DE602004003710T2 - Klimaregelungssystem mit einem dampfkompressionskreislauf in kombination mit einem absorptionskreislauf - Google Patents

Klimaregelungssystem mit einem dampfkompressionskreislauf in kombination mit einem absorptionskreislauf Download PDF

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Description

  • Diese Erfindung betrifft ein Klimaregelsystem für eine Umgebung, beispielsweise für den Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs oder für eine Wohnung oder für andere Vorhaben.
  • Im Stand der Technik weisen Klimaregelsysteme typisch einen Dampfverdichtungskreis auf, der einen Kompressor aufweist, dessen Auslass stromabwärts mit einem Kondensator, mit einer Ausdehnungseinrichtung und mit einem Verdampfer verbunden ist, dessen Ausgang am Einlass des Kompressors liegt.
  • Diese Systeme leiden unter einem Problem, da Wasser entleert werden muss, das sich dadurch angesammelt hat, dass Feuchtigkeit in der Luft kondensiert, die aufbereitet werden soll.
  • Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Klimaregelsystem zu liefern, mit dem eine wirkungsvolle Lösung dieses Problems erreicht wird.
  • Bei derzeitigen sogenannten "Split"-Klimaregelsystemen für den Wohnbereich ist es notwendig, dass der Verdampfer in dem Raum montiert wird, der aufbereitet werden soll, während der Kondensator typisch außerhalb angeordnet ist. Dieser Aufbau bringt die Verwendung von ziemlich langen Verbindungsrohren mit sich, um die verschiedenen Bauteile miteinander zu verbinden. Einerseits bedeutet dies, dass eine beträchtliche Menge eines Kühlmittels benötigt wird, während andererseits der Nachteil besteht, dass im Falle einer undichten Stelle das Kühlmittel in jene Umgebung abgegeben wird, die aufbereitet werden soll.
  • Ein zusätzlicher Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System zu liefern, das diese Nachteile überwindet.
  • Diese sowie andere Gegenstände werden gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, dass ein Klimaregelsystem geliefert wird, dessen Hauptmerkmale im angeschlossenen Anspruch 1 festgelegt sind.
  • Ein System gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist in US 4984434 geoffenbart.
  • Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nun folgenden ausführlichen Beschreibung eines nicht einschränkenden Beispiels und im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen zeigt:
  • 1 ein Diagramm, in dem eine erste Ausführungsform eines Klimaregelsystems der Erfindung dargestellt ist; und
  • 2 bis 4 Diagramme von alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
  • In 1 trägt ein Klimaregelsystem gemäß der Erfindung allgemein das Bezugszeichen CS.
  • Dieses System weist einen ersten Dampfverdichtungskreis A auf, der mit einem zweiten Absorptionskreis B verbunden oder kombiniert ist, der Tauscher mit semipermeablen Membranen aufweist.
  • Der Kühlkreis A weist einen Kompressor 1 auf, dessen Ausgang oder Förderseite mit einem Kondensator 2 verbunden ist. Der Ausgang dieses Kondensators 2 liegt (möglicherweise) über einen Entfeuchter 3 an einer Ausdehnungseinrichtung 4.
  • Ein Plattenwärmetauscher 5, der zwischen dem Expansionsventil 4 und dem Einlass des Kompressors 1 angeordnet ist, wirkt als Verdampfer. Dieser Wärmetauscher kuppelt die beiden Kreise A und B, wie dies später deutlicher wird.
  • Ein Dehydratisierungsfluid (hygroskopische Lösung), beispielsweise eine wässrige Lösung von LiCl, TEG, LiBr, CaCl2, Glyzerin oder Ähnlichem, durchströmt den Kreis B. Dieser Kreis weist einen Regenerator 11 auf, der von einem Wärmetauscher gebildet wird, der semipermeable Membranen enthält, die in Betrieb stehen, um ein Fluid, das sich in seinem flüssigen Zustand befindet, nicht durch zu lassen, während sie aber von ein Fluid, das sich in seiner gasförmigen Phase befindet, durchdrungen werden können.
  • Es ist vorteilhaft, dass der Regenerator 11 neben dem Kondensator 2 und einem zugeordneten elektrischen Gebläse 6 angeordnet ist. Wenn das Klimaregelsystem dem Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs zugeordnet ist, können der Regenerator 11 und der Kondensator 2 vorzugsweise hinter dem Kühler für den Kreislauf des Kühlmittels für den Kraftfahrzeugmotor angeordnet sein.
  • Stromabwärts des Regenerators 11 durchläuft der Absorptionskreis B den Wärmetauscher 5, nachdem er zuerst einen Behälter 12 durchlaufen hat, der als Feuchtigkeitsabsorber dient, falls ein solcher vorgesehen ist.
  • Stromabwärts des Wärmetauschers 5 weist der Absorptionskreis B einen Wärmetauscher 13 auf, der ebenfalls semipermeable Membranen enthält und als Entfeuchter dient. Diesem Wärmetauscher 13 ist ein elektrisches Gebläse 7 zugeordnet, um eine Luftströmung (in 1 vereinfacht mit einer Vielzahl von Pfeilen dargestellt) in jene Umgebung zu erzeugen, die aufbereitet werden soll. Bei Klimaregelsystemen im Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs kann der Wärmetauscher 13 beispielsweise in den Verteilungsleitungen für die aufbereitete Luft im Armaturenbrett des Fahrzeugs angeordnet sein.
  • Eine Umlaufpumpe, die mit der Bezugsziffer 14 versehen ist, liegt stromabwärts des Wärmetauschers 13, um im Betrieb das Fluid durch den Absorptionskreis B zum Regenerator 11 strömen zu lassen.
  • Bei einem Klimaregelsystem für den Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs ist es günstig, wenn ein Wärmetauscher 15, bei dem es sich um einen Flüssigkeit/Flüssigkeit-Wärmetauscher handelt, zwischen dem Ausgang oder Auslass der Pumpe 14 und dem Einlass des Regenerators 11 angeordnet ist, um die Wärme zwischen dem Fluid, das durch den Absorptionskreis B fließt, und jenem Fluid zu tauschen, das den Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugmotors durchströmt.
  • Im Betrieb arbeitet der Dampfverdichtungskreis A ganz herkömmlich. Die Arbeitsweise dieses Kreises soll daher nicht weiter beschrieben werden.
  • Der Absorptionskreis B arbeitet wie folgt.
  • Eine hygroskopische Lösung, die eine niedrige Temperatur und eine hohe Feuchtigkeits-(Wasser)-Konzentration besitzt, strömt in den Entfeuchter-Wärmetauscher 13. Beim Durchlaufen dieses Entfeuchter-Wärmetauschers kommt diese Lösung mit der relativ warmen und feuchten Luft in Berührung, die gekühlt und entfeuchtet werden soll, bevor sie in jene Umgebung abgegeben wird, die aufbereitet werden soll. Der Konzentrationsgradient in der hygroskopischen Lösung und der in der Luft bedeutet, dass ein Teil des Wasserdampfs, der in der Luft enthalten ist, durch die semipermeable Membran oder die Membranen des Wärmetauschers 13 in die hygroskopische Lösung gelangt. Wenn die Luft mit der relativ kälteren hygroskopischen Lösung in Berührung tritt, sinkt gleichzeitig auch ihre Temperatur.
  • Andererseits steigt die Temperatur der hygroskopischen Lösung, da sie sowohl mit der relativ wärmeren Luft in Berührung tritt, aber auch deshalb, weil es sich beim Absorptionsprozess um einen exothermen Vorgang handelt.
  • Am Ausgang des Entfeuchter-Wärmetauschers 13 besitzt die hygroskopische Lösung daher eine niedrigere Konzentration und eine höhere Temperatur, als dies beim Eintreten der Fall war.
  • Stromabwärts der Umlaufpumpe 14 dient der Wärmetauscher 15, falls er vorgesehen ist, dazu, um die Temperatur der hygroskopischen Lösung anzuheben, wodurch der darauf folgende Regenerationsprozess erleichtert wird, der im Wärmetauscher 11 vor sich geht. Innerhalb des Wärmetauschers 15 bleibt die Konzentration der hygroskopischen Lösung unverändert, da es zu keiner Berührung zwischen ihr und der Außenluft kommt.
  • Daraufhin tritt die hygroskopische Lösung in den Regenerator-Wärmetauscher 11 ein, der im Betrieb von einer Luftströmung durchflossen wird, die zumindest teilweise mit dem elektrischen Gebläse 6 erzeugt wird. Die in den Regenerator-Wärmetauscher 11 strömende Luft wird durch jene Wärme aufgeheizt, die mit dem Kondensator 2 des Kreises A getauscht wird. wenn die hygroskopische Lösung mit dieser erwärmten Luft in Berührung tritt, gibt sie im Regenerator 11 einen Teil des in ihr enthaltenen Wassers an diese Luft ab: damit steigt die Konzentration der hygroskopischen Lösung.
  • Stromabwärts des Regenerator-Wärmetauschers 11 besitzt die hygroskopische Lösung daher eine höhere Temperatur und eine höhere Konzentration, wobei sie beim Eintritt in den Plattenwärmetauscher 5 Wärme an das Kühlmittel abgibt, das hier verdampft.
  • Beim Verlassen des Wärmetauschers 5 besitzt die hygroskopische Lösung daher wieder eine niedrige Temperatur und eine hohe Konzentration.
  • 2 zeigt eine erste abgeänderte Ausführungsform des Klimaregelsystems der Erfindung. In dieser Zeichnung sind Bauteile und Bauelemente, die bereits beschrieben wurden, mit den gleichen Bezugsziffern oder Bezugszeichen versehen.
  • Das System von 2 unterscheidet sich vom System von 1 im Wesentlichen dadurch, dass ein Wärmetauscher 2' im Dampfverdichtungskreis A zwischen dem Kompressor 1 und der Ausdehnungseinrichtung 4 so angeordnet ist, dass er als Kondensator arbeitet, in dem das Kühlmittel bei der Kondensation Wärme an die hygroskopische Lösung abgibt, die sich im Teil zwischen der Umlaufpumpe 14 und dem Regenerator 11 befindet und den Kreis B durchströmt.
  • Das System von 2 arbeitet genau so wie das System von 1, so dass seine Arbeitsweise nicht mehr ausführlich beschrieben werden soll.
  • In einer Variante des Systems von 2, die nicht dargestellt ist, kann ein Aufbau ausgedacht werden, bei dem unterschiedliche Mengen einer hygroskopischen Lösung oder eines Dehydratisierungsfluids im Entfeuchterteil bzw. im Regenerationsteil des Kreises B geführt werden. In einem derartigen Fall kann das Dehydratisierungsfluid vom Behälter 12 mit zwei verschiedenen Pumpen entnommen und zwei verschiedenen Unterkreisen zugeführt werden: das verdünnte Dehydratisierungsfluid, das vom Entfeuchter zurückkehrt, und das konzentrierte Dehydratisierungsfluid, das vom Regenerator zurückkehrt, (die sich dabei auf verschiedenen Temperaturen befinden können) würden bei ihrer Rückkehr zum Behälter 12 wieder gemischt werden.
  • Sollte die Energie, die in jenem Schritt erzeugt wird, bei dem das Kühlmittel im Kreis A kondensiert wird, größer als die Energie sein, die benötigt wird, um das Dehydratisierungsfluid zu erwärmen, um seine Regenerierung im Regenerator 11 zu erleichtern, kann noch ein andrer Aufbau ins Auge gefasst werden: der Tauscher 2', der als Kondensator arbeitet, kann Wärme mit dem Dehydratisierungsfluid tauschen, wie dies beim System von 2 der Fall ist, und dann irgendwelche überschüssige Energie in die Luft abgeben.
  • 3 zeigt eine weitere Variante der Erfindung. In dieser Zeichnung sind Bauteile oder Bauelemente, die bereits beschrieben wurden, wiederum mit den gleichen Bezugsziffern oder Bezugszeichen versehen.
  • Im System von 3 ist der Absorptionskreis B gleich jenem Kreis, der im Zusammenhang mit dem System von 2 beschrieben wurde.
  • Im Dampfverdichtungskreis A des Systems von 3 weist jedoch der Kondensations-Wärmetausch zuerst einen Gas/Flüssigkeit-Tausch zwischen dem Kühlmittel (in seiner gasförmigen Phase beim Austritt aus dem Kompressor 1) und dem Dehydratisierungsfluid oder der hygroskopischen Lösung und dann einen Wärmetausch zwischen dem Kühlmittel und der Luft im tatsächlichen Kondensator auf, der die Bezugsziffer 2 trägt.
  • Bei einer Variante, die nicht dargestellt ist, kann die Folge des Wärmeaustauschs umgekehrt werden, wobei ein Austausch zuerst zwischen dem Kühlmittel und der Luft stattfindet, worauf ein Flüssigkeit/Flüssigkeit-Austausch zwischen dem extra gekühlten Kühlmittel und dem Dehydratisierungsfluid erfolgt.
  • 4 zeigt eine noch andere Variante. In dieser Zeichnung sind Bauteile und Bauelemente, die bereits beschrieben wurden, wiederum mit den gleichen Bezugsziffern oder Bezugszeichen versehen.
  • Im System von 4 ist der Absorptionskreis B gleich dem Kreis von 2 und 3.
  • Der Dampfverdichtungskreis A ist dem Kreis des Systems gemäß 3 ähnlich, wobei er sich dadurch unterscheidet, dass das Kühlmittel teilweise mit dem Wärmetauscher 5 und teilweise mit einem zusätzlichen Wärmetauscher oder tatsächlichem Verdampfer verdampft wird, der die Bezugsziffer 16 trägt und am besten in der Nähe des Entfeuchter-Tauschers 13 angeordnet ist, im Besonderen stromabwärts von diesem. Im System von 4 bleiben die alternativen Aufbauten im Hinblick auf das Aufteilen des kondensierenden Wärmetauschers des Kühlmittels gültig.
  • Die Klimaregelsysteme gemäß der Erfindung, die oben beschrieben wurden, lösen das Problem wirkungsvoll, das im Herabtropfen von Kondensationswasser besteht.
  • Wenn die oben beschriebenen Aufbauten für die Regelung des Klimas in der häuslichen Umgebung verwendet werden, ist es mit den oben im Zusammenhang mit 1 bis 3 beschriebenen Aufbauten möglich, den Entfeuchter in dem Raum aufzustellen, der aufbereitet werden soll, während alle anderen Einrichtungen außerhalb angeordnet werden. In diesem Fall müssen nur die Leitungen, die das Dehydratisierungsfluid (die hygroskopische Lösung) führen, dazu verwendet werden, um den Teil des Systems, der in der zu behandelnden Umgebung angeordnet ist, mit dem äußeren Teil zu verbinden. Diese Rohre sind leichter zu montieren als jene, die Gas führen, die für eine Verbindung in sogenannten "Split"-Systemen gemäß dem Stand der Technik verwendet werden müssen. Sollte eine undichte Stelle in der Umgebung auftreten, die aufbereitet werden soll, wird statt des Kühlgases nur die hygroskopische Lösung abgegeben.
  • Selbstverständlich bleibt die Grundlage der Erfindung unverändert, wobei Ausführungsformen und Herstellungsdetails gegenüber der Beschreibung und den Zeichnungen eines nicht einschränkenden Beispiels weit verändert werden können, ohne dadurch vom Gebiet der Erfindung abzuweichen, wie sie in den beiliegenden Ansprüchen beansprucht wird.

Claims (9)

  1. System (CS) für die Regelung des Klimas in einer Umgebung, wobei das System aufweist: einen ersten Dampfverdichtungskreis (A), der einen Kompressor (1) aufweist, dessen Ausgang mit einem Kondensator (2; 2') verbunden ist, auf den eine Ausdehnungseinrichtung (4) und ein Verdampfer (5; 16) folgen, dessen Ausgang mit dem Einlass des Kompressors (1) verbunden ist; einen zweiten Absorptionskreis (B), der im Betrieb von einer hygroskopischen Lösung durchflossen wird; dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kreis einen Regenerator mit semipermeablen Membranen (11), der in Betrieb steht, um zu ermöglichen, dass die Lösung Feuchtigkeit (Wasser) an eine erste Luftströmung abgibt, die während des Betriebs im Regenerator (11) fließt, einen Entfeuchter mit semipermeablen Membranen (13), der stromabwärts des Regenerators (11) angeordnet ist und in Betrieb steht, damit Feuchtigkeit von einer zweiten Luftströmung zur hygroskopischen Lösung gelangen kann, sowie einen Umlaufpumpe (14) aufweist; der erste und der zweite Kreis (A, B) über zumindest einen Wärmetauscher (5) verbunden sind, in dem die hygroskopische Lösung, die durch den zweiten Kreis (B) fließt, Wärme an das Kühlmittel abgibt, das durch den ersten Kreis (A) fließt.
  2. System gemäß Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher (5) im oben erwähnten ersten Kreis (A) als Verdampfer arbeitet.
  3. System gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Regenerator (11) des zweiten Kreises (B) in der Nähe des Kondensators (2) des ersten Kreises (A) angeordnet ist und ein Gebläse (6) vorgesehen ist, um eine Luftströmung zuerst in den Kondensator (2) und dann in den Regenerator (11) zu erzeugen.
  4. System gemäß irgendeinem der bisherigen Ansprüche für die Regelung des Klimas im Fahrgastraum eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor, dem ein Kühlkreislauf zugeordnet ist; ein Flüssigkeit/Flüssigkeit-Tauscher (15), der zwischen dem Entfeuchter (13) und dem Regenerator (11) im zweiten Kreis (B) liegt, um zu veranlassen, dass das Kühlmittel des Motors Wärme an die hygroskopische Lösung abgibt, die durch den zweiten Kreis (B) fließt.
  5. Klimaregelsystem gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der erste und der zweite Kreis (A, B) über einen zusätzlichen Wärmetauscher (2') verbunden sind, in dem das Fluid, das durch den ersten Kreis (A) fließt, Wärme an jenes Fluid abgibt, das durch den zweiten Kreis (B) fließt.
  6. Klimaregelsystem gemäß Anspruch 5, wobei der zusätzliche Wärmetauscher (2') im ersten Kreis (A) zwischen dem Kompressor (1) und der Ausdehnungseinrichtung (4) angeordnet ist und im zweiten Kreis (B) zwischen dem Ausgang des Entfeuchters (13) und dem Einlass des Regenerators (11) angeordnet ist.
  7. Klimaregelsystem gemäß Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei der zweite Kreis (B) zwei Unterkreise aufweist, in denen entsprechende Pumpen entsprechende Strömungen einer hygroskopischen Lösung mit jeweils unterschiedlichem Volumen von einem gemeinsamen Behälter (12) zum Regenerator (11) bzw. zum Entfeuchter (13) erzeugen; wobei die Strömungen der hygroskopischen Lösung, die vom Regenerator (11) bzw. vom Entfeuchter (13) kommen, zum Behälter (12) zurück geführt werden.
  8. Klimaregelsystem gemäß Anspruch 5, wobei der zusätzliche Wärmetauscher (2') stromaufwärts oder stromabwärts des Kondensators (2) angeordnet ist.
  9. Klimaregelsystem gemäß Anspruch 5 oder Anspruch 8, wobei der erste Kreis (A) einen Verdampfer (16) aufweist, der stromabwärts des erste Wärmetauschers (5) liegt, der den ersten und den zweiten Kreis (A, B) verbindet; wobei der Verdampfer (16) in der Nähe des Entfeuchters (13) des zweiten Kreises (B) stromabwärts von diesem entlang der Richtung der oben erwähnten zweiten Luftströmung angeordnet ist, die im Betrieb in den Entfeuchter (13) fließt.
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