DE4344968A1 - Kaltluft-Kältemaschine-Wärmepumpen-System mit geschlossener und offener Luftaufbereitung - Google Patents
Kaltluft-Kältemaschine-Wärmepumpen-System mit geschlossener und offener LuftaufbereitungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine auf Wärmepumpenbetrieb
umschaltbare Kaltluftkältemaschine, die mit einem ganzjährig zu
klimatisierenden Raum, insbesondere mit Reisezugwagenräumen, so
gekoppelt ist, daß gleichzeitig zwei Luftmasseströme verschie
dener Quantität und Qualität so aufbereitet werden, daß der eine
einen geschlossenen und der andere einen offenen Prozeß
durchläuft.
Es ist bekannt, daß entsprechend dem Stand der Technik zum
Klimatisieren von Räumen Luftaufbereitungsanlagen und Luftver
teilersysteme notwendig sind.
In der Luftaufbereitungsanlage wird der zum thermischen und
stofflichen Lastabbau notwendige Zuluftmassestrom thermisch und
stofflich aufbereitet. Hierzu sind als Hauptbaugruppen Filter,
Mischkammern, Heiz-, Kühl- und Befeuchtungseinrichtungen sowie
Lüfter zum Transport der Luft erforderlich.
Den Stand der Technik der Heizeinrichtungen bestimmen mit ver
schiedenen Heizmedien (Dampf, Warmwasser, Abluft, Abgas) betrie
bene Rekuperatoren, die den als Kühlmedium fungierenden Zuluft
massestrom zum Zweck der Heizlastkompensation erwärmen. In
Klimaanlagen, insbesondere von Reisezugwagen, dominiert die elek
trische Widerstandsheizung. Ihren Energieaufwand versucht man
durch verschiedene Energierückgewinnungsmaßnahmen wie durch
Fortluftnutzung, durch Reduzierung des in dem Zuluftmassestrom
enthaltenen Außenluftanteils und neuerdings auch mit dem Einsatz
von Wärmepumpen zu reduzieren. In der deutschen Patentanmeldung
P 43 03 219.2 "Luft-Wärmepumpe" werden hierzu verschiedene auf
Wärmepumpenbetrieb umschaltbare Kaltluft-Kältemaschinen-Schal
tungen vorgestellt. Die Vorteile dieser Lösung bestehen u. a.
darin, daß eine Maschine für die Kühlung und Erwärmung des
Zuluftmassestromes genutzt wird, daß der im Vergleich zu herkömm
lichen Kaltdampf-Kältemaschinen höhere Energieaufwand einer
Kaltluft Kältemaschine durch den im Vergleich zur elektrischen
Widerstandsheizung niedrigeren Energieaufwand im Wärmepum
penbetrieb kompensiert wird und schließlich Luft als Kältemittel
bzw. Energieträger weder ein Ozongefährdungs- noch ein den Treib
hauseffekt förderndes Potential besitzt. Technische Schwierigkei
ten sind jedoch bei dieser erfinderischen Idee durch die Wasser
ausscheidung während der Expansion feuchter Luft in der Luftent
spannungsturbine bei der energetischen und maschinentechnisch
günstigeren offenen Kaltluft-Kältemaschinen-Wärmepumpen-Anlage
zu erwarten, die zu erheblichen Betriebsstörungen der Klimaanlage
führen dürfte.
Über ein nach dem Stand der Technik sehr verschiedenartig aus
führbares Luftverteilersystem gelangt die thermisch und stofflich
aufbereitete Zuluft direkt in den Wirkungsbereich des zu klimati
sierenden Raumes, den sie als Abluft wieder verläßt. Zusammen mit
Außenluft wird der Umluftanteil der Abluft der Luftaufbereitungs
anlage zum Zweck der Zuluftaufbereitung wieder zugeführt, so daß
sich in einer in der deutschen Patentanmeldung P 43 03 219.2
beschriebenen Kaltluft-Kältemaschinen-Wärmepumpen-Anlage erhebli
che Wassermengen beim Entspannen der feuchten Luft in der Luft
entspannungsturbine ausscheiden, die neben einer erheblichen
Wirkungsgradverschlechterung der Anlage zu den bereits geschil
derten Nachteilen führen. Mit steigenden thermischen und stoffli
chen Lasten fallen diese Nachteile immer mehr ins Gewicht, da mit
den Lasten auch die Zuluftmasseströme anwachsen müssen, wenn Luft
als einziger Energieträger zum Klimatisieren in Frage kommt.
Überschreitet ein direkt in einen Raum eingeblasener Zuluftmasse
strom einen bestimmten Grenzwert, so lassen sich die zulässigen
örtlichen Höchstgeschwindigkeiten der Raumluft und damit auch
nicht eine vom Menschen empfundene thermische Behaglichkeit
realisieren. Dieser Nachteil kann weitgehend durch ein in der DD
2 52 802 B5 beschriebenes System einer aktiven und passiven
Isolierung aufgehoben werden. In der aktiven Isolierung, die ein
den zu klimatisierenden Raum umschließendes Luftkanalsystem dar
stellt, wird ein großer Anteil der thermischen Gesamtlast außer
halb des Raumes kompensiert. Die Restlast wird durch einen direkt
in den Raum eingeblasenen aber stark reduzierten thermisch und
stofflich aufbereiteten Zuluftmassestrom abgebaut, womit ein
Überschreiten zulässiger Raumluftgeschwindigkeiten vermieden
wird. Um Schwitzwasserbildung in dem Kanalsystem der aktiven
Isolierung gänzlich auszuschließen, darf in ihm nur trockene Luft
zirkulieren. Dazu muß verhindert werden, daß sie - einmal in der
Luftaufbereitungsanlage getrocknet - mit der Umgebung in stoffli
che Kontakte treten kann. Die Luftaufbereitungsanlage und das
Kanalsystem der aktiven Isolierung müssen deshalb für die
zwischen ihnen zirkulierende Luft ein geschlossenes System
bilden.
Das in der DD 2 63 961 A1 beschriebene Verfahren Zuluftaufbe
reitungsanlage für Eisenbahnfahrzeuge mit aktiver und passiver
Isolierung erfüllt diese Forderung nicht, da die in den Raum
eingeblasene Zuluft und die Luft der aktiven Isolierung im
Abluftbereich gemischt werden. Das bedeutet, daß die Luft in der
Luftaufbereitungsanlage ständig getrocknet werden muß, und somit
ein Einsatz nach der deutschen Patentanmeldung P 43 03 219.2
beschriebenen Kaltluft-Kältemaschinenanlage aufgrund der mit der
Wasserausscheidung verbundenen Nachteile mit erheblichen Schwie
rigkeiten verbunden wäre.
Ziel der Erfindung ist es, die auf Wärmepumpen-Betrieb umschalt
bare Kaltluft-Kältemaschine mit einer als geschlossenes Kanalsy
stem ausgeführten aktiven Isolierung zu koppeln.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine auf Wärmepumpenbetrieb um
schaltbare Kaltluft-Kältemaschine als Luftaufbereitungsanlage zum
Zweck der ganzjährigen Klimatisierung von Räumen, insbesondere
von Reisezugwagenräumen, mit einer aktiven Isolierung so zu
koppeln, daß ihre Luftaufbereitung in einem geschlossenen Prozeß
ohne stofflichen Kontakt mit der Umgebungsluft und die
Aufbereitung der in den zu klimatisierenden Raum direkt
einzublasenden Zuluft gleichzeitig nach einem offenen Prozeß
erfolgen kann, ohne daß beide Luftmasseströme in stofflichen
Kontrakt treten können.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
entsprechend Fig. 1 näher erläutert werden.
In der auf Wärmepumpenbetrieb umschaltbaren zweistufigen Kalt
luft-Kältemaschine - bestehend aus dem von der Luftentspan
nungsturbine 9 direkt angetriebenen Vorverdichter 1, den Drei
wegeventilen 2, 4, 11 und 16, dem Zwischen-Wärmeübertrager 3, dem
motorgetriebenen Hauptverdichter 5, den Vierwegeventilen 6 und
8, dem Feuchtigkeitsabscheider 10, dem Lüfter 17 zum Luft
massestromausgleich, dem Wärmeübertrager 12 für Zuluftabkühlung
oder -erwärmung, dem Ablüfter 19 und Zuluftlüfter 18 sowie aus
dem regenerativen Wärmeübertrager 20 Fortluft-Zuluft - wird Luft
14 für die aktive Isolierung im Kühlbetrieb gekühlt und im
Heizbetrieb erwärmt, wobei sie ohne stofflichen Kontakt mit der
Umgebung einen geschlossenen Prozeß durchläuft und Zuluft 21 in
einem offenen Prozeß gekühlt oder erwärmt.
Im Kühlbetrieb wird die Luft in dem Kanalsystem 14 einer aktiven
Isolierung mit Umgebungsdruck am Austritt 15 aus der aktiven
Isolierung des Mantelsystems vom Vorverdichter 1 abgesaugt. Mit
den Dreiwegeventilen 11 und 16 und dem Lüfter 17 wird der in der
Kaltluft-Kältemaschine gekühlte Luftmassestrom für die aktive
Isolierung nach energetischen Gesichtspunkten optimal einge
stellt. Dieser optimale Luftmassestrom gelangt vom Vierwegeventil
8 in den Vorverdichter 1, wo er auf einen Zwischendruck verdich
tet und dabei erwärmt wird. Bei Stellung des Dreiwegeventils 2
von Vorverdichter 1 nach Zwischen-Wärmeübertrager 3 gelangt die
Luft in den Zwischen-Wärmeübertrager 3, wo sie mit Umgebungsluft,
mit Außenluft 23 gekühlt wird. Über das von Zwischen-Wärmeüber
trager 3 nach Hauptverdichter 5 gestellte Ventil 4 gelangt die
Luft in den motorgetriebenen Hauptverdichter 5, der sie auf den
maximalen Prozeßdruck verdichtet. Die bei diesem Druck erwärmte
Luft gelangt bei der Stellung Hauptverdichter 5 nach Haupt-Wärme
übertrager 7 des Vierwegeventils 6 zum Haupt-Wärmeübertrager 7,
in dem die unter maximalen Prozeßdruck stehende Luft mit
Außenluft 23 wieder zurückgekühlt wird. Über das von Haupt-
Wärmeübertrager 7 nach Luftentspannungsturbine 9 eingestellte
Vierwegeventil 8 gelangt die Luft in die Luftentspannungsturbine
9, in der sie auf nahezu Umgebungsdruck entspannt und dabei
unterhalb der Temperaturen der Außenluft 23 abgekühlt wird. Die
Leistung der Luftentspannungsturbine 9 wird zum Antrieb des
Vorverdichters 1 genutzt, mit dem sie auf einer Welle angeordnet
ist. In der Anfahrphase kann in dem Feuchtigkeitsabscheider 10
aus der Luft ausscheidendes flüssiges Kondensat gesammelt werden.
Über das von Feuchtigkeitsabscheider 10 nach Dreiwegeventil 11
geschaltete Vierwegeventil 6 gelangt die gekühlte und getrocknete
Luft über das Dreiwegeventil 11, den Wärmeübertrager 12 und den
Eintritt 13 mit Umgebungsdruck in das Kanalsystem 14 der aktiven
Isolierung des zu klimatisierenden Raumes 24. In dem Wärme
übertrager 12 läßt sich die Luft für die aktive Isolierung auf
den gewünschten Wert nachwärmen, wobei gleichzeitig die in den
Raum 24 einzublasende Zuluft 21 nachgekühlt wird. Vor Eintritt
in den Wärmeübertrager 12 wird die Zuluft 21 über den
regenerativen Wärmeübertrager 20 für die Fortluft-Zuluft mit
Hilfe des Zuluftlüfters 18 aus der Umgebung angesaugt. Im
Wärmeübertrager 20 wird sie mit der Abluft 22, die mit dem
Abluftlüfter 19 aus dem Raum 24 abgesaugt wird, vorgekühlt. Die
thermische Aufbereitung der Zuluft 21 erfolgt so gegenüber der
Außenluft 23 in einem offenen Prozeß.
Im Heizbetrieb arbeitet die Kältemaschine als Wärmepumpe. An dem
Austritt 15 wird die Luft aus der aktiven Isolierung beim
Umgebungsdruck abgesaugt. Mit dem Ventil 16, dem Lüfter zum Luft
massestromausgleich 17 und dem Dreiwegeventil 11 läßt sich der
in der Wärmepumpe zu erwärmende Luftmassestrom für die aktive
Isolierung nach energetischen Gesichtspunkten optimal einstellen.
Bei Stellung Dreiwegeventil 16 nach Luftentspannungsturbine 9 des
Vierwegeventils 8 gelangt der optimal eingestellte Luftmassestrom
in die Luftentspannungsturbine 9. In ihr wird die Luft unterhalb
Umgebungsdruck entspannt und dabei unter die Umgebungstemperatur
abgekühlt. In der Anfahrphase wird in dem Feuchtigkeitsabscheider
10 aus der Luft ausscheidendes flüssiges (oder festes) Kondensat
gesammelt. Über das von Feuchtigkeitsabscheider 10 nach Haupt-
Wärmeübertrager 7 gestellte Vierwegeventil 6 gelangt die in der
Luftentspannungsturbine 9 abgekühlte Luft in den Haupt-Wärmeüber
trager 7, in dem sie Umgebungsluft, der Außenluft 23 Wärme ent
zieht und sich dabei erwärmt. Über das von Haupt-Wärmeübertrager
7 nach Vorverdichter 1 gestellte Vierwegeventil 8 wird die Luft
vom Vorverdichter 1 angesaugt und auf einen noch unterhalb des
Umgebungsdruckes liegenden Zwischendruck vorverdichtet und
erwärmt. Durch die von Vorverdichter 1 nach Hauptverdichter 5
eingestellten Dreiwegeventile 2 und 4 gelangt die vorgewärmte
Luft direkt in den motorgetriebenen Hauptverdichter 5. Dieser
verdichtet die Luft bei gleichzeitiger weiterer Erwärmung wieder
auf Umgebungsdruck und fördert sie über das von Hauptverdichter
5 nach Dreiwegeventil 11 gestellte Vierwegeventil 6, durch das
Dreiwegeventil 11, den Wärmeübertrager 12 und durch den
Einlaßkanal, den Eintritt 13 in das Kanalsystem 14 der aktiven
Isolierung. Im Wärmeübertrager 12 wird die Luft auf eine aus
energetischer Sicht optimale Temperatur zurückgekühlt und dabei
die Zuluft 21 nachgewärmt. Vorgewärmt wird diese mit dem
Zuluftlüfter 18 aus der Umgebung angesaugte Außenluft 23 im
regenerativen Wärmeübertrager 20, in dem die mit dem Abluftlüfter
19 aus dem Raum 24 abgesaugte Abluft 22 abgekühlt wird, so daß
die thermische Aufbereitung der Zuluft 21 auch im Heizbetrieb in
einem offenen Prozeß erfolgt.
Bezugszeichenliste
1 Vorverdichter
2 Dreiwegeventil
3 Zwischen-Wärmeübertrager
4 Dreiwegeventil
5 Hauptverdichter
6 Vierwegeventil
7 Haupt-Wärmeübertrager
8 Vierwegeventil
9 Luftentspannungsturbine
10 Feuchtigkeitsabscheider
11 Dreiwegeventil
12 Wärmeübertrager
13 Einritt
14 Kanalsystem
15 Austritt
16 Dreiwegeventil
17 Lüfter
18 Zuluftlüfter
19 Abluftlüfter
20 Wärmeübertrager
21 Zuluft
22 Abluft
23 Außenluft
24 Raum.
2 Dreiwegeventil
3 Zwischen-Wärmeübertrager
4 Dreiwegeventil
5 Hauptverdichter
6 Vierwegeventil
7 Haupt-Wärmeübertrager
8 Vierwegeventil
9 Luftentspannungsturbine
10 Feuchtigkeitsabscheider
11 Dreiwegeventil
12 Wärmeübertrager
13 Einritt
14 Kanalsystem
15 Austritt
16 Dreiwegeventil
17 Lüfter
18 Zuluftlüfter
19 Abluftlüfter
20 Wärmeübertrager
21 Zuluft
22 Abluft
23 Außenluft
24 Raum.
Claims (7)
1. Kaltluft-Kältemaschinen-Wärmepumpen-System mit geschlossener
und offener Luftaufbereitung, gekennzeichnet dadurch, daß das
Kanalsystem (14) einer aktiven Isolierung, die einen zu
klimatisierenden Raum (24) vollständig oder teilweise einhüllt,
mit einer auf Wärmepumpenbetrieb umschaltbaren zweistufigen
Kaltluft-Kältemaschine - bestehend aus einem von einer Luft
entspannungsturbine (9) direkt angetriebenen Vorverdichter (1),
einem Zwischen-Wärmeübertrager (3), einem motorgetriebenen Haupt
verdichter (5), einem Feuchtigkeitsabscheider (10), einem Haupt-
Wärmeübertrager (7), einem Wärmeübertrager (12) für Zuluft
abkühlung oder -erwärmung sowie einem Abluft- und Zuluftlüfter
(19 und 18) - so gekoppelt ist, daß die Luft der aktiven
Isolierung ohne stofflichen Kontakt mit der Umgebungsluft, der
Außenluft (23) in einem geschlossenen Prozeß, gleichzeitig aber
die in den zu klimatisierenden Raum (24) einzublasende Zuluft
(21) mit dem Wärmeübertrager (12) für Zuluftabkühlung oder
-erwärmung und dem Abluft- und Zuluftlüfter (19 und 18) in einem
offenen Prozeß aufbereitet werden kann, wobei mit zwei
Vierwegeventilen (6 und 8) ein Umschalten vom Kühlen zum Heizen
beider Luftströme der aktiven Isolierung und der Zuluft (21)
möglich ist.
2. Kaltluft-Kältemaschinen-Wärmepumpen-System mit geschlossener
und offener Luftaufbereitung nach Anspruch 1, gekennzeichnet
dadurch, daß mit einem regenerativen Wärmeübertrager (20) für die
Fortluft-Zuluft der Luftmassestrom der in den Raum (24)
einzublasenden Zuluft (21) durch die Abluft (22) aus dem Raum
(24) vorgekühlt bzw. vorgewärmt wird.
3. Kaltluft-Kältemaschinen-Wärmepumpen-System mit geschlossener
und offener Luftaufbereitung nach Anspruch 1 und 2,
gekennzeichnet dadurch, daß mit einem Lüfter (17) zum Luftmas
sestromausgleich und mit zwei Dreiwegeventilen (11 und 16) der
in der Kaltluft-Kältemaschine oder Wärmepumpe für das Kanalsystem
(14) der aktiven Isolierung im Sommer oder Winter aufzubereitende
Luftmassestrom nach energetischen Gesichtspunkten optimal
eingestellt werden kann.
4. Kaltluft-Kältemaschinen-Wärmepumpen-System mit geschlossener
und offener Luftaufbereitung nach Ansprüchen 1 bis 3, ge
kennzeichnet dadurch, daß im Wärmepumpenbetrieb der Anlage mit
zwei Dreiwegeventilen (2 und 4) der Luftmassestrom für die aktive
Isolierung um den Zwischen-Wärmeübertrager (3) vorbeigeführt und
somit nicht zwischengekühlt wird.
5. Kaltluft-Kältemaschinen-Wärmepumpen-System mit geschlossener
und offener Luftaufbereitung nach Ansprüchen 1 bis 4,
gekennzeichnet dadurch, daß im Wärmepumpenprozeß die Erwärmung
der Zuluft (21) zusätzlich mit einer nach dem Wärmeübertrager
(12) für Zuluftabkühlung oder -erwärmung angeordneten elektri
schen Zusatzheizung zuluftseitig vorgesehen wird.
6. Kaltluft-Kältemaschinen-Wärmepumpen-System mit geschlossener
und offener Luftaufbereitung nach Anspruch 5, gekennzeichnet
dadurch, daß die Aufheizung der Zuluft (21) nach Vorwärmung in
dem regenerativen Wärmeübertrager (20) für die Fortluft-Zuluft
nur mit einer elektrischen Heizung erfolgt, wozu der Massestrom
der Zuluft (21) mit Hilfe zweier zusätzlicher Dreiwegeventile an
dem Wärmeübertrager (12) für Zuluftabkühlung oder -erwärmung
vorbeigeführt wird und somit die Luft für die aktive Isolierung
nicht nachgekühlt wird.
7. Kaltluft-Kältemaschinen-Wärmepumpen-System mit geschlossener
und offener Luftaufbereitung nach Ansprüchen 1 bis 6,
gekennzeichnet dadurch, daß die Anlage über den Lüfter (17) zum
Luftmassestromausgleich und den Dreiwegeventilen (11 und 16),
über die Masseströme der Außenluft (23) der Zwischen-
Wärmeübertrager (3), Haupt-Wärmeübertrager (7) und Wärmeüber
trager (20), mit den Dreiwegeventilen (2 und 4), mit einem dem
Wärmeübertrager (12) nachgeschaltetem Heizaggregat sowie mit
einem drehzahlverstellbaren motorgetriebenen Hauptverdichter (5)
lastabhängig geregelt werden kann.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934344968 DE4344968A1 (de) | 1993-12-23 | 1993-12-23 | Kaltluft-Kältemaschine-Wärmepumpen-System mit geschlossener und offener Luftaufbereitung |
EP94250284A EP0660054A3 (de) | 1993-12-23 | 1994-11-24 | Kaltluft-Kältemaschinen-Wärmepumpen-System mit geschlossener und offener Luftaufbereitung. |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934344968 DE4344968A1 (de) | 1993-12-23 | 1993-12-23 | Kaltluft-Kältemaschine-Wärmepumpen-System mit geschlossener und offener Luftaufbereitung |
Publications (1)
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DE4344968A1 true DE4344968A1 (de) | 1995-06-29 |
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DE19934344968 Withdrawn DE4344968A1 (de) | 1993-12-23 | 1993-12-23 | Kaltluft-Kältemaschine-Wärmepumpen-System mit geschlossener und offener Luftaufbereitung |
Country Status (2)
Country | Link |
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EP (1) | EP0660054A3 (de) |
DE (1) | DE4344968A1 (de) |
Cited By (2)
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1993
- 1993-12-23 DE DE19934344968 patent/DE4344968A1/de not_active Withdrawn
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1994
- 1994-11-24 EP EP94250284A patent/EP0660054A3/de not_active Withdrawn
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP0660054A3 (de) | 1996-06-12 |
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Date | Code | Title | Description |
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