EP2751494B1

EP2751494B1 - Verfahren zum betrieb eines flüssigkeit-luft wärmeaustauschgeräts

Info

Publication number: EP2751494B1
Application number: EP12758795.4A
Authority: EP
Inventors: Alexandr Sologubenko
Original assignee: Mentus Holding AG
Current assignee: Mentus Holding AG
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2015-12-30
Anticipated expiration: 2032-08-23
Also published as: CN103765121B; CH705453A1; CN103765121A; ES2565815T3; WO2013030080A2; EP2751494A2; RU2014112116A; BR112014004693A2; KR20140059215A; JP2014529054A; CH705453B1; US20140216710A1; WO2013030080A3

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Flüssigkeit-Luft Wärmeaustauschgeräts.

Hintergrund der Erfindung

Das Verfahren eignet sich zum Betrieb eines Flüssigkeit-Luft Wärmeaustauschgeräts, das eine passive Wärmeaustauschstufe aufweist, in der die Luft durch einen ersten Strömungskanal, der in vertikaler Richtung verläuft, und die Flüssigkeit durch einen zweiten Strömungskanal geführt werden, wobei die beiden Strömungskanäle in dieser Stufe durch eine thermisch passive Trennwand getrennt sind. Der Begriff "thermisch passiv" bedeutet, dass der Austausch von Wärme ohne Verrichtung von Arbeit erfolgt. Die Strömungskanäle enthalten eine Vielzahl von Lamellen, die mit der thermisch passiven Trennwand in guter thermischer Verbindung sind. Die Abstände zwischen den Lamellen im Strömungskanal für die Luft sind relativ zur Größe ihrer Oberfläche gering, damit der Wärmeaustausch effizient ist.
Wenn die Luft eine hohe relative Luftfeuchtigkeit aufweist, kann es, insbesondere an heissen Sommertagen, vorkommen, dass die Taupunkttemperatur der Luft höher ist als die Temperatur der Flüssigkeit. Dies führt dazu, dass in der Luft enthaltene Feuchtigkeit sich als Kondensat an den Lamellen niederschlägt. Da die Baugrösse des Wärmeaustauschgeräts in der Regel engen Grenzen unterliegt, ist es schwierig, die Lamellen so auszubilden, dass das entstandene Wasser vollständig abtropft und abfliesst, insbesondere bei vertikaler Führung des Luftstroms. Dies führt dazu, dass das Wasser die Zwischenräume zwischen den Lamellen zusehends verstopft und infolge des entstehenden Luftwiderstandes die weitere wirksame Kühlung der Luft verunmöglicht.
Aus GB 2461365 ist ein zentrales Heizsystem mit mindestens einem Radiator bekannt, das auch zum Kühlen benutzt werden kann. Im Kühlbetrieb wird der Flüssigkeit, die durch den Radiator zirkuliert, mittels eines Wärmetauschers Wärme entzogen. Die entzogene Wärme wird mittels eines zweiten Wärmetauschers an einen Wärmespeicher abgegeben. Die beiden Wärmetauscher sind Teil einer kompressorbetriebenen Wärmepumpe. Um zu verhindern, dass am Radiator Feuchtigkeit kondensieren kann, wird durch Messung von Temperatur und Feuchtigkeit in der Umgebung des Radiators der Taupunkt der Luft ermittelt und dann, wenn sich die ermittelte Taupunkttemperatur der Temperatur des Radiators annähert, die Kühlleistung verringert.
Aus EP 508766 ist ein Verfahren zum Steuern einer Klimaanlage bekannt, bei dem im Kühlbetrieb diejenige Temperatur ermittelt wird, bei der an einem Testelement Kondensation von Wasser auftritt, und bei dem dann dafür gesorgt wird, dass die Temperatur der Kühlflüssigkeit höher ist als die Kondensationstemperatur. Dies erfolgt beispielsweise durch Stoppen des Kühlbetriebs.
Die aus diesem Stand der Technik bekannten Lösungen haben alle zum Ziel, das Ansammlung von Kondensat zu verhindern, und erreichen dies durch eine Reduzierung der Kühlleistung oder eine Unterbrechung des Kühlbetriebs.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das genannte Problem zu beheben.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung betrifft den Betrieb eines Flüssigkeit-Luft Wärmeaustauschgeräts, das einen ersten Strömungskanal für die Luft und einen zweiten Strömungskanal für die Flüssigkeit aufweist. Das Wärmeaustauschgerät enthält eine erste passive Wärmeaustauschstufe, in der der erste Strömungskanal und der zweite Strömungskanal durch eine thermisch passive Trennwand getrennt sind, und fakultativ eine zweite aktive Wärmeaustauschstufe, in der die Luft auf aktive Weise, d.h. durch Pumpen von Wärme von einer Seite auf die andere, gekühlt oder erwärmt wird. Die thermisch passive Trennwand besteht aus einem Wärme gut leitenden Material. In der zweiten Wärmeaustauschstufe ist mit Vorteil ein passendes Kondensatablaufsystem eingebaut. Der erste und zweite Strömungskanal können auch jeder eine Vielzahl von parallel verlaufenden Strömungskanälen sein. Der bzw. die Strömungskanäle für die Luft enthalten Lamellen.
Die Erfindung schlägt ein Verfahren vor, um die genannte Aufgabe zu lösen. Das Verfahren umfasst zwei Teile, nämlich einen ersten Teil, in dem ermittelt wird, ob die Taupunkttemperatur der Luft höher als die Temperatur der Flüssigkeit ist. Dies erfolgt durch folgende Schritte:

Ermitteln der Taupunkttemperatur der Umgebungsluft, d.h. der Taupunkttemperatur der Luft bevor sie in die erste Wärmeaustauschstufe eintritt,
Vergleichen der ermittelten Taupunkttemperatur der Luft mit der gemessenen oder von einem übergeordneten Steuergerät übermittelten Temperatur der Flüssigkeit.

Die Taupunkttemperatur der Luft kann beispielsweise ermittelt werden durch:

Messen der Temperatur der Luft und der Feuchtigkeit der Luft vor dem Eintritt der Luft in die erste Wärmeaustauschstufe, sowie anschließendes
Bestimmen der Taupunkttemperatur der Luft aus der gemessenen Temperatur und der gemessenen Feuchtigkeit der Luft.

Die Bestimmung der Taupunkttemperatur der Luft aus der gemessenen Temperatur T und der gemessenen Feuchtigkeit der Luft kann beispielsweise mittels eines Mollier-Diagramms erfolgen.
Die Taupunkttemperatur, bezeichnet als T_p1, kann alternativ durch Berechnung mittels der Gleichung $T_{p 1} = \frac{241.2 * \ln (\frac{phi}{100}) + \frac{4222.03716 * T}{241.2 + T}}{17.5043 - \ln (\frac{phi}{100}) - \frac{17.5043 * T}{241.2 + T}}$
ermittelt werden, wobei die Masseinheit der Temperaturen T und T_p1 Grad Celsius ist und die Luftfeuchtigkeit phi als relative, in Prozenten angegebene Luftfeuchtigkeit einzusetzen ist.
Es können auch zwei andere Grössen des h-x-Diagramms der Luft (h bezeichnet die Enthalpie, x die absolute Feuchtigkeit) gemessen werden, beispielsweise zwei aus der Trockenkugeltemperatur, Feuchtkugeltemperatur, spezifische Enthalpie und Dichte der Luft, und daraus die Taupunkttemperatur der Luft ermittelt werden.
Wenn und solange die Taupunkttemperatur der Luft höher als die Temperatur der Flüssigkeit ist, wird der zweite Teil des Verfahrens durchgeführt, der darin besteht, das Wärmeaustauschgerät in einem als Pulsbetrieb bezeichneten Betriebsmodus zu betreiben. Der Pulsbetrieb umfasst die folgenden, sich laufend in der gleichen Reihenfolge wiederholenden Schritte:

die Flüssigkeit während einer vorbestimmten Zeitdauer durch die erste Wärmeaustauschstufe strömen lassen,
Verhindern, dass die Flüssigkeit durch die erste Wärmeaustauschstufe strömt, und Messen und Überwachen der Lufttemperatur nach dem Austritt aus der ersten Wärmeaustauschstufe, wobei die nach dem Austritt aus der ersten Wärmeaustauschstufe gemessene Lufttemperatur einen ersten Temperaturanstieg anzeigt, dann eine gewisse Zeit auf einem in guter Näherung konstanten Niveau bleibt, das der Feuchtkugeltemperatur der Zuluft entspricht, und dann einen zweiten Temperaturanstieg anzeigt,
Detektieren des zweiten Temperaturanstiegs und Beenden des Verhinderns, dass die Flüssigkeit durch die erste Wärmeaustauschstufe strömt, nachdem der zweite Temperaturanstieg detektiert wurde, und
Wiederholen dieser Schritte solange die Taupunkttemperatur der Luft höher ist als die Temperatur der Flüssigkeit.

Im Pulsbetrieb wird die Bedingung, ob die Taupunkttemperatur der Luft höher als die Temperatur der Flüssigkeit ist, periodisch oder aperiodisch überprüft, indem der erste Teil des Verfahrens durchgeführt wird.
Im Pulsbetrieb folgt periodisch auf eine Phase der Ansammlung eine Phase der Entfernung von Kondensat durch Verdunsten, während die Kühlung der Luft ununterbrochen weitergeht. Der Pulsbetrieb lässt zwar eine temporäre Ansammlung von Wasser zwischen den Lamellen zu, verhindert aber dennoch die Verstopfung der Lamellen durch Kondensat, die zu einer Sperrung des Luftstroms führen würde, reduziert die Zeit der Wasserflussauschaltung auf ein Minimum und erhöht dadurch die Effizienz des Wärmeaustauschgeräts.
Damit das erfindungsgemässe Verfahren durchgeführt werden kann, ist das Wärmeaustauschgerät mit den dazu notwendigen Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren ausgerüstet.
Wenn das Wärmeaustauschgerät eine zweite, aktive Stufe umfasst, in der Wärme zwischen der Flüssigkeit und der Luft durch Zufuhr von Energie gepumpt wird, dann bewirkt der Schritt des Verhinderns, dass die Flüssigkeit durch die erste Wärmeaustauschstufe strömt, gemäss einer ersten Variante zudem, dass die Flüssigkeit auch nicht durch die zweite Wärmeaustauschstufe strömt und dass die zweite Wärmeaustauschstufe ausgeschaltet wird, oder der Schritt des Verhinderns, dass die Flüssigkeit durch die erste Wärmeaustauschstufe strömt, bewirkt gemäss einer zweiten Variante, dass die Flüssigkeit an der ersten Wärmeaustauschstufe vorbei geführt wird (Bypass), so dass sie dennoch durch die zweite Wärmeaustauschstufe strömen kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Figuren sind nicht massstäblich gezeichnet.

Beschreibung der Figuren

Fig. 1, 2: zeigen schematisch in seitlicher Ansicht bzw. in Aufsicht die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Teile eines Flüssigkeit-Luft Wärmeaustauschgeräts, das für den Betrieb gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren eingerichtet ist, und
Fig. 3: zeigt drei Diagramme zur Illustration des erfindungsgemässen Verfahrens.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch in seitlicher Ansicht bzw. in Aufsicht die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Teile eines Flüssigkeit-Luft Wärmeaustauschgeräts 1 mit einer ersten, passiven Wärmeaustauschstufe 2 und, fakultativ, einer nachgeschalteten, aktiven Wärmeaustauschstufe 3. Die erste Wärmeaustauschstufe 2 umfasst mindestens einen, bevorzugt mehrere Strömungskanäle 4 für die Luft und mindestens einen, bevorzugt mehrere Strömungskanäle 5 für die Flüssigkeit. Die Strömungskanäle 4 für die Luft und die Strömungskanäle für die Flüssigkeit 5 sind in alternierender Reihenfolge angeordnet und durch thermisch passive, Wärme gut leitende Trennwände getrennt. Die Strömungskanäle 4 für die Luft enthalten eine Vielzahl von Lamellen 6, die mit den thermisch passiven Trennwänden in guter thermischer Verbindung sind. Die Abstände zwischen den Lamellen 6 sind gering, damit der Wärmeaustausch zwischen der Luft und der Flüssigkeit effizient ist. Die Strömungskanäle 4 für die Luft verlaufen bei diesem Beispiel in vertikaler Richtung.
Die fakultative zweite, aktive Wärmeaustauschstufe 3 kann auf verschiedene Weisen ausgebildet sein. Sie kann beispielsweise einen Kühlkreislauf mit einem Kompressor enthalten, in dem eine Kühlflüssigkeit zirkuliert, wobei die Luft mit dem Kühlkreislauf Wärme austauscht.
Bei dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Beispiel ist die zweite Wärmeaustauschstufe 3 so ausgebildet, dass Wärme zwischen der Flüssigkeit und der Luft durch Zufuhr von elektrischer Energie ausgetauscht werden kann, nämlich mittels mindestens einem Peltierelement 10. Die zweite Wärmeaustauschstufe 3 enthält mindestens einen Strömungskanal 7 für die Luft, mindestens einen Strömungskanal 8 für die Flüssigkeit und das mindestens eine dazwischen angeordnete Peltierelement 10, das Wärme von der Flüssigkeit zur Luft pumpt, wenn die Luft erwärmt werden soll, und das Wärme von der Luft zur Flüssigkeit pumpt, wenn die Luft abgekühlt werden soll. Die Flüssigkeit erfährt bei diesem Beispiel keine Aggregatszustandsänderung. Im gezeigten Beispiel strömt die Luft zwischen parallel angeordneten Lamellen 9, die in gutem thermischen Kontakt mit dem mindestens einen Peltierelement 10 sind.
Das Wärmeaustauschgerät 1 umfasst zudem ein Ventil 11 und fakultativ eine Bypassleitung 12, deren Zweck weiter unten beschrieben ist.
Für den Begriff "Peltierelement" wird in der Fachwelt oft wie ein Synonym der Begriff "thermoelektrisches Element" oder der Begriff "Peltier-Wärmepumpe" verwendet. Die thermoelektrischen Elemente basieren insbesondere auf dem Peltier-Effekt, sie können aber auch auf einem anderen thermoelektrischen Effekt wie beispielsweise dem als Thermotunnelung (engl. "thermo tunneling") bekannten Prinzip beruhen.
Das Wärmeaustauschgerät 1 weist einen Einlass 13 und einen Auslass 14 auf, die an einen externen Flüssigkeitskreislauf anschliessbar sind. Die im Flüssigkeitskreislauf zirkulierende Flüssigkeit wird von einem externen, zentralen Gerät auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt oder gekühlt. Die verwendete Flüssigkeit ist üblicherweise Wasser oder eine Flüssigkeit auf Wasserbasis; es kann aber auch jede andere geeignete Flüssigkeit verwendet werden. Die Strömungskanäle 4 für die Luft verlaufen in senkrechter Richtung. Die Strömungskanäle für die Flüssigkeit sind als Leitungssystem ausgelegt, das den Einlass 13 und den Auslass 14 miteinander verbindet. Das Wärmeaustauschgerät 1 enthält zudem ein Gebläse sowie die nötigen Leitbleche und Führungselemente für die Zwangsführung der Luft durch die erste Wärmeaustauschstufe 2 und, sofern vorhanden, die zweite Wärmeaustauschstufe 3, sowie einen Ablauf 15 für in der zweiten Wärmeaustauschstufe 3 anfallendes Kondensat. Die Strömungsrichtung der Flüssigkeit ist durch Pfeile 16, die Strömungsrichtung der Luft durch Pfeile 17 dargestellt.
Das Wärmeaustauschgerät 1 umfasst weiter die für den erfindungsgemässen Betrieb notwendigen Sensoren, nämlich mindestens einen Temperatursensor 18 für die Messung der Temperatur und einen Feuchtigkeitssensor 19 für die Messung der Feuchtigkeit der Luft, die vor der ersten Wärmeaustauschstufe 2 angeordnet sind, einen Temperatursensor 20 für die Messung der Temperatur der Luft, der nach der ersten Wärmeaustauschstufe 2 angeordnet ist, und ein Steuergerät 21. Die Temperatur der Flüssigkeit wird entweder mittels eines beispielsweise beim Einlass angeordneten Temperatursensors 22 gemessen oder vom externen, zentralen Gerät an das Steuergerät 21 übermittelt. Das Steuergerät 21 wertet die von den Sensoren übermittelten Daten aus und steuert sowohl den Durchfluss der Flüssigkeit durch die erste Wärmeaustauschstufe 2 als auch das mindestens eine Peltierelement 10.
Die Fig. 3 zeigt drei übereinander angeordnete Diagramme, die in Funktion der Zeit t folgende Merkmale des erfindungsgemässen Verfahrens anhand eines Beispiels illustrieren.
Das mittlere Diagramm zeigt den Durchfluss der Flüssigkeit durch die erste Wärmeaustauschstufe 2. Der Durchfluss der Flüssigkeit durch die erste Wärmeaustauschstufe 2 wird jeweils während einer vorbestimmten Zeitdauer T₁ zugelassen und dann unterbrochen, wobei das Unterbrechen des Durchflusses der Flüssigkeit durch die erste Wärmeaustauschstufe 2 entweder durch Schliessen des Ventils 11 oder, wenn die Bypassleitung 12 vorhanden ist, durch Umschalten des Ventils 11 erfolgt, so dass die Flüssigkeit durch die Bypassleitung 12 strömt und somit an der ersten Wärmeaustauschstufe 2 vorbei geführt wird.
Das untere Diagramm zeigt den durch das mindestens eine Peltierelement 10 fliessenden Strom im Fall, dass das Unterbrechen des Durchflusses der Flüssigkeit durch die erste Wärmeaustauschstufe auch das Unterbrechen des Durchflusses der Flüssigkeit durch die zweite Wärmeaustauschstufe 3 bewirkt. Der durch das mindestens eine Peltierelement 10 fliessende Strom wird jeweils dann, wenn der Durchfluss der Flüssigkeit durch die erste Wärmeaustauschstufe 2 unterbrochen wird, entweder gleichzeitig oder mit einer zeitlichen Verzögerung ausgeschaltet, damit das mindestens eine Peltierelement 10 nicht überhitzt. Im anderen Fall, dass der Durchfluss der Flüssigkeit durch die zweite Wärmeaustauschstufe 3 nicht unterbrochen wird, wird das mindestens eine Peltierelement 10 nicht ausgeschaltet.
Das obere Diagramm zeigt den Verlauf der Temperatur der Luft nach dem Austritt aus der ersten Wärmeaustauschstufe 2, d.h. den Verlauf der vom Temperatursensor 20 gemessenen Temperatur. Deutlich erkennbar sind ein erster Temperaturanstieg 23 (im Beispiel von 18 °C auf ca. 22 °C), ein annähernd konstantes Niveau 24 und ein zweiter Temperaturanstieg 25 (im Beispiel von ca. 22 °C auf ca. 27 °C).
Der im oberen Diagramm gezeigte Verlauf der Temperatur besteht aus den folgenden, sich wiederholenden Phasen A-D:

Phase A: Der Durchfluss der Flüssigkeit durch die erste Wärmeaustauschstufe 2 ist nicht unterbrochen:
- Die Luft wird gekühlt, im Beispiel auf ca. 18 °C. Im Laufe der Zeit kondensiert Wasser zwischen den Lamellen 6, das den Strömungswiderstand der Luft zunehmend erhöht.
Phasen B bis D: Der Durchfluss der Flüssigkeit durch die erste Wärmeaustauschstufe 2 ist unterbrochen. Phase B: Die Temperatur der Luft steigt an auf das annähernd konstante Niveau 24.
Phase C: Die Temperatur der Luft verharrt auf dem Niveau 24, da das zwischen den Lamellen 6 angesammelte Wasser verdunstet und dabei die Luft adiabatisch kühlt.
Phase D: Die Temperatur der Luft steigt weiter an, sobald das Wasser zwischen den Lamellen 6 verdunstet ist.

In der Fig. 3 ist der Pulsbetrieb sehr gut erkennbar. Da die Dauer der einzelnen Zyklen (ein Zyklus umfasst eine Abfolge der Phasen A-D) typischerweise im Bereich von einigen oder einigen 10 Minuten liegt und sich die Taupunkttemperatur der Luft in der Regel nur langsam verändert, muss die Taupunkttemperatur während des Pulsbetriebs nur ab und zu wieder gemessen werden, zum Beispiel einmal pro halbe Stunde oder pro Stunde, oder auch in anderen Zeitabständen.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Flüssigkeit-Luft Wärmeaustauschgeräts, bei dem zumindest in einer ersten, passiven Wärmeaustauschstufe (2) Luft durch mindestens einen ersten Strömungskanal (4) strömt, der Lamellen (6) aufweist, und eine Flüssigkeit durch mindestens einen zweiten Strömungskanal (5) strömt, der von dem mindestens einen ersten Strömungskanal (4) durch eine thermisch passive Trennwand getrennt ist, wobei das Verfahren folgende Schritte beinhaltet:
Ermitteln der Taupunkttemperatur der Umgebungsluft,

Bestimmen, ob die Taupunkttemperatur der Umgebungsluft höher ist als die Temperatur der Flüssigkeit, und wenn dies der Fall ist Betreiben des Wärmeaustauschgeräts in einem als Pulsbetrieb bezeichneten Betriebsmodus gemäss den folgenden Schritten:
die Flüssigkeit während einer vorbestimmten Zeitdauer durch die erste Wärmeaustauschstufe (2) strömen lassen,

Verhindern, dass die Flüssigkeit durch die erste Wärmeaustauschstufe (2) strömt, und Messen und Überwachen der Temperatur der Luft nach dem Austritt der Luft aus der ersten Wärmeaustauschstufe, wobei die nach dem Austritt aus der ersten Wärmeaustauschstufe (2) gemessene Temperatur der Luft einen ersten Temperaturanstieg anzeigt, dann eine gewisse Zeit auf einem annähernd konstanten Niveau bleibt, und dann einen zweiten Temperaturanstieg anzeigt,

Detektieren des zweiten Temperaturanstiegs und Beenden des Verhinderns, dass die Flüssigkeit durch die erste Wärmeaustauschstufe (2) strömt, nachdem der zweite Temperaturanstieg detektiert wurde, und

Wiederholen dieser Schritte solange die Taupunkttemperatur der Umgebungsluft höher ist als die Temperatur der Flüssigkeit.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Taupunkttemperatur der Umgebungsluft ermittelt wird durch
Messen der Temperatur der Luft und der Feuchtigkeit der Luft vor dem Eintritt der Luft in die erste Wärmeaustauschstufe (2), und
Bestimmen der Taupunkttemperatur der Luft aus der gemessenen Temperatur und der gemessenen Feuchtigkeit der Luft.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in einer zweiten, aktiven Wärmeaustauschstufe (3) Wärme zwischen der Flüssigkeit und der Luft durch Zufuhr von Energie gepumpt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Verhinderns, dass die Flüssigkeit durch die erste Wärmeaustauschstufe (2) strömt, auch bewirkt, dass die Flüssigkeit nicht durch die zweite Wärmeaustauschstufe (3) strömt und dass die zweite Wärmeaustauschstufe (3) ausgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in einer zweiten, aktiven Wärmeaustauschstufe (3) Wärme zwischen der Flüssigkeit und der Luft durch Zufuhr von Energie ausgetauscht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Verhinderns, dass die Flüssigkeit durch die erste Wärmeaustauschstufe (2) strömt, bewirkt, dass die Flüssigkeit an der ersten Wärmeaustauschstufe (2) vorbei geführt wird, so dass sie dennoch durch die zweite Wärmeaustauschstufe (3) strömen kann.