CH689700A5 - Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen eines Luftstroms. - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines ersten Luftstroms mittels eines zweiten Luftstroms, insbesondere zum Kühlen von einem Raum von aussen zugeführter Zuluft mittels aus dem Raum abgeführter Abluft, wobei der zweite Luftstrom zunächst befeuchtet und dann einem rekuperativen Wärmetausch mit dem ersten Luftstrom unterzogen wird. 



  Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem rekuperativen Wärmetauscher, der einerseits vom ersten Luftstrom und andererseits vom zweiten Luftstrom durchströmbar ist, und mit einem dem Wärmetauscher auf der Seite des Eintritts des zweiten Luftstroms vorgeordneten Luftbefeuchtungsaggregat. 



  Bei der Raumkonditionierung ergibt sich das Problem, dass im Sommer die Zuluft gekühlt werden muss. Dies geschieht mit der Abluft, die vorher mit Feuchtigkeit beaufschlagt und dadurch gekühlt wird. Hierzu wird die Abluft bisher mittels eines Luftwäschers adiabat befeuchtet. Hierbei  wird die Sättigungslinie der Luft bei weitem nicht erreicht. Das Energieniveau der Abluft bleibt dementsprechend vergleichsweise hoch. Beim nachfolgenden Wärmetausch kann somit nur ein vergleichsweise kleines Wärmeaufnahmevermögen der befeuchteten Abluft zur Kühlung der Zuluft ausgenutzt werden. Hierbei lässt sich daher nur eine vergleichsweise geringe Zuluftabkühlung erreichen. Die Folge davon ist, dass eine Nachkühlung erforderlich ist, was zu einem hohen Energie- und Bauaufwand führt. 



  Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, dass ein vergleichsweise hoher Kühleffekt erreicht wird. 



  Diese Aufgabe wird ausgehend vom gattungsgemässen Verfahren dadurch gelöst, dass der zweite Luftstrom bei der Befeuchtung zumindest bis in den Bereich der Sättigungslinie von 100% relativer Luftfeuchtigkeit mit Feuchtigkeit beaufschlagt wird. 



  Dies ergibt ein hohes, bisher nicht erreichbares Energieniveau der befeuchteten Luft und damit eine gute Kühlung. 



  Gemäss einer besonders zu bevorzugenden Fortbildung der übergeordneten Massnahmen wird der zweite Luftstrom über die Sättigungslinie von 100% relativer Luftfeuchtigkeit hinaus mit Feuchtigkeit übersättigt, die beim  anschliessenden Wärmetausch mit dem ersten Luftstrom zumindest teilweise verdampft wird. 



  Diese Massnahmen stellen sicher, dass beim Wärmetausch nicht nur das niedrige Energieniveau des vorher gekühlten zweiten Luftstroms zur Verfügung steht, sondern dass auch die zum Verdampfen des über die Sättigungslinie hinausgehenden Feuchtigkeitsanteils des zweiten Luftstroms benötigte Verdampfungsernergie zur Kühlung des ersten Luftstroms ausgenutzt werden kann. Es ergibt sich daher in vorteilhafter Weise eine zweiphasige Kühlung des ersten Luftstroms mit Ausnutzung der bei der Nachverdampfung der übersättigten Feuchtigkeit verbrauchten Energie und der zur Temperaturerhöhung des zweiten Luftstroms verbrauchten   Energie. 



  Hierzu ist das Luftbefeuchtungsaggregat der gattungsgemässen Vorrichtung erfindungsgemäss als Kaltdampfgenerator ausgebildet, mittels dessen der zweite Luftstrom zumindest bis zum Bereich der Sättigungslinie, vorzugsweise über die Sättigungslinie von 100% relativer Luftfeuchtigkeit hinaus mit Kaltdampf beaufschlagbar ist. 



  Diese Massnahmen ergeben eine einfache und kostengünstige Bauweise sowie einen ausgezeichneten Wirkungsgrad. Mit Hilfe eines Kaltdampfgenerators lässt sich ohne weiteres eine Befeuchtung bis zur Sättigungslinie und falls erforderlich eine Übersättigung bis zum Bereich von 10-50% vorzugsweise von etwa 20% des jeweiligen Wassergehalts, der dem Betriebspunkt auf der Sättigungslinie zureordnet ist, erreichen. 



  Zweckmässig ist der Kaltdampfgenerator so ausgebildet, dass nicht netzender Kaltdampf erzeugt wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Wärmeübergangsflächen des Wärmetauschers nicht benetzt werden, sodass der Wärmedurchgang nicht beeinträchtigt wird. 



  Vorteilhaft kann der Kaltdampfgenerator einem Luft-Luft-Plattenwärmetauscher vorgeordnet sein. Hierbei ergeben sich grosse Wärmeübergangsflächen, sodass beide Kühlungsphasen voll zum Tragen kommen können. Insbesondere die Verwendung eines Plattenwärmeaustauschers mit Luftführung nach dem Gegenstromprinzip erweist sich dabei als besonders zu bevorzugen. 



  Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmässige Fortbildungen der übergeordneten Massnahmen sind in den restlichen abhängigen Patentansprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung entnehmbar. 



  In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen: 
 
   Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen raumlufttechnischen Geräts, 
   Fig. 2 einen Schnitt durch den Kaltdampfgenerator der Anordnung gemäss Fig. 1, 
   Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Wärmetauschermoduls der Anordnung gemäss Fig. 1 und 
   Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des Plattenwärmetauschers der Anordnung gemäss Fig. 3. 
 



  Das der Fig. 1 zugrundeliegende, raumlufttechnische Gerät, das als kompaktes Klimakastengerät ausgebildet sein kann, dient zur Konditionierung des Raumklimas in einem zugeordneten Raum, z.B. in einer Werkstätte. Aus diesem Raum wird Abluft entnommen, wie durch den Pfeil 1 angedeutet ist. Gleichzeitig wird diesem Raum Zuluft zugeführt, wie durch den Pfeil 2 angedeutet ist. Die Abluft wird als Fortluft an die Umgebung abgegeben, wie durch Pfeil 3 angedeutet ist. Die Zuluft wird als Frischluft aus der Umgebung entnommen, wie durch Pfeil 4 angedeutet ist. Der nach innen gerichtete, den Pfeilen 4, 2 folgende Luftstrom wird im folgenden als Primärluftstrom bezeichnet. Der nach aussen gerichtete, den Pfeilen 1, 3 folgende Luftstrom wird im folgenden als Sekundärluftstrom bezeichnet. 



  Das der Fig. 1 zugrunde liegende, raumlufttechnische Gerät, das als kompaktes Klimakastengerät ausgebildet sein kann, besteht aus mehreren, aneinander angesetzten Modulen. Als Kernstück ist ein Wärmetauschermodul 5 vorgesehen, das vom Primärluftstrom von aussen nach innen, in Fig. 1 von rechts nach links, und vom Sekundärluftstrom der Gegenrichtung durchströmt wird, wie durch einander kreuzende Strömungspfeile angedeutet ist. Das Wärmetauschermodul 5 besitzt dementsprechend zwei einander gegenüberliegende Strömungseingänge und zwei einander gegenüberliegende Strömungsausgänge, deren Quer schnitt jeweils die halbe Fläche der zugeordneten Seitenflanke des Wärmetauschermoduls 5 umfasst.

   Dem Primärlufteingang des Wärmetauschermoduls 5 kann, wie durch unterbrochene Linien angedeutet ist, ein Filtermodul 6 vorgeordnet sein, durch welches die von aussen angesaugte Frischluft gefiltert werden kann. Stromabwärts des Primärluftausgangs des Wärmetauschermoduls 5 kann ein als Ventilatorteil 7 ausgebildetes Modul vorgesehen sein, das einen Ventilator zum Transport der Primärluft enthält. Im dargestellten Beispiel ist ein dem Ventilatorteil 7 vorgeordnetes Lufterhitzermodul 8 angedeutet, durch welches die Primärluft bei Winterbetrieb erwärmbar ist. 



  Der Sekundärluftausgang des Wärmetauschermoduls 5 mündet in die Umgebung. An den Sekundärlufteingang des Wärmetauschermoduls 5 ist ein Kaltdampfgenerator 9 mit seinem Ausgang angeschlossen, durch den die Sekundärluft im Sommerbetrieb befeuchtet und gekühlt werden kann, wodurch im Wärmetauschermodul 5 eine Kühlung der Primärluft bewirkt werden kann. Stromaufwärts vom Kaltdampfgenerator 9 sind ein als Ventilatorteil 10 zum Transport des Sekundärluftstroms ausgebildetes Modul mit eingangsseitigem Filtermodul 11 zur Filterung der aus dem zu konditionierenden Raum abgesaugten Abluft vorgesehen. Zwischen dem als Ventilatorteil 10 ausgebildeten und dem als Kaltdampfgenerator 9 ausgebildeten Modul ist hier ein nicht näher bezeichnetes Leerteil angedeutet, das später den Einbau eines weiteren Behandlungsmoduls, beispielsweise zur Desinfektion der Sekundärluft, ermöglicht. 



  Bei Winterbetrieb wird die Primärluft erwärmt. Dementsprechend ist dabei das Erhitzermodul 8 aktiviert. Der Kaltdampfgenerator 9 ist passiviert, sodass im Wärmetauschermodul 5 eine Vorwärmung der Primärluft mittels der Sekundärluft erfolgen kann. Bei Sommerbetrieb wird die Primärluft im Wärmetauschermodul 5 gekühlt. Hierbei sind dementsprechend das Erhitzermodul 8 passiviert und der Kaltdampfgenerator aktiviert. 



  Im Kaltdampfgenerator 9 wird die Sekundärluft mit nicht netzendem Kaltdampf beaufschlagt. Die Beaufschlagung mit Kaltdampf erfolgt dabei über die Sättigungslinie von 100% relativer Luftfeuchtigkeit hinaus bis zu einer Übersättigung von 10-50%, vorzugsweise ca. 20% des jeweiligen Wassergehalts, der dem Betriebspunkt des Sekundärluftstroms auf der Sättigungslinie zugeordnet ist. Die so mit Feuchtigkeit übersättigte Sekundärluft gelangt anschliessend in das Warmetauschermodul 5. Hierbei wird der die Übersättigung bildende Feuchtigkeitsanteil nachverdampft. Die dazu erforderliche Energie wird der Primärluft entzogen, die dadurch eine Kühlung erfährt. Die befeuchtete Sekundärluft besitzt in Folge der Befeuchtung auch ein vergleichsweise niedriges Temperaturniveau, das beim Durchgang durch das Warmetauschermodul angehoben wird.

   Die hierzu erforderliche Energie wird ebenfalls der Primärluft entzogen, die hierdurch eine weitere Kühlung erfährt. Im Wärmetauschermodul 5 ergibt sich somit eine zweiphasige Kühlung, nämlich aufgrund der Nachverdampfung des die Übersättigung bildenden Wasseranteils und durch Temperaturerhöhung der Sekundärluft. 



  Diese zweiphasige Kühlung der Primärluft ergibt einen hohen Kühleffekt. Versuche haben ergeben, dass die Primärluft um eine Differenz von etwa 14 DEG C abgekühlt werden kann, was eine Kühlung der Zuluft auf ca. 20 DEG C und tiefer ohne weiteres möglich macht. Die Feuchtigkeitsübersättigung der Abluft betrug dabei 1,5 g Wasser pro kg Luft. Der Wärmetausch erfolgte nach dem Gegenstromprinzip, wobei aufgrund einer über der ganzen Austauschfläche nahezu gleichen Temperaturdifferenz eine hohe Gesamtenergieübertragung erreicht wird. 



  Der Kaltdampfgenerator 9 besitzt, wie am besten aus Fig. 2 erkennbar ist, einen kastenförmigen Strömungskanal 12, in den gleichmässig über die Kanalbreite verteilte Zerstäuberdüsen 13 eingebaut sind, die über eine Versorgungsleitung 14 mit unter hohem Druck stehendem Wasser beaufschlagt werden. Vor den Zerstäuberdüsen 13 kann ein Dissipator oder Deflector 1 angeordnet sein. Die Zerstäuberdüsen 13 sind in Längsrichtung des Strömungskanals 12 gesehen etwa am Ende es ersten Viertels platziert. Im Bereich vor und nach den Zerstäuberdüsen 13 sind von den Seitenwänden des Strömungskanals 12 in den Strömungsquerschnitt hineinragende Staubleche vorgesehen, die mit gegenseitigem Abstand angeordnet sind, und dementsprechend Resonanzräume 16 bzw. 17 bilden.

   Im dargestellten Beispiel sind vier der Zerstäuberdüsenebene vorgeordnete und sechs den Zerstäuberdüsen 13 nachgeordnete Staubleche vorgesehen. Durch die vorgeordneten Staubleche wird die über den  Einströmquerschnitt des Strömungskanals 12 eintretende, durch Pfeile angedeutete Luft in Schwingungen versetzt. Durch die nachgeordneten Staubleche wird das nach den Zerstäuberdüsen 13 sich bildende Wassernebel-Luftgemisch durch Schwingungen intensiv durchmischt, wobei das Wasser bis annähernd zur Sättigung der Luft kalt verdampft. Die Anordnung ist dabei so getroffen, dass die Luftschwingungen eine Frequenz im Bereich von 20-30 Hz, vorzugsweise von 25 Hz aufweisen. In diesem Frequenzbereich verbinden sich die Luft und das Wasser derart, dass kein Wasser ausgeschieden wird. 



  Auf den durch die nachgeordneten Staubleche gebildeten Resonanzraum 17 folgt ein staublechfreier Reaktionsraum 19, in welchem die Sättigung der Luft erreicht und das Luft-Wasser-Gemisch zu einem homogenen Gefüge gebracht wird. Damit wird der Wasserkondensat-Niederschlag vermieden und die nicht netzende Eigenschaft des Kaltdampfes gewährleistet. Im Bereich des Reaktionsraums 19 ist ein durch ein zentral angeordnetes Teller gebildeter Nassdampfeliminator 20 vorgesehen, der die in der Kernströmung vorhandenen grösseren Tropfen ausscheidet. Ausgangsseitig ist der Strömungskanal 12 mit einem kombinierten Sattdampftrockner und Tropfenabscheider 21 versehen, welcher überflüssigen Sattdampf ausscheidet, den kalten Dampf durch Drosselung trocknet, eventuell noch vorhandene kleine Tropfen ausscheidet.

   Dieser Aufbau des Kaltdampfgenerators 9 ermöglicht die Erzielung einer Wasserübersättigung der Sekundärluft bis ca. 50% des jeweilen Wassergehalts, der dem Betriebspunkt des Sekundärluftstroms auf der  Sättigungslinie zugeordnet ist. Durch Änderung des Drucks des den Zerstäuberdüsen 13 zugeführten Wassers lässt sich praktisch jeder gewünschte Luftzustand einstellen. 



  Das Wärmetauschermodul 5 enthält, wie am besten aus Fig. 3 erkennbar ist, ein kastenförmiges Gehäuse 22, in das ein hier wabenförmiger Plattenwärmertauscher 23 eingebaut ist. Selbstverständlich sind auch andere Wärmetauscherkonfigurationen denkbar. Die vorliegende Konfiguration ergibt jedoch zweckmässig im mittleren Bereich parallele Strömungsrichtungen. Der Plattenwärmetauscher 23 enthält, wie am besten aus Fig. 4 erkennbar ist, durch Wellenplatten 28 auf Distanz gehaltene Lamellen 29, welche die beiden durchgeleiteten Luftströme, hier den Primärluftstrom und den Sekundärluftstrom, voneinander trennen. Die Wellenplatten ergeben gerade, einen vergleichweise schlanken Querschnitt aufweisende Strömungskanäle und bewirken gleichzeitig eine Versteifung der Lamellen. Diese können daher vergleichsweise dünn sein, was einen guten Wärmeaustausch gewährleistet.

   Die Lamellen können aus Leichtmetall, wie Aluminium, Edelstahl oder Kunststoff, wie PVC oder PP bestehen. Dasselbe gilt für die Wellenplatten. Zweckmässig ist der Plattenwärmetauscher als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet, dabei wird durch die nahezu konstante Lufttemperaturdifferenz der beiden Massenströme über die ganze Austauschstrecke das Symptom der "kalten Ecke" vermieden und eine gleichmässige Nachverdampfung über die gesamte Austauscherfläche erreicht. Somit können sehr gute Übertragungswerte des Plattenwärmetauschers erreicht und das Leistungsverhalten  des ganzen Prozesses optimiert werden. Dabei kommt die im dargestellten Beispiel verwendete Wabenform mit parallelen Strömungsrichtungen besonders vorteilhaft zum Tragen. 



  Die den Plattenwärmetauscher 23 durchsetzenden Luftströme kreuzen einander. Der wabenförmige Plattenwärmetauscher 23 ist dabei, wie Fig. 3 anschaulich zeigt, so im kastenförmigen Gehäuse 22 des Wärmetauschermoduls 5 angeordnet, dass die zwei einander gegenüberliegenden in Geräteachsrichtung verlaufenden Wärmetauscherflanken an den benachbarten Seitenwänden des Gehäuses 22 anliegen, oder mit Abstand parallel dazu sind. Somit ergeben sich zu den Mitten der Gehäusestirnseiten vorspringende Wärmetauscherecken. Selbstverständlich sind auch andere Anordnungen denkbar. In jedem Falle ist es günstig, wenn die Anordnung so getroffen wird, dass sich im Bereich der Stirnseiten des Gehäuses 22 einander jeweils benachbarte Ein- und Auslassquerschnitte 24 bzw. 25, die sich jeweils über die halbe Fläche der betreffenden Stirnseite erstrecken.

   Im dargestellten Beispiel befinden sich im Bereich der einen Stirnseite der Sekundärlufteinlass 24 und der Primärluftauslass 25 nebeneinander. Im Bereich der anderen Stirnseite ergeben sich der Sekundärluftauslass 26 und Primärlufteinlass 27. Dies ermöglicht die der Fig. 1 zugrunde liegende Bauweise mit parallel zum Kaltdampfgenerator 9 geführter Zuluft. Das Gehäuse 22 ist dabei so konzipiert, dass es den stirnseitig angesetzten Kaltdampfgenerator 9 um die Höhe des angesetzten Moduls, hier des Lufterhitzermoduls 8, überragt. 

Claims (11)

1. Verfahren zum Kühlen eines ersten Luftstroms mittels eines zweiten Luftstroms, insbesondere zum Kühlen von einem Raum von aussen zugeführter Zuluft mittels aus dem Raum abgeführter Abluft, wobei der zweite Luftstrom zunächst befeuchtet und dann einem rekuperativen Wärmetausch mit dem ersten Luftstrom unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Luftstrom bei der Befeuchtung zumindest bis zum Bereich der Sättigungslinie von 100% relativer Luftfeuchtigkeit mit Feuchtigkeit beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Luftstrom bei der Befeuchtung über die Sättigungslinie von 100% relativer Luftfeuchtigkeit hinaus mit Feuchtigkeit übersättigt wird, die beim anschliessenden Wärmetausch mit dem ersten Luftstrom zumindest teilweise verdampft wird.

3.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Luftstrom bei der Befeuchtung mit nicht netzendem Kaltdampf beaufschlagt bzw. übersättigt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersättigung 10%-50%, vorzugsweise 20% des jeweiligen Wassergehalts, der dem Betriebspunkt des zweiten Luftstroms auf der Sättigungslinie zugeordnet ist, beträgt.

5.

Vorrichtung zur Kühlung eines ersten Luftstroms mittels eines zweiten Luftstroms, insbesondere raumlufttechnisches Gerät, mit einem rekuperativen Wärmetauscher (23) der einerseits vom ersten Luftstrom, vorzugsweise in Form von einem Raum von aussen zugeführter Zuluft, und andererseits vom zweiten Luftstrom, vorzugsweise in Form von aus dem Raum abgeführter Abluft, durchströmbar ist, und mit einem dem Wärmetauscher (22) auf der Seite des Eintritts des zweiten Luftstroms vorgeordneten Luftbefeuchtungsaggregat, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftbefeuchtungsaggregat als Kaltdampfgenerator (9) ausgebildet ist, mittels dessen der zweite Luftstrom zumindest bis zum Bereich der Sättigungslinie, vorzugsweise über die Sättigungslinie von 100% relativer Luftfeuchtigkeit hinaus, mit nicht netzendem Kaltdampf beaufschlagbar ist.

6.

Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Kaltdampfgenerator (9) nachgeordnete Wärmetauscher (23) als Luft-Luft-Plattenwärmetauscher ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (23) als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist, der zumindest auf einem Teil seiner Länge parallele Strömungsrichtungen aufweist.

8.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltdampfgenerator (9) wenigstens eine mit unter Druck stehendem Wasser beaufschlagbare Zerstäubungsdüse (13) aufweist, der in Strömungsrichtung der Luft Resonanzanordnungen (Resonanzräume 16 bzw. 17) vor- und nachgeordnet sind, und dass luftaustrittseitig ein kombinierter Sattdampftrockner und Tropfenabscheider (21) vorzugsweise mit vorgeordnetem Nassdampfeliminator (20) vorgesehen sind, der der in Strömungsrichtung vorderen Resonanzanordnung mit Abstand nachgeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzräume (16, 17) des Kaltdampfgenerators (9) so ausgebildet sind, dass sich eine Schwingungsfrequenz im Bereich von 20-30 Hz, vorzugsweise 25 Hz, ergibt.

10.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltdampfgenerator (9) und der Wärmetauscher (23) in ein Klimakastengerät eingebaut sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (23) im Bereich einander gegenüberliegender Stirnseiten jeweils einen Ein- und einen Auslass (29, 25; 27, 26) aufweist.