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Die
Erfindung betrifft eine Klimakammer zur messtechnischen Erfassung
des thermischen Komforts in einem Prüfobjekt und für witterungsabhängige Funktionsprüfungen an
diesem Prüfobjekt.
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Prüfobjekte
wie z.B. Schienenfahrzeuge werden bei unterschiedlichen klimatischen
Bedingungen betrieben. Insbesondere müssen Schienenfahrzeuge ebenso
kalte Winternächte
mit Temperaturen von bis zu – 40°C und extrem
geringer Luftfeuchte wie auch heiße Sommertage mit Temperaturen
von z.T. 60°C
bei direkter Sonneneinstrahlung und sehr hoher Luftfeuchte ohne
Beeinträchtigung
ihrer Funktionstüchtigkeit überstehen. Desweiteren
muss gewährleistet
sein, dass der Komfort und hierbei insbesondere der thermische Komfort
für Reisende
in den Schienenfahrzeuge zu jeder klimatischen Bedingungen gewährleistet
ist.
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Aus
DE 299 03 255 U1 ist
ein Klima-Wind-Kanal bekannt, mit dem die Funktionstüchtigkeit
und der thermische Komfort insbesondere von Schienenfahrzeugen überprüft werden
kann. Hierbei wird ein Schienenfahrzeug in den Klima-Wind-Kanal
gefahren und das Schienenfahrzeug von außen mit dem gewünschten
Klima wie Temperatur, Luftfeuchte, Sonnenstrahlung, Windgeschwindigkeit,
etc. beaufschlagt.
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Nachteil
dieser Lösung
ist jedoch, dass aufgrund der Größe und Komplexität eines
Klima-Wind-Kanals nur wenige Klima-Wind-Kanäle zur Verfügung stehen. Hierdurch ergibt
sich als weiterer Nachteil, dass die Überprüfung von Schienenfahrzeugen
in einem Klima-Wind-Kanal mit hohen Kosten verbunden ist.
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Mobile
Klimakammern an sich sind aus dem Stand der Technik hinreichend
bekannt.
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So
ist eine Vorrichtung zur Betonnachbehandlung beim Betonieren von
Tunnelgewölben
bekannt, die als Klimakammer ausgebildet ist (
DE 197 01 861 A1 ). Die
Wirkung der Klimakammer ist nach außen auf das Tunnelgewölbe gerichtet.
Sie wird von einer fachwerkartigen Tragkonstruktion gestützt und
bewegt sich auf Rollen durch den Tunnel.
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Bekannt
ist ein mobiler Behälter
zum Transportieren und Kompostieren und/oder Trocknen von Abfällen, der
als Klimakammer ausgebildet ist (
DE 199 30 223 A1 ). Der Container weist eine
Klimaanlage auf, wobei die Luft gekühlt und entfeuchtet wird. Die
vordere Wand des Containers kann montiert und demontiert werden, um
den Abfall ein- bzw. auszuladen. Diese Wand weist zudem Be- und
Entlüftungseinrichtungen
auf.
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Auch
DE 35 41 334 A1 beschreibt
eine mobile Klimatisierungsvorrichtung, die als beweglicher Container
ausgebildet ist.
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Keine
dieser mobilen Klimaeinrichtungen ist geeignet, Schienenfahrzeuge
einer Funktionsprobe bezüglich
stark wechselnder bzw. extremer Klimaeinflüsse zu unterziehen.
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Es
ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Klimakammer bereitzustellen,
mit der eine einfache und kostengünstige Überprüfung von Schienenfahrzeugen
gewährleistet
wird.
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Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1
erfindungsgemäß durch
die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Ansprüche 2 bis
5 beinhalten vorteilhafte Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Lösung aus Anspruch
1.
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Erfindungsgemäß besteht
die Klimakammer aus in einem Stützportal
angeordneten Dämmelementen, die
sich reversibel auf- und wieder abbauen lassen und das Objekt umschließen. Ein
Klimagerät
bringt Luft in die Klimakammer ein bzw. wälzt Luft in der Klimakammer
um, wobei über
Wärmetauscher
des Klimagerätes, über die
die Luft geführt
wird, die unterschiedlichen klimatischen Bedingungen eingestellt
werden.
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Die
Dämmelemente
werden im Raster des Stützportales
zusammengefügt
und umschließen
das zu untersuchende Objekt derartig, dass es von den Dämmelementen
umgeben ist. Der Boden bleibt hierbei insbesondere unverändert, d.h.
so wie er vor Zusammenbau der Dämmelemente
war.
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An
einem zusätzlich
an der Luftansaugung des Prüfobjektes
angebrachten Kanal ist in vorteilhafter Weise ein regelbarer Stützlüfter sowie
Einrichtungen zur Kühlung,
Heizung und Befeuchtung der angesaugten Luft angebracht.
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Besonders
vorteilhaft sind handelsübliche
Dämmelemente,
insbesondere gemäß Anspruch
3 sogenannte Styroporschalungssteine oder PUR-Sandwichplatten gemäß Anspruch 4, die gemäß Anspruch
5 an ihren Außenkanten
eine Nut-Federverbindung aufweisen und mit denen man um das Prüfobjekt
einen thermisch isolierten Raum errichtet. Diesen Raum klimatisiert man
je nach Bedarf und schafft so die für Klimauntersuchungen notwendigen
Randbedingungen. Die Klimatisierung erfolgt über die in dieser Klimakammer
umgewälzte
Luft, wobei die Wärme-/Kälteeinbringung über Wärmetauscher, über die
diese Luft geführt
wird, erfolgt. Nach Prüfungsende
können
die Isolierelemente wieder abgebaut und um das nächste Objekt herum aufgebaut werden.
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Vorteil
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist, dass eine mobile Klimakammer an verschiedenen Standorten ohne
größeren Aufwand
auf- und wieder abgebaut werden kann.
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Nach
Anspruch 6 ist das Klimagerät
ein externes Klimagerät,
das von außen
an die Klimakammer über mindestens
eine Zuleitung angeschlossen ist.
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Soll
das Objekt in seiner Gesamtheit mit den unterschiedlichen klimatischen
Bedingungen beaufschlagt werden, stellt diese ein externes Klimagerät über entsprechend
konditionierte Luft ein. Das externe Klimagerät ist hierbei über mindestens
eine Zuleitung mit der Klimakammer verbunden.
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Nach
Anspruch 7 kann die Herstellung der für die Prüfung notwendigen Luftfeuchtigkeit
in der Klimakammer durch eine Befeuchtung der von der Klimaanlage
des Prüfobjektes
angesaugten Außenluft
vereinfacht werden.
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Zur
Vermeidung von Taupunktunterschreitungen am Wärmetauscher sind gemäß Anspruch
8 an diesem Adsorptionsmittel angebracht, welche entstehende Kondensate
aufnehmen.
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Alternativ
oder zusätzlich
ist der Wärmetauscher
gemäß Anspruch
9 mit einer Abtauautomatik gekoppelt.
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Gemäß Anspruch
10 ist an der Stirnseite der Klimakammer zusätzlich zum Klimagerät im Prüfobjekt ein
weiteres Klima-/Luftbehandlungsgerät angeordnet, welches mit einem
Kanalsystem zur Umlufterzeugung in der Klimakammer verbunden ist.
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An
mindestens einer Wand, vorzugsweise an einer Stirnwand, ist gemäß Anspruch
11 ein reversibles Tor (z. B. ein Drehfalt- oder ein Rolltor) angeordnet,
welches zum schnellen Hinein- und Hinausbefördern des Prüfobjektes
geeignet ist.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung
mit einer Figur näher
erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 – Längsschnitt
eines Schienenfahrzeuges (1), mit umgebender mobiler Klimakammer
(2)
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2 – Querschnitt
einer mobilen Klimakammer mit Prüfobjekt
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3 – schematische
Darstellung der Luftführung
in einer mobilen Klimakammer
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4 – schematisch
Darstellung der Instrumentierung und der Leitwarte
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5 – Abkühlverhalten
der mobilen Klimakammer von 20°C
auf –10°C
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6 – Aufheizverhalten
der mobilen Klimakammer von 10°C
auf 40°C
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Bauliche Struktur
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Die
Art und Weise wie die Wände
und Decke einer mobilen Klimakammer (2) realisiert werden,
bestimmt maßgeblich
sowohl die Qualität
des Klimas in der Kammer als auch die „Mobilität" der Kammer (leichter Auf- und Abbau)
an sich. Zwei Gesichtspunkte sind deshalb von entscheidender Bedeutung
für das
Konzept:
- • Thermische
Isolierung auch unter Berücksichtigung
der Wärmeverluste
auf Grund von Infiltration durch Undichtheiten sowie
- • Handhabbarkeit
der Wand- und Deckenelemente.
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Folgende
Variante ist auf Grund ihrer Unempfindlichkeit gegenüber Witterungs-
und mechanischen Einflüssen
sowie wg. der flexibel verfügbaren
Maße die
vorteilhafteste:
Die als Dämmelemente
(3) verwendeten PUR-Sandwichplatten sind auf der Innen-
und Außenfläche mit
Blech beschichtet. Dazwischen befindet sich zur Dämmung ein
Kern aus Isolierschaum. Solche Platten kann man in Breiten bis ca.
1,1 m und nahezu beliebigen Längen
erhalten. Der Aufbau einer Wand einer Klimakammer (2) erfolgt
durch Aneinanderreihung/Aufmauern solcher Platten bis zur erforderlichen
Höhe. An
den Plattenstößen erfolgt
die Verbindung mittels einer Nut- und Federverbindung. Abgestützt wird
solch eine Wand mittels einer Stahlkonstruktion, die sich periodisch
alle 5 m wiederholt. Die Decke wird analog aus den gleichen Elementen aufgebaut
und liegt an der Traufe und am First auf der Stahlkonstruktion auf.
Bei einer handelsüblichen
Stärke Diese
Konstruktion besteht aus einem sich alle 5 m wiederholenden Stahlportal,
das wiederum aus drei zusammenschraubbaren Einzelteilen besteht.
Dieses Stahlportal wird im Betonboden verankert. Die PUR-Sandwichplatten
der Wände
und des Dachs werden mittels Halteprofilen an diesen Stahlportalen
fixiert. An einer Stirnwand befindet sich ein durchfahrbares Tor,
an der anderen Stirnwand eine ca. 2×2 m große Türe.
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Kälte- und
Heizleistung
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Die
Durchführung
von Klimakomfortprüfungen
in einer mobilen Klimakammer (2) soll unabhängig von den
am Aufstellort herrschenden, äußeren klimatischen
Bedingungen möglich
sein. Für
die Berechnung der Kälte-
bzw. der Heizleistung in der mobilen Klimakammer (2) ist
es daher erforderlich, für
diese klimatischen Bedingungen die jeweiligen Extremwerte für die Außentemperatur
anzunehmen. Das heißt,
für den
Kühlbetrieb
der mobilen Klimakammer (2) ist die höchste anzunehmende Außentemperatur
und für
den Heizbetrieb die niedrigste Außentemperatur heranzuziehen.
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Für den Kühlfall der
Kammer (Heizfall des Zuges) wird dabei der Wärmeeintrag durch den zu prüfenden Zug
konservativ zu 40 kW angesetzt. Für den Heizfall der Kammer (Kühlfall des
Zuges) wird dabei konservativ ein Wärmeeintrag von 0 kW angesetzt.
Als Ergebnis dieser Berechnung ergeben sich die in Tabelle 1 gezeigten
Werte für
die benötigte
Kälte-
und Heizleistung.
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Tabelle
1: Benötigte
Kälte-
und Heizleistung bei extremen Außenbedingungen
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Die
in Tabelle 1 ausgewiesene Heiz- bzw. Kälteleistung ist für die Aufrechterhaltung
der benötigten Kammertemperaturen
notwendig (stationärer
Betrieb). Diese Leistungen sind jedoch normalerweise bei akzeptablen
Zeiten für
den Anfahrvorgang nicht ausreichend. Deshalb wurde eine vereinfachte,
dynamische Berechnung durchgeführt.
Beispielhaft wurden der Abkühlvorgang
von +20°C
auf –10°C (bei einer
Außentemperatur
von +30°C)
sowie der Aufheizvorgang von 10°C
auf 40°C
(bei einer Außentemperatur
von –10°C) numerisch
simuliert. Als Eingangsparameter dienten die Angaben aus Anlage
1 „Heizbetrieb" bzw. „Kühlbetrieb". Die installierte
Kälteleistung
wurde mit 65 kW spielhaft wurden der Abkühlvorgang von +20°C auf –10°C (bei einer Außentemperatur
von +30°C)
sowie der Aufheizvorgang von 10°C
auf 40°C
(bei einer Außentemperatur
von –10°C) numerisch
simuliert. Als Eingangsparameter dienten die Angaben aus Anlage
1 „Heizbetrieb" bzw. „Kühlbetrieb". Die installierte
Kälteleistung
wurde mit 65 kW bei einer Temperaturdifferenz von 5 K über dem Wärmetauscher
angesetzt. Die installierte Heizleistung wurde zu 40 kW angesetzt.
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Das
verwendete Rechenprogramm berücksichtigt
die Dämpfungseffekte
der vorhandenen Wärmekapazitäten (Betonboden,
Wagenmasse). Sie vernachlässigt
durch den Wagen eingebrachte Wärme-
bzw. Heizlasten.
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Die
so errechneten zeitlichen Verläufe
der Lufttemperatur in der Klimakammer (2) zeigen die 5 und 6.
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Für das Kühlszenario
(5) war nach ca. 10 Stunden die Solltemperatur
von –10°C erreicht.
Für das Heizszenario
(6) war nach ca. 13 Stunden die Solltemperatur
von 40°C
erreicht.
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Bei
in der mobilen Klimakammer (2) installierten Kühl- und
Heizleistungen von 65 kW bzw. 40 kW wären die in den Eisenbahnklimanormen
DIN EN 13129 [1] und DIN EN 14750 [2], Test Level 2 geforderten
Prüfabläufe ca.
zur Hälfte,
der Test Level 1 der DIN EN 14750 [2] zur Gänze leistbar. Ebenfalls wäre es möglich, k-Wert-Messungen (auch gefordert
in DIN EN 13129 [1] und DIN EN 14750 [2]) durchzuführen.
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Klimatisierung
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Bei
der Bereitstellung des Klimas in einer mobilen Klimakammer (2)
sind folgende Problemstellungen genauer zu betrachten:
- • Befeuchtung
bei hohen Kammertemperaturen,
- • Entfeuchtung
bei Kammertemperaturen unter 0°C,
- • Temperaturverteilung/Luftführung in
der Kammer.
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Befeuchtung
bei hohen Kammertemperaturen Um eine mobilen Klimakammer (2)
unter realistischen Bedingungen zu testen, ist es erforderlich,
dass bei Kammertemperaturen über
20°C die
von der Anlage angesaugte
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Befeuchtung
bei hohen Kammertemperaturen
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Um
eine mobilen Klimakammer (2) unter realistischen Bedingungen
zu testen, ist es erforderlich, dass bei Kammertemperaturen über 20°C die von
der Anlage angesaugte Außenluft
befeuchtet wird. Bei stationären Klimakammern
wird üblicherweise
das gesamte Kammervolumen befeuchtet. In einer mobilen Klimakammer (2)
ist jedoch mit höheren
Infiltrationsluftwechseln zu rechnen, so dass es schwierig erscheint
abzuschätzen, wie
hoch die Menge des zu verdampfenden Wassers wegen dieser eindringenden
Luftmenge ist. Als wirtschaftliche Alternative bietet sich die Konditionierung
lediglich der von der Klimaanlage (4) angesaugten Luft an.
Dies hätte
zwei Vorteile: Zum einen würde
lediglich die tatsächlich
notwendige Menge an Luft befeuchtet, zum zweiten ist dieses Problem
wesentlich einfacher rechnerisch zu erfassen, zu dimensionieren
und zu realisieren. Die Klimaanlage (4) erhält die Luft
also aus einem an der Außenluftansaugung
zusätzlich
angebrachten Kanal, in dem die isotherme Luftbefeuchtung (7)
durch Verdampfung erfolgt. Zum Ausgleich der durch diesen zusätzlichen
Kanal eingebrachten Druckverluste, die die Klimaanlage (4)
beeinflussen würden,
ist zusätzlich
noch ein regelbarer Stützlüfter notwendig.
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Das
Problem der Befeuchtung bei hohen Kammertemperaturen kann also relativ
einfach durch Befeuchtung der vom Prüfling angesaugten Außenluft
umgangen werden.
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Entfeuchtung bei Kammertemperaturen
unter 0°C
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Bei
Kammertemperaturen unter 0°C
kommt es am Wärmetauscher
normalerweise zur Kondensation und zum anschließenden Ausfrieren der Luftfeuchtigkeit.
Trifft man keine Gegenmaßnahmen,
wachsen die Lamellen des Wärmetauschers
mit Eis zu und die Luft kann ihn nicht mehr durchströmen. Im
Extremfall kann durch Frostsprengung auch eine Zerstörung des
Wärmetauschers
eintreten.
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Es
bieten sich zwei Lösungswege
dieses Problems an:
- 1. Die Kammerluft wird
mittels Adsorptionsmaterialien derart getrocknet, dass am Wärmetauscher
keine Taupunktunterschreitung mehr eintritt. Solche Adsorptionssysteme
arbeiten kontinuierlich, indem ein Teil der umgewälzten Luft über ein
hygroskopisches Material geleitet wird. Dies adsorbiert einen Teil
der Luftfeuchtigkeit und wird an einer anderen Stelle des Gerätes trockengeheizt.
Danach wird es wieder der Kammerluft zugeführt.
- 2. Das Klimagerät
(4) besitzt eine so genannte Abtauautomatik des Wärmetauschers.
In diesem Fall wird bei Gefahr des Zueisens für kurze Zeit die Temperatur
der durchströmenden
Flüssigkeit über den
Gefrierpunkt erhöht
und es kommt zum Abtauen des Eises. Unter der Voraussetzung dass
die Klimakammerwände
nicht besonders undicht sind, würde
so auch eine nachhaltige Trocknung der Kammerluft eintreten, so dass
nach einer gewissen Zeit auch keine große Beeinträchtigung durch kurzzeitige
Temperaturerhöhungen
eintreten würde.
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Auch
bei diesem Problemfeld bieten sich also Lösungen an, um eine anforderungsgerechte
mobile Klimakammer (2) zu realisieren.
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Temperaturverteilung/Luftführung in
der Kammer
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Um
eine genügend
homogene Temperaturverteilung in der Kammer zu erreichen, ist es
erforderlich, den umgewälzten
Luftvolumenstrom deutlich über
das für
diese Kälte-/Heizleistungen übliche Maß zu erhöhen. Bei
einem Luftvolumenstrom von 50000 m3/h ergäbe sich über dem
Wärmetauscher
lediglich eine Temperaturdifferenz von ca. 2 K, wenn eine Kammertemperatur
von –10°C herrscht.
Bei einem Kammerquerschnitt von 30 m2 und
einem Querschnitt des Prüfobjekts
von 10 m2 ergäbe sich im Spalt zwischen Wagen
und Kammerwand eine Windgeschwindigkeit von ca. 3 km/h.
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Die
Art der Luftführung
in der mobilen Klimakammer (2) ist in 3 schematisch
dargestellt. Die Luftführung
beeinflusst naturgemäß die Qualität der Temperaturverteilung
im Prüfraum.
Prinzipiell wurde eine Durchströmung
längs des
Schienenfahrzeugs (1) angestrebt, weil dies zum einen dem
Fahrtwind in der Realität
am nächsten
kommt und zum Anderen so auch inhomogen eingebrachte Warmluft am
besten durchmischt wird.
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Der
an einer Stirnwand befindliche Klima-/Luftbehandlungsgerät (4)
befördert über ein
einfaches Kanalsystem die behandelte Luft ans andere Ende der mobilen
Klimakammer (2). Die Luft strömt im Umluftprinzip am Prüfobjekt
(1) entlang und zurück
zum Lüfter.
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Energieversorgung
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Die
Anforderungen an die Energieversorgung (9) der zum Betrieb
einer mobilen Klimakammer (2) verwendeten Aggregate sind
im Wesentlichen folgende:
- • 380 V/3~-Spannungsversorgung,
125 A zur Speisung des Kälteaggregats,
- • 380
V/3~-Spannungsversorgung, 63 A zur Speisung der Luftbefeuchtung,
- • 380
V/3~-Spannungsversorgung, 100 A zur Speisung des Heizaggregats,
des Luftbehandlungsgeräts
und der Luftverteilungseinrichtungen,
- • 380
V/3~-Spannungsversorgung, 32 A zur Speisung von Regeleinrichtungen
und Instrumentierung.
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Da
diese Anforderungen häufig
nicht oder nur teilweise durch die vor Ort verfügbare Infrastruktur erfüllt sein
werden, muss in diesen Fällen
auf handelsübliche
Mietaggregate zur Stromerzeugung zurückgegriffen werden.
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Instrumentierung, Elektroinstallation
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Die
Instrumentierung einer mobilen Klimakammer (2) beinhaltet:
- • Erfassung
der Kammerbedingungen (10) (Lufttemperatur, -feuchtigkeit,
-geschwindigkeit),
- • Brandmeldeanlage
(11),
- • Videoüberwachung
(12),
- • Beleuchtung.
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Diese
Funktionen werden in einer neben der mobilen Klimakammer (2)
befindlichen Leitwarte (13) zentral zusammengeführt und überwacht.
Diese Leitwarte (13) enthält die zur Datenerfassung und
Temperaturregelung notwendigen Rechner und Anlagen. Eine Prinzipdarstellung
ist in 4 gegeben.
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Die
messtechnische Ausrüstung
für die
Durchführung
der Klimakomfortprüfung
im Fahrzeug erfolgt unabhängig
von der Instrumentierung. Die Datenerfassung jedoch erfolgt auch
zentral in der Leitwarte.
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Diese
Leitwarte wird in einem handelsüblichen
Bürocontainer
untergebracht.
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Auf- und Abbau
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Der
Aufbau einer mobilen Klimakammer (2) erfolgt schrittweise:
- • Zuerst
werden die Fußpunkte
der Stützen
gebohrt und im Beton befestigt. Gleichzeitig kann das Zusammenfügen der
einzelnen Elemente der Stützkonstruktion
(6) am Boden erfolgen. Diese Elemente werden mit Hilfe
eines Krans aufgerichtet und an den Fußpunkten verschraubt. Untereinander
werden diese Elemente mittels Längsträgern verbunden.
Mit diesem Arbeitsschritt ist die tragende Struktur fertig gestellt.
- • Nun
werden mit zwei Rollgerüsten
und einer fahrbaren Hebebühne
die Isolationspaneele schichtweise übereinander gefügt und an
der Stützkonstruktion
(6) befestigt. Sie bilden so die Seitenwände und
das Dach.
- • Als
letzter Punkt erfolgt die Anbringung des Tors (8) bzw.
der Türe.
Danach ist die mobilen Klimakammer (2) errichtet und die
Instrumentierung (Abschnitte 5.3 und 5.5) im Inneren kann angebracht
werden.
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Der
Abbau erfolgt analog in umgekehrter Reihenfolge.
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- 1
- Schienenfahrzeug
- 2
- mobile
Klimakammer
- 3
- Dämmelement
- 4
- Klimagerät
- 5
- Zuleitung
- 6
- Stützportal/Stützkonstruktion
- 7
- Luftbefeuchtung
- 8
- Tor
- 9
- Energieversorgung
- 10
- Erfassung
Kammerklima
- 11
- Brandmeldeanlage
- 12
- Videoüberwachung
- 13
- Leitwarte