bereichs, um einen Punkt h1a zu erreichen. Bis zu diesem Punkt durchgeht das Kühlmittel im Wesentlichen Veränderungen unter dem ersten zwischen liegenden Druck.
Das Kühlmittel indem Zustand, welches durch den Punkt h1a bezeichnet ist, wird entspannt durch die Einschränkung 331, und erreicht einen Punkt h1b unter dem zweiten zwischen liegenden Druck. Insbesondere fließt das Kühlmittel von den Verdampfungssektionen als die Kühlmittelpassagen in der Ebene PA in die Verdampfungssektionen als die Kühlmittelpassagen in der Ebene PB. Dieses Kühlmittel wird unter dem zweiten zwischen liegenden Druck in der Verdampfungssektion verdampft, und erreicht einen Punkt f2. Das Kühlmittel wird dann wiederholt ähnlich alternierend verdampft und kondensiert, und durch die zwischen liegende Einschränkung 333 entspannt. Danach fließt das Kühlmittel durch die Verdampfungs- und Kondensationssektionen und erreicht einen Punkt g4 auf dem Mollierdiagramm, welcher dem Punkt h4 in 3 entspricht. Auf dem Mollierdiagramm ist der Punkt g4 auf der gesättigten Flüssigkeitskurve. In diesem Punkt hat das Kühlmittel eine Temperatur von 30° Celsius und eine Enthalpie von 109,99 kcal/kg.
In dem Fall von 3 wird die Kühlmittelflüssigkeit an dem Punkt g4 auf 4, 2 kg/cm² entspannt, welches ein gesättigter Druck bei der Temperatur von 10° Celsius ist, durch die Einschränkung 250. Das Kühlmittel fließt als eine Mischung der Kühlmittelflüssigkeit und des Dampfes bei einer Temperatur von 10° Celsius in dem Kühlmittelverdampfer 210, wo das Kühlmittel Wärme von der Prozessluft entfernt und in einen gesättigten Dampf bei dem Zustand, welcher durch den Punkt a auf dem Mollierdiagramm bezeichnet ist, verdampft wird. Der verdampfte Dampf wird wieder durch den Kompressor 260 eingezogen, und somit wird der obige Zyklus wiederholt.
In dem Wärmeaustauscher 300b, wie oben stehend beschrieben, durchgeht das Kühlmittel wiederholt alternierend Wechsel der Dampfphase und Wechsel der Flüssigkeitsphase. Weil das Kühlmittel Wärme im Weg der Verdampfung und der Kondensation transferiert, ist die Rate des Wärmeaustauschs sehr groß, wie bei dem Wärmeaustauscher 300a.
Die Enthalpiedifferenz, welche in dem Kühlmittelverdampfer 210 erreicht werden kann, ist bemerkenswert größer als diejenige in der konventionellen Wärmepumpe. Somit können die Menge an Dampf, welche zu dem Kompressor unter der gleichen Kühlungslast zirkuliert wird, und die benötigte Leistung um 33 % reduziert werden, wie in dem Fall von 3.
Der Betrieb der feuchtigkeitsentziehenden Klimaanlagenvorrichtung mit der Wärmepumpe HP2 wird nicht unten stehend beschrieben, weil er qualitativ der Gleiche ist wie oben stehend mit Bezug auf den psychrometrischen Graf von 4 beschrieben ist.
8 zeigt eine mechanische Anordnung einer Wärmepumpe HP2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und eine feuchtigkeitsentziehende Klimaanlagenvorrichtung, welche die Wärmepumpe HP2 verwendet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die zwischen liegenden Einschränkungen 331, 332, 333 an den Enden der Verdampfungssektionen, welche sich durch das erste Abteil 310 erstrecken montiert, und entlang einer Abtrennwand angeordnet, welche den vertikalen oberen Teil des Prozessluftpfads 111 definiert. Andere mechanische Details der vorliegenden Erfindung sind identisch zu denjenigen, welche in 5 gezeigt sind.
Eine Wärmepumpe HP3 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und eine feuchtigkeitsentziehende Klimaanlagenvorrichtung, welche die Wärmepumpe HP3 verwendet, werden unten stehend mit Bezug auf 9 beschrieben. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Wärmeaustauscher 300c zum Austauschen von Wärme zwischen der Prozessluft, welche aus dem Trocknungsrad 103 heraus fließt, und der Regenerationsluft, welche in die Kondensationsvorrichtung 220 hineinfließt, in einen Wärmeaustauscher 300c1, welcher stromaufwärts mit Bezug auf den Fluss der Prozessluft angeordnet ist, und einen Wärmeaustauscher 300c2, welcher stromabwärts mit Bezug auf den Fluss der Prozessluft angeordnet ist, aufgeteilt. Der Wärmeaustauscher 300c1 entspricht dem ersten Wärmeaustauscher gemäß der vorliegenden Erfindung, und der Wärmeaustauscher 300c2 entspricht einem dritten Wärmeaustauscher gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel oder dem dritten Ausführungsbeispiel kann der Wärmeaustauscher 300c1 ein Wärmeaustauscher mit den zwischen liegenden Einschränkungen 331, 332, 333 sein. In dem Beispiel, welches in 9 gezeigt ist, hat jedoch der Wärmeaustauscher 300c1 keine zwischen liegenden Einschränkungen. In diesem Ausführungsbeispiel weist eine Kühlmittelpassage, welche sich alternierend durch das erste Abteil 310 und das zweite Abteil 320 wiederholt erstreckt, eine erste Verdampfungssektion, eine erste Kondensationssektion, eine gefaltete zweite Kondensationssektion, eine zweite Verdampfungssektion, eine gefaltete dritte Verdampfungssektion, und eine dritte Kondensationssektion auf. Der Wärmeaustauscher 300c2 kann ein Wärmeaustauscher mit den zwischen liegenden Einschränkungen 331, 332, 333 sein. Entweder der Wärmeaustauscher 300c1 oder der Wärmeaustauscher 300c2 können ein Wärmeaustauscher mit zwischen liegenden Einschränkungen sein.
Die Wärmepumpe HP3 ist derart angeordnet, dass das Kühlmittel aus der dritten Kondensationssektion des Wärmeaustauschers 300c1 in den Wärme austauscher 300c2 über ein Rohr eingeführt wird, welches den Wärmeaustauscher 300c1 umgeht. In dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Wärmeaustauscher 300c2 vollständig identisch in der Struktur zu dem Wärmeaustauscher 300c1.
Das Kühlmittelrohr, welches sich von der dritten Kondensationssektion zu dem Wärmeaustauscher 300c1 erstreckt, hat eine Einschränkung 340, welche als eine fünfte Einschränkung dient. Insbesondere sind der Wärmeaustauscher 300c1 und der Wärmeaustauscher 300c2 über die Einschränkung 340 in Serie miteinander verbunden in der Richtung, in welcher das Kühlmittel fließt. Die fünfte Einschränkung 340 ist mit der ersten Verdampfungssektion des Wärmeaustauscher 300c2 verbunden. Die dritte Kondensationssektion des Wärmeaustauschers 300c2 ist mit der Einschränkung 250 verbunden.
Das Abteil des Wärmeaustauschers 300c2 zum Hindurchleiten der Prozessluft dient als ein fünftes Abteil, und das Abteil des Wärmeaustauschers 300c2 zum Hindurchleiten der Regenerationsluft dient als ein sechstes Abteil. Die Prozessluft, welche aus dem Trocknungsrad heraus geflossen ist, fließt von dem ersten Abteil in das fünfte Abteil. Die Regenerationsluft, welche von dem Außenraum eingeführt wurde, fließt von dem sechsten Abteil in das zweite Abteil und dann in die Kondensationsvorrichtung 220.
Der Betrieb der Wärmepumpe HP3 wird unten stehend mit Bezug auf 10 beschrieben. Die Wärmepumpe HP3 wird in derselben Art und Weise wie die ersten und zweiten Ausführungsbeispiele bis zu dem Punkt e betrieben. Das Kühlmittel am dem Punkt e ist teilweise verdampft unter einem ersten zwischen liegenden Druck in der ersten Verdampfungssektion, und erreicht dann einen Punkt f1 in der feuchten Region. Das Kühlmittel von dem Punkt f1 wird in den ersten und zweiten Kondensationssektionen kondensiert, und erreicht einen Punkt g1 auf oder in der Nähe einer gesättigten Flüssigkeitskurve. Das Kühlmittel an dem Punkt g1 ist teilweise verdampft in den zweiten und dritten Verdampfungssektionen, und erreicht einen Punkt f2. Das Kühl mittel wird in der dritten Kondensationssektion kondensiert, und erreicht einen Punkt g2 auf oder in der Nähe der gesättigten Flüssigkeitskurve.
Das Kühlmittel an dem Punkt g2 wird durch die Einschränkung 340 entspannt, und erreicht einen Punkt E unter dem zweiten zwischen liegenden Druck. Das Kühlmittel fließt dann in die erste Verdampfungssektion des Wärmeaustauschers 300c2. Danach wechselt das Kühlmittel seinen Zustand in der gleichen Art und Weise wie das Kühlmittel in dem Wärmeaustauscher 300c1, und erreicht einen Punkt G2, welcher dem Punkt g4, welcher in 3 gezeigt ist, entspricht. Das Kühlmittel wird dann durch die Einschränkung 250 entspannt, und erreicht den Zustand am Punkt j. Nachfolgend wird die Wärmepumpe HP3 in derselben Art und Weise wie in den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen betrieben.
11 zeigt eine mechanische Anordnung der Wärmepumpe HP3 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und eine feuchtigkeitsentziehende Klimaanlagenvorrichtung, welche die Wärmepumpe HP3 verwendet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Wärmepumpe frei von den zwischen liegenden Einschränkungen 331, 332, 333 aber hat die Einschränkung 340, welche zwischen dem Wärmeaustauscher 300c1 und dem Wärmeaustauscher 300c2 angeordnet ist. Andere mechanische Details des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind identisch mit denjenigen, welche in den 5 und 8 gezeigt sind.
Eine Wärmepumpe HP4 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und eine feuchtigkeitsentziehende Klimaanlagenvorrichtung, welche die Wärmepumpe HP4 verwendet, werden nachfolgend beschrieben mit Bezug auf 12. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Wärmeaustauscher 300d zum Austauschen von Wärme zwischen Prozessluft, welche aus dem Trocknungsrad 103 heraus fließt, und der Regenerationsluft, welche in die Kondensationsvorrichtung 220 hineinfließt, in einen Wärmeaustauscher 300d1, welcher stromaufwärts mit Bezug auf den Fluss der Prozessluft angeordnet ist, und einen Wärmeaustauscher 300d2, welcher stromabwärts mit Bezug auf den Fluss der Prozessluft angeordnet ist, aufgeteilt. Der Wärmeaustauscher 300d1 entspricht dem ersten Wärmeaustauscher gemäß der vorliegenden Erfindung, und der Wärmeaustauscher 300d2 entspricht dem zweiten Wärmeaustauscher gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel oder dem zweiten Ausführungsbeispiel kann der Wärmeaustauscher 300d1 ein Wärmeaustauscher mit den zwischen liegenden Einschränkungen 331, 332, 333 sein. In dem in 12 gezeigten Beispiel hat jedoch der Wärmeaustauscher 300d1 keine zwischen liegenden Einschränkungen. Der Wärmeaustauscher 300d1 und der Wärmeaustauscher 300d2 sind von im Wesentlichen der gleichen Struktur wie der Wärmeaustauscher 300c1 und der Wärmeaustauscher 300c2.
Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel sind der Wärmeaustauscher 300c1 und der Wärmeaustauscher 300c2 in Serie miteinander über die Einschränkungen 340 verbunden. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel haben jedoch der Wärmeaustauscher 300d1 und der Wärmeaustauscher 300d2 jeweilige Einschränkungen 330A, 330B, welche mit ihren Einlässen verbunden sind, und jeweilige Einschränkungen 340A, 340B, welche mit ihren Auslässen verbunden sind, und sind parallel miteinander angeordnet. Insbesondere ist ein Kühlmittelpfad 202, welcher sich von der Kondensationsvorrichtung 220 erstreckt, in zwei Pfade aufgeteilt, welche jeweils mit den Einschränkungen 330A, 330B verbunden sind. Die Einschränkungen 340A, 340B sind mit den Kühlmittelauslässen des Wärmeaustauschers 300c1 und des Wärmeaustauschers 300c2 verbunden, und zu einem Pfad 204 zusammengeführt, welcher mit der Einschränkung 250 verbunden ist. Jede der Einschränkungen 250, 340B kann entfallen.
Der Betrieb der Wärmepumpe HP4 wird unten stehend mit Bezug auf 13 beschrieben. In 13 sind die Übergänge zu dem Punkt d identisch zu denjenigen in den ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispielen. Das Kühlmittel an dem Punkt d wird von dem Pfad 202 in zwei Pfade aufgeteilt, welche im Wesentlichen eine Hälfte des Kühlmittels zu der Einschränkung 330A liefern, und den Rest zu der Einschränkung 330B. Das Kühlmittel, welches zu der Einschränkung 330A geliefert wird, wird zu dem ersten zwischen liegenden Druck durch die Einschränkung 330A entspannt, und erreicht einen Punkt e. Das Kühlmittel an dem Punkt e wird teilweise verdampft unter dem ersten zwischen liegenden Druck in der ersten Verdampfungssektion des Wärmeaustauschers 300d1, und erreicht einen Punkt f1 in der feuchten Region. Das Kühlmittel von dem Punkt f1 wird kondensiert in den ersten und zweiten Kondensationssektionen, und erreicht einen Punkt g1 an oder in der Nähe einer gesättigten Flüssigkeitskurve. Das Kühlmittel an dem Punkt g1 wird teilweise verdampft in den zweiten und dritten Verdampfungssektionen und erreicht einen Punkt f2. Das Kühlmittel wird in der dritten Kondensationssektion kondensiert, und erreicht einen Punkt g2 an oder in der Nähe der gesättigten Flüssigkeitskurve. Das Kühlmittel an dem Punkt g2 wird durch die Einschränkung 340A und die Einschränkung 250 entspannt, und erreicht einen Punkt j1. Der Druck an dem Punkt j1 ist der Gleiche wie der Verdampfungsdruck in dem Verdampfer 210.
Von dem Kühlmittel an dem Punkt d wird das Kühlmittel, welches zu der Einschränkung 330B geliefert wurde, auf einen zwischen liegenden Druck geringer als der erste zwischen liegende Druck durch die Einschränkung 330B entspannt, und erreicht einen Punkt E. Dies ist so, weil das dritte Abteil des Wärmeaustauschers 300d2 zum Hindurchleiten der Prozessluft stromabwärts des ersten Abteils des Wärmeaustauschers 300d1 mit Bezug auf den Fluss der Prozessluft angeordnet ist, und das vierte Abteil des Wärmeaustauschers 300d2 zum Hindurchleiten der Regenerationsluft ist stromaufwärts des zweiten Abteils des Wärmeaustauschers 300d1 mit Bezug auf den Fluss der Regenerationsluft angeordnet, so dass die Verdampfungstemperatur oder die Kondensationstemperatur gering sind.
Das Kühlmittel in dem Zustand an dem Punkt E ändert seinen Zustand in der gleichen Art und Weise wie das Kühlmittel in dem Wärmeaustauscher 300d1, und erreicht schlussendlich einen Punkt G2 an oder in der Nähe der gesättig ten Flüssigkeitskurve. Das Kühlmittel an dem Punkt G2 wird durch die Einschränkung 340B und die Einschränkung 250 entspannt, und erreicht einen Punkt j. Der Druck an dem Punkt j ist der Gleiche wie der Verdampfungsdruck in dem Verdampfer 210. Die Mischung aus den Kühlmitteln an den Punkten j1, j wird in dem Verdampfer 210 verdampft.
14 zeigt eine mechanische Anordnung der Wärmepumpe HP4 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und eine feuchtigkeitsentziehende Klimaanlagenvorrichtung, welche die Wärmepumpe HP4 verwendet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Wärmepumpe HP4 frei von den zwischen liegenden Einschränkungen 331, 332, 333 und die Einschränkungen 330A, 330B sind mit den jeweiligen Einlässen des Wärmeaustauschers 300d1 und des Wärmeaustauschers 300d2 verbunden, und die Einschränkungen 340A und 340B sind mit den jeweiligen Auslässen des Wärmeaustauschers 300d1 und des Wärmeaustauschers 300d2 verbunden. Andere mechanische Details des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind identisch zu denjenigen gemäß den ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispielen.
Eine Struktur der ersten, zweiten und dritten Wärmeaustauscher gemäß der vorliegenden Erfindung werden untenstehend mit Bezug auf die 15(a) und 15(b) beschrieben, vom unterschiedlichen Sichtpunkt von der oben stehenden Beschreibung mit Bezug auf die 2(a) und 2(b). 15(a) ist eine Draufsicht, welche den Wärmeaustauscher zeigt, wie in der Richtung gesehen, in welcher die Prozessluft und die Regenerationsluft fließen, und 15(b) ist eine Seitenansicht, welche den Wärmeaustauscher zeigt, wie in einer Richtung senkrecht zu den Flüssen der Prozessluft und der Regenerationsluft gesehen. In 15(a) fließt die Prozessluft von dem Betrachter in Richtung des Blatts, und die Regenerationsluft fließt von dem Blatt in Richtung des Betrachters. In dem Wärmeaustauscher sind Rohre in acht Reihen in jeder der vier Ebenen PA, PB, PC, PD angeordnet, welche senkrecht zu den Flüssen der Prozessluft und der Regenerationsluft liegen. Somit sind die Rohre in vier Schichten und acht Reihen entlang des Flusses der Prozessluft und der Regenerationsluft angeordnet. Eine zwischen liegende Einschränkung 331 ist in einer Übergangsposition von der ersten Ebene PA zu der nächsten Ebene PB angeordnet. Eine zwischen liegende Einschränkung 332 (nicht gezeigt) ist in einer Übergangsposition von der Ebene PB zu der Ebene PC angeordnet. Eine zwischen liegende Einschränkung 333 ist in einer Übergangsposition von der Ebene PC zu der Ebene PD angeordnet. Während eine Einschränkung in einer Übergangsposition von der Ebene zu der nächsten Ebene vorgesehen ist, können Rohrreihen in der Ebene PA in einer Vielzahl von Lagen angeordnet sein. In einer solchen Anordnung ist eine zwischen liegende Einschränkung in einer Übergangsposition von jeder Lage zu der nächsten Lage angeordnet. Ebenen vor oder nach einer zwischen liegenden Einschränkung werden jeweils als erste oder zweite Ebene bezeichnet.
Wärmeaustauscher, welche jeweils Rohre in acht Reihen und vier Lagen (Schichten) wie in den 15(a) und 15(b) gezeigt ist aufweisen, können parallel miteinander oder in Serie miteinander mit Bezug auf die Flüsse der Prozessluft und der Regenerationsluft angeordnet sein, abhängig von der Menge der Prozessluft und der Regenerationsluft.
In dem Mollierdiagramm, welches in 3 gezeigt ist, ist zum Beispiel der Zyklus auch dann effektiv, wenn das Kühlmittel wiederholt verdampft und kondensiert wird in einen unterkühlten Bereich unterhalb der gesättigten Flüssigkeitskurve. In der Sicht des Wärmeaustauschers zwischen den Flüssen der Prozessluft und der Regenerationsluft soll jedoch das Kühlmittel bevorzugterweise seine Phase in dem feuchten Bereich ändern. Mit dem Wärmeaustauscher, welcher in 2 oder in 15 gezeigt ist, soll deshalb der Wärmetransferbereich der ersten Verdampfungssektion, welche mit der Einschränkung 330 verbunden ist, bevorzugterweise größer sein als der Wärmetransferbereich der nachfolgenden Verdampfungssektion. Ferner soll, weil das Kühlmittel, welches in die Einschränkung 250 fließt, bevorzugterweise in dem gesättigten oder unterkühlten Bereich ist, der Wärmetransferbereich der Kondensationssektion, welche mit der Einschränkung 250 verbun den ist, bevorzugterweise größer sein als der Wärmetransferbereich der vorhergehenden Kondensationssektion.
Die Beziehung zwischen der gesamten Temperatureffektivität (Wärmeaustauscheffizienz) und der Anzahl der Stufen der Wärmeaustauschrohre entlang des Flusses der Prozessluft oder der Regenerationsluft, welche durch die zwischen liegenden Einschränkungen geteilt sind, welche als die Anzahl von Lagen oder die Anzahl von Linien bezeichnet werden können und zu der Anzahl von Ebenen in 15 entsprechen, wird untenstehend mit Bezug auf 16 beschrieben. Wenn die Temperatureffektivität pro Stufe beispielsweise 0,400 ist, dann ist die gesamte Temperatureffektivität ungefähr 0,67 für 3 Stufen, ungefähr 0,72 für vier Stufen, ungefähr 0,77 für fünf Stufen, und ungefähr 0,80 für sechs Stufen. Weitere Erhöhungen in der Anzahl von Stufen resultieren nicht in einer bemerkenswerten Erhöhung in der gesamten Temperatureffektivität. Deshalb ist es bevorzugt, ungefähr vier Stufen von dem Standpunkt der Kosteneffektivität aus betrachtet, zu verwenden.
In den obigen Ausführungsbeispielen wird der Kompressor als eine Druckerzeugungsvorrichtung verwendet. Jedoch kann eine Druckerzeugungsvorrichtung einen Absorber zum Absorbieren eines Kühlmittels mit einer Absorptionslösung, eine Pumpe zum unter Druck setzen der Absorptionslösung, welche das Kühlmittel absorbiert hat, und einen Generator zum Erzeugen des Kühlmittels aus der unter Druck gesetzten Absorptionslösung, welche in einer Absorbtionskühlanlage verwendet sind, aufweisen.
Industrielle Anwendbarkeit
Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie oben stehend beschrieben, strömt, weil das Kühlmittel wiederholt alternierend durch Kühlmittelpassagen strömt, welche sich durch erste und zweite Abteile erstrecken, das Kühlmittel, welches durch einen Verdampfer oder eine Kondensationsvorrichtung fließt, durch die ersten und zweiten Abteile mehrmals, und kann mehrmals verwendet werden, um Wärme zwischen einem Tieftemperaturwärmequellenfluid und einem Hochtemperaturwärmequellenfluid auszutauschen. Deshalb wird das Kühlmittel nicht komplett ausgetrocknet, auch wenn es in der Verdampfungspassage, welche sich durch das erste Abteil erstreckt, verdampft wird.

Claims

Eine Wärmepumpe, in der eine Druckvorrichtung (260) zum Anheben eines Drucks eines Kühlmittels (260), eine Kondensationsvorrichtung (220) zum Erwärmen eines Hochtemperaturwärmequellenfluids mit Kondensationswärme des durch die Druckvorrichtung (260) unter Druck gesetzten Kühlmittels, und ein Verdampfer (210) zum Kühlen eines Tieftemperaturwärmequellenfluids mit Verdampfungswärme des durch die Druckvorrichtung (260) unter Druck gesetzten Kühlmittels über einen Kühlmittelpfad miteinander verbunden sind, wobei die Wärmepumpe gekennzeichnet ist durch: einen ersten Wärmetauscher (300a) zum Tauschen von Wärme zwischen dem Tieftemperaturwärmequellenfluid stromaufwärts bezüglich des Verdampfers (210) und dem Hochtemperaturwärmequellenfluids; wobei der erste Wärmetauscher (300a) ein erstes Abteil (310) besitzt, durch das das Tieftemperaturwärmequellenfluid strömt, ein zweites Abteil (320) durch das das Hochtemperaturwärmequellenfluid strömt und einen Kühlmitteldurchlass (251A1 bis A9, 252A1 bis A9), der sich durch das erste Abteil (310) und das zweite Abteil (320) erstreckt, wobei der Kühlmitteldurchlass von der Kondensationsvorrichtung (220) durch eine erste Einschränkung bzw. Drossel (330), die sich abwechselnd durch das erste Abteil (310) und das zweite Abteil (320) wiederholend erstreckt, und dann mit dem Verdampfer (210) über eine zweite Einschränkung bzw. Drossel (250) verbunden ist.
Wärmepumpe nach Anspruch 1, wobei das erste Abteil (310) und das zweite Abteil (320) derart angeordnet sind, dass das Tieftemperaturwärmequellenfluid und das Hochtemperaturwärmequellenfluid als Gegenströmungen ausgebildet sind; wobei der Kühlmitteldurchlass in dem ersten Abteil (310) und im zweiten Abteil (320) wenigstens ein Paar aus einem sich im ersten Abteil erstreckenden Teil und einem sich im zweiten Abteil erstreckenden Teil in einer ersten Ebene besitzt, die im Wesentlichen senkrecht zu den Strömungen des Tieftemperaturwärmequellenfluids und des Hochtemperaturwärmequellenfluids ist, wobei wenigstens ein Paar aus einem sich im ersten Abteil erstreckenden Teil und einem sich im zweiten Abteil erstreckenden Teil in einer zweiten Ebene liegt, die sich von der ersten Ebene unterscheidet, die im Wesentlichen senkrecht zu den Strömungen des Tieftemperaturwärmequellenfluids und des Hochtemperaturwärmequellenfluids ist, und wobei eine dazwischen liegende Einschränkung vorgesehen ist, die in einem Übergangsort von der ersten Ebene zu der zweiten Ebene liegt.
Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, die ferner Folgendes aufweist: einen zweiten Wärmetauscher zum Austauschen von Wärme zwischen dem Tieftemperaturwärmequellenfluid stromaufwärts bezüglich des Verdampfers (210) und dem Hochtemperaturwärmequellenfluids; wobei der zweite Wärmetauscher ein drittes Abteil besitzt, durch das das Tieftemperaturwärmequellenfluid strömt, ein viertes Abteil, durch das das Hochtemperaturwärmequellenfluid strömt, und einen Kühlmitteldurchlass, der sich durch das dritte Abteil und das vierte Abteil erstreckt, wobei der Kühlmitteldurchlass mit der Kondensiervorrichtung (220) verbunden ist über eine dritte Einschränkung, die sich abwechselnd durch das dritte Abteil und das vierte Abteil wiederholend erstreckt und dann mit dem Verdampfer (220) über eine vierte Einschränkung verbunden ist, wobei das dritte Abteil stromabwärts zum ersten Abteil mit Bezug auf das Tieftemperaturwärmequellenfluid angeordnet ist, und das vierte Abteil stromaufwärts zum zweiten Abteil (320) bezüglich dem Hochtemperaturwärmequellenfluid angeordnet ist.
Wärmepumpe nach Anspruch 3, die ferner einen dritten Wärmetauscher aufweist zum Austauschen von Wärme zwischen dem Tieftemperaturwärmequellenfluid stromaufwärts bezüglich des Verdampfers und dem Hochtemperaturwärmequellenfluid; wobei der dritte Wärmetauscher ein fünftes Abteil besitzt, durch das das Tieftemperaturwärmequellenfluid strömt, ein sechstes Abteil, durch das das Hochtemperaturwärmequellenfluid strömt und einen Kühlmittedurchlass, der sich durch das fünfte Abteil und das sechste Abteil erstreckt, wobei der Kühlmitteldurchlass mit dem Kühlmitteldurchlass des ersten Wärmetauschers verbunden ist über eine fünfte Einschränkung, die sich abwechselnd durch das fünfte Abteil und das sechste Abteil wiederholend erstreckt und dann mit dem Verdampfer verbunden ist über die zweite Einschränkung; wobei das fünfte Abteil stromabwärts zum ersten Abteil in Bezug auf das Tieftemperaturwärmequellenfluid angeordnet ist, und das sechste Abteil stromaufwärts zum zweiten Abteil in Bezug auf das Hochtemperaturwärmequellenfluid angeordnet ist.
Eine Entfeuchtungsvorrichtung, die Folgendes aufweist: eine Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Wärmepumpe eine dünne Rohrgruppe besitzt, die die Kondensationsvorrichtung (220) und den Verdampfer (210) verbindet, und eine Feuchtigkeitsabsorptionsvorrichtung zum Entfernen von Feuchtigkeit aus Prozessluft und zum Regenerieren und Desorbieren von Feuchtigkeit davon mit Regenerationsluft, wobei die dünne Rohrgruppe so angeordnet ist, dass sie ein Kühlmittel, das durch die Kondensationsvorrichtung (220) kondensiert ist in den Verdampfer (210) einführt und das sie Kühlmittel in abwechselnden Kontakt mit der Prozessluft und der Regenerationsluft bringt.