AT517013A1

AT517013A1 - Wassertemperiertes Klimatisierungssystem mit Kondensationswärmerückführung

Info

Publication number: AT517013A1
Application number: ATA192/2015A
Authority: AT
Inventors: Gerhard Dr Kunze
Original assignee: Solarfrost Forschung Gmbh
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2016-10-15

Abstract

Klimatisierungssystem bestehend aus 3 Plattenwärmetauschern (A,B,C), 4 Ventilatoren (5,6,7,8) oder Gebläsen und 4 Regelelementen (V1,V2,V3,V4) und externer Kalt- oder Heißwasserversorgung (3a,3b,3c,3d,3e), wobei der erste Wärmetauscher (A) ein Luft-Luft Wärmetauscher mit Kondensationswasserrückführung (4a) in die Abluft (1d), der zweite Wärmetauscher (B) ein Luft-Wasser-Plattenwärmetauscher zu Taupunktserniedrigung der Frischluft (2b) ist, wo das Kondenswasser (4b) ebenfalls in der Abluft (1d) des ersten Wärmetauschers (A) verdampft wird, und der dritte Wärmetauscher (C) ein Luft-Wasser- Plattenwärmetauscher zur Innenraumluftkühlung (13) ist wobei diese drei Wärmetauscher (A,B,C) dadurch in ein System integriert sind, dass sie einen einzigen Plattenblock mit weitgehend horizontalen Platten (9,10) bilden, wo auf jeder Platte jedem der drei beteiligten Wärmetauscher ein Sektor und zwischen diesen Sektoren Verbindungskanäle zugewiesen sind und durch Stege (11) definiert sind, so dass die Sektoren und die Verbindungskanäle der einzelnen Platten kongruent übereinander liegen.

Description

Wasser temperiertes Klimatisierungs system'Mit!

Kondensationswärmerückführung

Einleitung

Obwohl die Klimatechnik seit langer Zeit einen Entwicklungsstand erreicht hat, von dem man annahm, dass im Prinzip jedes Gebäude klimatisierbar sei, häufen sich in letzter Zeit Klagen über unerträgliches Klima in Büroräumen an heißen Sommertagen. Insbesondere ist dies in Altbauten im dicht verbauten Gebiet der Fall, wo für die voluminöse zentralen Klimasysteme kaum Platz ist, weil weder die entsprechenden Räume im Keller oder am Dachboden zur Verfügung stehen, weil diese schon anderweitig genützt werden und auch keine Flachdächer existieren, wo man große Wärmetauscher zur Entsorgung der Abwärme aufstellen könnte. Wenn schützenswerte Außenfassaden vorhanden sind, können auch keine kleinen so genannten Split-Geräte zur Kühlung einzelner Räume installiert werden. Für zentralisierte geregelte Ventilation gilt das gleiche Platzproblem, weil man in alte Häuser nur schwer die dafür üblicherweise verwendeten Lufttunnel aus Blech einbauen kann. Selbst die althergebrachte Ventilation durch geöffnete Fenster ist bei hohen Außentemperaturen nicht zielführend, insbesondere bei hoher Luftfeuchtigkeit weil sich dann an den von der Nacht her kühlen dicken Mauern Kondenswasser niederschlägt, was das Unwohlgefühl der Rauminsassen noch verstärkt.

Aber auch in neueren Gebäuden ist cTi£**Lüftfauchtigkeit im Sommer ein Problem weil man wegen der heute üblichen viel größeren Fenster und Verglasungen aber auch wegen der Büromaschinen, insbesondere Computer, die einen sehr großen Wärmeeintrag liefern, zwar gerne lüften würde aber gleichzeitig die hohen Energiekosten scheut, die man braucht um all den so hereingebrachten Wasserdampf zu kondensieren.

Die vorliegende Erfindung versucht daher einen Weg aufzuzeigen, wie man im Sommer trotz Energiesparens eine relativ trockene Raumluft erreichen kann selbst wenn außen ein tropisch feuchtes Klima herrscht.

Stand der Technik

Das Problem der ausreichenden Klimatisierung von Büros im Sommer ist derzeit nur in Neubauten befriedigend lösbar. Dabei wird nicht nur die Innenraumtemperatur gesenkt sondern auch die Luftfeuchtigkeit geregelt sowie für einen ausreichenden Luftwechsel in den Räumen gesorgt. Es gibt dabei Ansätze zum Energiesparen, wie Luft-Luft-Wärmetauscher um beim Luftwechsel die zufließende warme Frischluft durch die verbrauchte aber kühle Abluft etwas abzukühlen, bevor sie durch hocheffiziente Kompressionskältemaschinen bis auf unter 15°C abgekühlt wird, um dadurch den in der Luft enthaltenen Wasserdampf zu kondensieren und das dabei entstehende Wasser auszuscheiden.

Um Energie zu sparen, hat man versucht*, *di^· für den Winter vorgesehenen Heizradiatoren im Sommer mit kaltem Brunnenwasser oder in Meeresnähe mit Kaltwasser aus tiefen Meeresschichten zu beschicken. Das funktioniert aber nur dann, wenn dieses Wasser wirklich sehr kalt ist, weil mit herkömmlichen Luft-Wasser-Wärmetauschern typischerweise Temperaturdifferenzen von 5-10°C zwischen Kühlmedium und erreichter Lufttemperatur liegen. Wenn die Kühltemperatur der Luft nicht ausreicht, etwa 16°C Taupunkt ist ein guter Wert, wird die Raumluft schwül und unangenehm. In jedem Fall aber führt eine solche Kühlung zu Wasserkondensation am Kühler, mit dem häufig auftretenden Problem, dieses Wasser aus einem Büroraum entfernen zu müssen, wo kein Abwasserrohr in der Nähe ist. Zudem beweist das Kondenswasser, dass bei dieser Vorgehensweise die relative Feuchtigkeit der Raumluft in die Nähe von 100% kommt, was normalerweise als sehr unangenehm empfunden wird. Abhilfe könnte nur ein heftiger Luftwechsel bringen, weshalb viele Experten häufige „Stoßlüftung" empfehlen. Tatsächlich muss aber an heißen feuchten Tagen der in der Außenluft reichlich enthaltene Wasserdampf, sobald er in einen kühleren Raum gelangt, dort kondensieren, insbesondere an den Wänden, wo dann Schimmel entsteht.

Unabhängig davon werden Radiatoren zum Kühlen oder zum Erwärmen der Raumluft in der Regel als Luft Wasser-Wärmetauscher mit Lamellenrohren gebaut. Diese haben den Nachteil, dass die Wärme auf dem Weg zwischen Innenrohr und Außenluft ein Wegstück entlang von

Lamellen laufen muss, welche einen *re*l!ät*iv*tjrüßen Wärmewiderstand haben. Dadurch ergibt sich ein deutlicher Temperaturunterschied - in der Regel sind es mehrere Grade zwischen der Luft und dem flüssigen Temperierungsmedium. Je größer dieser

Temperaturunterschied aber ist, desto schlechter wird der Gesamtwirkungsgrad eines Klimasystems. Man hat daher auch vorgeschlagen, Plattenwärmetauscher für Luft-Wasser-Wärmeaustausch zu verwenden. Will man dabei aber sehr kleine Temperaturunterschiede zwischen Wasser und Luft entlang des ganzen Wärmetauschers erreichen, was die Voraussetzung für eine Wiederverwertbarkeit der Wärme ist, muss der Wasserstrom sehr klein und langsam sein. Dabei besteht in herkömmlichen Plattenwärmetauschern die Gefahr, dass in großen Plattenabschnitten überhaupt keine Wasserströmung mehr herrscht. Als Antwort auf dieses Problem wurde vorgeschlagen, das Wasser in Serpentinen durch einen Plattenwärmetauscher zu führen, weil dann notwendigerweise überall eine gleich starke Strömung herrschen muss. Das Gegenargument, das bis heute die Diskussion beherrscht ist aber, dass dann der Strömungswiderstand des Wassers zu groß würde.

Auch eine geregelte Lüftung mit Luft-Luft Wärmetauschern kann das Feuchtigkeitsproblem nicht lösen, weil diese Luft-Luft-Wärmetauscher nicht für den Sommer, sondern für den Winterbetrieb erfunden worden sind. Im Winter kann ein solcher Wärmetauscher tatsächlich die zufließende relativ trockene Frischluft leicht mit Hilfe der abfließenden verbrauchten warmen

Abluft fast auf Zimmertemperatur* efwäYfhe'ft, ‘Wei·! die in der Abluft enthaltene Feuchtigkeit im Wärmetauscher kondensiert und damit ein viel größeres Energieangebot bringt, als die kalte Zuluft aufnehmen kann. Dadurch wird das Energieproblem zwar nicht gelöst, aber es verschwindet aus dem Bewusstsein: Denn der absolute Wassergehalt der winterlichen Außenluft ist sehr niedrig. Nachdem diese trockene Luft auf Zimmertemperatur gebracht worden ist, was man mit dem Thermometer überprüfen kann, hat sie eine extrem niedrige relative Luftfeuchte die der menschlichen Haut Wasser entzieht, was subjektiv als Kälte empfunden wird, weshalb man dann den Thermostaten auf eine höhere Temperatur stellt, oder man verdampft Wasser im Raum, um die Luft zu befeuchten, was ebenfalls mehr Energie kostet.

Man hat versucht, das Kondenswasserproblem in der Lüftung zu umgehen, indem man zwischen Zuluft und Abluft eine halbdurchlässige Membran spannt, die es dem Wasserdampf ermöglicht, von der feuchten Wärmetauscherseite auf die trockene Seite zu wandern. Dabei sinkt aber der Wirkungsgrad des Wärmetauschers. Verwendet man einen solchen Luft-Luft-Wärmetauscher im Sommer ist der Kühleffekt auf die Frischluft gering, weil ein großer Teil der Kondensation erst in dem Bereich der Kühlung stattfindet, wo der Taupunkt der Frischluft unter die Zimmertemperatur gesenkt wird, um ein angenehmes Raumklima zu schaffen. Der Wärmeeintrag aus diesem Kondensationsprozess kann nicht zurück gewonnen werden.

Insgesamt zeigt die Berechnung, *äas*s **dfe2** relative Beitrag der Luftfeuchte aus dem Luftwechsel zur Wärmebilanz im Winter weniger wichtig ist als im Sommer.

Im Sommer ist die hohe Außenluftfeuchtigkeit das größte energetische Teilproblem bei der Lüftung, weil durch sie konventionelle Wärmetauscher überfordert sind. Die bei der Kondensation des Wassers aus der feuchten Außenluft frei werdende Energie ist viel größer als die Fähigkeit zur Wärmeaufnahme der abströmenden kühlen und trockenen Innenluft. Das heißt, ein Luft-Luft Wärmetauscher kann zwar die Innenluft auf Außentemperatur bringen, die zugeführte Außenluft ändert dabei aber ihre Temperatur nur geringfügig. Sobald man es mit feuchter Luft zu tun hat, geht es im Wärmetauscher nicht mehr nur um Wärme, sondern um die Enthalpie dieses Gasgemisches. Das erfordert die Berücksichtigung von Kondensation und Verdampfung sowie deren Steuerung und Optimierung, was in den derzeit üblichen Wärmetauschern nicht möglich ist.

Eine weitere Temperatursenkung und Luftentfeuchtung kann dann also nur durch eine Kältemaschine erreicht werden. Diese Asymmetrie ist das wichtigste Einzelproblem für ein ökologisch vernünftiges Klimasystem und seine Bedeutung steigt noch mit der erwünschten Luftwechselrate.

Schon bei einer Luftwechselrate von LWR=1 pro Stunde an einem heißen feuchten Sommertag zeigt sich, dass für eine Klimaanlage nach dem Stand der Technik die

Wasserkondensation der größte Einze*I]?>*c5£t!ön*ttit 40% vom Gesamtwärmeeintrag ist. Für eine Luftwechselrate von LWR=4 wie er in der DIN -Norm als Mindestwert für Büroräume empfohlen wird, bringt die Wasserkondensation sogar 60% des Gesamtwärmeeintrags.

Will man diese erforderliche Kühlleistung reduzieren, wird daher von vielen Autoren empfohlen, die Luftwechselrate auf LWR=1 zu senken. Dann tritt aber ein neues Problem auf: Um die großen Wärmeeinträge von Büromitarbeitern, Büromaschinen und Sonneneinstrahlung abzuführen braucht man je nach der Temperatur der Kältemaschine eine Mindestluftstrommenge. Wählt man diesen Mindestluftstrom sehr klein, so muss die Kühltemperatur sehr niedrig sein. Führende Kältemaschinenhersteller empfehlen 7°C. Im klimatisierten Raum entsteht dabei ein inhomogenes Luftgemisch mit sehr unterschiedlichen Temperaturen, welches zu häufigen Erkrankungen der Benutzer eines solchen Raumes führt.

Aufgaben der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gerät anzugeben, um damit die Probleme, die vorzugsweise aber nicht ausschließlich beim nachträglichen Einbau einer Klimaanlage in Altbauten in Großstadtzentren auftreten, simultan zu lösen, das sind - Ein großzügiger Luftwechsel soll nicht zu hoher Luftfeuchtigkeit im Innenraum führen. - die Wasserkondensation aus def *Tr!?sdhdtri:t soll keine zusätzliche Wärme in das System eintragen - Die Luftfeuchtigkeit im Innenraum soll immer im Komfortbereich liegen - Das System soll keinen Lärm erzeugen - Das Gerät soll keine Elemente haben, die optisch störend an der Außenfassade oder am Dach montiert werden müssen. - Das System soll aus gekoppelten Einzelmodulen bestehen, die jeweils für einen kleinen Teilbereich des Gebäudes autonom das Klima regeln. - Das System soll im Sommer kaltes Wasser nutzen, vorzugsweise Brunnenwasser, oder Wasser von Erdwärmetauschern oder anderen natürliche Kältequellen. Im Winter kann dann aus dem selben Wasser mit einer Wärmepumpe warmes Heizungswasser gemacht werden Lösung der gestellten Aufgabe

Aus dem Anforderungsprofil ergibt sich, dass das erfindungsgemäße Gerät aus einer Kombination von Wärmetauschern bestehen muss. Dabei sind 3 Aufgaben zu trennen: - Das gesamte beim Abkühlen der feuchten Frischluft kondensierte Wasser muss von der Abluft bei deren Aufwärmprozess im Luft-Luft-Wärmetauscher wieder verdampft werden. - Im Anschluss an die Vorkufiluh3**im,*Ldf>t"Luft-Wärmetauscher muss die anschließende und den Taupunkt absenkende Kühlung der vorgekühlten Zuluft bis zu einem gewünschten Taupunkt bei gleichzeitiger Sammlung des Kondenswassers und Einführung desselben in die Abluft zur Verdampfung im Vorkühler erfolgen. - Die eigentliche Raumkühlung die unabhängig von der Ventilation erfolgt, soll mit hohem Luftdurchsatz aber kleiner Temperaturspreizung durchgeführt werden, um die gefürchtete kalte Zugluft zu vermeiden.

Diese drei Aktionsbereiche sollen in einem kompakten Gerät zusammengeführt werden. Da alle diese Aufgaben von speziell geformten Gegenstrom-Plattenwärmetauschern, deren Form weiter unten beschrieben wird, gelöst werden können, soll das Gerät aus einem Plattenstapel bestehen, wo auf jeder Platte für jede der drei Aufgaben ein Bereich zugewiesen ist, wobei diese Bereiche im fertig montierten Plattenstapel weitgehend kongruent sind. Anstelle der sonst üblichen Verbindungsrohre oder -elemente zwischen unterschiedlichen Wärmetauschern werden auf den Oberseiten der Platten lediglich Stege aufgebracht, die die Luft oder Wasserflüsse wie vorgesehen leiten. Diese Stege können im Fall der Verwendung von Platten aus Metall in die Platten eingepresst sein oder auf diese aufgeklebt oder gelötet sein. Sind die Platten aus Kunststoff so ist es vorteilhaft Platten und Stege in einem Stück zu fertigen. Die Platten werden horizontal übereinander montiert und über die**St*d^d* di^hl?* miteinander verbunden. Daraus folgt natürlich, dass man Stege auch auf den Unterseiten der Platten anbringen könnte oder auf beiden Seiten.

Der erste Wärmetauscher, der zur Vorkühlung der feuchten warmen Zuluft durch die kühle Abluft mit geringer Feuchtigkeit dient, beruht auf dem Prinzip, dass die sich abkühlende Zuluft beim Durchgang durch den im Gegenstrom beschickten Plattenwärmetauscher einen Teil ihres Wassers durch Kondensation verliert. Dieses Kondenswasser wird in den engen Spalten des Wärmetauschers mitgerissen und am innenraumseitigen Ausgang in einem speziellen Kondensatfänger des Wärmetauschers in Form einer Rille mit einem oder mehreren Löchern gesammelt und zu der unmittelbar darunter liegenden Eintrittsöffnung für die kühle verbrauchte Raumluft geleitet und in deren Plattenspalten verteilt. Die sich aufwärmende Abluft reißt nun dieses Wasser mit sich durch den Wärmetauscher und verdampft dabei das Wasser wieder. Damit dieser Verdampfungsvorgang komplett ausgeführt wird ist es nötig, dass Luft und Wasser einander eng durchmischen. Das wird dadurch erreicht, dass die Wärmetauscherplatten zwar mit glatter Oberfläche ausgestattet sind, aber Wellen quer zur Flussrichtung haben, wodurch je zwei übereinander liegende Platten in den Wellentälern Siphone ausbilden, in denen sich Wassertropfen sammeln, die, weil sie den Luftstrom behindern, von diesem weiter gestoßen werden.

Außerdem kann diese Kondensatrückfühfttftgf· am?h**clazu benützt werden, zusätzliches Wasser in den Abluftstrom einzubringen, sei es, Kondensationswasser aus dem zweiten Wärmetauscher, sei es Wasser aus einer externen Quelle, so dass der erste Wärmetauscher dann sogar als echte Verdampfungskühlung funktioniert.

Um auch für den Winterbetrieb geeignet zu sein, sind die Kondenswasserumleitungen auch am zuluftseitigen Ende des Wärmetauschers angebracht, weil im Winter die Abluft feucht ist und Kondenswasser bildet, während die Zuluft trocken ist und im Wärmetauscher befeuchtet werden muss, um zu verhindern, dass die Raumluft zu trocken wird und dann Energie verbrauchend befeuchtet werden muss.

Der zweite Wärmetauscher kühlt die im ersten Wärmetauscher vorgekühlte Frischluft bis zu einem einstellbaren Taupunkt. Es handelt sich um einen speziellen im Gegenstrom beschickten Luft-Wasser-Wärmetauscher mit von Wasser durchströmten Doppelplatten. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Luft-Wasser-Wärmetauschern mit Rippenrohren kann durch Doppelplatten deren Zwischenraum mit Wasser beaufschlagt wird der Temperaturunterschied zwischen Luft und Wasser nahezu beliebig klein gemacht werden, insbesondere dann, wenn der Luftstrom zwischen ebenen glatten Platten gerade geführt wird, und der Wasserstrom nicht nach dem Stand der Technik mit gerader Flussrichtung kombiniert mit

Verwirbelungselementen sondern auf der Plattenoberseite in glatter strömungsgünstiger AusfffhfllhcJ· se*rt*]?ich durch Stege begrenzt zwischen je zwei Platten serpentinenförmig geführt wird. Das Argument, dass dann der Wasserströmungswiderstand zu groß werde lässt sich wie folgt entkräften: Je schneller das Wasser sich bewegt, desto höher ist der Wärmeübergangskoeffizient zur Wärmetauscherwand. Dadurch braucht man eine kleinere Wärmetauscherfläche und die Weglänge des Wasserstroms kann verkleinert werden. Durch Experimente und genaue Rechnung kann man beweisen, dass es für diesen Prozess einen Optimalbereich gibt, wenn die Wasserströmung eine Reynoldszahl hat, die etwa 10-50% höher ist als die kritische Reynoldszahl. Die Wasserserpentinen müssen also nur entsprechend dimensioniert werden, damit die für die Anwendung erforderliche Wassermenge mit diesen Serpentinendimensionen im angegebenen

Reynoldszahlbereich liegt. Durch ein Regelventil kann die Kühlwassermenge dann noch innerhalb dieses Optimalbereichs genau dosiert werden, wodurch eine genaue Einstellung der Kühltemperatur der Frischluft und damit der optimale Taupunkt der Raumluft erreicht wird. Außerdem hat auch dieser Wärmetauscher einen Kondensatfänger und eine zwischen zwei Plattenstegen auf jeder der Luft leitenden Platten eingebaute Wasserleitung zur korrespondierenden Platte auf dem ersten Wärmetauscher um das Kondenswasser dort zu verdampfen.

Der dritte Wärmetauscher hat die Aufgabe, die Wärmeeinträge in den Raum, die nicht durch die

Ventilation verursacht werden, zu ffeiürtftäli Stireren. Da es bei dieser Aufgabe nicht mehr darum geht, einen niedrigen Taupunkt zu erreichen, soll dabei eine Unterkühlung der Luft vermieden werden, damit der Komfortbereich nicht verlassen wird. Da die Temperaturspreizung also klein ist, muss der Luftstrom in diesem Wärmetauscher deutlich größer sein, als in den ersten beiden Wärmetauschern. Der dritte Wärmetauscher soll ebenfalls ein im Gegenstrom beschickter Luft-Wasser-Wärmetauscher mit von Wasser durchströmten Platten sein, in analoger Bauweise zum zweiten Wärmetauscher, allerdings mit anderen Dimensionen, die sich aus den anderen Flussmengen ergeben und auch ohne Kondensatfänger. Zur Kühlung kann das vom zweiten Wärmetauscher kommende und von dort bereits leicht angewärmte Kühlwasser verwendet werden, da die mittlere Lufttemperatur im dritten Wärmetauscher immer um einige Grade über der mittleren Lufttemperatur im zweiten Wärmetauscher liegen wird. Zusätzlich ist aber ein Regelventil vorgesehen, durch das dem Kühlwasser vor dem Eintritt in den dritten Wärmetauscher noch eine variable Menge des ganz kalten Kühlwassers beigemischt werden kann.

Effekte und Untereffekte der Erfindung

Die Trennung des Klimatisierungsvorgangs in drei Aktionsbereiche hat den Zweck, die zugehörigen Aufgaben individuell regeln und optimieren zu können, weil Temperatur, Feuchtigkeit, Luftstrommenge und

Energieverbrauch ansonsten einander* stark beeinflussen

Die Ausführung des Gerätes als Plattenstapel erlaubt eine einfache und kostengünstige Fertigungsweise weil es keine Rohrverbindungen oder Verzweigungen zwischen den Wärmetauschern gibt. Anstelle jener sonst üblichen Rohre werden auf den Platten lediglich Stege angebracht, die die Luft oder Wasserflüsse wie vorgesehen leiten.

Der erste Wärmetauscher verdampft auf der sich erwärmenden Seite genau so viel Wasser wie auf der sich abkühlenden Seite im ersten und im zweiten Wärmetauscher kondensiert. Somit entspricht der Leistungsverlauf der beiden Wärmetauscherseiten einander und die Zuluft hat nach dem Verlassen des ersten Wärmetauschers bereits eine Temperatur unter der Raumluft. Die Kondenswassersammler an beiden Enden des Wärmetauschers erlauben einen energetisch günstigen Luftaustausch auch im Winter.

Durch die Zuführung von zusätzlichem Wasser in die Abluftseite des Wärmetauschers kann dieser auch als Verdampfungskühler funktionieren.

Der zweite Wärmetauscher erlaubt es die Zuluft mit sehr kleinen Wasserflussmengen abzukühlen. Die Wasserseite ist nicht nach dem Stand der Technik mit gerader Flussrichtung kombiniert mit Verwirbelungselementen sondern in glatter strömungsgünstiger Ausführung in

Serpentinenform ausgelegt, weil durch 'cfie* E*rht3hung der Strömungsgeschwindigkeit über die kritische Reynoldszahl ein wesentlich höherer Wärmetransmissionskoeffizient erreicht wird. Dadurch wird die notwendige aktive Fläche des Wärmetauschers so sehr verkleinert, dass der durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit gesteigerte Reibungswiderstand kompensiert wird.

Durch eine Regelung der Wasserflussmenge kann die gewünschte Lufttemperatur genau eingestellt werden und damit auch der Taupunkt der Raumluft.

Der dritte Wärmetauscher erlaubt es die Durchflussmenge und die Raumtemperatur unabhängig von der Taupunktsregulierung des zweiten Wärmetauschers einzustellen.

Aufzählung der Abbildungen:

Fig.l zeigt das System bestehend aus drei verbundenen Plattenwärmetauschern, wobei Luftumlenkungsbleche, Ventilatoren und Regelungselemente weggelassen wurden

Fig.2 zeigt das Flussschema der Luft und Wasserströme des Systems

Fig.3 zeigt 2 korrespondierende Platten aus dem ersten Wärmetauscher

Fig.4 zeigt 2 korrespondierende Platten aus dem zweiten Wärmetauscher

Fig. 5a zeigt eine Draufsicht auf eine *L*uPtf>*ia*tte·‘des verbundenen Wärmetauschersystems

Fig.5b zeigt eine Draufsicht auf eine Wasserplatte des verbundenen Wärmetauschersystems

Fig.6 zeigt 2 korrespondierende Platten des verbundenen Wärmetauschersystems

Die Buchstaben und Ziffern in den Abbildungen bedeuten: VI, V2...Wasserstromregelungen V3,V4 ...Luftstromregelungen A. ..erster Wärmetauscher, Vorkühlung B. ..zweiter Wärmetauscher, Taupunktseinstellung C. ..dritter Wärmetauscher, Hauptkühlung 1.. .Abluftstrom la. ..Zuleitung der Abluft vom Innenraum zum Kühlsystem lb. ..Teilstrom der Abluft der im dritten Wärmetauscher gekühlt werden soll lc. ..Rückführung des Teilstroms lb in den klimatisierten Raum ld. ..Teilstrom der Abluft, die gegen Frischluft ausgewechselt werden soll 2.. .Frischluft ström 2a...Frischluftstrom auf dem Weg durch *den**

Vorkühlerwärmetauscher 2b... Frischluftstrom auf dem Weg durch die Taupunktsabsenkung 2c...Zuführung der Frischluft in den klimatisierten Raum 3.. .Kühlwasser ström 3a...Kühlwasserzufuhr zum System 3b...Kühlwasserstrom durch den zweiten Wärmetauscher 3c...Verbindungsleitung des Kühlwasserstroms vom zweiten zum dritten Wärmetauscher 3d...Zusätzliches Kühlwasser für den dritten Wärmetauscher 4a...Kondensationswasserrückführung im ersten Wärmetauscher für den Sommerbetrieb 4b...Kondensationswasserrückführung vom zweiten Wärmetauscher zum ersten Wärmetauscher 4c...externe Wasserzuführung zum ersten Wärmetauscher 4d... Kondensationswasserrückführung im ersten Wärmetauscher für den Winterbetrieb 5,6,7,8 Ventilatoren oder Gebläse 9.. . Luftplatte lCL.Wasserplatte 11.. .5.eg lla...ringförmiger Steg 12.. Rinne als Kondensatfänger 12a..Verdampferrinnen 13.. . klimatisierter Innenraum

Beschreibung der Zeichnungen

Fig.l zeigt das System bestehend aus drei verbundenen Plattenwärmetauschern, wobei Abdeckbleche, Luftumlenkungsbleche, Ventilatoren und Regelungselemente weggelassen wurden. Dieses Plattenwärmetauschersystem besteht aus einem Block horizontaler kongruenter Platten, von denen es zwei Typen -9,10- gibt, die einander regelmäßig abwechseln. Alle Platten sind aus glattem Material das an der Oberseite Stege -11- hat. Die oberste Platte unter der nicht dargestellten Abdeckplatte ist eine so genannten Luftplatte -9-, weil auf dieser Platte die Luftkühlung mit Kondensation stattfindet, das nächste Element darunter ist eine so genannten Wasserplatte -10- weil sich auf dieser Platte in den beiden Wärmetauschern -B-und -C- das Kühlwasser bewegt. Nur im Wärmetauscher -A-fließt über die Platte 10 der Abluftstrom -ld-. Dann folgt als nächstes wieder eine Luftplatte -9- und dann wieder eine Wasserplatte -10- und so weiter. Die unterste Platte ist eine Wasserplatte -10-.

In der Abbildung sieht man direkt auf di*<ä ÜbdFst^s innere Wärmetauscherplatte, eine Luftplatte -9-, auf der Frischluft -2- schräg seitlich in den ersten Wärmetauscher -A- einströmt. Auf dieser Platte -9-kühlt sich die Luft -2a- ab und wenn dabei der Taupunkt unterschritten wird, bildet sich Kondenswasser, das von der Luft -2a- bis zum Kondensatfänger -12- weiter geschoben wird. Der Kondensatfänger -12- besteht aus einer ausgeprägten nach oben zu konkaven Rille quer zur Strömungsrichtung mit einem oder mehreren Löchern -4a-durch die das kondensierte Wasser zur darunter liegenden Platte -10- tropft wo es vom Abluftstrom -ld-wieder verdampft und absorbiert wird. Dieser Abluftstrom -ld- verlässt den Wärmetauscher -A-seitlich neben der Frischluftzufuhr -2-. Nach dem ersten Wärmetauscher -A- wird die Frischluft -2a, 2b- zum zweiten Wärmetauscher -B- geleitet. Unmittelbar unterhalb dieser Platte -9- befindet sich die Wasserplatte -10- wo im Falle des zweiten Wärmetauschers -B- im Sommer kaltes Wasser, im Winter heißes Wasser von unten die Platte -9- temperiert, wodurch im Sommer weiteres Kondenswasser aus dem Luftstrom -2b- ausgeschieden wird, das zum Kondensatfänger -12- des Wärmetauschers -B- befördert wird und dann durch den Kanal -4b- zurück zum ersten Wärmetauscher -A- geführt durch das Loch bei -4c- auf die darunter liegende Platte -10- tropft, wo es sich mit dem Luftstrom -ld- vereinigt. Wird zusätzlich von außen Wasser von außen -4c- in den ersten Wärmetauscher -A- eingeführt, so kann damit eine zusätzliche

Verdampfungskühlung erzielt werden. Der *^fo*ßtdi*l**der Temperierung des klimatisierten Innenraums -13- erfolgt im dritten Wärmetauscher -C- wo ein Teil des Abluftstroms -lb- vom Kühl- oder Heizwasser -3b- und -3d- auf die gewünschte Temperatur gebracht wird. Diese beiden Ströme verlassen den dritten Wärmetauscher C gemeinsam am Ausgang -3f-.

Fig.2 zeigt das Flussschema der Luft und Wasserströme des Systems. Dabei wird davon ausgegangen, dass das zu ventilierende System -13- bis auf den Abluftstrom -ld-und den Frischluftstrom -2- keinerlei weiteren nennenswerten Luftwechsel mit der Umgebung hat, so dass die Masseströme -ld- und -2- gleich groß sind. Durch entsprechende Einstellung der 4 Ventilatoren - 5, 6, 7, 8- kann die letztere Bedingung immer erreicht werden, selbst wenn der zu klimatisierende Raum -13-undichte Stellen haben sollte. Die folgende Funktionsbeschreibung bezieht sich auf den Sommer, ist aber fast identisch mit der Funktion im Winter, mit dem Unterschied, dass im Winter kein Kühlwasser, sondern Heizwasser benützt wird.

Die Frischluft -2- tritt in den ersten Wärmetauscher -A- ein, und kühlt sich dort -2a- ab, weil sie im Gegenstrom zur der ins Freie gehenden Abluft -ld-fließt. Wenn dabei der Taupunkt der Luft -2b-unterschritten wird, bildet sich Kondenswasser -4a-, welches der vom Innenraum -13- kommenden relativ trockenen Luft -ld- zugeführt wird, die sich im Wärmetauscher -A- erwärmt und dabei das Kondenswasser - 4a- verdampft. Wenn auf der Abluftseite**de*3 dt*st*en Wärmetauschers -A- mehr oder gleich viel Wasser verdampft als auf der Frischluftseite kondensiert, muss die Temperaturabsenkung im Luftstrom -2a- größer oder gleich sein als der Temperaturanstieg im Luftstrom -ld-. Wenn die Frischluft -2- im Freien hinreichend feucht war so hat sie -2a- nach dem Austritt aus dem ersten Wärmetauscher -A- etwa ihre Taupunktstemperatur, das bedeutet sie hat 100% relative Luftfeuchtigkeit. Nach dem ersten Wärmetauscher -A- wird die Frischluft -2a-daher in den zweiten Wärmetauscher -B- geleitet, wo diese Luft -2b- weiter abgekühlt wird, weil sie sich im Gegenstrom zum kalten Wasserfluss -3b- bewegt. Dabei sinkt die Temperatur von -2b- simultan mit dem Taupunkt und weiteres Wasser -4b- kondensiert, welches ebenfalls zum Abluftstrom -ld- in den ersten Wärmetauscher -A-geführt wird und dort verdampft, was die Kühlwirkung des Wärmetauschers -A- verstärkt. Zusätzlich kann, unter der Voraussetzung dass die Außenluft -2- nicht sehr feucht ist, parallel zum Kondenswasser -4b- auch externes Wasser -4c- durch die gleiche Leitung in den Abluftstrom -ld- eingeführt werden, was eine zusätzliche Kühlung ergibt.

Die Kühlung des klimatisierten Innenraums -13- erfolgt nicht ausschließlich über die Kühlung der Frischluft -2-, sondern abgetrennt von der Ventilation über ein Umluftsystem. Aus dem Raum -13- kommend wird der Abluftstrom -la- zunächst durch das Regelelement -V3-in die zwei Luftströme -lb- und -ld- geteilt und der Strom -b- in den dritten Wärmetauscher -C- geführt.

Dort fließt er im Gegenstrom zum Kühlwass£i*·-3e-··’ welches sich einerseits von dem aus dem zweiten Wärmetauscher - B- kommenden Strom -3c- und andererseits aus dem vom Hauptkühlwasserstrom -3a-abgezweigten Teilstrom -3d- zusammensetzt. Die Mengenregulierung der beiden Teilströme erfolgt über die Regelelemente -Vl- und -V2-.Sobald sich dieses Kühlwasser im Wärmetauscher -C- angewärmt hat, verlässt es das System in einer Einzelleitung -3f-. Sobald der gekühlte Luftstrom -lb- den Wärmetauscher -C- verlässt vereinigt er sich in dem Regelelement V4 mit der Frischluft -2c- und fließt als voll regenerierte Luft mit optimaler Temperatur und Feuchtigkeit zurück in den Raum -13-. Für das Funktionieren der Kondensationswasserrückführung ist es wichtig, dass der Luftdruckunterschied zwischen Zuluft und Abluft im Wärmetauscher -A- das Wasser immer in die Richtung bewegt, dass es von der Kondensation zur Verdampfung fließt. Im Sommer findet die Kondensation in der Frischluft -2a- statt und die Verdampfung in der Abluft -ld- und das Kondenswasser gelangt über den Weg -4a- von der Frischluftseite zur Abluftseite. Im Winter dagegen findet die Kondensation in der Abluft -ld- statt und die Verdampfung in der Frischluft -2a- und das Kondenswasser gelangt über den Weg -4d- von der Abluftseite zur Frischluftseite. Diese erforderlichen Druckunterschiede kann man über die Regelung der 4 Ventilatoren -5,6,7,8- und der Regler -V3,Vierreichen .

Fig. 3 zeigt zwei korrespondierende Pilernen*€e aus dem ersten Wärmetauscher -A- mit Stegen -11- an den Rändern, die beim Zusammenfügen der Platten garantieren, dass zwischen den Platten Spalten frei bleiben und diese Spalten nach außen verschlossen sind. Zuflüsse von Abluft und Frischluft -ld,2a- und deren Abflüsse -ld,2b- können nur an den Stellen erfolgen, wo keine Stege -11- angebracht sind.

Das obere Plattenelement ist Teil der so genannten Luftplatte -9-, das untere Element ist Teil der so genannten Wasserplatte -10-. Über die obere Platte -9-fließt der Frischluftstrom -2a-, über die untere Platte -10- der Abluftstrom -ld-. Beide Platten weisen sanfte Wellen -12a- quer zur Flussrichtung der Luft auf. Dadurch wird garantiert, dass sich Kondenswasser in den Wellentälern sammelt, insbesondere in den Kondensatfängern -12- die nichts anderes sind als besonders ausgeprägte tiefere Rillen als die Wellentäler -12a- und von dort durch die Löcher bei -4a- im Sommer oder -4d- im Winter zur Nachbarplatte geleitet wird, wo durch die Wellen -12a- ein inniger Kontakt zwischen diesem Wasser und der strömenden Luft erzwungen wird, was eine Voraussetzung für die anschließende Verdampfung ist. Am Eintrittsloch -4b(4c)- kann sowohl zusätzliches Kondenswasser -4b- vom zweiten Wärmetauscher -B- oder externes Wasser -4c- in die Verdampfung eingeführt werden. Die gleichen Vorgänge wie in dem in dieser Abbildung gezeichneten Plattenpaar -9,10- wiederholen sich für alle weiteren

Plattenpaare -9,10- im ganzen WärmetaüscK^i'plattenblock -A-.

Fig.4 zeigt zwei korrespondierende Platten -9,10- aus dem zweiten Wärmetauscher -B- mit Stegen -11- an den Rändern, die beim Zusammenfügen der Platten garantieren, dass zwischen den Platten Spalten frei bleiben und diese Spalten nach außen verschlossen sind aber auch um die Wasserströme -3b,3c- und -4b- zu leiten. Das obere Plattenelement ist Teil der so genannten Luftplatte -9-, das untere Element ist Teil der so genannten Wasserplatte -10-.Beide Platten haben, auf der Abbildung von links nach rechts, ein sanftes Gefälle, das in einem Knick aufwärts endet, der auf der Platte -9- als Kondensatfänger -12- dient, von wo aus das Kondensat in den Kanal -4b- geleitet wird, der es zum angrenzenden Wärmetauscher -A- bringt. Das Kühlwasser -3a- strömt durch ein von einem ringförmigen Steg -11a- umgebenes Loch auf der Platte -9- zur nächst tieferen Platte -10- wo um das korrespondierende Loch kein Steg existiert, so dass ein Kühlwasserstrom -3b-sich abzweigt und entlang der durch weitere Stege -11-gebildeten Serpentinen zum anderen Plattenende läuft, wo er in den Kanal -3c- mündet, der ihn zur nächsten Kühlzone -3e- im dritten Wärmetauscher -C- führt. Die gleichen Vorgänge wie in dem in dieser Abbildung gezeichneten Plattenpaar -9,10- wiederholen sich für alle weiteren Plattenpaare -9,10- im gah*2e*fl Wärmetauscherplattenblock -B-.

Fig.5a stellt eine Draufsicht auf eine Luftplatte -9-des verbundenen Wärmetauschersystems -Ά,B,C- dar, um zu zeigen, wie die Stege -11- einerseits die Luftströme -2a,2b- und -lb- voneinander trennen, und andererseits das im zweiten Wärmetauscher -B- gebildete Kondenswasser -4b- in das Überleitungsloch -4b(4c)- des ersten Wärmetauschers -A- leiten. Außerdem erkennt man, dass die Wasserverbindungslöcher für die Kühlwasserabschnitte -3b,3d,3f- auf der Platte -9- von einem ringförmigen Steg -11a- umgeben sind.

Fig.5b stellt eine Draufsicht auf eine Wasserplatte -10- des verbundenen Wärmetauschersystems -A,B,C- dar, um zu zeigen, wie die Stege -11- einerseits den Abluftstrom -ld- im ersten Wärmetauscher -A- von den Kühlwasserführenden Strömen -3b,3c,3d,3e,3f- in den Wärmetauschern -B- und -C- abtrennen und wie diese Stege die Serpentinen -11- für die Kühlflächen -3b-und -3e- definieren. Insbesondere ist zu erkennen, wie der Kanal -3c- den Kühlwasserstrom -3c- vom linken Ende des Wärmetauschers -B- zum Eingang des Wärmetauschers -C- an dessen rechter Seite leitet, wo es sich mit dem von der Hauptkühlwasserleitung -3a- abgezweigten Teilstrom -3d- vereinigt, um mit diesem gemeinsam als vereinigter Kühlwasserstrom -3e- den Hauptluftkühler -C- zu temperieren.

Wie schon bei den Fig.3 und Fig.4 angemerkt, wiederholen sich die gleichen Vorgänge des gezeichneten

Plattenpaars -9,10- wie in den beschrie£>£hdfi Abbildungen Fig.5a und Fig.5b für alle weiteren Plattenpaare -9,10- im ganzen Wärmetauscherplattenblock -C-.

Fig.6 zeigt zwei korrespondierende Platten -9,10- des verbundenen Wärmetauschersystems -A,B,C-. Dabei sind insbesondere die Kondenswasserübergänge -4a,4b- und -4c- zwischen den Platten -9- und -10- zu sehen. Das Kondenswasser der Platte -9- im ersten Wärmetauscher -A- beim Sommerbetrieb sammelt sich im KondensatSammler -12- und fließt durch das Loch bei -4a- von der Platte -9- zur Platte -10-, Dort wird das Wasser durch den Luftstrom -ld- über die Wellentäler -12a-transportiert, weil diese in Verbindung mit der in Wärmetauscher -A- ebenso gewellten Platte -9- und dem zwischen beiden Platten -9,10- befindlichen Spalt einen Siphon bilden, wo sich jeweils so viel Kondenswasser sammelt, bis ein Teil davon vom Luftstrom -ld-mitgerissen wird und im benachbarten Wellental -12a-landet, wo wegen des Frischluftstroms mit Wasserkondensation -2a- auf der darüber liegenden Platte -9- eine höhere Temperatur herrscht als im vorherigen Wellental -12a-.Daher wird auch im neuen wärmeren Wellental -12a- Wasser verdampft, obwohl der Luftstrom -ld- im vorhergehenden Wellental -12a-möglicherweise schon mit Feuchtigkeit gesättigt war. Zusätzlich zum Kondensat -4a- aus dem Wärmetauscher -A-kommt beim Sommerbetrieb über die Leitung -4b-Kondenswasser von der Platte -9- des Wärmetauschers -B-in den Wärmetauscher -A- auf der Platte -10-. Beim

Winterbetrieb gibt es kein Kondenswasser *attf #dier»*Platte -9- dafür aber ist die Luft aus Abluftstrom -ld-relativ feucht, so dass sich Kondenswasser auf der Platte -10- im Wärmetauscher -A- bildet.

Dieses Kondenswasser -4d- sammelt sich im Kondensatsammler -12- der Platte -10- und geht durch das dort befindliche Loch zur nächsten darunter liegenden Platte -4d/9-

Claims

Patentansprüche

1. Luft-Luft-Plattenwärmetauscher (A) nach dem Gegenstromprinzip, bestehend aus zwei verschiedenen Plattentypen (9,10) dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (9,10) in hauptsächlich horizontaler Lage abwechselnd übereinander gestapelt sind, wobei die Platten an den strömungsparallelen Außenrändern Stege (11) oder Abstandshalter haben, durch welche die Platten fest und dicht miteinander in einer Weise verbunden sind, dass zwischen ihnen ein enger Spalt offen bleibt, wobei die Platten (9,10) eine glatte Oberfläche haben und wellenförmig gebogen sind, so dass die Wellentäler (12a) quer zur Strömungsrichtung der Luft stehen und wo die letzten Wellenberge an beiden Wärmetauscherenden deutlich höher aufgebogen sind, als die übrigen Wellenberge, so dass in Blickrichtung vom Wärmetauscherinnenraum in Luftströmungsrichtung nach außen ein Kondensatabscheider (12) in Form eines besonders ausgeprägten Wellentals entsteht, in dessen Talboden sich ein oder mehrere Löcher (4a,4d) befinden durch die Kondenswasser auf die darunter liegende Platte gelangen kann und wo Wellentäler (12a) des einen Plattentyps (9) mit Wellentälern (12a) des anderen Plattentyps (10) genau übereinander zu liegen kommen und die Wellenamplitude größer ist, als der Plattenabstand.
2. Luft-Luft-Plattenwärmetauscher (A) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in jeden Einströmspalt des kälteren der beiden den Wärmetauscher (A) beaufschlagenden Luftströme***fId* ^a«)*e2Ui?ätrzlich zu dieser Luft kleine Wassermengen eingeführt werden, die auf dem Weg dieser sich im Wärmetauscher (A) erwärmenden Kaltluft verdampft werden.
3. Luft-Luft-Plattenwärmetauscher (A) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das von außen in den Wärmetauscher (A) eingeführte Wasser das Kondenswasser eines Kühlsystems ist.
4. Luft-Wasser-Plattenwärmetauscher (C) nach dem Gegenstromprinzip, bestehend aus zwei verschiedenen Plattentypen (9,10) dadurch gekennzeichnet, dass die Platten in hauptsächlich horizontaler Lage abwechselnd übereinander gestapelt sind, wobei die Platten an den strömungsparallelen Außenrändern Stege (11) oder Abstandshalter haben, durch welche die Platten fest und dicht miteinander in einer Weise verbunden sind, dass zwischen ihnen ein enger Spalt offen bleibt, wobei die Platten (9,10) eine glatte Oberfläche haben und weitgehend eben sind und wo auf den Luftplatten (9) sich der Luftstrom (2b) ungehindert auf kürzestem Weg von einem Wärmetauscherende zu anderen bewegen kann, während auf den Wasserplatten (10) die Stege (11) zusätzlich zu den luftströmungsparallelen Außenrändern auf der Platteninnenfläche Serpentinen definieren durch die Wasser in einer Weise geleitet wird, dass die Hauptströmungsrichtung entgegen der Luftströmungsrichtung liegt und die Strömungsgeschwindigkeit welche durch den Strömungsquerschnitt definiert ist so gewählt wird, dass seine Reynoldszahl 10-5^l**ut5e*r *ider· kritischen Reynoldszahl liegt.
5. Luft-Wasser-Plattenwärmetauscher (B) nach dem Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet dass in Blickrichtung vom Wärmetauscherinnenraum in Luftströmungsrichtung nach außen ein leichtes Gefälle besteht an dessen Ende die Platten hoch gebogen sind, wodurch ein Kondensatabscheider (12) in Form eines Tals quer zur Luftströmungsrichtung entsteht, von dem aus Kondensat zwischen Stegen (11) zur weiteren Verwendung wie in Anspruch 2 oder 3 weggeleitet wird.
6. Klimatisierungssystem bestehend aus 3 Plattenwärmetauschern, 4 Ventilatoren oder Gebläsen und 4 Regelelementen und externer Kalt- oder Heißwasserversorgung, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (A) ein Wärmetauscher nach Anspruch 3, der zweite Wärmetauscher (B) ein Wärmetauscher nach Anspruch 5 und der dritte Wärmetauscher (C) ein Wärmetauscher nach Anspruch 4 ist wobei diese drei Wärmetauscher dadurch in ein System integriert sind, dass sie einen einzigen Plattenblock mit weitgehend horizontalen Platten bilden, wo auf jeder Platte jedem der drei beteiligten Wärmetauscher ein Sektor und zwischen diesen Sektoren Verbindungskanäle zugewiesen sind und durch Stege definiert sind, so dass die Sektoren und die Verbindungskanäle der einzelnen Platten kongruent übereinander liegen.