WO1999034150A1

WO1999034150A1 - Verfahren der luftentfeuchtung durch diffusion-effusion

Info

Publication number: WO1999034150A1
Application number: PCT/EP1998/008286
Authority: WO
Inventors: Günther Wilfried NIEMES; Horst Niemes
Original assignee: Niemes Guenther Wilfried; Horst Niemes
Priority date: 1997-12-23
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 1999-07-08
Also published as: EP0966637A1; DE19757769A1

Abstract

Ein kontinuierliches Gastrennverfahren unter Nutzung von Druckdifferenzen und Anwendung dieses Verfahrens in der Lufttechnik, die Anordnung eines Diaphragmas im Hauptstrom und Gastrennung durch Druckdifferenzen im Nebenschluß ist Gegenstand der Neuerung. Der technische Lösungsansatz einer Entfeuchtung der Luft ohne Kühlung der Luft hat als Folge, daß der Energieaufwand sich gegenüber der taupunktgeregelten Klimaanlage auf ein Drittel, gegenüber Teilentfeuchtung mit niedrigen Oberflächentemperaturen auf die Hälfte absinkt, ohne FCKW- bzw. FKW-Anlagen einsetzen zu müssen.

Description

Verfahren der Luftentfeuchtung durch Diffusion - Effusion

0. Allgemein

Die Zusammensetzung der Luft entspricht einer Mischung ohne Mischungslücke. Die Anteile Stickstoff-Sauerstoff und Wasserdampf sind ideale Mischungen und erhalten sich bei festgelegtem Gesamtdruck wie eine azeotrope Mischung. Deshalb wird, wie in der Lufttechπik üblich, die Behandlung der Luft auf einen Normdruck bezogen, d.h. bei Vereinigung mehrerer Gase bei gleichem Druck und gleicher Temperatur ist das Gesamtvolumen gleich der Summe der Partialvolumina. Mit Hilfe des Dampfdruckdiagramms und der isothermen Sättigungskurven werden die Isothermen und Isobaren im Mollier-ix-Diagramm oder Carrier hx-Diagramm dargestellt. Für jeden Normdruck als Auslegungsbasis sind die praktischen Berechnuπgsgrundiageπ neu festzulegen.

Die Höhenlage des thermischen Systems, d.h. des Gesamtdrucks, erfordert eine Anpassung der in der Lufttechnik üblichen Berechnungsgrundlagen. In größerer Höhe erfolgt somit eine Gesamtdruckerniedrigung und im Verhältnis zum Normdruck ist die Beeinflussung der Gleichgewichtsgrundlage gegeben. Die Beeinflussung der Gleichgewichtsgrundlage erfolgt folglich durch:

- Änderung des Gesamtdruckes

- Änderung der Temperatur

- Änderung der Konzentration Die Differenz des Gesamtdruckes zweier sich angrenzenden Systeme ist dem Verhalten von Mischungen mit Mischungslücke, d.h. dem Verhalten einer heteroazeo- topischen Mischung, dargestellt, durch die isobare Gleichgewichtskurve, zu vergleichen. Die physikalische Chemie nimmt sich in zahlreichen Verfahren der kontiniu- ierlichen und diskontinuierlichen Destillation an, welche Entmischungen durch einfache Destillation, Destillation mit Rückflußkühler und Destillation mit Antriebs- und Verstärkungssäule als kontinuierliches Verfahren bevorzugt.

Im Laboratorium macht man sich der Arbeitsweise des Exsikators als Trocknungs- verfahren zunutze, welcher als treibende Kraft das Streben von Lösungen nach Gleichgewichtszustand nutzt. Die gegenseitige Vermischung infolge Diffusion ist verhindert, wenn man beide Systeme durch eine semipermeable Wand trennt, die nur für einen Partner durchlässig ist. Durch Benetzung der Membranwand mit einem Lösungsmittel ist es möglich, den Dampfdruck zu erniedrigen, und das Verdünnungsbestreben durch Kondensation und Verdampfung in einem technischen System zu erhöhen.

Die nachfolgende Darstellung spricht bewußt den Kenntnisstand der an der Neuerung interessierten Fachrichtungen Bau- und Gebäudetechnik an und zeigen die Möglichkeiten auf, weiche die physikalische Chemie Komponentenherstellern und Anlagenbauer alternativ anbietet. Der Kenntnisstand der Bauphysik und der Klimatechnik kann folglich genutzt werden.

Die Diskussion über den Einsatz von Alternativkältemittein durch die Auflagen der FCKW-FKW- Verordnung erfordert derzeit weitweit Miiliarden DM an Forschungsaufwand. Die Frage, ob mit einfachen lufttechnischen Aufbereitungstechniken kältetechnische Einrichtungen mit FCKW bzw. FKW in der Lufttechnik sich ersetzen lassen, gewinnt somit Aktualität und außerordentliches öffentliches Interesse.

1. Grundlagen allgemein

Unter Diffusion versteht man die Erscheinung, daß zwei oder mehrere in einem Gefäß befindliche Gase, Flüssigkeiten oder Lösungen gegenseitig und den Raum schließlich unabhängig voneinander völlig gleichmäßig durchdringen. Die Diffusion ist die gegenseitige Durchdringung von Gasen, Flüssigkeiten oder Lösungen infolge der ungerichteten Eigenbewegung. Die Luft besteht zu etwa 80% aus N² und 20% aus O², sowie H²O. Da die Gasmoleküle verschiedener Gase nicht die gleiche Geschwindigkeit haben, müssen leichtere Gase schneller diffundieren ais schwere, d.h. sich schneller in einem bestimmten Raum ausbreiten, entweichen, oder auch an Oberflächen unterhalb des Taupunktes kondensieren.. Das Dichteverhältnis bei 0°C ist bei Wasserdampf zu Luft 0,037, d.h. Wasserdampf ist 27 mal leichter. Die Diffusion ist eine Folge der Kinetik der Gase, die Diffusion ist für die gegenseitige Durchdringung von Gasen aufgrund ihrer Wärmebewegung verantwortlich. In der Lufttechnik werden die klassischen Verfahren der Gasaufbereitungstechnik wie thermische Prozesse ( Wärmetausch, thermisches Trennverfahren, Kätteprozesse und Diffusionsprozesse (Absorption, Adsorption, Destillation, Rektifikation , Extraktion ) eingesetzt. Gegenstand der Neuerung ist ein Extraktionsverfahren ohne / mit Lösungsmitteln darzustellen. Das Extrahieren ist das Trennen eines Stoffgemisches durch Heraustrennen einzelner Komponenten mit Hilfe eines Lösungsmittels. Die theoretische Grundlage des Stoffaustauschs ist der Verteilungssatz von Nernst, der besagt: Das Verhältnis der Konzentrationen einer dritten Komponente, die in zwei aneinander grenzenden Phasen gelöst ist, hat einen konstanten Wert. Sollen zwei Stoffe durch Extraktion getrennt werden, so müssen sie sich für ein gestimmtes Paar nicht oder fast nicht mischbarer Lösungsmittel in ihren Verteilungskoeffizenten unterscheiden. Die Extraktion hat in der Gasaufbereitungstechnik gegenüber der Absorption, Adsorption und Rektifikation geringe Bedeutung.

Ein kontinuierliches Gastrennverfahren unter Nutzung von Druckdifferenzen und Anwendung dieses Verfahren in der Lufttechnik . die Anordnung eines Diaphragmas im Hauptstrom und Gastrennunq durch Druckdifferenzen im Nebenschluß ist Gegenstand der Neuerung.

Praktisch angewendet wird das Verfahren bei gasanalytischen Gasspürgeräten, welche auf physikalischer Basis arbeiten. Bei den Diffusionsgeräten wird die Tatsache ausgenutzt, daß Gase mit geringerer Molekularmasse schneller durch ein Diaphragma diffundieren, als solche mit höherer Molekularmasse. Dadurch wird eine leicht meßbare Druckerhöhung hervorgerufen, wenn das leichtere Gas in einem geschlossenen Raum diffundiert. Gasspürgeräte bestehen aus einer Kammer, die durch eine Tonwand in zwei Zellen geteilt ist. In der einen Zelle, der Druckzelle, befindet sich Luft, in die andere, die Ansaugzelle, wird das Prüfgemisch gesaugt. Befindet sich darin Gas, so diffundiert zuerst der Wasserstoffanteil ( Reihe Diffunsiongeschwin- digkeit H², CO²,H²O, N² und O² ) aufgrund seiner kleinen Molekularmasse in der Druckzelle. Die abei auftretende Diuckerhöhuπg wird an einem Druckmesser abgelesen, wobei die Anzeige auf die Gaskonzentration geeicht werden kann. Gegenstand weiterer Erläuterungen ist die Untersuchung von Möglichkeiten, mit wenig technischem Aufwand, den Wasserdampfanteil, je nach Verfahren auch den CO²-Anteil der Luft zu entziehen. Durch eine Entfeuchtung der Luft ohne Kondensationswärme (Sorptionsverfahren) ist die Basis für einen außerordenlich wichtigen lufttechnischen Prozeßgegeben. Durch die Trocknung der Luft ohne Kondensationswärme wird die nachfolgende Befeuchtung und Kühlung der Luft durch Verdampfungswärme ermöglicht.

Die lufttechnischen Prozesse und Anlagenkomponenten einer Klimaanlage im Sommer- und Winterbetrieb sind, bis auf die Trocknung der Luft zwecks Befeuchtung und Kühlung, gleich. Der Trockner und Befeuchter übernimmt die Aufgabe der Oberfiächenkühlung durch Kälteanlagen. Dieses der Natur entlehnte Verfahren erübrig den Einsatz von FCKW bzw. FKW-Kältemaschinen bei hälftigen Energiekosten. Die Darstellung des lufttechnischen Prozesses Entfeuchtung ohne Kondensationswärme entspricht dem der Befeuchtung Wasserdampf ( hx-Diagramm, Randmaßstab), nur in umgekehrtem Wirksinn. Figur 1.

2. Grundlagen Wasserdampf-Diffusioπ

Die Dampfübergangszahlen sind etwa 1/3 geringer als beim Wärmeübergang. Durch Differenzen der Partiaidrücke des Wasserdampfes diffundiert Wasserdampf mit 0,080 m²/h, vermindert um den Diffusionswiderstandsfaktor. Der Wärmeinhait ist i(1+x)= 0,24t + 0,46xt +596x. Der Wasserdampf diffundiert aufgrund von Druckunterschieden, welche sowohl thermisch, als auch durch Differenzdrücke aufrecht erhalten werden können.

2.a Versuchaufbau Diffusion - Effusion thermisch

Der Vorgang ist nicht neu, dies zeigt das Kryophor, ein von Wollastone 1823 erfundenes Instrument, das die Eisbildung 13 durch Verdunstungskälte erzeugt. Das Kryophor besteht aus einer Gasröhre 11, die an beiden Enden unter rechtem Winkel nach oben gebogen ist und je in eine gläserene Hohlkugel 12, 15 ausläuft. In der Kugel 15 befindet sich etwas Wasser; sonst ist das ganze Instrument luftleer und nur mit Wasserdampf gefüllt. Taucht man die Kugel 12 in eine Kältemischung 14, so schlagen sich durch die Kälte die Dünste, deren Druck die weitere Verdunstung des in der Kugel 15 befindlichen Wassers verhindert, in der Kugel 12 nieder, es entsteht nun aus dem Wasser der Kugel 15 sehr rasch Dampf, der ebenso schnell in der Kugel 12 kondensiert wird, wodurch aber eine sehr lebhafte Verdunstung des Wassers in der Kugel 15 entsteht usw. Durch diese in raschem Fortgang gehaltene Verdunstung des Wassers in der Kugel 12 wird dem in dieser zurückbleibenden Teiie des Wassers immer mehr Wärme entzogen, bis es endlich gefriert 13, siehe Figur 2.

2.b Versuchaufbau Diffusion - Effusion Differenzdruck

Eine Flasche 22 verbinden wir durch ein Glasrohr mir einem Gefäß 18 aus porösen Ton . Das Glasrohr sitzt in einem Korkstopfen 24 , der die Flasche verschließt. Aus der Flasche führt ein zweites Glasrohr 21 , das an der Spitze zu einer Kapillare ausgezogen ist. Die Flasche wird zur Hälfte mit Wasser 23 gefüllt und dann ein mit (17) H² -gefülltes Becherglas über die Tonzeile 18 gestülpt. Sofort spritzt ein Stahl aus der Kapillare 16. Wasserstoff, dessen Moleküle sich sehr rasch bewegen, strömt rund viermal schneller in das Tongefäß ( als Effusion ) als die Luft aus ihm entweichen kann (Diffusion ). Dadurch entsteht ein Überdruck in der Flasche, der das Wasser hinaustreibt. Die Diffusionsgeschwindigkeit ist umso größer, je kleiner das Moleklargewicht des Gases ist. Figur 3.

Die Diffusionsgeschwindigkeit beträgt für verschiedene Gase:

O = 32 ; N²= 28,02 ; H²= 2,016 ; H² ( als Dampf ) = 18,02 , C0² = 12

2.c Physikalische Vorgänge beim Wassertransport Boden - Pflanzen

Die Natur bedient sich physikalischer Verfahren, weiche den technischen Lösungs- aπsätzen weit überlegen sind. Im Boden wird das Wasser als Sickerwasser, Stauwasser, Schichtenwasser, Kondenswasser, Grundwasser und Haftwasser gehalten.

Zwischen den Oberflächen der nackten Bodenkömcheπ und den Wassertropfen bestehen ausgeprägte molekulare und elektrostatische Anziehungskräfte, Adsorption ( Hydratation und Osmose ), worunter man die Bindung des Wassers, in Form einer hauchdünnen Schicht, an der Oberfläche fester Körper versteht. Auf diese Weise umgibt sich jedes Bodenteilchen mit Benetzungswasser ( hygroskopisches Wasser), das zudem eine Verdichtung erfährt. Dieses Wasser ist mit solch starken Kräften angelagert, daß die Saugkräfte der Pflanzenwurzeln, die etwa 15 bar erreichen, es nicht mehr lösen können. Die Saugkräfte von Steppenpflanzen können bis zu 100 bar ansteigen! Die Natur bedient sich folgender physikalischer Vorgänge beim Wassertransport:

Diffusion

Zwischen Wasser und z.B. Kupfervitriol besteht ein starkes Konzentrationgefälle ( pH-Wert ). Verursacht durch die Eigenbewegung der Moleküle erfolgt solange ein Austausch, bis die Konzentration im Gefäß überall gleich groß ist.

Osmose

Eine einseitigdurchlässige (semipermeable) Wand erlaubt nur ein Gefälle zur stärke- reren Konzentration. Diese Erscheinung wird als osmotische Saugkraft bezeichnet, sie erzeugt einen Überdruck in der Zelle und wird bei Pflanzen durch Zuckerarten, Salze und organische Säuren verursacht. Dieser Überdruck (osmotischer Druck) verursacht in einer Kapilarröhre einen Anstieg des Fiüssigkeitsspiegels oder in den Zellwänden den Anstieg des Innendruckes (Tugor). Dadurch erhalten die Pflanzen ihre Festigkeit. Durch gegengerichtetes Differenzdruckgefälle kann die osmotische Saugkraft umgerichtet werden. ( Umkehrosmose )

Kapillarität

Der Aufstieg von Flüssigkeiten in den feinen Röhrchen entgegen der Schwerkraft wird Kapillarität genannt. Das Zusammenwirken der molekularen Anziehung zwischen den Flüssigteilchen ( Kohäsion ) und die Anziehung zwischen Flüssigkeit und Wand ( Adhäsion ) bewirkt die hierzu erforderliche Kraft.

3. Aufgabenstellung Technische Lösungsansätze

In einem technischen System z.B. Lüftungs- und Klimaanlagen ist der Luft Wasserdampf zu entziehen ohne die gesamte Luftmenge bis zur Taupunkttemperatur zwecks Entfeuchtung herunterzukühlen. Bei niedrigen Oberflächentemperaturen des Luftkühlers ist es üblich, auch eine Teilentfeuchtung vorzunehmen.

Der technische Vorgang der Entfeuchtung der Luft an Oberflächenkühlern hat auch eine Luftkühlung zur Folge. Um nach der Luftaufbereitungsstufe Entfeuchtung auf erforderliche Zulufttemperaturen zu kommen, ist eine Nachwärmung erforderlich, welche mit dem Gegenstand der Neuerung anstelle eines Oberfiächenkühlers nicht mehr erforderlich wird. Das übliche Verfahren, wegen des Wassergehalts der Luft die gesamte Luftmenge einschl. des Wasserdampfes zum Taupunkt herunterzukühlen und danach auf die Zulufttemperatur nachzuwärmen, ist energieverlustreich. Eine Zwischenlösung ist, bei niedrigen Oberfläclientemperaturen des Luτtκühlers ist üblich, die Teiientfeuchtung.

Der technische Lösungsansatz einer Entfeuchtung der Luft ohne Kühlung der Luft hat als Folge, daß der Energieaufwand sich gegenüber der taupunktgeregelten Klimaanlage auf ein Drittel, bei Teiientfeuchtung an niedrigen Oberflächentemperaturen auf die Hälfte absinkt, ohne FCKW- bzw. FKW-Anlagen einsetzen zu müssen. Mit üblichen Verfahren der Entfeuchtung der Luft durch Sorptionkörper ist das Erwärmen die Luft verfahrensbedingt Bei der Berührung von Wasserdampf mit den Absorptionsstoffen findet infolge der Kondensation des Wasserdampfes eine Tem- peaturerhöhung statt. Der Wasserdampf haftet an der Oberfläche und wird kondensiert. Die Absorptionswärme bewirkt eine Temperaturerhöhung der Sorptionsmasse, dessen Wärme üblicherweise an die Luft übertragen wird, sodaß die Luft anschließend gekühlt werden muß. Die absorbierte Wassermenge hängt von dem Druck des Wasserdampfes ab und ist desto größer, je größer der Wasserdampfdruck ist. Ist die Sorptionsmasse gesättigt, so ist diese nicht mehr in der Lage, weitere Mengen Dampf zu absorbieren. Um diese wieder sorptionsfähig zu machen, muß wieder regeneriert werden, was üblicherweise durch Erhitzung und Abkühlung, jedoch auch, weil die Sorptionfähigkeit vom Wasserdampfdruck abhängig ist, durch das Differenzdruckgefälle erfolgen kann und in einen hohlen Sorptionskörper, in dem mindestens das Druckgefälle des Wasserdampfpartialdruckes herrscht, expandieren kann. Infolge isothermer Expansion wird Wärme in das Innere des Sorptionskörper geleitet, die Oberfläche des Sorptionskörpers gekühlt und Kondensationswärme abgeführt.

Das dargestellte Verfahren läßt sich wegen des kontinuierlich aufgebauten Differenzdruckgefälles der Phase 4 der Stiriing-Gas-Kältemaschine als Idealprozeß vergleichen, wobei die Wärmeauf- und -abnähme bei konstanten Temperaturen stattfindet und die eine Isotherme durch die Isochore verbunden wird. Die abgegebene Wärme wird durch den Regenerator gespeichert. Zwischen dem Kompressionsraum und dem Expansionsraum befindet sich der wärmespeichernde Regenerator in der Bauart der semipermeablen Membran mit Sorptionsmasse. Im Kompressionsraum findet die Verdichtung unter Wärmeabgabe an die Sorptionsmasse isotherm statt, anschließend wird isochor Wärme im Regenerator ( Sorptionskörper ) gespeichert und kontinuierlich das Gas vom Kompressionsraum in den Expansionsraum übergeschoben. Bei der nachfolgenden isothermen Expansion wird Wärme aufgenommen, d.h. Kälteleistung erzeugt und der Regeneraor ( Sorptionskörper ) gekühlt. Durch das dem Sterling-Prozeß vergleichba e Überschieben des Gases vom Expansionsraum in den Kompressionsraum wird die im Regererator gespeicherte Wärme durch Abführung des Wasserdampfes mittels Differenzdruck kontinuierlich aufrechterhalten.

Die üblichen Sorptionsmittel sind SiO², mit welchem man sich des der Natur entlehnten Verfahrens der Hydratation bedient.

Die aufgezeigte Lösung einer Entfeuchtung ohne Temperaturerhöhung, erlaubt die anschließende Befeuchtung und Kühlung ohne die Luftaufbereitungsstufe Kühlung mittels Kältemaschinen oder ohne die Austreibung des Kapillarwassers aus Sorptionsmitteln.

Ein der Natur entlehntes Verfahren ist die Bildung eines Luftdruckgefälles, wenn durch die schnelle Aufwärtsbewegung warmer Luftmassen der Gesamtdruck abnimmt, jedoch der Partialdruck des Wasserdampfes im Verhältnis zum Gesamtdruck steigt und folglich eine Abkühlung und Entfeuchtung durch Abregnen stattfindet. Diese natürlichen Einrichtungen können durch technische Einrichtungen ersetzt werden. In der Luft- und Klimatechnik ist es unüblich, durch Luftdruckgefälle den Feuchtehaushalt der Luft verfahrenstechnisch zu verändern. Dieser Möglichkeiten nehmen sich als Auswahl folgende Verfahren an:

3a) Diffusor - Venturisaugkammer mit Absaugung im Nebenschluß

3b) Diffusor - Venturisaugkammer mit Kühlung im Nebenschluß

3c) Nebenschluß-Austauscher mit semipermeabler MembranNakuum-Absau- gung und Kühler 3d) Nebenschluß-Austauscher mit Vakuum-Absaugung und semipermeabler

Sorptions-Membran 3e) Nebenschluß-Austauscher mit Vakuum-Absaugung und dauerhygroskopischer Membran

3a Diffusor - Venturisaugkammer mit Absaugung im Nebenschluß

Durch Differenzen der Partiaidrücke des Wasserdampfes diffundiert Wasserdampf mit 0,080 m2/h, vermindert um den Diffusionswiderstandsfaktor. Der Wärmeinhalt ist i (1+x) = 0,24t +0,46xt + 597.

Der Wasserdampf diffundiert aufgrund von Druckunterschieden. In dem Stutzen wird ein Unterdruck erzeugt, der dem Partialdruck des Wasserdampfes entspricht Aufgrund strömungstechnischer Konstruktion Aud ein Unterdrück erzeugt, der gieich mäßig auf die Gefäßwand und auf den Venturistutzen wirkt. Da dieses Gefäß, ein Luft-Wasserdampfgemisch, wenn auch mit einem Unterdruck von etwa 208 mm WS, ausgefüllt ist, so muß bei Kondensation des in diesem Gefäß befindlichen Wasserdampfes, Wasserdampf in das Gefäß nachströmen, um wieder zu kondensieren. Eine fortwährende Wasserdampfdiffusion zum Zwecke der Entfeuchtung ohne merkliche Dampfdiffusionswiderstände wird so aufrechterhalten. Da die Wassermoleküle leichter, d.h. energiereicher sind, breitet sich der Wasserdampf in der Kammer aus. Der Partialdruck des Wasserdampfes entspricht dem des Unterdruk- kes. Der Saugdruck wird durch Kondensation erzeugt, ähnlich der Kondensatoren bei der Vakuumheizung. Durch die Diffusionswirkung wird der Wasserdampf partiell entzogen, gekühlt und als Kondensat abgeleitet. Die Luftmenge bleibt erhalten, der

Wasserdampfgehalt der Luft wird vermindert. Die Gase bewegen sich nach physikalischen Gesetzmäßigkeiten mit der kinetischen Energie Ekin = m

, mit Geschwindigkeiten in Abhängigkeit der Temperatur und einer Geschwindigkeitsverteilung, die prozentual erfaßt werden kann, jedoch eine mittlere kinetische Energie zum Ansatz kommt.

1. Die mittlere kinetische Energie eines Gasteilchens ist für aller Gase bei gleicher Temperatur gleich groß.

2. Die mittlere kinetische Energie des Gasteilchens ist der Temperatur proportional, sie nimmt mit steigender Temperatur zu.

3. Wird ein Volumen verringert, so vergrößert sich die Anzahl der Moleküle pro Volumeneinheit, der Druck steigt.

4. Wird ein Gas erwärmt, so nimmt proportional die kinetische Energie der Teilchen zu.

Größenordnung:

H² Moleküle bei 0 °C V = 1,84 x 10 ⁵ = 2.000

O² Moleküle bei 0 °C V = 1,84 x 10⁵ x 0,25 = 500 jedoch bei mittleren Weglängen unter ^■— mm bei O².

Fig. 1 zeigt das Strömungsverhalten in einem Ventuhsystem. Im Querschnitt der Düse ist der statische Druck pstat = 208 mm WS und der Luftgeschwindigkeit von 16 m/s. pdyn = -g xγ = ^ x 1,20 =15,66 mm WS der statische Druck am Querschnitt F² soll 208 mm WS unter Luftdruck sein, pges = pstat + pdyn = ( 208 + 15,66 ) = 223,66 mm WS pdyn = pges - pstat = ( 223,66 08 -(-208) = 431 ,66 mm WS

S ⁼ ( f ^{) 2 d =} J(^) ^{x l2} = 7ÖTT⁹ = 0^,432

Das Durchmesserverhältnis beträgt 0,432 .

3b Diffusor - Venturisaugkammer mit Kühlung im Nebenschluß

Wie unter Punkt 3b dargestellt, jedoch mit Kühlerfläche im Venturisaugstutzen. Das Kondenswasser an der Kühlerfläche wird über eine Kondensatansauregelung und Kondensatpumpe abgeführt. Die Anordnung führt im Nebenschluß den Wasserdampf ohne nennenswerte Kühlung aus dem Luftstrom ab. In der Darstellung des Molier- ix-Diagramms ist die Zustandsänderung der Luft der Darstellung im Randmaßstab der Dampfbefeuchtung, jedoch in umgekehrter Richtung, zu vergleichen.

3c Austauscher mit semipermeabler Membran. Vakuum und Kühler

Wie unter Punkt 3b dargestellt jedoch wird der Ansaugquerschnitt flächig mit einer semipeπmeablen Membran abgedeckt. Die Membran läßt wegen der Diffusionsgeschwindigkeit überwiegend nur Wasserdampf in die Nebenkammer entweichen. Der Unterdruck wird durch die Kühlfläche aufrechterhalten Die Abführung des Wasserdampfes erfolgt in der Gasphase ohne Temperaturerhöhung des Luftstromes. Gegen die alleinige Verwendung einer Vakuumpumpe sprechen konstruktive Grenzen, weil die Beziehung zwischen Temperatur und Druck bei Wasser zu berücksichtigen ist. Bei einem Druck von z.B. 0,3 bar ergibt sich eine Verdampfungstempere- tur von 68,7 ^βC, d.h. ein Temperaturniveau, welches etwa dem Luftzustand nach der Luftentfeuchtung durch Absorption durch SiO² entspricht. Der Siedepunkt des Wassers liegt bei einem absoluten Druck von 0,01 bar bzw. 752 mm Hg Vakuum bei 6,7° C. Werden die Drücke durch eine mechanische Vakuumpumpe erzeugt sind für 1 ,16 kW Kälteleistung dieser Verdampfungskühlung 0,64 m³/s Wasserdampf abzuführen, eine Konstruktionsgröße, welche die Unwirtschaftiichkeit und Größe einer solchen mechanischen Fördereinheit beiegt. Das Verfahren ist somit nur im Nebenstrom und nicht im Hauptstrom wirtschaftlich anwendbar. Der erforderliche niedrige Druck zur Kondensation des Was≤erdampfes kann durch die Verwendung eines Absorbers hergestellt werden. Allerdings reicht für die Absorption bereits das an der Kühlfläche kondensierende Kondensat, d.h. Wasser, aus, um wirtschaftlich bei geringem Platzbedarf den Kondensationsdruck zu erzeugen. Die einfache Vakuumpumpe in der Bauart Saugdruckgebläse überwindet den mechanischen Widerstand der semipermeablen Membran, des Rohrsystems und baut den Vordruck zum Absorber in der Bauart eines Wärmaustauschers und der Ableitung von Kondensat über eine Anstauregelung auf.

3d Austauscher mit Vakuum und semipermeabler Sorptions-Membran

Wie unter Punkt 3b dargestellt jedoch in der Bauart eines Plattenwärmetauschers, dessen Flächen flächig mit einer semipermeablen Sorptions- Membran abgedeckt sind. Die Membran sorbiert den Wasserdampf als Feuchte. Der Unterdruck der Vakuumpumpe läßt eine Sättigung des SiO² nur teilweise zu, da das Vakuumsystem zwar eine Benetzung des Materials zuläßt, jedoch die Verdichtungsverhältnisse nicht zugelassen werden, das hygroskopische Verhalten bleibt erhalten. Die Abführung des Wasserdampfes erfolgt in der Gas-Flüssigkeit-Phase ohne nennerswerte Temperaturerhöhung des Luftstromes. Die semipermeable Wand erhält die Gleichgewichtsbeladung, um die Durchbruchsbeladung zu verhindern.

3e Austauscher mit Vakuum- und daυer-hvgroskopischer Membran

Wie unter Punkt 3b dargestellt, jedoch in der Bauart eines Plattenwärmetauschers, dessen Flächen mit flächig mit dauer-hygroskopischer Membran abgedeckt sind. Die Membran absorbiert den Wasserdampf als Feuchte. Der Unterdrück der Vakuumpumpe läßt eine Sättigung z.B. Lithium-Bromid nicht zu, da das Vakuumsystem zwar eine Befeuchtung des Materials zuläßt, jedoch eine Vollsättigung nicht zugelassen wird, das hygroskopische Verhalten bleibt erhalten. Die Abführung des Wasserdampfes erfolgt der Gas-Flüssigkeit-Phase ohne Temperaturerhöhung des Luftstromes.

3f Entfeuchtung der Abluft und Befeuchtung der Zuluft im Winterbetrieb

Im Winterbetrieb ist die aufbereitete Zuluft von z..B. -12° C - 90% r.F. zu trocken, wenn auf Raumtemperatur von 20° C und 10% r.F. erwärmt wird. Durch Umschaltung der Volumenströme des Wärmetauschers kann dieser im Winter zur Entfeuchtung des Abluftstromesund Befeuchtung des Zuluftvolumenstromes benutzt werden. Die erheblichen Kosten für den elektrischen Dampfbefeuchter oder für den Vorwärmer und Wäscher als adiabatischer Befeuchter können entfallen. Die Befeuchtung im Winter stellt einen erheblichen Kostenfaktor einer Klimaanlage dar. Die Ausbaustufe Vollklima ist mit einer einzigen technischen Einrichtung möglich.

Allgemeine Gleichungen Dampfdiffusion p\-pl _ Δ£ p kg 1 g = p\+g)2- fl {_mlh spez. Diffusionswiderstand der Schichten

P^Φ η Diffusioπswiderstandsfaktor

Nm/kgK)

0,080 m²/h

5. Technische Formeln. Begriffe. Einheiten Dampfdiffusion Bauphvsik

a. Temperaturdifferenz __t i = Temperatur der Raumluft [°C]

Δt=ti- ta ta = Temperatur der Außenluft [°C] Δt= Temperaturdifferenz [°C]

b. Wärmedurchgangswiderstand Rw

S1, S2, S3 = Dicke der Schicht [m]

Rws- -_rilj.il- -Ü-.--L Γ∑LU 1 λi,λ2,λ3 = Wärmeleitfähigkeit [W/mhK] J= Wärmeübergaπgswiderstand [m2 hK/]. ^ = Wärmeübergangswiderstand [m2 hK/]

c. Grenzflächentemperaturen tι,o = tι + ₊ [^βc] t1,0 Temperatur Oberfläche Innenseite

«.2 = t1 + τ + [°C] t1 ,2 Temperatur Grenzfläche Schichten t1,₂ = t1 +Δ₊^^ [°C] t2,3 Temperatur usw.

d. Wasserdampfdiffusionsdurchlaßfaktor μi,μ2, ηn= Wasserdampfdiffusionswiderstandszahl Schicht 1,2, .. n [ 1 ] RD = μxsiχ-vι+μ2+j2χs2χ.V2 + .... N = Rechenwert, der die Temperatur berücksichtigt g

N1, N2.N3 = Rechenwert, der Schicht 1, 2.... bezogen auf die mittlere Tempera tur der Schicht θ1 ,d2,$3.-.fln Rechenwert N zur Beücksichigung der Temperatur des Diffusionswiderstands

Nach Eiser - Glaser Übergangswiderstände

+ 40"C 0,138 5 m/s α=25 £ = 0,04 ß=75 ^=0,013

+ 30^βC 0,142 10 m/s =50 = 0,02 ß=150 ± = 0,007

+ 20°C 0,46 25 m/s =100 ⁱ = 0,0l ß=300 ⁱ= 0,030

O'C 0,155

-10 ^βC 0,160 e Teildruck des Wasserdampfes der Raum- bzw. Außenluft.

P'=m^xP^s' [£] Psi, Ps1 , Psa = Sättigungsdruck Wasserdampf rel. Luftfeuchte der Luft [%] pa=^xpsa [§] p1,pa = Teiidruck des Wasserdampfes [kp/m2] f Differenz des Wasserdampf-Teildrucks

g Teiidruck des Wasserdampfes an der Grenzfläche zwischen Schichten 1, 2,.

p3,4 h Stelle im Bauteil , für die Px >Psx

Rdi = μ\xs\xN\+μ2xs2xN2 + bis Stelle x

Rda= von Stelle x bis τr\nxSnxNn

Δpi=P\-PsxA pa = Psx - Pa

i Wasserdampfdiffusionsstrom Rechenansatz

RDi ÄOα l ^lυ LmlxiJ i ' = ^ Rώ- η=40

Rd = :40X : 0,005x0, 146 = = 0,029:

N\ = 0,146

Vergleichwert wie nach Recknagel/Sprenger

. 5000x10' _ i ■■■-.[^" R ^"1 0.0292x10^» "L m^M J j Volumenbezogene Feuchte fester Stoffe

Uv = [Vol.-%] Sx = Dicke der Schicht, in der Wasser ausfällt [m]

Uv= voiumenbezogene Feuchte fester Stoffe 6. Beispiel zur Erfassung von Anlagegrößen DiffusorkonstruKtion

Nach dem Berechnungsbeispiel unter Punkt 3a beträgt der Partialdruck des Wasserdampfes bei +32° C , φ = 40 % :

P = o,4 x 47,53 x 10² = 1901 [N/m²] entspricht 208 [mm WS]

Strömungsbilder:

Ventilator oder Ventilatorarbeit

Kondensator

Vι

1t P2 = Ps Zustand der Ruhe

Kι (+)== 1t => V_ xχV\ + yχv₂ = v, P2> Ps Druckleistung

Strömungsverhalten bei V2 = 0. geschlossenes System

Druckseite Pges = 208 mm WS Venturi Pstat = 208 mm WS w = 16 m/s w = 84 m/s

Konstruktionsgrößen

Statischer Druck in Düse für t = 32° C, φ= 40 %, P1 =208 [mm WS] beiΔx=6,4 bei η = 0,5 für 8,0x13,6 P2 =108 [mm WS]

Eintrittsseite bei 4 m/s , 120 mmWs

P * = f x =—x\,2=\{mmiVS\ ς = ό,0

_Pgö=120+l = i21[mmF Sj w = 4,0[f]

mm WS] Ap = 6x -yx4^; = 6 [mmWS] j 328x19.62 -,-._rm, *ι _ ( Fz ~ d₂ = l^xxi.o² = 0,234 Verhältniszaht 1 : 0,234 = 30 : 7

Entspricht 7 mm Spaltbreite bei 30 mm Eintrittsouerschnitt.

7. Beispiel Erfassung von Anlagegrößen der Membrankonstruktion

In Absatz 5, genaue technische Formeln, wurde unter 5.i ein Wasserdampfdiffu- sionsstrom von i = 172 [g/m²h] in Rechenansatz gebracht.

Anwendungsfall:

Lufttechnische Anlage mit 3θθθ[^-] Sommerbetrieb Δ* = 3J[- ]

Luftkanal 1.0 x 1,0 m Kammer 1,0 m lang, 40 Einsätze 20 mm.freie Fläche 0,50 m²

F = ^m0?A ² = ^g - 8 , 2 - 80 [m-] (m»h * kglm2 * g/kg)/(g/m2h)

8. Betriebszustände im i-x-Diagramm Figur 1 Vereinfachte Darstellung im Mollier hx-Diagramm

Fig. 1 Zustandsänderungen

3 > 1 Befeuchtung mit Dampfbefeuchtung

3 > 2 Befeuchtung mit Wäscher Umlaufwasser

3 > 5 Sorptionstrockner

5 > 4 trockene Kühlung bzw. WRG

3 > 4 Diffusioπs-Effusions-Trockner

Die idealisierte Zustandsänderung 3 nach 4 , Trocknung der Luft ohne Sorptionswärme, ist Gegenstand der Neuerung. Die Schleppwärme wird abgeführt. zu 8. Berechnungsgang Lufttechnik a . Praktisches Anwendungsbeispiel zur Beurteilung von Anlagegrößen:

Lufttechnische Anlage mit 3000 m³/h , Sommerbetrieb Δχ = 3,2 g/kg Luftkanai 1 ^*1 ^* 1 m, 20 Einsätze 25 mm Dicke, Freifläche 0,5 m² ,

F = η§^ = ≡ = ₈2, 2 = so [ m²] Filterfläche

b. Berechnung Sorptionstrockner Wäscher Zuluft - Abluft

Sommer , Trockner , WRG , Wäscher Abluft

c. Berechnung Diffusion Wäscher Zuluft , Eintrag Sommer

Sommer , Trockner , WRG , Wäscher Abluft. Handeintrag wie Randmaßstab, jedoch umgekehrte Richtung, der Diffusionstrockner übernimmt Aufgabe des Sorptionstrockners, Wärmerückgewinners und Abluftwäschers. d. Berechnung Diffusion Wäscher Zuluft , Winter

Winter, Vorwärmer, Befeuchter, Nachwärmer, WRG . e. Berechnung Diffusion Wäscher Zuluft , Eintrag Winter

Winter, Vorwärmer, Befeuchter, Nachwärmer, WRG

9. Berechnungsgang Wasserdampfdiffusion Bauphysik

Das Fachgebiet Bauphysik liefert eine Reihe von praktischen und gesicherten Berechnungsgrundlagen, welche zur Abschätzung der Leistung und der Betriebszu- stände herangezogen werden können. Der Massenstrom läßt sich theoretisch so darstellen: Gesamtiuftmenge V = 28 =>==> D =»=>Luftme- .ge nach Diffusionstrockr.ung V = 2/

Ji

U Diffusionsanteil V = 1 D = Diffusionstrockner μ ist das Verhältnis der Wasserdampfdiffusion eines Stoffes zu demjenigen der Luft.

Dicke ais Konstruktionsgröße [ m ]

Wärmetransport λ [W/ m²]

Dampfdruck außen Vakuumseite [ Pa ]

Dampfdruck innen Luftseite [ Pa ]

Druckdifferenz Konstruktionsgröße z.B. < 10.000 [Pa ]

Dampfdiffusions- und Taupunktberechnungen der Bauphysik beziehen sich auf Temperaturen bzw. Temperaturdifferenzen, Druckdifferenzen sind umzurechnen. Die Wärmeübergangszahlen liegen bei 10 m/s kleiner als 0,01 W/m h .Der Eintrag Raumtemperatur gilt nur für die Berechnung der Druckdifferenz. Größenordnung des Vakuums ais Konstruktionsgröße z.B. 30.000 N/m² = 0,3 at Mit einfachen Baustoffen lassen sich folglich beachtliche Wirkungsgrade darstellen: Diffusionsstromdichte von i = 588 g / m²h bei 0,3 at

Der Platzbedarf des Diffusions-Effusionstrockners entspricht der Baugröße eines Schalldämpfers eines lufttechnischen Zentralgerätes. Die Verwirklichung der vorgeschlagenen Neuerung ist eine Konstruktionsaufgabe.

10. Anlage: Skizzen zu Laboraufbauten

10.1 zu 2.a Versuchsaufbau Diffusion - Effusion thermisch Wollastone

Figur 2

11 Verbindungsrohr

12 Gefäß luftleer

13 Eisbildung

14 Kältemischung

15 Gefäß mit Wasser

10.2 zu 2.b Versuchsaufbau Diffusion-Effusion Differenzdruck Figur 3

16 Gefäß

17 Wasserstoff

18 Verbindungsrohr 19 Kapillare

20 Wasserstrahl

21 poröses Tongefäß

22 Gefäß

23 Wasser

24 Verschlußstopfen

10.3 zu 3.a Diffusor-Venturikammer mit Absaugung im Nebenschluß Figur 4

25 Luftkanal

26 Hohlkörper mit Membranabdeckung

27 Verbindungsrohre

28 Saugdruckgebläse oder Vakuumpumpe

29 ohne Wärmetauscher

30 ohne Kondensatanstauregeiung oder Kolbenpumpe

31 ohne Kühlwasserkreislauf

0.4 zu 3.b Diffusor-Venturikammer mit Absaugung durch Kühlung im Nebenschluß wie unter 10.3 beschrieben, Figur 4, jedoch

29 Wärmetauscher

30 Kondensatanstauregelung oder Kolbenpumpe

31 Kühlwasserkreislauf

10.5 zu 3.c Diffusor-Venturikammer mit Absaugung über semipermeable Membran wie unter 10.4 beschrieben, Figur 4 , jedoch

26 Membranabdeckung mit semipermeabler Membran 28 Saugdruckgebläse

10.6 zu 3.d Nebenschluß-Ansaugkammer mit Vakuum über semipermeable Membran wie unter 10.4 beschrieben, Figur 4 , jedoch

26 Membranabdeckung mit semipermeabler Membran 28 Vakuumpumpe

10.7 zu 3.e Nebenschluß-Ansaugkammer mit Vakuum semipermeable Sorptionswand wie unter 10.4 beschrieben, Figur 4 , jedoch 26 Membranabdeckung mit semipermea ler Membran und SiO²-Schicnt 28 Vakuumpumpe

10.8 zu 3.f Nebenschluß-Ansaugkammer mit Vakuum dauer-hygroskopische Membran wie unter 10.4 beschrieben, Figur 4 , jedoch

26 Membranabdeckung mit semipermeabler Membran und z.B. LiBr-

Schicht innen 28 Vakuumpumpe

11. Prinzipieller Aufbau Komponenten

Bemerkenswert ist die Tatsache, daß kein Wärmeaustauscher auf der Druckseite benötigt wird, folglich darauf verichtet werden kann. Die Lufttrocknungsaniage kann einfach und betriebssicher aufgebaut werden und stellt geringe Anforderungen an Investition, Wartung und Betrieb. Die Luftförderung erfordert die üblichen Fiiterklas- sen, weil glatte gut zu reinigende Oberflächen ausgebildet werden können.

Es ist möglich, den Wasserdampfprozeß nur durch einen Verdichter als offenes System aufrechtzuerhalten, unabhängig ob der Verdichter durch einen elektrischen oder thermischen Antrieb realisiert wird.

Die Anlage besteht folgenden wenigen und einfachen Komponenten:

- Direktkontakt-Verdampfer in der Bauform

3a) Diffusor - Venturisaugkammer mit Absaugung im Nebenschluß

3b) Diffusor - Venturisaugkammer mit Kühlung im Nebenschluß

3c) Nebenschluß-Austauscher mit semipermeabler Membran,Vakuum-Ab- saugung und Kühler 3d) Nebenschlußaustauscher mit Vakuum-Absaugung und semipermeabler

Sorptions-Membran 3e) Nebenschlußaustauscher mit Vakuum- Absaugung und dauerhygroskopischer Membran

- Wasserdampf-Verdichter

Der entstandene Wasserdampf muß nur auf ein Druckniveau verdichtet werden, daß eine Verflüssigung bei angebotener Kühltemperatur, vergleichbar dem Kaltdampfprozeß., möglich ist. Durch die Kondensation wird das Saugdruckgefälle aufgebaut, der Einsatz eines Kühlsystems oder/und der eines Verdichters ict in der Wirkungsweise vergleichbar bzw. läßt sich entweder/oder ersetzen.

- Variante Direktkontakt-Kondensator

Zur Kondensation des verdichteten Wasserdampfes wird Kühlwasser eingespritzt. Der Verdichter-Enddruck richtet sich nach der Austrittstemperatur des Kühlwassers.

- Variante Oberfiächenkondensator ( indirekter Kondensator)

Das Kühlwasser wird zur Kondensation des verdichteten Wasserdampfes durch einen Oberflächenkühler geleitet.

- Verdichter, Vakuumpumpe und Nebenaggregate

Zur Einstellung und Aufrechterhaltung des Betriebsdruckes ( Vakuum ) wird, je nach Betriebsdruck und innerer Widerstände des Diffusions-Effusions-Körpers eine Vakuumpumpe bzw. ein Verdichter benötigt. Weil das spezifische Volumen von Wasserdampfes sehr groß ist, ist folglich die volumetrische Leistung trotz hoher Verdampfungsenergie sehr klein. Dieser Nachteil ist gegenüber dem Einsatz einer Kälteanlage mit Kältemittels zu rechtfertigen, weil die Leistungszahl von 5,0 auf voraus sichtlich 12,5 sich steigern läßt und sich die Anlage auf einen Dampfdruck von 312 mbar bei 70°C auf vernünftige Werte einstellen läßt.

12. Ausgangssituation

Verfahren der Luftentfeuchtung durch Diffusion - Effusion

12.1 Gesetzesgrundlagen

Aufgrund einschlägiger Verordnungen und freiwilliger Maßnahmen der Industrie, sowie der Entwicklung der Kältemittelpreise, werden Direktverdampferanlagen und Anlagen und Aggregate mit überfluteter Verdampfung zunehmend seltener. Als Ersatz sind folgende Anlagen in Anwendung oder Entwicklung:

12.1.1 Zentrale Anlagen mit Kälteträger anstelle von Direktverdampferaniagen.

Der Anlage 12.1.1 haftet der Mangel an, daß eine deutlich geringere Energiedichte bei Wasser ( 25 - 50 kJ/kg) anstelle von Kältemitteln ( 100 - 1000 kJ/kg ) hohe Förderkosten erforderlich sind.

12.1.2 Dezentrale, kompakte Kälteiagen anstelle von Direktverdampferaniagen

Der Anlage 12.1.2 haftet der Mangel an, daß Einbusen an Effizienz wegen schlech- terem Wirkungsgrad, erschwerter Regelbarheit und erhöhter Wartungsaufwand gegenüberstehen.

12.1.3 Anlagen mit Ammoniak als Kältemittel

Die Verwendung des klassischen Kältemittels ist Restriktionen unterworfen und ist jedoch für Industrieanlagen eine gute Wahl.

12.1.4 Luftkühlung durch Luftentfeuchtung und Befeuchtung

Die dargestellte Neuerung, das Verfahren der Luftentfeuchtuπg durch Diffusion - Effusion und adiabatische Befeuchtung , hat nicht den Zweck, Kälteanlagen ersetzen zu wollen. Das Verfahren bietet lediglich die Möglichkeit, durch eine effiziente Luftaufbereitung mit einem dem Kaltdampfprozeß ähnlichen Verfahren keine Kälteanlagen für die Teiiaufgabe einsetzen zu müssen.

Der Energieaustausch erfolgt nicht in der flüssigen, sondern in der Mischphase Luft-Wasserdampf mit Direktkontakt-Diffusion, der Anordnung eines Diaphragmas als Grenzschicht zwischen den Mischphasen zweier Systeme , weiches kontinuierlich unter Differenzdruck stehen, der technisch erzeugt wird.

13. Technische Darstellung

Luftentfeuchtung durch Diffusion - Effusion

Nachfolgende Dastellungen zeigen den Einsatz der unter 12. dargestellten Komponenten auf. Der Verdichter erzeugt beispielweise einen Dampfdruck des Wasserdampfes von 312 mbar bei einem Temperaturniveau von 70 ° C. Anhand der Darstellungen ist zu erkennen, daß, wenn der entzogene Wasserdampf nicht einem System zugeführt werden, in einem offenes System entweichen. Folglich können die Komponenten in der Darstellung 13.3 als offenes System die Aufgabe der Entfeuchtung übernehmen, weil die offene Atmosphäre den Kreislauf schließt und das System auf wenige Komponenten reduziert.

13.1 Verfahren mit indirektem Kondensator Figur 5

32 Vakuum-Kompresssor

33 Kondensat-Ableitung

34 Verdichter mechanisch oder thermisch

35 Dtffusions-Hohlkörper 36. Diaphragma 37 Luftkanalsystem geschlossen

38 Luftspalt

39 Förderventilator Luftsystem

40 K ühlsystem

41 Oberflächenkondensator

13.2 Verfahren mit Direktkontakt-Kondensator Figur 6

32 Vakuum-Kompresssor

33 Kondensat-Ableitung

34 Verdichter mechanisch oder thermisch

35 Diffusions-Hohlkörper

36 Diaphragma

37 Luftkanalsystem

38 Luftspait

39 Förderventilator Luftsystem

40 K ühlsystem

42 Direktkontaktkondensator

13.3 Verfahren mit offenen System Figur 7

32 Vakuum-Kompresssor

43 Kondensat-Ableitung in freie Atmosphäre

34 Verdichter mechanisch oder thermisch

35 Diffusions-Hohikörper

36 Diaphragma

37 Luftkanalsystem

38 Luftspalt

39 Förderventilator Luftsystem

13.4 Verfahren 13.3 in lufttechnischen System als Vollklimaanlage Figur 8

Die Darstellung 13.4 zeigt eine typische Einbindung des dargestellten Verfahrens in ein klimatechnisches System. Die Anlagekomponenten ( Sommerbetrieb) sind:

44 Vorwärmer Frostschutz z.B.-12 4°C - 90%. r.F:

45 Wärmerückgewinnungsystem rekuperativ Zuluft z.B. 32°/40% - 26 55%

46 Nebenschluß- Diffusions-Effusion Entfeuchter z.B. 26755% - 30710%

47 Wäscher regelbar oder Kaltdampfgenerator z.B. 30710% - 18760%

48 Zuluftventilator z.B. 18760% - 19755% 49 Nachwärmer z.B. 4722^qC - Raum

50 Abluftventilator z.B. 24760% - 25755%

51 Wäscher oder Kaltdampfgenerator z.B. 25755% - 19795%

52 Wärmerückgewinnungsystem rekuperativ Abluft z.B. 19795% - 25770% ( Umschaltung Druckseite Verdichter hinter WRG im Sommerbetrieb )

Das vorgestellte System ist in der Lage, die üblichen Betriebszustände einer zentralen Luftaufbereitung einer Klimaanlage zu erreichen und erhebliche innere Raumlasten abzuführen, ohne eine Oberflächenkühlung mit die üblichen Kältemaschinen, welche mit FCKW, H-FCKW, FKW, NH³; LiBr/Wasser, Wasser/NH³ oder Flüssiggasen betrieben werden, einsetzen zu müssen. Die Anwendung des Kaltdampf- bzw. des Kaltgasprozesses beschränkt sich auf gewerbliche Anwendungen. Das vorgestellte System erfüllt mit einfacher Technik betriebssicher die geringen Anforderungen der Käiterzeugung mit einer Leistungszahl von ca. 12,5, die üblichen Kälteer- zeugungsaniagen können eine maximale Leistungszahl von 5,5 erreichen.

13.5 Verfahren 13.3 in lufttechnischen System mit Feuchterückgewinn Fig. 9

Mit der zusätzlichen Luftaufbereitungsstufe Befeuchtung im Winterbetrieb wird eine Teilkiimaaniage zu einer Vollklimaaniage aufgerüstet. Die Befeuchtung der Luft erfolgt üblicherweise durch: a. Vorwärmung der Luft durch Vorwärmer ( in der Lage zwischen 2. und 3.) und Befeuchtung durch 4.) Die Verdampfungswärme wird vor der Befeuchtung durch den Umlaufkühler zugeführt und ist bei winterlichen Temperaturen, welches etwa 1/3 des Jahresklimas darstellen, mit etwa gleich hohen Kosten wie die Luftkühlung verbunden. b. Dampfbefeuchtung erfolgt aus Dampfversorgung oder elektrischer Dampfbefeuchter und ist mit gleich hohen Kosten verbunden.

Mit der dargestellten Neuerung lassen sich im Gegensatz zu den aufwendigen Verfahren durch Vorwärmung und Befeuchtung oder elektrischen Dampfbefeuchter mit den bestehenden Anlageteiien durch Umschaltung der Volumenströme oder als Zusatzeinrichtung ein ähnlich kostengünstiges Verfahren der Befeuchtung durch Entfeuchtung der Abluft im Winterbetrieb darstellen. Dieses Verfahren ist, weil eine regenerative, d.h. latente und sensible Wärmerückgewinnung für das dargestellte Verfahren Entfeuchtung und adiabatische Kühlung nicht möglich ist, für zentrale Luft aufbereitungsanlagen geeignet. 23

Figur 9

Die Darstellung 13.5; Figur 9 zeigt eine typische Einbindung des dargestellten Verfahrens als Vollkiimaaniage. Die Anlagekomponenten ( Winterbetrieb) sind:

44 Vorwärmer Frostschutz

45 Wärmerückgewinnungsystem rekuperativ Zuluft

46 Nebenschluß- Diffusions-Effusion Entfeuchter

47 Wäscher regelbar oder Kaltdampfgenerator

53 Eintrag aus Nebenschluß- Entfeuchter Abluft

48 Zuluftventilator

49 Nachwärmer

46 Nebenschluß- Diffusions-Effusion Entfeuchter

50 Abluftventilator

47 Wäscher regelbar oder Kaltdampfgenerator

52 Wärmerückgewinnungsystem rekuperativ Abluft

Werden die Jahresgradtage und die mittleren Monattemperaturen berücksichtigt, so erfüllt vorgestellte System mit einfacher Technik betriebssicher auch die Anforderungen der Befeuchtung zu max. 30% der Energiekosten, weil die aufgewandte Energie in der Wärmerückgewinnung der Abluftseite zurückgewonnen werden kann. Durch Umschaltung der Luft-Volumenströme Sommer-Winter und Umschaltung der des Eintrags Dampfvolumens aus der Verdichterseite, lassen sich die gleichen Einrichtungen für Sommer- und Winterbetrieb verwenden.

13.6 Verfahren 13.3 im System zur Erzeugung von Klimakaitwasser Fig. 10

Wird das unter Fig. 9 dargestellte System mit Mischklappen auf der Außenund Fortluftseite und der Raumseite ausgerüstet, so läßt sich durch eine kontinuierliche Entfeuchtung und Befeuchtung, ähnlich der Destillation mit Antriebs- und Verstärkungssäule darstellen. Zur Trennung der azeatropen Mischung wird durch die Mischklappe eine temporäre Mischung gebildet. Die Entnahme des Wärmepotentials erfolgt über einen Wärmeaustauschers, welcher in den Kreislauf des Befeuchters als adiabatische Kühlung angeordnet ist.

Legende Fig. 10

54 Mischkiappensteuerung Frischluft - Fortluft

45 Wärmrückgewinnung rekuperativ

46 Nebenschluß- Diffusions-Effusion Entfeuchter 7 Wäscher regelbar oder Kaltdampfgenerator 3 Eintrag aus Nebenschluß- Entfeuchter Abluft 8 Zuluftventilator 9 Nachwärmer

54 Mischklappen Umluft - Fortluft 6 Nebenschluß-Diffusions-Effusions-Luftentfeuchter

50 Abluftventilator 7 Wäscher regelbar oder Kaltdampfgenerator

52 Wärmerückgewinnungsystem rekuperativ Abluft

53 Eintrag Wasserdampf in Befeuchterstrecke

54 Mischklappen Umluft - Fortluft

55 Wärmaustauscher adiabatische Kühlung

56 adiabatische Kühlung Umlaufwasser geothermisch

57 Kondensator Dampfentfeuchter

58 Latentspeicher mit Kühldecke

59 Abnahme Pumpenkaltwasser adiabatische Kühlung

60 Energiepfähle für adiabatische Kühlung Umlaufwasser

13.7 Verfahren 13.3 Darstellung im h-x-Diagramm Fig. 11

Ähnlich der grafischen Darstellung der kontinuierlichen Destillation im McCabe-Thie- le-Diagramm bildet die Sättigungskurve im h-x-Diagramm die Verstärkungslinie. Die Antriebsgerade bildet die Wirkungskennlinie. Die vereinfachte Darstellung im Mollier hx-Diagramm entsprechend Fig. 1 erfoigen folgende Verfahrenschritte kontinuierlich bis theoretisch die Sättigungskurve und die Wirkungsgradkennlinie sich annähern, sofern, und das ist der Sinn der Konstuktion, keine Wärme als Klimakaltwasser über den Wärmaustauscher adiabatische Kühlung des Wäscher entnommen wird. Fig. 11 zeigt die kontinuierlichen Verfahrensschritte

3 > 4 Diffusiόns-Effusions-Trockner

4 > 5 Befeuchtung mit Wäscher Umlaufwasser

5 > 6 , 6 > 7 , 8 > 9 als Grenzkurve 10 14. Konstruktionsdetail Figur 12

Nebenschluß-Diffusions-Effusions-Entfeuchter

Nebenschluß-Ansaugkammer, semipermeable Membran, Vakuum, mit

Direktkontakt-Kondensator

Das Konstruktionsdetaii zeigt eine typische Anordnung der Anlagebauteile:

61 Luftführung gieich welcher Luftrichtung

62 Luftkanaisystem

63 Hohlkörper

64 Oberflächenkondensator

65 Kühlrippen

66 Kühlwasserkreislauf > 68°C

67 Verdichter thermisch oder mechanisch bzw. Vakuumpumpe

68 Destillatwasservoriage

69 Kondensatableitung Kondensatanstauregelung oder Kondensatpumpe

70 Diffusions-Effusions-Sorptionskörper als Direktkontakt-Verdampfer

Die Einrichtung 67 , Vakuum-Verdichter bzw. Saugdruckgebläse, ist zur Überwindung der Widerstände der semipermeablen Membran der Soφtionskörper 70 konstruktions bedingt erforderiich.

Die Einrichtungen 64, 65, 66 , Wärmetauscher und 69 Kondensatableitung sind erforderlich, wenn der Kondensationsdruck über einen Verflüssiger mit Kühlung aufgebaut wird.

Der Vakuum-Verdichter 67 erfüllt dann lediglich die Aufgabe des Druckaufbaus vor einer mechanischen Kondensatanstauregelung 69. Der Aufbau einer Kondensat-Kolbenpumpe anstatt der Kondenstatanstauregelung zur Entwässerung des Verflüssiger ist möglich.

Die Einrichtung 65, Wärmeaustauscher mit Kühlrippen, kann durch einen geschlossenen Wäscher mit Kühlung des Umlaufwassers ersetzt werden. Eine Kondensatpumpe mit Niveauregeiung entfernt überschüssigen kondensierten Wasserdampf aus dem System.

Wegen des geringen erforderlichen Differenzdrucks durch Diffusion-Effusion im Nebenschluß, ist es wirtschaftlich, gänzlich das auf Kondensationssystem zu verzichten, wenn die Bauart des Vakuum-Verdichter, Saugdruckgebläse oder Strahlpumpe dies wahlweise zuläßt. Die Bauart offenes System ist zu bevorzugen. 15. Anwendungen

15.1 Figur 13

Die Darstellung 13 zeigt vereinfacht den Verlauf der Luftbehandlung im Mollier- h-x-Diagramm. Nach dem Verfahrensschritt Lufttrocknung durch Nebenschluß- Diffusions-Effusioπs-Entfeuchter AU zu AU' erfolgt die Wärmrückgewinnung durch ein Rekuperativ-Wärmaustauscher AU^'zu AB^' und wird durch eine Mischklappensteuerung als Teilstrom geführt. Die anschließende adiabatische Befeuchtung erlaubt eine wesentlich niedrigere Zulufttemperatur und Kühlleistung als die bekannten Systeme. Es ist somit auch möglich, in den Umlaufwasserkreislauf des Befeuchters, siehe Figur 10, 59 Abnahme Pumpenkaltwasser adiabatische Kühlung, Prozeßkälte für den Anwendungsbedarf Raumiufttechnik zu erzeugen.

15.2 Figur 14

Figur 14 zeigt den Geräteaufbau eines bekannten Herstellers, welcher die adiabatische Kühlung in einen Platteπwärmeaustauscher stattfinden läßt und effektiv den Wärme- und Stofftransport des Systems optimiert. Mit der zusätzlichen Ausrüstung des Nebenschluß-Diffusions-Effusions-Entfeuchters 46 kann daß System wesentlich höhere Kälteleistungen als nur mit der adiabatischen Kühlung im Abluftstrom erbringen.

15.3 Figur 15

Figur 15 zeigt die Anwendung des Geräteaufbaus Figur 14, wenn das System mit Mischklappensteuerungen 54 ausgerüstet wird. ( Siehe auch Figur 10 ). Durch die Luftführung im Kreislauf kann theoretisch das Umlaufwasser des Befeuchters bis zu der Kühlgrenze, welche dem Partialdruck des Wasserdampfes in der Atmosphäre entspricht, heruntergekühlt und dem Umlaufwasser Kälte mit dem Wärmeaustauscher ( Einrichtung Wärmtauscher 59 ) entnommen werden. Diese Betriebsart entspricht der Erzeugung von Klimakaltwasser ohne üblicher Kältemaschinen. Bezugszeichenliste

3 > 1 Befeuchtung mit Dampfbefeuchtung

3 > 2 Befeuchtung mit Wäscher Umiaufwasser

3 > 5 Sorptionstrockner

5 > 4 trockene Kühlung bzw. WRG

3 > 4 Diffusions-Effusions-Trockner

5 > 6 > 7 > 8 > 9 > 10 Grenzkurve

11 Verbindungsrohr

12 Gefäß luftleer

13 Eisbildung

14 Kältemischung

15 Gefäß mit Wasser

16 Gefäß

17 Wasserstoff

18 Verbindungsrohr

19 Kapillare

20 Wasserstrahl

21 Verbindungsrohr

22 Gefäß

23 Wasser

24 Verschlußstopfen

25 Luftkanal

26 Hohlkörper mit Membranabdeckung

27 Verbindungsrohre

28 Saugdruckgebläse oder Vakuumpumpe

29 mit / ohne Wärmetauscher

30 mit / ohne Kondensatanstauregelung oder Kolbenpumpe

31 mit / ohne Kühlwasserkreislauf

32 Vakuum-Kompresssor

33 Kondensat-Ableitung

34 Verdichter mechanisch oder thermisch

35 Diffusions-Hohlkörper

36 Diaphragma

37 Luftkaπalsystem geschlossen Luftspalt Förderventilator Luftsystem Kühlsystem Oberfiächenkondensator Direktkontaktkondensator Kondensat-Ableitung in freie Atmosphäre Vorwärmer Frostschutz Wärmerückgewinnungsystem rekuperativ Zuluft Nebenschluß- Diffusions-Effusion Entfeuchter Wäscher regelbar oder Kaltdampfgenerator Zuluftventilator Nachwärmer Abluftventilator Wäscher oder Kaltdampfgenerator Wärmerückgewinnungsystem rekuperativ Abluft Eintrag aus Nebenschluß- Entfeuchter Abluft Mischklappensteuerung Frischluft - Umluft / Umluft-Fortluft Wärmaustauscher adiabatische Kühlung adiabatische Kühlung Umlaufwasser Kondensator Dampfentfeuchter Latentspeicher Kühldecke P 197 16 288 Abnahme Pumpenkaitwasser adiabatische Kühlung Energiepfähle für adiabatische Kühlung Umlaufwasser Luftführung gleich welcher Luftrichtung Luftkanalsystem Hohlkörper Oberflächenkondensator Kühlrippen Kühlwasserkreislauf > 68°C Verdichter thermisch oder mechanisch bzw. Vakuumpumpe Destiilatwasservorlage Kondensatableitung Kondensatanstauregeiung oder Kondensatpumpe Diffusions-Effusions-Soφtionskörper als Direktkontakt-Verdampfer

Claims

Patentansprüche

1. Ein kontinuierliches Gastrennverfahren unter Nutzung von Druckdifferenzen und Anwendung dieses Verfahren in der Luft- und Klimatechnik, die Anordnung eines Diaphragmas im Hauptstrom und Gastrennung durch Druckdifferenzen im Nebenschluß ist Gegenstand der Neuerung.

2. Konstruktionsdetail Luftkanal mit inneniiegenden Kammern mit Diaphragma, welches folgende Ausführungen und zugehörige Einrichtungen ermöglicht:

3 Diffusor - Venturisaugkammer mit Absaugung im Nebenschluß,

4 Diffusor - Venturisaugkammer mit Kühlung im Nebenschluß,

5 Nebenschluß-Feuchteaustauscher mit semipermeabler Membran, Vakuum- Absaugung optional und Kühler oder geschlosener Wäscher als Kondenator,

6 Nebenschluß-Feuchteaustauscher Vakuum-Absaugung und semipermeabler Sorptions-Membran,

7 Nebenschluß-Feuchteaustauscher mit Vakuum-Absaugung und dauerhygroskopischer Membran,

8 Kontinuierliches Verfahren mit Befeuchtung als Antriebsgerade und Entfeu- tung mit Nebenschluß-Feuchteaustauscher als Verstärkungsgerade in einem lufttechnisches Zentralgerät mit Mischklappensteuerung zum Zwecke der Erzeugung von Pumpenkaltwasser, weiches über einen Wärmetauscher im Umlaufwasserkreislauf des Befeuchters als adiabatische Kühlung entnommen und erzeugt wird .