EP4549833A1 - Reinigung von luftwärmetauschern mit hilfe einer gezielten kondensationsregelung - Google Patents

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EP4549833A1
EP4549833A1 EP24208285.7A EP24208285A EP4549833A1 EP 4549833 A1 EP4549833 A1 EP 4549833A1 EP 24208285 A EP24208285 A EP 24208285A EP 4549833 A1 EP4549833 A1 EP 4549833A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
air heat
air
dew point
volume flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24208285.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Otte
Benjamin Pistorius
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Original Assignee
Stiebel Eltron GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Stiebel Eltron GmbH and Co KG filed Critical Stiebel Eltron GmbH and Co KG
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Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F12/00—Use of energy recovery systems in air conditioning, ventilation or screening
    • F24F12/001—Use of energy recovery systems in air conditioning, ventilation or screening with heat-exchange between supplied and exhausted air
    • F24F12/006—Use of energy recovery systems in air conditioning, ventilation or screening with heat-exchange between supplied and exhausted air using an air-to-air heat exchanger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/70—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof
    • F24F11/80—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the temperature of the supplied air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F2221/00—Details or features not otherwise provided for
    • F24F2221/22—Cleaning ducts or apparatus

Definitions

  • the invention relates to a method for cleaning the surface of an air heat exchanger, to which an air volume flow is supplied, by means of condensate and an associated domestic appliance with an air heat exchanger.
  • Air heat exchangers such as counterflow or crossflow exchangers must be cleaned at regular maintenance intervals, especially with water, to maintain high efficiency.
  • air heat exchangers such as counterflow or crossflow heat exchangers quickly become contaminated with sand, dust, pollen, and other airborne particles. This contaminant forms an insulating layer on the surface of the air heat exchanger. This significantly reduces energy efficiency. Energy costs quickly rise by 10-20% or more. Furthermore, the corrosion caused by the contaminants reduces the operating life of the units. Therefore, air heat exchangers must be manually cleaned with water at regular maintenance intervals, for example, using flushing methods to maintain high efficiency. This procedure is time-consuming and labor-intensive, making it uneconomical.
  • An object of the invention is therefore to provide a method for cleaning the surface of air heat exchangers which is more economical than previous methods and which can be carried out in particular without the use of personnel.
  • a method for cleaning the surface of an air heat exchanger, to which an air volume flow is supplied, using condensate is proposed.
  • the temperature of the air volume flow supplied to the air heat exchanger is regulated to the dew point temperature so that the moisture in the air volume flow is condensed onto the surface of the air heat exchanger in an amount sufficient to clean this surface.
  • Evaporated water molecules can condense on surfaces under certain conditions.
  • the condensation rate depends on the density of the water molecules in the air.
  • the saturation concentration of the water molecules in the air depends on the temperature, as higher temperatures require a higher saturation concentration. If the absolute humidity exceeds the maximum absorption capacity, the dew point corresponding to the dew point temperature, or if the air temperature is lowered or the air encounters a cold component, the maximum water absorption capacity is reduced and the excess water condenses.
  • the invention uses this process to specifically condense moisture on the surface of the air heat exchanger or to separate water there and to clean this surface.
  • the regulation of the air flow rate to the dew point temperature for condensation of the water is preferably carried out when a cleaning requirement of the air heat exchanger is detected. Then a cleaning cycle runs in which the Water condensed on the surface of the air heat exchanger has a cleaning effect.
  • the air flow is preferably continuously controlled to the dew point temperature to keep the condensation process going.
  • the cleaning cycle can, for example, be computer-aided and time-controlled, and can also be initiated and terminated at specific times, thus generally eliminating the need for intervention by maintenance personnel. Furthermore, predictive cleaning can also be performed when the intake temperature and humidity are favorable and dew point conditions are favorable, if the next cleaning time is imminent or if the ambient conditions make it necessary.
  • the cleaning cycle can be repeated regularly at a predefined frequency.
  • cleaning can be performed monthly, quarterly, etc., or after a defined number of operating hours.
  • the repetition frequency can also be set based on the area of use, such as the season and/or the air quality available online at the location of the building services device.
  • the dew point temperature can be determined indirectly using hygrometry or alternatively directly using a dew point mirror hygrometer
  • the method according to the invention is suitable for application to any known type of air heat exchanger, such as a counterflow air heat exchanger or a crossflow air heat exchanger.
  • the following is an example of targeted condensation of moisture on the surface of the air heat exchanger for cleaning purposes by targeted control of the temperature of the air volume flow supplied to the air heat exchanger to its dew point temperature.
  • Specific humidity is a measure of the water vapor content of air. It is defined as the amount of water vapor (in g) contained in 1 kg of humid air.
  • a ventilation system with a volume flow of 500m3 /h thus transports approximately 6.8 kg of moisture per hour through the air heat exchanger.
  • a large portion of this volume flow can be condensed with appropriate fan control, provided that a corresponding dew point temperature of approximately 15°C prevails on the opposite side.
  • the dew point For dew point control of the air volume flow, the dew point must be determined or measured.
  • a direct measurement of the dew point can be performed using a dew point mirror hygrometer. This contains a temperature-controlled mirror. When the mirror temperature drops and reaches or falls below the dew point temperature, it fogs up. This changes its optical properties, especially its reflectivity. A measuring lens determines the dew point in this way.
  • An indirect dew point measurement combines the room temperature with the relative humidity. From these two values, the absolute humidity is calculated, which can then be used to determine the temperature at which the relative humidity reaches 100%. In modern measuring devices, this calculation is performed internally by a microprocessor, and the measured room temperature, relative humidity, and dew point temperature are typically displayed.
  • Fig. 1 The relationship between water vapor content of air and air temperature is shown in the diagram by Fig. 1 with the air temperature in degrees Celsius on the x-axis and the water vapor content in g/m 3 on the y-axis.
  • Fig. 2 The relationship between the dew point and the air temperature is shown in the diagram by Fig. 2 for different relative humidities, with the temperature in degrees Celsius on the x-axis and the dew point on the y-axis, also in degrees Celsius.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen der Oberfläche eines Luftwärmetauschers, dem ein Luftvolumenstrom zugeführt wird, durch Kondensat, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des dem Luftwärmetauscher zugeführten Luftvolumenstroms auf seine Taupunkttemperatur geregelt wird, damit die Feuchtigkeit im Luftvolumenstrom auf die Oberfläche des Luftwärmetauschers in einer Menge kondensiert wird, die hinreicht, diese Oberfläche zu reinigen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen der Oberfläche eines Luftwärmetauschers, dem ein Luftvolumenstrom zugeführt wird, durch Kondensat und ein zugehöriges Haustechnikgerät mit Luftwärmetauscher.
  • Luftwärmetauscher wie Gegenstrom- oder Kreuzstromtauscher müssen in regelmäßigen Wartungsintervallen gereinigt werden, insbesondere mit Wasser gereinigt werden, um eine hohe Effizienz beizubehalten.
  • Luftwärmetauscher wie Gegenstrom- oder Kreuzstromtauscher verschmutzen trotz vorgelagerter Filter schnell durch Sand, Staub, Pollen und sonstige in der Umwelt befindliche Schwebstoffe. Die Verschmutzungen bilden eine Isolierschicht auf der Oberfläche des Luftwärmetauschers. Das reduziert die Energieeffizienz erheblich. Die Energiekosten steigen dadurch schnell um 10-20% und mehr. Zusätzlich führt die durch die Verschmutzungen entstehende Korrosion zu einer Verringerung der Betriebslaufzeit der Geräte. Luftwärmetauscher müssen deshalb beispielsweise manuell mit Spülverfahren in regelmäßigen Wartungsintervallen mit Wasser gereinigt werden, um eine hohe Effizienz beizubehalten. Diese Vorgehensweise ist zeit- und personalaufwändig und damit wenig wirtschaftlich.
  • Es besteht deshalb ein Bedarf an einem Verfahren zum Reinigen der Oberfläche von Luftwärmetauschern, dass wirtschaftlicher als bisherige Verfahren ist, und das insbesondere ohne Personaleinsatz durchführbar ist.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zum Reinigen der Oberfläche von Luftwärmetauschern zu schaffen, das wirtschaftlicher als bisherige Verfahren ist, und das insbesondere ohne Personaleinsatz durchführbar ist.
  • Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die rückbezogenen Ansprüche betreffen zweckmäßige und erfinderische Weiterbildungen dieser Erfindung.
  • Erfindungsgemäß vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Reinigen der Oberfläche eines Luftwärmetauschers, dem ein Luftvolumenstrom zugeführt wird, durch Kondensat. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Temperatur des dem Luftwärmetauscher zugeführten Luftvolumenstroms zur Taupunkttemperatur geregelt wird, damit die Feuchtigkeit im Luftvolumenstrom auf die Oberfläche des Luftwärmetauschers in einer Menge kondensiert wird, die hinreicht, diese Oberfläche zu reinigen.
  • Ohne zusätzliche Beheizung oder Abkühlung kann demgemäß die bereits aus den Umgebungsbedingungen bestehende unterschiedliche Temperaturdifferenz zwischen angesaugtem Luftvolumenstrom und der Oberflächentemperatur des Wärmetauschers in sich ergebenen Taupunktbedingungen ausgenutzt werden.
  • Verdunstete Wassermoleküle können unter bestimmten Voraussetzungen an Oberflächen kondensieren. Die Kondensationsrate hängt von der Dichte der Wassermoleküle in der Luft ab. Vier Faktoren beeinflussen den Stoffaustausch: Oberflächengröße, Wassertemperatur, Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit. Die Sättigungskonzentration der Wassermoleküle in der Luft hängt von der Temperatur ab, da höhere Temperaturen eine höhere Sättigungskonzentration erfordern. Überschreitet nun die absolute Feuchte die maximale Aufnahmefähigkeit, den Taupunkt entsprechend der Taupunkttemperatur oder wird dabei die Lufttemperatur abgesenkt bzw. trifft die Luft auf ein kaltes Bauteil, reduziert sich die maximale Wasseraufnahmefähigkeit und das überschüssige Wasser kondensiert. Diesen Vorgang nutzt die Erfindung, um gezielt Feuchtigkeit auf der Oberfläche des Luftwärmetauschers zu kondensieren bzw., dort Wasser abzuscheiden, und um diese Oberfläche zu reinigen.
  • Die Regelung des Luftvolumenstroms zur Taupunkttemperatur zur Kondensation des Wassers erfolgt vorzugsweise dann, wenn ein Reinigungsbedarf des Luftwärmetauschers festgestellt wird. Dann läuft ein Reinigungszyklus ab, bei dem das auf der Oberfläche des Luftwärmetauschers kondensierte Wasser reinigend auf diese einwirkt.
  • Während dieses Reinigungszyklus wird der Luftvolumenstrom vorzugsweise kontinuierlich zur Taupunkttemperatur geregelt, um die Kondensation am Laufen zu halten.
  • Der Reinigungszyklus kann beispielsweise computerunterstützt zeitgesteuert ablaufen und auch zeitgesteuert initiiert und wieder beendet werden, so dass ein Eingriff durch Wartungspersonal in der Regel entfällt. Weiterhin kann auch bei sich durch die Ansaugtemperatur und Luftfeuchtigkeit günstigen Taupunktbedingungen ein vorrausschauendes Reinigen erfolgen, wenn der nächste Reinigungszeitpunkt in Kürze ansteht oder die Umgebungsbedingungen dieses erforderlich machen.
  • Nach Ablauf des Reinigungszyklus wird der normale Betrieb des Luftwärmetauschers wieder aufgenommen, bei dem die Temperatur des dem Luftwärmetauscher zugeführten Luftvolumenstroms zugunsten einer Kondensation von in der Luft enthaltener Feuchtigkeit auf seine Taupunkttemperatur nicht weiterhin gezielt geregelt wird.
  • Beispielsweise kann der Reinigungszyklus mit einem vorgebbaren Wiederholungsrhythmus regelmäßig wiederholt werden. Beispielsweise kann die Reinigung monatlich, vierteljährlich etc. oder nach einer definierten Anzahl an Betriebsstunden durchgeführt werden. Der Wiederholungsrhythmus kann auch vorzugsweise anhand des Einsatzgebietes, beispielsweise der Jahreszeit und/oder einer meteorologisch online verfügbaren Luftqualität am Aufstellort des Haustechnikgeräts eingestellt werden.
  • Die Dauer eines Reinigungszyklus ist derart gewählt, dass während der Zeitdauer des Reinigungszyklus eine für den jeweiligen Luftwärmetauscher benötigte Menge an Reinigungswasser in Form von Kondensat anfällt. Die Menge des anfallenden Kondensats, die letztlich auch der Menge an Reinigungswasser entspricht, lässt sich über bekannte Formeln anhand der bekannten Parameter, insbesondere Luftdruck und Taupunkt, bestimmen.
  • Um eine Schmutzablagerung auf der Oberfläche des Luftwärmetauschers (auch aber nicht nur) während des Reinigungszyklus zu vermeiden, wird der Luftvolumenstrom, aus dem Feuchtigkeit zu Reinigungszwecken kondensiert wird, üblicherweise durch einen Partikelfilter geleitet, wodurch der Oberfläche des Luftwärmetauschers partikelfreie Feuchtigkeit zugeführt wird.
  • Die Taupunkttemperatur kann hygrometrisch indirekt oder alternativ mit einem Taupunktspiegelhygrometer direkt ermittelt werden
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Anwendung auf jede bekannte Bauart des Luftwärmetauschers, wie etwa auf einen Gegenstrom- Luftwärmetauscher oder einen Kreuzstrom-Luftwärmetauscher.
  • Im Folgenden wird ein Beispiel für eine gezielte Kondensation von Feuchtigkeit auf die Oberfläche des Luftwärmetauschers zu Reinigungszwecken durch gezielte Regelung deren Temperatur des dem Luftwärmetauscher zugeführten Luftvolumenstroms auf seine Taupunkttemperatur erläutert.
  • Die spezifische Luftfeuchtigkeit ist ein Maß für den Wasserdampfgehalt von Luft. Sie ist definiert als die Wasserdampfmenge (in g), die in 1 kg feuchter Luft enthalten ist. Über den Dampfdruck e und den Luftdruck p lässt sich die spezifische Feuchte s bestimmen: s=0,622e/p.
    • Beispiel:
  • Bei einer Temperatur von 25°C, einem Luftdruck von 1013hPa und einer relativen Feuchte von 70%, befinden sich ca. 13 g/m3 Feuchtigkeit in der Luft.
  • Eine Lüftungsanlage mit einem Volumenstrom von 500m3/h transportiert somit etwa 6,8 kg Feuchtigkeit pro Stunde durch den Luftwärmetauscher. Von diesem Volumenstrom kann gezielt mit entsprechender Lüfterregelung ein großer Anteil kondensiert werden, wenn in diesem Fall auf der Gegenseite eine entsprechende Taupunktemperatur von ca. 15°C herrscht.
  • Für die Taupunktregelung des Luftvolumenstroms muss der Taupunkt ermittelt bzw. gemessen werden.
  • Eine direkte Messung des Taupunkts kann mithilfe eines Taupunktspiegelhygrometers erfolgen. Dieses enthält einen temperierbaren Spiegel. Wenn der Spiegel bei absinkender Spiegeltemperatur die Taupunkttemperatur erreicht bzw. unterschreitet, beschlägt er. Dadurch verändern sich seine optischen Eigenschaften, vor allem sein Reflexionsvermögen. Eine Messoptik stellt auf diese Weise den Taupunkt fest.
  • Eine indirekte Messung des Taupunkts kombiniert die Messung der Raumtemperatur mit der der relativen Luftfeuchtigkeit. Aus diesen beiden Daten wird die absolute Luftfeuchtigkeit errechnet und daraus kann die Temperatur ermittelt werden, bei der die relative Luftfeuchtigkeit den Wert von 100% erreicht. In modernen Messgeräten erfolgt diese Berechnung intern durch einen Mikroprozessor, angezeigt wird in der Regel die gemessene Raumtemperatur, die relative Luftfeuchtigkeit sowie die Taupunkttemperatur.
  • Der Zusammenhang zwischen Wasserdampfgehalt von Luft in Abhängigkeit der Lufttemperatur ist im Diagramm von Fig. 1 dargestellt, wobei die Lufttemperatur in Grad Celsius auf der x-Achse und der Wasserdampfgehalt in g/m3 auf der y-Achse aufgetragen ist.
  • Der Zusammenhang zwischen dem Taupunkt und der Lufttemperatur ist im Diagramm von Fig. 2 für unterschiedliche relative Luftfeuchtigkeiten dargestellt, wobei die Temperatur in Grad Celsius auf der x-Achse und der Taupunkt auf der y-Achse ebenfalls in Grad Celsius aufgetragen ist.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Reinigen der Oberfläche eines Luftwärmetauschers, dem ein Luftvolumenstrom zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des dem Luftwärmetauscher zugeführten Luftvolumenstroms zur Taupunkttemperatur geregelt wird, damit die Feuchtigkeit im Luftvolumenstrom auf die Oberfläche des Luftwärmetauschers in einer Menge kondensiert wird, die hinreicht, diese Oberfläche zu reinigen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Luftvolumenstrom kontinuierlich auf seine Taupunkttemperatur geregelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Regelung des Luftvolumenstroms auf seine Taupunkttemperatur zur Kondensation des Wassers dann erfolgt, wenn ein Reinigungsbedarf des Luftwärmetauschers festgestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Luftvolumenstrom, aus dem Feuchtigkeit zu Reinigungszwecken kondensiert wird, im Regelungsfall durch einen Partikelfilter geleitet wird, um der Oberfläche des Luftwärmetauschers partikelfreie Feuchtigkeit zuzuführen.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Taupunkttemperatur hygrometrisch indirekt ermittelt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Taupunkttemperatur mit einem Taupunktspiegelhygrometer direkt ermittelt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Anwendung auf einen Gegenstrom- Luftwärmetauscher.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Anwendung auf einen Kreuzstrom-Luftwärmetauscher.
  9. Verfahren zum zweistufigen Betreiben eines Luftwärmetauschers, bei dem die erste Stufe der Normalbetrieb des Luftwärmetauschers zum Zweck des Wärmetauschs ist, während die zweite Stufe anstelle des Normalbetriebs einen Reinigungsbetrieb bzw. einen Reinigungszyklus gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst, wobei eine Dauer des Betriebs in der zweiten Stufe insbesondere weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 1% und besonders bevorzugt weniger als 0,1% der Dauer des Betriebs in der ersten Stufe beträgt.
  10. Haustechnikgerät, insbesondere Wärmepumpe oder Lüftungsgerät, mit einem Luftwärmetauscher und einer Steuerung, wobei die Steuerung dazu ausgebildet ist, den Luftwärmetauscher gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zu reinigen und/oder gemäß einem Verfahren nach Anspruch 9 zu Betreiben.
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