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Rückgewi nnungseinrichtung, insbesondere
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für Abluftanlagen Die Erfindung bezieht sich auf eine Rückgewinnungseinrichtung,
insbesondere für Abluftanlagen, vor allem für solche von mit Wasservorhang arbeitenden
Farb-Spritz- oder Beschichtungskabinen, bei welchen über eine Zuluftöffnung Außenluft
aus der äußeren Umgebung zugeführt, erwärmt und als Kabinenabluft Uber eine Abluftöffnung
wieder an die äußere Umgebung abgeführt wird.
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Bei Abluftanlagen, insbesondere für Spritz- oder Beschichtungskabinen,
muß die von außen zugeführte, relativ kalte Außenluft auf Raumtemperatur, in der
Regel ca. + 200C, aufgeheizt werden. Berücksichtigt man, daß insbesondere im Winter
die zugeführte Außenluft Temperaturen von z.B. ca. - 100C aufweist, so wird deutlich,
daß diese Aufheizung auf Kabinentemperatur einen erheblichen Energieaufwand erforderlich
macht. Die derart auf Raumtemperatur erwärmte Kabinenluft wird dann nach grober
Filterung Uber ein Abluftgeblöse wieder an die äußere Umgebung abgeführt. Dies bedeutet,
daß riesige Wärmemengen ungenutzt an die Atmosphäre abgegeben und mithin vergeudet
werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen
und eine Rückgewinnung zumindest der zur Erwärmung aufgewandten Energie zu ermöglichen,
und dies mit möglichst einfachen und billigen Mitteln bei möglichst wartungsfreiem
und
störungsfreiem Betrieb.
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Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mittels einer Rückgewinnungseinrichtung
für eingangs genannte Abluftanlagen gelöst, die gekennzeichnet ist durch eine als
Wärmepumpe arbeitende Kältemaschine, die mit ihrem Kondensator in den Zuluftstrom
und mit ihrem Verdampfer in Gestalt eines Wdrmetauschers in den Wasserzulauf zum
Wasservorhang eingeschaltet ist. Dadurch wird erreicht, daß die vom Wasser des Wasservorhanges
aufgenommene, der Kabinenluft entzogene Wärmemenge nach dem Wärmepumpenprinzip dafür
genutzt werden kann, die zugeführte, kalte Außenluft zu erwärmen. Da die Kabinenabluft
im Bereich des Wasservorhanges abgekühlt wird und Wärme abgibt, ist der Energieinhalt
der an die äußere Umgebung abgeführten Kabinenabluft wesentlich kleiner, als derjenige
der relativ hoch temperierten Kabinenluft, so daß also mit Abfuhr der relativ kalten
Abluft kaum Wärme mit abgegeben und mithin vergeudet wird. Vielmehr wird diese Wärme
vorher der abzuführenden Luft entzogen und im Zuluftbereich wieder zur Erwärmung
der zugeführten Luft genutzt. Als Träger dieser Wärme, die der Kabinenluft vor Abzug
entzogen wird, dient mithin das im Kreislauf geführte Wasser. Wasserseitig führt
eine Abkühlung bereits um nur wenige Temperaturgrade zu einem hohen Energiegewinn,
und zwar aufgrund der besonderen Eigenschaften der als Wärme pumpe arbeitenden Kältemaschine;
denn bekanntlich hat eine Kältemaschine eine ca. 20 % höhere Wärmeleistung als Kälteleistung.
Dies macht es also möglich, schon bei geringer Abkühlung des über den Verdampfer
geleiteten Wassers auf der Zuluftseite und dort, wo die von außen zugeführte Kaltluft
mittels des Kondensators der Kältemaschine zu erwärmen ist, eine wesentlich stärkere
Erwärmung der Zuluft zu erreichen. Die dem Wasser durch Abkühlung entzogene Wärmemenge
wird also hochgepumpt und zur Erwärmung der kalten Zuluft genutzt. Dies führt zu
erheblicher Kostenersparnis, abgesehen davon, daß die Umweltbelastung mit relativ
warmer Abluft bisher bekannter Art vermindert wird.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Rückgewinnungseinrichtung
gekennzeichnet durch eine Zwangsführung der erwärmten Luft derart,
daß
letztere zwangshalber vor Luftaustritt durch die Abluftöffnung über und durch den
Wasservorhang strömt unter Abgabe der enthaltenen Wärme an das Wasser im Bereich
vor dessen Zulauf zum Verdampfer der Kältemaschine.
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Durch diese Zwangsführung ist erreicht, daß der Kabinenluft kein anderer
Weg verbleibt, als durch den Wasservorhang hindurch, wodurch der Kabinenluft die
enthaltene Wärme vom Wasser entzogen wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß das Kabineninnere
auf der rückwärtigen, dem Kabinenarbeitsraum abgewandten Seite des Wasservorhanges
mittels eines Abluftkanales mit Ventilator an die Abluftöffnung angeschlossen ist.
Dies stellt sicher, daß die Luft, die die Kabine verläßt, zwangshalber nur an der
Stelle des Abluftkanales und durch diesen hindurch austreten kann. Dies ist besonders
vorteilhaft im Zusammenhang mit einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, gemäß
der zwischen dem Wasservorhang auf dessen Rückseite und der Abluftöffnung obere
Wasserverteiler mit Sprühdüsen sowie unterhalb dieser etwa prallblechihnliche Luftdurchgangshindemisse
angeordnet sind, die der Luft, welche den Wasservorhang passiert, einen etwa mäanderförmigen
Zwangsdurchgang vom Wasservorhang bis hin zur Abluftöffnung aufzwingen. Dadurch
wird erreicht, daß die Luft, die den Wasservorhang bereits passiert hat, sich dabei
aber noch auf einem gewissen Temperaturniveau befindet, weiter durch innige Berührung
mit Wasser abgekühlt wird, d.h. die in der Luft auch nach Passieren des Wasservorhanges
noch enthaltene Wärmemenge ebenfalls mittels des Wassers der Luft entzogen wird.
Auf diese Weise ist erreicht, daß die sich etwa auf Raumtemperaturniveau von ca.
+ 200C befindliche Kabinenluft stark heruntergekühlt werden kann, bevor sie als
Abluft wieder an die äußere Umgebung abgegeben wird. Es wird also möglich gemacht,
die in der Kabinenluft enthaltene Wärmeenergie in möglichst hohem Maße der Luft
vor ihrem Austritt zu entziehen und, da die Wdrmeenergie vom Wasser aufgenommen
wird, dem Prozess zu erhalten.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Ansprüchen
5 - 8. Dadurch ist zugleich ein selbsttätig arbeitender Filter in das System
integriert,
der ebenfalls eine Rückgewinnung ermöglicht, und zwar einerseits des Wassers und
andererseits von Farbrückständen, Farbpartikeln sowie Farbresten. Mittels des Filters
wird ritimlich das umgewälzte Wasser soweit gefiltert, daß es als sauberes Wasser
sich jeweils im Wassersammelbehöltnis sammelt. Das kostspielige Wechseln des Wassers
entfällt mithin. In vorteilhafter Weise werden Farbpartikel und Farbrückstände herausgefiltert,
so daß diese relativ teueren Farbrückstände und Farbpigmente separat ausgetragen
und zur Aufbereitung wieder dem Hersteller zugeführt werden können. Es ist mithin
auch eine Rückgewinnung der Farbrückstände mit einhergehender erheblicher Kostenersparnis
und Senkung der Umweltbelastung erreicht.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen enthalten die Ansprüche 9 -
11. Es versteht sich dabei, daß der Nachheizkondensator Bestandteil des gleichen
Kältekreislaufes und der Kältemaschine sein kann, zu der auch der Kondensator gehört.
Statt dessen kann der Nachheizkondensator auch an einen eigenen Kältekreislauf angeschlossen
sein. Auch mehrere, hintereinander angeordnete Kondensatoren eines oder mehrerer
getrennter Kältekreisläufe sind möglich.
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Der vollständige Wortlaut der Ansprüche ist vorstehend allein zur
Vermeidung unnötiger Wiederholungen nicht wiedergegeben, sondern statt dessen lediglich
durch Nennung der Anspruchsnummern darauf Bezug genommen, wodurch jedoch alle diese
Anspruchsmerkmale als an dieser Stelle ausdrücklich und als erfindungswesentliche
Ausgestaltungen offenbart zu gelten haben.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in
der Zeichnung näher erläutert, die eine schematische, zum Teil geschnittene Seitenansicht
einer Farbspritzkabine mit Abluftanlage zeigt.
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Die Farbspritzkabine ist schematisch mit 10 angedeutet. Sie weist
Seitenwände, eine Rückwand 11, eine Decke 12 und einen z.B. gitterrostartigen Boden
13 nuf, auf dem die Bedienungsperson 14 steht, die ein Werkstück 15 mittels einer
Spritzpistole 16 mit einem Farbüberzug versieht. Um Farbrückstände,
Lösungsmittel
der Farbe etc. aufzunehmen und auszuwaschen, ist die Spritzkabine 10 mit einem Wasservorhang
ausgerüstet, der schematisch mit 17 angedeutet ist. Der Wasservorhang 17 wird im
Betrieb kontinuierlich über einen Wasserzulauf 18 in Pfeilrichtung 19 gespeist,
wodurch eine im wesentlichen völlig geschlossene Wasserfront auf der Rückseite des
Werkstückes 15 entsteht. Das Wasser des Wasservorhanges 17 fließt nach unten hin
durch den Boden 13 ab. Ferner gehen im Bereich unterhalb des Werkstückes 15 anfallende
Farbreste und Farbpartikel ebenfalls durch den gitterrostartigen Boden 13 nach unten
ab.
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Die gezeigte Farbspritzkabine 10 oder mehrere dieser Art befinden
sich in einem Raum 30, der mit einer Abluftanlage ausgerüstet ist, um die Bedienungsperson
14 vor Gesundheitsschäden zu bewahren und z.B. Lösungsmittel, Dämpfe oder Gase,
die beim Farbspritzen anfallen, abzuführen. Mittels der Abluftanlage wird über eine
Zuluftöffnung 31 Außenluft in Pfeilrichtung 32 aus der äußeren Umgebung zugeführt.
Die Außenluft ist relativ kalt. Ihre Temperatur beträgt z.B. - 50C, wie angegeben,
kann aber z.B. im Winter auch - 100C und niedriger sein. Die zugeführte kalte Außenluft
wird im Inneren des Raumes 30 erwärmt und sodann als Kabinenabluft über eine Abluftöffnung
33 in Pfeilrichtung 34 an die außere Umgebung abgeführt. Dies erfolgt mittels eines
Abluftgebläses 35 innerhalb eines Abluftkanales 36.
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Bei herkömmlichen Abluftanlagen hat die derart abgeführte Kabinenabluft
eine Temperatur von ca. + 200C. Sic befindet sich also etwa auf dem gleichen Temperaturniveau,
wie die Spritzkabine 10. Es werden mithin in der Abluft enthaltene große Wärmemengen
ungenutzt vergeudet.
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Gemäß der Erfindung ist eine als Wärmepumpe arbeitende Kältemaschine
50 vorgesehen, die mit ihrem Kondensator 51 in den Zuluftstrom im Bereich der Zuluftöffnung
31 eingeschaltet ist und die mit ihrem als Wärmetauscher gestalteten Verdampfer
52 in den Wasserzulauf 18 zum Wasservorhang 17
eingeschaltet ist.
Der Kondensator 51 ist der Zuluftöffnung 31 innen, wie gezeigt, oder auch außen
unmittelbar benachbart oder statt dessen innerhalb dieser angeordnet. Darüberhinaus
ist dem Kondensator 51 in Strömungsrichtung der Zuluft gemäß Pfeil 32 ein Nachheizkondensator
53 nachgeordnet.
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Auch dieser kann, wie nicht besonders gezeigt ist, an den Kältekreislauf
der Kältemaschine 50 angeschlossen sein oder auch Bestandteil eines weiteren Kältekreislaufes
sein. Unmittelbar neben dem Kondensator 21 befindet sich ein Ventilator 54, der
die kalte Außenluft in Pfeilrichtung 32 durch die Zuluftöffnung 31 hindurch und
unter Passieren des Kondensators 51 in den Raum 30 hinein führt.
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Die Wirkungsweise der Kältemaschine 50 ist an sich geläufig. Von einem
Verdichter 55 wird in Pfeilrichtung 56 dem Kondensator 51 Kältemittel, beispielsweise
Frigen, in Dampfform mit relativ hoher Temperatur und hohem Druck zugeführt. Dieser
Kälternitteldampf kondensiert im Kondensator 51 zu flüssigem Kältemittel unter Wärmeabgabe
an die darübergeführte, kalte Außenluft. Diese wird dadurch im Bereich der Zuluftöffnung
31 soweit erwärmt, daß sie nach Passieren des Kondensators 51 eine Temperatur von
beispielsweise + 150C aufweist. Nach Passieren des Nachheizkondensators 53 erfolgt
eine weitere Erwärmung auf + 200C, wie angedeutet. Das im Kondensator 51 kondensierte
flüssige Kältemittel mit nunmehr relativ niedriger Temperatur und niedrigem Druck
gelangt sodann vom Ausgang des Kondensators 51 in Pfeilrichtung 57 über einen Sammler
58, einen Trockner 59 mit nachgeschaltetem Schauglas 60 zu einem Einspritzventil
61.
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Dort erfolgt eine Dosierung und Drosselung des flüssigen Kältemittels,
das sodann vom Einspritzventil 61 zur Primärseite des Verdampfers 52 geführt wird.
In letzterem verdampft das flüssige Kältemittel, wobei es die dazu nötige Verdampfungswärme
dem Wasser entzieht, welches mittels einer Pumpe 62 in einer Zufuhrleitung 63 dem
Sekundärteil des Verdampfers 52 zugeführt wird und von dort über den Wasserzulauf
18 zum Wasservorhang 17 geführt wird. Unter Primärteil des Verdampfers 52 ist der
Teil zu verstehen, der verdampferseitig vom verdampfenden Kältemittel durchflossen
ist.
Unter Sekundärteil des Verdampfers 52 wird der damit in Wärmeaustausch stehende,
wasserführende Teil verstanden, der aus Zufuhrleitung 63, einem z.B. etwa boilerartigen
Behältnis 64 und aus dem daran angeschlossenen Wasserzulauf 18 zum Wasservorhang
17 besteht, die einen durchgängigen Strömungspfad für das Wasser bilden. Das Wasser
wird mithin heruntergekühlt. Der im Verdampfer 52 entstehende Kältemitteldampf gelangt
vom Verdampfer 52 zum Verdichtereingang, durch den der Verdichter 55 den Kältemitteldampf
ansaugt. Der Verdichter 55 setzt den Kältemitteldampf unter höheren Druck mit einhergehender
Erwärmung und fördert ihn im geschlossenen Kreislauf wieder zum Kondensator 51.
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Mittels der eingesetzten Kältemaschine 50 wird mithin die im Wasser
enthaltene Wärme genutzt, nämlich dem Wasser entzogen und durch die Pumpwirkung
nach Wärmepumpenprinzip zur Erwärmung der kalten Außenluft herangezogen. Dabei macht
man sich die allgemein bekannte Tatsache zunutze, daß die Kältemaschine 50 eine
ca. 20 % höhere Wärmeleistung als Kälteleistung hat, so daß also der auf der Zuluftseite
angeordnete Kondensator 51 in hohem Maße die zugeführte, kalte Außenluft erwärmt.
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Ein weiterer wesentlicher Teil der erfindungsgernäßen Rückgewinnungseinrichtung
bezieht sich darauf, daß die von der Luft bei der Erwärmung aufgenommene Wärmemenge
vor Abführung der Luft durch die Abluftöffnung 33 der Luft entzogen und dem Wasser
zugeführt wird. Dazu ist erfindungsgemäß eine Zwangsführung der erwärmten Luft -
schematisch durch die Pfeile 37 und 38 angedeutet- vorgesehen, derart, daß die warme
Kabinen luft zwangshalber vor ihrem Austritt aus der Abluftöffnung 33 über den Wasservorhang
17 und durch diesen hindurch strömt, wobei die in der Kabinenluft enthaltene Wärme
an das Wasser abgegeben wird, und zwar im Bereich vor dem Zulauf des Wassers zum
Verdampfer 52 der Kältemaschine 50. Der warmen, z"B. + 200C betragenden Kabinenluft
wird mithin die enthaltene Wärme entzogen, die vom Wasser aufgenommen wird. Geht
man davon aus, daß das Wasser auf ca. + 60 C oder +50C gehalten wird, so hat auch
die Abluft, wenn sie schließlich durch den Abluftkanal 36 und die Abluftöffnung
33
in Pfeilrichtung 34 abgeführt wird, etwa die gleiche Temperatur wie das Wasser,
also z.B. ebenfalls ca. +50C oder+60C. Diese Werte sind nur Beispielsangaben. In
der Zeichnung sind andere Werte angegeben, z.B.
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für die Ablufttemperatur +30C, während die Temperatur der warmen Kabinenluft
+200C beträgt. Die Temperaturdifferenz in Höhe von +170C ist dadurch entstanden,
daß die in der Kabinenluft enthaltene Wärmemenge vom Wasser aufgenommen wurde. Das
Wasser dient mithin als Träger für die Wärmemenge, die der Kabinenluft vor Abführung
durch die Abluftöffnung 33 entzogen wurde. Ferner dient das Wasser natürlich als
Transportmedium für diese Wärmemenge, da das Wasser diese Wärmemenge dem Verdampfer
52 der Kältemaschine 50 zuführt.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist das Innere der Kabine 10
auf der rückwärtigen, dem Kabinenarbeitsraum abgewandten Seite des Wasservorhanges
17 über den Abluftkanal 36 mit Ventilator 35 an die Abluftöffnung 33 angeschlossen.
Dadurch ist sichergestellt, daß die Kabinenluft als Abluft keinen anderen Weg nehmen
kann, sondern ausnahmslos durch den Abluftkanal 36 abgeleitet wird.
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Zwischen dem Wasservorgang 17 auf dessen Rückseite und der Rückwand
11 der Kabine mit Anschluß an die Abluftöffnung 33 sind schematisch angedeutete
obere Wasserverteiler 20, 21 und 22 mit jeweiligen Sprühdüsen angeordnet. Diese
sind in Strömungsrichtung des Wassers hinter dem Abzweig gemäß Pfeil 19 zum Wasservomang
17 an den Wasserzulauf 18 angeschlossen.
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Unterhalb dieser Wasserverteiler 20, 21 und 22 mit zugeordneten Sprühdüsen
sind etwa prall blechähnl i che Luftdurchgangshindernisse in Form schematisch angedeuteter
Prallplatten 23, 24 und 25 angeordnet, die der zwangshalber über den Wasservorhang
17 geführten Luft gemäß den Pfeilen 37 und 38 einen etwa mäanderförmigen, durch
Strömungspfeil 26 angedeuteten Zwangsdurchgang vom Wasservorhang 17 bis hin zum
Abluftkanal 36 und zur Abluftöffnung 33 aufzwingen. Dies führt zu einem möglichst
großen Wärmeübergang
der in der Luft enthaltenen Wärme auf das
Wasser. Das Wasser geht unterhalb der Prallplatten 23 - 25 durch den rostartigen
Boden 13 in Pfeilrichtung 27 ab und wird dort in einem Wassersammelbehältnis 28
aufgenommen. Letzteres ist im Bereich und unterhalb sowohl des Wasservorhanges 17
als auch der Wasserverteiler 20 - 22 mit Sprühdüsen und Prallplatten 23 - 25 angeordnet.
Auch im Arbeitsbereich der Kabine 10 evtl. anfallendes Wasser wird vom Wassersammelbehältnis
28 aufgenommen, da dieses sich unterhalb des Bodens 13 auch bis hin zum Arbeitsbereich
der Kabine 10 erstreckt. Das Wassersammelbehältnis 28 ist über die Zufuhrleitung
63 mit Pumpe 62 an den Sekundärteil 64 des Verdampfers 52 angeschlossen, wie bereits
erläutert ist.
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Oberhalb des Wassersammelbehältnisses 28 ist eine selbsttätig arbeitende
Filtervorrichtung 40 in Form eines Bandfilters angeordnet. Mittels der Filtervorrichtung
40 sind aus dem Wasser vor Eintritt in den Wassersammelbehälter 28 Schmutz, vor
allem aber Farbpartikel, Farbrückstände oder Farbreste herausfilterbar, so daß das
sich im Behältnis 28 sammelnde Wasser dann wirklich gefiltert und mithin sauber
ist. Dadurch ist es möglich, einerseits auf das kostspielige Wechseln des Wassers
zu verzichten und andererseits überdies die teueren Farbpigmente und Farbrückstände
wieder zu nutzen, nämlich zur Aufbereitung wieder dem Hersteller zurückzugeben.
Mithin ist zugleich eine Rückgewinnung der anfallenden Farbrückstände erreicht und
auch dadurch die Umweltbelastung erheblich reduziert. Darüberhinaus ergibt sich
natürlich hinsichtlich der Kosten für die aufzuwendende Energie eine erhebliche
Kostenersparnis.
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Die Filtervorrichtung 40 weist ein Filterband 41, z.B. aus Papier,
auf, welches z.B. von einer Vorratsrolle 42 abziehbar ist und über Rollen 43 und
44 geführt wird. Der Abstand der Rollen 43 und 44 voneinander ist so groß bemessen,
wie der Teil der Spritzkabine 10, der sich rückseitig an den Wasservorhang 17 anschließt,
so daß also das gesamte, in Pfeilrichtung 27 durch den Boden 13 abgehende, Farbpartikel
enthaltende Wasser
erst das Filterband 41 passieren muß, bevor
es in das darunter befindliche Behältnis 28 gelangt. In der Darstellung rechts der
rechten Rolle 44 befindet sich eine Senke 45 als Farbrestesammler, in die hinein
das Filterband 41 die abgefilterten Farbrückstände austrägt. Überdies kann die Senke
45, da sie unterhalb des Arbeitsbereiches liegt, auch sonstige, durch den Boden
13 hindurchgehende Farbpartikel aufnehmen.
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