DE19757769A1

DE19757769A1 - Verfahren der Luftentfeuchtung durch Diffusion-Effusion

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Publication number: DE19757769A1
Application number: DE19757769A
Authority: DE
Inventors: Guenther Niemes; Horst Dr Niemes
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-12-23
Filing date: 1997-12-23
Publication date: 1999-06-24
Also published as: WO1999034150A1; EP0966637A1

Description

0. Allgemein

Die Zusammensetzung der Luft entspricht einer Mischung ohne Mischungslücke. Die Anteile Stickstoff-Sauerstoff und Wasserdampf sind ideale Mischungen und ver halten sich bei festgelegtem Gesamtdruck wie eine azeotrope Mischung. Deshalb wird, wie in der Lufttechnik üblich, die Behandlung der Luft auf einen Normdruck be zogen, d. h. bei Vereinigung mehrerer Gase bei gleichem Druck und gleicher Tempe ratur ist das Gesamtvolumen gleich der Summe der Partialvolumina. Mit Hilfe des Dampfdruckdiagramms und der isothermen Sättigungskurven werden die Isother men und Isobaren im Mollier-ix-Diagramm oder Carrier hx-Diagramm dargestellt. Für jeden Normdruck als Auslegungsbasis sind die praktischen Berechnungsgrundlagen neu festzulegen.

Die Höhenlage des thermischen Systems, d. h. des Gesamtdrucks, erfordert eine Anpassung der in der Lufttechnik üblichen Berechnungsgrundlagen. In größerer Hö he erfolgt somit eine Gesamtdruckerniedrigung und im Verhältnis zum Normdruck ist die Beeinflussung der Gleichgewichtsgrundlage gegeben. Die Beeinflussung der Gleichgewichtsgrundlage erfolgt folglich durch:

- Änderung des Gesamtdruckes
- Änderung der Temperatur
- Änderung der Konzentration

Die Differenz des Gesamtdruckes zweier sich angrenzenden Systeme ist dem Ver halten von Mischungen mit Mischungslücke, d. h. dem Verhalten einer heteroazeo topischen Mischung, dargestellt, durch die isobare Gleichgewichtskurve, zu verglei chen. Die physikalische Chemie nimmt sich in zahlreichen Verfahren der kontinu ierlichen und diskontinuierlichen Destillation an, welche Entmischungen durch einfa che Destillation, Destillation mit Rückflußkühler und Destillation mit Antriebs- und Verstärkungssäule als kontinuierliches Verfahren bevorzugt.

Im Laboratorium macht man sich der Arbeitsweise des Exsikators als Trocknungs verfahren zunutze, welcher als treibende Kraft das Streben von Lösungen nach Gleichgewichtszustand nutzt. Die gegenseitige Vermischung infolge Diffusion ist ver hindert, wenn man beide Systeme durch eine semipermeable Wand trennt, die nur für einen Partner durchlässig ist. Durch Benetzung der Membranwand mit einem Lö sungsmittel ist es möglich, den Dampfdruck zu erniedrigen, und das Verdünnungs bestreben durch Kondensation und Verdampfung in einem technischen System zu erhöhen.

Die nachfolgende Darstellung spricht bewußt den Kenntnisstand der an der Neue rung interessierten Fachrichtungen Bau- und Gebäudetechnik an und zeigen die Möglichkeiten auf, welche die physikalische Chemie Komponentenherstellern und Anlagenbauer alternativ anbietet. Der Kenntnisstand der Bauphysik und der Klima technik kann folglich genutzt werden.

Die Diskussion über den Einsatz von Alternativkältemitteln durch die Auflagen der FCKW-FKW-Verordnung erfordert derzeit weltweit Milliarden DM an Forschungs aufwand. Die Frage, ob mit einfachen lufttechnischen Aufbereitungstechniken kälte technische Einrichtungen mit FCKW bzw. FKW in der Lufttechnik sich ersetzen las sen, gewinnt somit Aktualität und außerordentliches öffentliches Interesse.

1. Grundlagen allgemein

Unter Diffusion versteht man die Erscheinung, daß zwei oder mehrere in einem Ge fäß befindliche Gase, Flüssigkeiten oder Lösungen gegenseitig und den Raum schließlich unabhängig voneinander völlig gleichmäßig durchdringen. Die Diffusion ist die gegenseitige Durchdringung von Gasen, Flüssigkeiten oder Lösungen infolge der ungerichteten Eigenbewegung. Die Luft besteht zu etwa 80% aus N² und 20% aus O², sowie H²O. Da die Gasmoleküle verschiedener Gase nicht die gleiche Geschwindigkeit haben, müssen leichtere Gase schnellerdiffundieren als schwere, d. h. sich schneller in einem bestimmten Raum ausbreiten, entweichen, oder auch an Oberflächen unterhalb des Taupunktes kondensieren. Das Dichteverhältnis bei 0°C ist bei Wasserdampf zu Luft 0,037, d. h. Wasserdampf ist 27 mal leichter. Die Diffu sion ist eine Folge der Kinetik der Gase, die Diffusion ist für die gegenseitige Durch dringung von Gasen aufgrund ihrer Wärmebewegung verantwortlich. In der Lufttech nik werden die klassischen Verfahren der Gasaufbereitungstechnik wie thermische Prozesse (Wärmetausch, thermisches Trennverfahren, Kälteprozesse und Diffusi onsprozesse (Absorption, Adsorption, Destillation, Rektifikation, Extraktion) einge setzt. Gegenstand der Neuerung ist ein Extraktionsverfahren ohne/mit Lösungs mitteln darzustellen. Das Extrahieren ist das Trennen eines Stoffgemisches durch Heraustrennen einzelner Komponenten mit Hilfe eines Lösungsmittels. Die theoreti sche Grundlage des Stoffaustauschs ist der Verteilungssatz von Nernst, der besagt: Das Verhältnis der Konzentrationen einer dritten Komponente, die in zwei aneinan der grenzenden Phasen gelöst ist, hat einen konstanten Wert. Sollen zwei Stoffe durch Extraktion getrennt werden, so müssen sie sich für ein gestimmtes Paar nicht oder fast nicht mischbarer Lösungsmittel in ihren Verteilungskoeffizienten unterschei den. Die Extraktion hat in der Gasaufbereitungstechnik gegenüber der Absorption, Adsorption und Rektifikation geringe Bedeutung.

Ein kontinuierliches Gastrennverfahren unter Nutzung von Druckdifferenzen und Anwendung dieses Verfahren in der Lufttechnik die Anordnung eines Diaphrag mas im Hauptstrom und Gastrennung durch Druckdifferenzen im Nebenschluß ist Gegenstand der Neuerung.

Praktisch angewendet wird das Verfahren bei gasanalytischen Gasspürgeräten, wel che auf physikalischer Basis arbeiten. Bei den Diffusionsgeräten wird die Tatsache ausgenutzt, daß Gase mit geringerer Molekularmasse schneller durch ein Diaphrag ma diffundieren, als solche mit höherer Molekularmasse. Dadurch wird eine leicht meßbare Druckerhöhung hervorgerufen, wenn das leichtere Gas in einem geschlos senen Raum diffundiert. Gasspürgeräte bestehen aus einer Kammer, die durch eine Tonwand in zwei Zellen geteilt ist. In der einen Zelle, der Druckzelle, befindet sich Luft, in die andere, die Ansaugzelle, wird das Prüfgemisch gesaugt. Befindet sich darin Gas, so diffundiert zuerst der Wasserstoffanteil (Reihe Diffusionsgeschwin digkeit H², CO²,H²O, N² und O²) aufgrund seiner kleinen Molekularmasse in der Druckzelle. Die dabei auftretende Druckerhöhung wird an einem Druckmesser abge lesen, wobei die Anzeige auf die Gaskonzentration geeicht werden kann.

Gegenstand weiterer Erläuterungen ist die Untersuchung von Möglichkeiten, mit wenig technischem Aufwand, den Wasserdampfanteil, je nach Verfahren auch den CO²-Anteil der Luft zu entziehen. Durch eine Entfeuchtung der Luft ohne Kondensa tionswärme (Sorptionsverfahren) ist die Basis für einen außerordentlich wichtigen lufttechnischen Prozeßgegeben. Durch die Trocknung der Luft ohne Kondensa tionswärme wird die nachfolgende Befeuchtung und Kühlung der Luft durch Ver dampfungswärme ermöglicht.

Die lufttechnischen Prozesse und Anlagenkomponenten einer Klimaanlage im Som mer- und Winterbetrieb sind, bis auf die Trocknung der Luft zwecks Befeuchtung und Kühlung, gleich. Der Trockner und Befeuchter übernimmt die Aufgabe der Oberflächenkühlung durch Kälteanlagen. Dieses der Natur entlehnte Verfahren er übrig den Einsatz von FCKW bzw. FKW-Kältemaschinen bei hälftigen Energieko sten. Die Darstellung des lufttechnischen Prozesses Entfeuchtung ohne Kondensati onswärme entspricht dem der Befeuchtung Wasserdampf (hx-Diagramm, Rand maßstab), nur in umgekehrtem Wirksinn. Fig. 1.

2. Grundlagen Wasserdampf-Diffusion

Die Dampfübergangszahlen sind etwa 113 geringer als beim Wärmeübergang. Durch Differenzen der Partialdrücke des Wasserdampfes diffundiert Wasserdampf mit 0,080 m²/h, vermindert um den Diffusionswiderstandsfaktor. Der Wärmeinhalt ist i(1+x) = 0,24t + 0,46xt + 596x. Der Wasserdampf diffundiert aufgrund von Druckunter schieden, welche sowohl thermisch, als auch durch Differenzdrücke aufrecht erhal ten werden können.

2.a Versuchaufbau Diffusion-Effusion thermisch

Der Vorgang ist nicht neu, dies zeigt das Kryophor, ein von Wollastone 1823 erfun denes Instrument, das die Eisbildung 13 durch Verdunstungskälte erzeugt. Das Kryophor besteht aus einer Gasröhre 11, die an beiden Enden unter rechten Winkel nach oben gebogen ist und je in eine gläserne Hohlkugel 12, 15 ausläuft. In der Kugel 15 befindet sich etwas Wasser; sonst ist das ganze Instrument luftleer und nur mit Wasserdampf gefüllt. Taucht man die Kugel 12 in eine Kältemischung 14, so schlagen sich durch die Kälte die Dünste, deren Druck die weitere Verdunstung des in der Kugel 15 befindlichen Wassers verhindert, in der Kugel 12 nieder, es entsteht nun aus dem Wasser der Kugel 15 sehr rasch Dampf, der ebenso schnell in der Ku gel 12 kondensiert wird, wodurch aber eine sehr lebhafte Verdunstung des Wassers in der Kugel 15 entsteht usw. Durch diese in raschem Fortgang gehaltene Verdun stung des Wassers in der Kugel 12 wird dem in dieser zurückbleibenden Teile des Wassers immer mehr Wärme entzogen, bis es endlich gefriert 13, siehe Fig. 2.

2.b Versuchaufbau Diffusion-Effusion Differenzdruck

Eine Flasche 22 verbinden wir durch ein Glasrohr mir einem Gefäß 18 aus porösen Ton. Das Glasrohr sitzt in einem Korkstopfen 24, der die Flasche verschließt. Aus der Flasche führt ein zweites Glasrohr 21, das an der Spitze zu einer Kapillare aus gezogen ist. Die Flasche wird zur Hälfte mit Wasser 23 gefüllt und dann ein mit (17) H²-gefülltes Becherglas über die Tonzelle 18 gestülpt. Sofort spritzt ein Stahl aus der Kapillare 16. Wasserstoff, dessen Moleküle sich sehr rasch bewegen, strömt rund viermal schneller in das Tongefäß (als Effusion) als die Luft aus ihm entwei chen kann (Diffusion). Dadurch entsteht ein Überdruck in der Flasche, der das Wasser hinaustreibt. Die Diffusionsgeschwindigkeit ist umso größer, je kleiner das Molekulargewicht des Gases ist. Fig. 3.

Die Diffusionsgeschwindigkeit beträgt für verschiedene Gase:
O² = 32; N²= 28,02; H²= 2,016; H² (als Dampf) = 18,02, CO² = 12.

2.c Physikalische Vorgänge beim Wassertransport Boden-Pflanzen

Die Natur bedient sich physikalischer Verfahren, welche den technischen Lösungs ansätzen weit überlegen sind. Im Boden wird das Wasser als Sickerwasser, Stau wasser, Schichtenwasser, Kondenswasser, Grundwasser und Haftwasser gehalten.

Zwischen den Oberflächen der nackten Bodenkörnchen und den Wassertropfen be stehen ausgeprägte molekulare und elektrostatische Anziehungskräfte, Adsorption (Hydratation und Osmose), worunter man die Bindung des Wassers, in Form einer hauchdünnen Schicht, an der Oberfläche fester Körper versteht. Auf diese Weise umgibt sich jedes Bodenteilchen mit Benetzungswasser (hygroskopisches Wasser), das zudem eine Verdichtung erfährt. Dieses Wasser ist mit solch starken Kräften an gelagert, daß die Saugkräfte der Pflanzenwurzeln, die etwa 15 bar erreichen, es nicht mehr lösen können. Die Saugkräfte von Steppenpflanzen können bis zu 100 bar ansteigen!

Die Natur bedient sich folgender physikalischer Vorgänge beim Wassertransport:

Diffusion

Zwischen Wasser und z. B. Kupfervitriol besteht ein starkes Konzentrationsgefälle (pH-Wert). Verursacht durch die Eigenbewegung der Moleküle erfolgt solange ein Austausch, bis die Konzentration im Gefäß überall gleich groß ist.

Osmose

Eine einseitigdurchlässige (semipermeable) Wand erlaubt nur ein Gefälle zur stärke reren Konzentration. Diese Erscheinung wird als osmotische Saugkraft bezeichnet, sie erzeugt einen Überdruck in der Zelle und wird bei Pflanzen durch Zuckerarten, Salze und organische Säuren verursacht. Dieser Überdruck (osmotischer Druck) verursacht in einer Kapillarröhre einen Anstieg des Flüssigkeitsspiegels oder in den Zellwänden den Anstieg des Innendruckes (Tugor). Dadurch erhalten die Pflanzen ihre Festigkeit. Durch gegengerichtetes Differenzdruckgefälle kann die osmotische Saugkraft umgerichtet werden. (Umkehrosmose)

Kapillarität

Der Aufstieg von Flüssigkeiten in den feinen Röhrchen entgegen der Schwerkraft wird Kapillarität genannt. Das Zusammenwirken der molekularen Anziehung zwi schen den Flüssigteilchen (Kohäsion) und die Anziehung zwischen Flüssigkeit und Wand (Adhäsion) bewirkt die hierzu erforderliche Kraft.

3. Aufgabenstellung Technische Lösungsansätze

In einem technischen System z. B. Lüftungs- und Klimaanlagen ist der Luft Wasser dampf zu entziehen ohne die gesamte Luftmenge bis zur Taupunkttemperatur zwecks Entfeuchtung herunterzukühlen. Bei niedrigen Oberflächentemperaturen des Luftkühlers ist es üblich, auch eine Teilentfeuchtung vorzunehmen.

Der technische Vorgang der Entfeuchtung der Luft an Oberflächenkühlern hat auch eine Luftkühlung zur Folge. Um nach der Luftaufbereitungsstufe Entfeuchtung auf erforderliche Zulufttemperaturen zu kommen, ist eine Nachwärmung erforderlich, welche mit dem Gegenstand der Neuerung anstelle eines Oberflächenkühlers nicht mehr erforderlich wird. Das übliche Verfahren, wegen des Wassergehalts der Luft die gesamte Luftmenge einschl. des Wasserdampfes zum Taupunkt herunterzuküh len und danach auf die Zulufttemperatur nachzuwärmen, ist energieverlustreich.

Eine Zwischenlösung ist, bei niedrigen Oberflächentemperaturen des Luftkühlers ist üblich, die Teilentfeuchtung.

Der technische Lösungsansatz einer Entfeuchtung der Luft ohne Kühlung der Luft hat als Folge, daß der Energieaufwand sich gegenüber der taupunktgeregelten Kli maanlage auf ein Drittel, bei Teilentfeuchtung an niedrigen Oberflächentemperatu ren auf die Hälfte absinkt, ohne FCKW- bzw. FKW-Anlagen einsetzen zu müssen. Mit üblichen Verfahren der Entfeuchtung der Luft durch Sorptionskörper ist das Er wärmen die Luft verfahrensbedingt. Bei der Berührung von Wasserdampf mit den Absorptionsstoffen findet infolge der Kondensation des Wasserdampfes eine Tem peraturerhöhung statt. Der Wasserdampf haftet an der Oberfläche und wird konden siert. Die Absorptionswärme bewirkt eine Temperaturerhöhung der Sorptionsmasse, dessen Wärme üblicherweise an die Luft übertragen wird, so daß die Luft anschlie ßend gekühlt werden muß. Die absorbierte Wassermenge hängt von dem Druck des Wasserdampfes ab und ist desto größer, je größer der Wasserdampfdruck ist. Ist die Sorptionsmasse gesättigt so ist diese nicht mehr in der Lage, weitere Mengen Dampf zu absorbieren. Um diese wieder sorptionsfähig zu machen, muß wieder re generiert werden, was üblicherweise durch Erhitzung und Abkühlung, jedoch auch, weil die Sorptionsfähigkeit vom Wasserdampfdruck abhängig ist, durch das Differenz druckgefälle erfolgen kann und in einen hohlen Sorptionskörper, in dem mindestens das Druckgefälle des Wasserdampfpartialdruckes herrscht, expandieren kann. Infol ge isothermer Expansion wird Wärme in das Innere des Sorptionskörper geleitet, die Oberfläche des Sorptionskörpers gekühlt und Kondensationswärme abgeführt.

Das dargestellte Verfahren läßt sich wegen des kontinuierlich aufgebauten Diffe renzdruckgefälles der Phase 4 der Stirling-Gas-Kältemaschine als Idealprozeß ver gleichen, wobei die Wärmeauf- und -abnahme bei konstanten Temperaturen stattfin det und die eine Isotherme durch die Isochore verbunden wird. Die abgegebene Wärme wird durch den Regenerator gespeichert. Zwischen dem Kompressions raum und dem Expansionsraum befindet sich der wärmespeichernde Regenerator in der Bauart der semipermeablen Membran mit Sorptionsmasse. Im Kompressions raum findet die Verdichtung unter Wärmeabgabe an die Sorptionsmasse isotherm statt, anschließend wird isochor Wärme im Regenerator (Sorptionskörper) gespei chert und kontinuierlich das Gas vom Kompressionsraum in den Expansionsraum übergeschoben. Bei der nachfolgenden isothermen Expansion wird Wärme aufge nommen, d. h. Kälteleistung erzeugt und der Regeneraor (Sorptionskörper) gekühlt.

Durch das dem Sterling-Prozeß vergleichbare Überschieben des Gases vom Ex pansionsraum in den Kompressionsraum wird die im Regererator gespeicherte Wär me durch Abführung des Wasserdampfes mittels Differenzdruck kontinuierlich aufrechterhalten.

Die üblichen Sorptionsmittel sind SiO², mit welchem man sich des der Natur entlehn ten Verfahrens der Hydratation bedient.

Die aufgezeigte Lösung einer Entfeuchtung ohne Temperaturerhöhung, erlaubt die anschließende Befeuchtung und Kühlung ohne die Luftaufbereitungsstufe Kühlung mittels Kältemaschinen oder ohne die Austreibung des Kapillarwassers aus Sorp tionsmitteln.

Ein der Natur entlehntes Verfahren ist die Bildung eines Luftdruckgefälles, wenn durch die schnelle Aufwärtsbewegung warmer Luftmassen der Gesamtdruck ab nimmt, jedoch der Partialdruck des Wasserdampfes im Verhältnis zum Gesamtdruck steigt und folglich eine Abkühlung und Entfeuchtung durch Abregnen stattfindet. Diese natürlichen Einrichtungen können durch technische Einrichtungen ersetzt wer den. In der Luft- und Klimatechnik ist es unüblich, durch Luftdruckgefälle den Feuchtehaushalt der Luft verfahrenstechnisch zu verändern. Dieser Möglichkeiten nehmen sich als Auswahl folgende Verfahren an:
3a) Diffusor-Venturisaugkammer mit Absaugung im Nebenschluß
3b) Diffusor-Venturisaugkammer mit Kühlung im Nebenschluß
3c) Nebenschluß-Austauscher mit semipermeabler Membran,Vakuum-Absau gung und Kühler
3d) Nebenschluß-Austauscher mit Vakuum-Absaugung und semipermeabler Sorptions-Membran
3e) Nebenschluß-Austauscher mit Vakuum-Absaugung und dauerhygrosko pischer Membran.

3a Diffusor-Venturisaugkammer mit Absaugung im Nebenschluß

Durch Differenzen der Partialdrücke des Wasserdampfes diffundiert Wasserdampf mit 0,080 m²/h, vermindert um den Diffusionswiderstandsfaktor. Der Wärmeinhalt ist i(1+x) = 0,24t + 0,46xt + 597.

Der Wasserdampf diffundiert aufgrund von Druckunterschieden. In dem Stutzen wird ein Unterdruck erzeugt, der dem Partialdruck des Wasserdampfes entspricht.

Aufgrund strömungstechnischer Konstruktion wird ein Unterdruck erzeugt, der gleich mäßig auf die Gefäßwand und auf den Venturistutzen wirkt. Da dieses Gefäß, ein Luft-Wasserdampfgemisch, wenn auch mit einem Unterdruck von etwa 208 mm WS, ausgefüllt ist, so muß bei Kondensation des in diesem Gefäß befindlichen Wasserdampfes, Wasserdampf in das Gefäß nachströmen, um wieder zu konden sieren. Eine fortwährende Wasserdampfdiffusion zum Zwecke der Entfeuchtung oh ne merkliche Dampfdiffusionswiderstände wird so aufrechterhalten. Da die Wasser moleküle leichter, d. h. energiereicher sind, breitet sich der Wasserdampf in der Kammer aus. Der Partialdruck des Wasserdampfes entspricht dem des Unterdruc kes. Der Saugdruck wird durch Kondensation erzeugt, ähnlich der Kondensatoren bei der Vakuumheizung. Durch die Diffusionswirkung wird der Wasserdampf partiell entzogen, gekühlt und als Kondensat abgeleitet. Die Luftmenge bleibt erhalten, der Wasserdampfgehalt der Luft wird vermindert. Die Gase bewegen sich nach physika lischen Gesetzmäßigkeiten mit der kinetischen Energie Ekin = m 1/2ν², mit Geschwin digkeiten in Abhängigkeit der Temperatur und einer Geschwindigkeitsverteilung, die prozentual erfaßt werden kann, jedoch eine mittlere kinetische Energie zum Ansatz kommt.

1. Die mittlere kinetische Energie eines Gasteilchens ist für aller Gase bei glei cher Temperatur gleich groß.
2. Die mittlere kinetische Energie des Gasteilchens ist der Temperatur propor tional, sie nimmt mit steigender Temperatur zu.
3. Wird ein Volumen verringert, so vergrößert sich die Anzahl der Moleküle pro Volumeneinheit, der Druck steigt.
4. Wird ein Gas erwärmt, so nimmt proportional die kinetische Energie der Teilchen zu.

Größenordnung

H²

Moleküle bei 0°C V = 1,84 × 10⁵

= 2.000 m/sec
O²

Moleküle bei 0°C V = 1,84 × 10⁵

×0,25 = 500 m/sec
jedoch bei mittleren Weglängen unter 1/1000 mm bei O²

Fig. 1 zeigt das Strömungsverhalten in einem Venturisystem. Im Querschnitt der Düse ist der statische Druck pstat = 208 mm WS und der Luftgeschwindigkeit von 16 m/s.

der statische Druck am Querschnitt F² soll 208 mm WS unter Luftdruck sein.

pges = pstat + pdyn = (208 + 15,66) = 223,66 mm WS
pdyn = pges - pstat = (223,66 08 -(-208) = 431,66 mm WS

Das Durchmesserverhältnis beträgt 0,432.

3b Diffusor-Venturisaugkammer mit Kühlung im Nebenschluß

Wie unter Punkt 3b dargestellt, jedoch mit Kühlerfläche im Venturisaugstutzen. Das Kondenswasser an der Kühlerfläche wird über eine Kondensatansauregelung und Kondensatpumpe abgeführt. Die Anordnung führt im Nebenschluß den Wasser dampf ohne nennenswerte Kühlung aus dem Luftstrom ab. In der Darstellung des Molier-ix-Diagramms ist die Zustandsänderung der Luft der Darstellung im Rand maßstab der Dampfbefeuchtung, jedoch in umgekehrter Richtung, zu vergleichen.

3c Austauscher mit semipermeabler Membran, Vakuum und Kühler

Wie unter Punkt 3b dargestellt, jedoch wird der Ansaugquerschnitt flächig mit einer semipermeablen Membran abgedeckt. Die Membran läßt wegen der Diffusionsge schwindigkeit überwiegend nur Wasserdampf in die Nebenkammer entweichen. Der Unterdruck wird durch die Kühlfläche aufrechterhalten. Die Abführung des Wasser dampfes erfolgt in der Gasphase ohne Temperaturerhöhung des Luftstromes. Gegen die alleinige Verwendung einer Vakuumpumpe sprechen konstruktive Gren zen, weil die Beziehung zwischen Temperatur und Druck bei Wasser zu berücksich tigen ist. Bei einem Druck von z. B. 0,3 bar ergibt sich eine Verdampfungstempera tur von 68,7°C, d. h. ein Temperaturniveau, welches etwa dem Luftzustand nach der Luftentfeuchtung durch Absorption durch SiO² entspricht. Der Siedepunkt des Was sers liegt bei einem absoluten Druck von 0,01 bar bzw. 752 mm Hg Vakuum bei 6,7° C. Werden die Drücke durch eine mechanische Vakuumpumpe erzeugt, sind für 1,16 kW Kälteleistung dieser Verdampfungskühlung 0,64 m³/s Wasserdampf abzu führen, eine Konstruktionsgröße, welche die Unwirtschaftlichkeit und Größe einer solchen mechanischen Fördereinheit belegt. Das Verfahren ist somit nur im Neben strom und nicht im Hauptstrom wirtschaftlich anwendbar.

Der erforderliche niedrige Druck zur Kondensation des Wasserdampfes kann durch die Verwendung eines Absorbers hergestellt werden. Allerdings reicht für die Ab sorption bereits das an der Kühlfläche kondensierende Kondensat, d. h. Wasser, aus, um wirtschaftlich bei geringem Platzbedarf den Kondensationsdruck zu erzeu gen. Die einfache Vakuumpumpe in der Bauart Saugdruckgebläse überwindet den mechanischen Widerstand der semipermeablen Membran, des Rohrsystems und baut den Vordruck zum Absorber in der Bauart eines Wärmaustauschers und der Ableitung von Kondensat über eine Anstauregelung auf.

3d Austauscher mit Vakuum und semipermeabler Sorptions-Membran

Wie unter Punkt 3b dargestellt, jedoch in der Bauart eines Plattenwärmetauschers, dessen Flächen flächig mit einer semipermeablen Sorptions- Membran abgedeckt sind. Die Membran sorbiert den Wasserdampf als Feuchte. Der Unterdruck der Va kuumpumpe läßt eine Sättigung des SiO² nur teilweise zu, da das Vakuumsystem zwar eine Benetzung des Materials zuläßt, jedoch die Verdichtungsverhältnisse nicht zugelassen werden, das hygroskopische Verhalten bleibt erhalten. Die Abführung des Wasserdampfes erfolgt in der Gas-Flüssigkeit-Phase ohne nennerswerte Tem peraturerhöhung des Luftstromes. Die semipermeable Wand erhält die Gleichge wichtsbeladung, um die Durchbruchsbeladung zu verhindern.

3e Austauscher mit Vakuum- und dauer-hygroskopischer Membran

Wie unter Punkt 3b dargestellt, jedoch in der Bauart eines Plattenwärmetauschers, dessen Flächen mit flächig mit dauer-hygroskopischer Membran abgedeckt sind. Die Membran absorbiert den Wasserdampf als Feuchte. Der Unterdruck der Vakuum pumpe läßt eine Sättigung z. B. Lithium-Bromid nicht zu, da das Vakuumsystem zwar eine Befeuchtung des Materials zuläßt, jedoch eine Vollsättigung nicht zugelas sen wird, das hygroskopische Verhalten bleibt erhalten. Die Abführung des Wasser dampfes erfolgt der Gas-Flüssigkeit-Phase ohne Temperaturerhöhung des Luftstro mes.

3f Entfeuchtung der Abluft und Befeuchtung der Zuluft im Winterbetrieb

Im Winterbetrieb ist die aufbereitete Zuluft von z. B. -12°C - 90% r.F. zu trocken, wenn auf Raumtemperatur von 20°C und 10% r.F. erwärmt wird. Durch Umschal tung der Volumenströme des Wärmetauschers kann dieser im Winter zur Entfeuchtung des Abluftstromes und Befeuchtung des Zuluftvolumenstromes benutzt werden. Die erheblichen Kosten für den elektrischen Dampfbefeuchter oder für den Vorwärmer und Wäscher als adiabatischer Befeuchter können entfallen. Die Be feuchtung im Winter stellt einen erheblichen Kostenfaktor einer Klimaanlage dar. Die Ausbaustufe Vollklima ist mit einer einzigen technischen Einrichtung möglich.

4. Allgemeine Gleichungen Dampfdiffusion

5. Technische Formeln, Begriffe, Einheiten Dampfdiffusion Bauphysik

6. Beispiel zur Erfassung von Anlagegrößen Diffusorkonstruktion

Nach dem Berechnungsbeispiel unter Punkt 3a beträgt der Partialdruck des Was serdampfes bei +32°C, ϕ = 40%:

P = 0,4 × 47,53 × 10² = 1901 [N/m²] entspricht 208 [mm WS]

Strömungsbilder:

Strömungsverhalten bei V2 = 0, geschlossenes System

Druckseite Pges = 208 mm WS	Venturi Pstat = 208 mm WS
w = 16 m/s	w = 84 m/s

Konstruktionsgrößen

Statischer Druck in Düse für t = 32°C, ϕ = 40%, P1 = 208 [mm WS]
bei Δx = 6,4 bei η = 0,5 für 8,0 × 13,6 P2 = 108 [mm WS]
Eintrittsseite bei 4 m/s, 120 mm Ws

Entspricht 7 mm Spaltbreite bei 30 mm Eintrittsquerschnitt.

7. Beispiel Erfassung von Anlagegrößen der Membrankonstruktion

In Absatz 5, genaue technische Formeln, wurde unter 5.i ein Wasserdampfdiffu sionsstrom von i = 172 [g/m²h] in Rechenansatz gebracht.

Anwendungsfall:

8. Betriebszustände im i-x-Diaramm Fig. 1

Vereinfachte Darstellung im Mollier hx-Diagramm.

Fig. 1 Zustandsänderungen

3 < 1 Befeuchtung mit Dampfbefeuchtung
3 < 2 Befeuchtung mit Wäscher Umlaufwasser
3 < 5 Sorptionstrockner
5 < 4 trockene Kühlung bzw. WRG
3 < 4 Diffusions-Effusions-Trockner

Die idealisierte Zustandsänderung 3 nach 4, Trocknung der Luft ohne Sorptions wärme, ist Gegenstand der Neuerung. Die Schleppwärme wird abgeführt.

zu 8. Berechnungsgang Lufttechnik a. Praktisches Anwendungsbeispiel zur Beurteilung von Anlagegrößen

Lufttechnische Anlage mit 3000 m³

/h, Sommerbetrieb Δx = 3,2 g/kg Luftkanal 1.1.1 m, 20 Einsätze 25 mm Dicke, Freifläche 0,5 m²

,

b. Berechnung Sorptionstrockner Wäscher Zuluft-Abluft

Sommer, Trockner, WRG, Wäscher Abluft.

c. Berechnung Diffusion Wäscher Zuluft, Eintrag Sommer

Sommer, Trockner, WRG, Wäscher Abluft. Handeintrag wie Randmaßstab, je doch umgekehrte Richtung, der Diffusionstrockner übernimmt Aufgabe des Sorpti onstrockners, Wärmerückgewinners und Abluftwäschers.

d. Berechnung Diffusion Wäscher Zuluft, Winter

Winter, Vorwärmer, Befeuchter, Nachwärmer, WRG.

e. Berechnung Diffusion Wäscher Zuluft, Eintrag Winter

Winter, Vorwärmer, Befeuchter, Nachwärmer, WRG.

9. Berechnungsgang Wasserdampfdiffusion Bauphysik

Das Fachgebiet Bauphysik liefert eine Reihe von praktischen und gesicherten Be rechnungsgrundlagen, welche zur Abschätzung der Leistung und der Betriebszu stände herangezogen werden können. Der Massenstrom läßt sich theoretisch so darstellen:

µ ist das Verhältnis der Wasserdampfdiffusion eines Stoffes zu demjenigen der Luft.

Stoffauswahl 1: 27, µ = 27:	. . . .
Dicke als Konstruktionsgröße:	. . . . [m]
Wärmetransport λ:	. . . . [W/m²]
Dampfdruck außen Vakuumseite:	. . . . [Pa]
Dampfdruck innen Luftseite:	. . . . [Pa]
Druckdifferenz Konstruktionsgröße:	z. B. < 10.000 [Pa]

Dampfdiffusions- und Taupunktberechnungen der Bauphysik beziehen sich auf Temperaturen bzw. Temperaturdifferenzen, Druckdifferenzen sind umzurechnen. Die Wärmeübergangszahlen liegen bei 10 m/s kleiner als 0,01 W/m²h. Der Eintrag Raumtemperatur gilt nur für die Berechnung der Druckdifferenz. Größenordnung des Vakuums als Konstruktionsgröße z. B. 30.000 N/m² = 0,3 at.

Mit einfachen Baustoffen lassen sich folglich beachtliche Wirkungsgrade darstellen:
Diffusionsstromdichte von i = 588 g/m²h bei 0,3 at.

Der Platzbedarf des Diffusions-Effusionstrockners entspricht der Baugröße eines Schalldämpfers eines lufttechnischen Zentralgerätes. Die Verwirklichung der vorge schlagenen Neuerung ist eine Konstruktionsaufgabe.

10. Anlage: Skizzen zu Laboraufbauten 10.1 zu 2.a Versuchsaufbau Diffusion-Effusion thermisch Wollastone Fig. 2

11

Verbindungsrohr

12

Gefäßluftleer

13

Eisbildung

14

Kältemischung

15

Gefäß mit Wasser

10.2 zu 2.b Versuchsaufbau Diffusion-Effusion Differenzdruck Fig. 3

16

Gefäß

17

Wasserstoff

18

Verbindungsrohr

19

Kapillare

20

Wasserstrahl

21

poröses Tongefäß

22

Gefäß

23

Wasser

24

Verschlußstopfen

10.3 zu 3.a Diffusor-Venturikammer mit Absaugung im Nebenschluß Fig. 4

25

Luftkanal

26

Hohlkörper mit Membranabdeckung

27

Verbindungsrohre

28

Saugdruckgebläse oder Vakuumpumpe

29

ohne Wärmetauscher

30

ohne Kondensatanstauregelung oder Kolbenpumpe

31

ohne Kühlwasserkreislauf

10.4 zu 3.b Diffusor-Venturikammer mit Absaugung durch Kühlung im Neben schluß wie unter 10.3 beschrieben, Fig. 4, jedoch

29

Wärmetauscher

30

Kondensatanstauregelung oder Kolbenpumpe

31

Kühlwasserkreislauf

10.5 zu 3.c Diffusor-Venturikammer mit Absaugung über semipermeable Mem bran wie unter 10.4 beschrieben, Fig. 4, jedoch

26

Membranabdeckung mit semipermeabler Membran

28

Saugdruckgebläse

10.6 zu 3.d Nebenschluß-Ansaugkammer mit Vakuum über semipermeable Mem bran wie unter 10.4 beschrieben, Fig. 4, jedoch

26

Membranabdeckung mit semipermeabler Membran

28

Vakuumpumpe

10.7 zu 3.e Nebenschluß-Ansaugkammer mit Vakuum semipermeable Sorptions wand wie unter 10.4 beschrieben, Fig. 4, jedoch

26

Membranabdeckung mit semipermeabler Membran und SiO²

-Schicht

28

Vakuumpumpe

10.8 zu 3.f Nebenschluß-Ansaugkammer mit Vakuum dauer-hygroskopische Mem bran wie unter 10.4 beschrieben, Fig. 4, jedoch

26

Membranabdeckung mit semipermeabler Membran und z. B. LiBr-Schicht innen

28

Vakuumpumpe.

11. Prinzipieller Aufbau Komponenten

Bemerkenswert ist die Tatsache, daß kein Wärmeaustauscher auf der Druckseite benötigt wird, folglich darauf verrichtet werden kann. Die Lufttrocknungsanlage kann einfach und betriebssicher aufgebaut werden und stellt geringe Anforderungen an Investition, Wartung und Betrieb. Die Luftförderung erfordert die üblichen Filterklas sen, weil glatte gut zu reinigende Oberflächen ausgebildet werden können.

Es ist möglich, den Wasserdampfprozeß nur durch einen Verdichter als offenes Sy stem aufrechtzuerhalten, unabhängig ob der Verdichter durch einen elektrischen oder thermischen Antrieb realisiert wird.

Die Anlage besteht folgenden wenigen und einfachen Komponenten:

Direktkontakt-Verdampfer in der Bauform

3a) Diffusor-Venturisaugkammer mit Absaugung im Nebenschluß
3b) Diffusor-Venturisaugkammer mit Kühlung im Nebenschluß
3c) Nebenschluß-Austauscher mit semipermeabler Membran,Vakuum-Ab saugung und Kühler
3d) Nebenschlußaustauscher mit Vakuum-Absaugung und semipermeabler Sorptions-Membran
3e) Nebenschlußaustauscher mit Vakuum- Absaugung und dauerhygrosko pischer Membran

Wasserdampf-Verdichter

Der entstandene Wasserdampf muß nur auf ein Druckniveau verdichtet werden, daß eine Verflüssigung bei angebotener Kühltemperatur, vergleichbar dem Kaltdampf prozeß, möglich ist. Durch die Kondensation wird das Saugdruckgefälle aufgebaut, der Einsatz eines Kühlsystems oder/und der eines Verdichters weise vergleichbar bzw. läßt sich entweder/oder ersetzen.

Variante Direktkontakt-Kondensator

Zur Kondensation des verdichteten Wasserdampfes wird Kühlwasser eingespritzt. Der Verdichter-Enddruck richtet sich nach der Austrittstemperatur des Kühlwassers.

Variante Oberflächenkondensator (indirekter Kondensator)

Das Kühlwasser wird zur Kondensation des verdichteten Wasserdampfes durch einen Oberflächenkühler geleitet.

Verdichter, Vakuumpumpe und Nebenaggregate

Zur Einstellung und Aufrechterhaltung des Betriebsdruckes (Vakuum) wird, je nach Betriebsdruck und innerer Widerstände des Diffusions-Effusions-Körpers eine Vaku umpumpe bzw. ein Verdichter benötigt. Weil das spezifische Volumen von Wasser dampfes sehr groß ist, ist folglich die volumetrische Leistung trotz hoher Verdamp fungsenergie sehr klein. Dieser Nachteil ist gegenüber dem Einsatz einer Kältean lage mit Kältemittels zu rechtfertigen, weil die Leistungszahl von 5,0 auf voraus sichtlich 12,5 sich steigern läßt und sich die Anlage auf einen Dampfdruck von 312 mbar bei 70°C auf vernünftige Werte einstellen läßt.

12. Ausgangssituation Verfahren der Luftentfeuchtung durch Diffusion-Effusion 12.1 Gesetzesgrundlagen

Aufgrund einschlägiger Verordnungen und freiwilliger Maßnahmen der Industrie, so wie der Entwicklung der Kältemittelpreise, werden Direktverdampferanlagen und An lagen und Aggregate mit überfluteter Verdampfung zunehmend seltener. Als Ersatz sind folgende Anlagen in Anwendung oder Entwicklung:

12.1.1 Zentrale Anlagen mit Kälteträger anstelle von Direktverdampferanlagen

Der Anlage 12.1.1 haftet der Mangel an, daß eine deutlich geringere Energiedichte bei Wasser (25-50 kJ/kg) anstelle von Kältemitteln (100-1000 kJ/kg) hohe För derkosten erforderlich sind.

12.1.2 Dezentrale, kompakte Kältelagen anstelle von Direktverdampferanlagen

Der Anlage 12.1.2 haftet der Mangel an, daß Einbusen an Effizienz wegen schlech terem Wirkungsgrad, erschwerter Regelbarheit und erhöhter Wartungsaufwand ge gen überstehen.

12.1.3 Anlagen mit Ammoniak als Kältemittel

Die Verwendung des klassischen Kältemittels ist Restriktionen unterworfen und ist jedoch für Industrieanlagen eine gute Wahl.

12.1.4 Luftkühlung durch Luftentfeuchtung und Befeuchtung

Die dargestellte Neuerung, das Verfahren der Luftentfeuchtung durch Diffusion-Ef fusion und adiabatische Befeuchtung, hat nicht den Zweck, Kälteanlagen ersetzen zu wollen. Das Verfahren bietet lediglich die Möglichkeit, durch eine effiziente Luft aufbereitung mit einem dem Kaltdampfprozeß ähnlichen Verfahren keine Kälteanla gen für die Teilaufgabe einsetzen zu müssen.

Der Energieaustausch erfolgt nicht in der flüssigen, sondern in der Mischphase Luft-Wasserdampf mit Direktkontakt-Diffusion, der Anordnung eines Diaphragmas als Grenzschicht zwischen den Mischphasen zweier Systeme, welches kontinuier lich unter Differenzdruck stehen, der technisch erzeugt wird.

13. Technische Darstellung Luftentfeuchtung durch Diffusion-Effusion

Nachfolgende Dastellungen zeigen den Einsatz der unter 12. dargestellten Kompo nenten auf. Der Verdichter erzeugt beispielweise einen Dampfdruck des Wasser dampfes von 312 mbar bei einem Temperaturniveau von 70°C. Anhand der Dar stellungen ist zu erkennen, daß, wenn der entzogene Wasserdampf nicht einem Sy stem zugeführt werden, in einem offenes System entweichen. Folglich können die Komponenten in der Darstellung 13.3 als offenes System die Aufgabe der Entfeuch tung übernehmen, weil die offene Atmosphäre den Kreislauf schließt und das Sy stem auf wenige Komponenten reduziert.

13.1 Verfahren mit indirektem Kondensator Fig. 5

32

Vakuum-Kompressor

33

Kondensat-Ableitung

34

Verdichter mechanisch oder thermisch

35

Diffusions-Hohlkörper

36

Diaphragma

37

Luftkanalsystem geschlossen

38

Luftspalt

39

Förderventilator Luftsystem

40

Kühlsystem

41

Oberflächenkondensator

13.2 Verfahren mit Direktkontakt-Kondensator Fig. 6

32

Vakuum-Kompressor

33

Kondensat-Ableitung

34

Verdichter mechanisch oder thermisch

35

Diffusions-Hohlkörper

36

Diaphragma

37

Luftkanalsystem

38

Luftspalt

39

Förderventilator Luftsystem

40

Kühlsystem

42

Direktkontaktkondensator

13.3 Verfahren mit offenen System Fig. 7

32

Vakuum-Kompressor

43

Kondensat-Ableitung in freie Atmosphäre

34

Verdichter mechanisch oder thermisch

35

Diffusions-Hohlkörper

36

Diaphragma

37

Luftkanalsystem

38

Luftspalt

39

Förderventilator Luftsystem

13.4 Verfahren 13.3 in lufttechnischen System als Vollklimaanlage Fig. 8

Die Darstellung 13.4 zeigt eine typische Einbindung des dargestellten Verfahrens in ein klimatechnisches System. Die Anlagekomponenten (Sommerbetrieb) sind:

44 Vorwärmer Frostschutz, z. B. -12°/4°C - 90% r.F:
45 Wärmerückgewinnungssystem rekuperativ Zuluft, z. B. 32°/40% - 26°/55%
46 Nebenschluß-Diffusions-Effusion Entfeuchter, z. B. 26°/55% - 30°/10%
47 Wäscher regelbar oder Kaltdampfgenerator, z. B. 30°/10% - 18°/60%
48 Zuluftventilator, z. B. 18°/60% - 19°/55%
49 Nachwärmer, z. B. 4°/22°C - Raum
50 Abluftventilator, z. B. 24°/60% - 25°/55%
51 Wäscher oder Kaltdampfgenerator, z. B. 25°/55% - 19°/95%
52 Wärmerückgewinnungssystem rekuperativ Abluft, z. B. 19°/95% - 25°/70% (Umschaltung Druckseite Verdichter hinter WRG im Sommerbetrieb)

Das vorgestellte System ist in der Lage, die üblichen Betriebszustände einer zentra len Luftaufbereitung einer Klimaanlage zu erreichen und erhebliche innere Raumla sten abzuführen, ohne eine Oberflächenkühlung mit die üblichen Kältemaschinen, welche mit FCKW, H-FCKW, FKW, NH³; LiBr/Wasser, Wasser/NH³ oder Flüssigga sen betrieben werden, einsetzen zu müssen. Die Anwendung des Kaltdampf- bzw. des Kaltgasprozesses beschränkt sich auf gewerbliche Anwendungen. Das vorge stellte System erfüllt mit einfacher Technik betriebssicher die geringen Anforderun gen der Kälterzeugung mit einer Leistungszahl von ca. 12,5, die üblichen Kälteer zeugungsanlagen können eine maximale Leistungszahl von 5,5 erreichen.

13.5 Verfahren 13.3 in lufttechnischen System mit Feuchterückgewinn Fig. 9

Mit der zusätzlichen Luftaufbereitungsstufe Befeuchtung im Winterbetrieb wird eine Teilklimaanlage zu einer Vollklimaanlage aufgerüstet. Die Befeuchtung der Luft er folgt üblicherweise durch:

a. Vorwärmung der Luft durch Vorwärmer (in der Lage zwischen 2. und 3.) und Befeuchtung durch 4.) Die Verdampfungswärme wird vor der Befeuch tung durch den Umlaufkühler zugeführt und ist bei winterlichen Tempera turen, welches etwa 1/3 des Jahresklimas darstellen, mit etwa gleich hohen Kosten wie die Luftkühlung verbunden.
b. Dampfbefeuchtung erfolgt aus Dampfversorgung oder elektrischer Dampf befeuchter und ist mit gleich hohen Kosten verbunden.

Mit der dargestellten Neuerung lassen sich im Gegensatz zu den aufwendigen Ver fahren durch Vorwärmung und Befeuchtung oder elektrischen Dampfbefeuchter mit den bestehenden Anlageteilen durch Umschaltung der Volumenströme oder als Zu satzeinrichtung ein ähnlich kostengünstiges Verfahren der Befeuchtung durch Ent feuchtung der Abluft im Winterbetrieb darstellen. Dieses Verfahren ist, weil eine re generative, d. h. latente und sensible Wärmerückgewinnung für das dargestellte Verfahren Entfeuchtung und adiabatische Kühlung nicht möglich,ist, für zentrale Luftaufbereitungsanlagen geeignet.

Fig. 9

Die Darstellung 13.5; Fig. 9 zeigt eine typische Einbindung des dargestellten Ver fahrens als Vollklimaanlage. Die Anlagekomponenten (Winterbetrieb) sind:

44 Vorwärmer Frostschutz
45 Wärmerückgewinnungssystem rekuperativ Zuluft
46 Nebenschluß- Diffusions-Effusion Entfeuchter
47 Wäscher regelbar oder Kaltdampfgenerator
53 Eintrag aus Nebenschluß- Entfeuchter Abluft
48 Zuluftventilator
49 Nachwärmer
46 Nebenschluß- Diffusions-Effusion Entfeuchter
50 Abluftventilator
47 Wäscher regelbar oder Kaltdampfgenerator
52 Wärmerückgewinnungssystem rekuperativ Abluft

Werden die Jahresgradtage und die mittleren Monatstemperaturen berücksichtigt, so erfüllt vorgestellte System mit einfacher Technik betriebssicher auch die Anforde rungen der Befeuchtung zu max. 30% der Energiekosten, weil die aufgewandte Energie in der Wärmerückgewinnung der Abluftseite zurückgewonnen werden kann. Durch Umschaltung der Luft-Volumenströme Sommer-Winter und Umschaltung der des Eintrags Dampfvolumens aus der Verdichterseite, lassen sich die gleichen Ein richtungen für Sommer- und Winterbetrieb verwenden.

13.6 Verfahren 13.3 im System zur Erzeugung von Klimakaltwasser Fig. 10

Wird das unter Fig. 9 dargestellte System mit Mischklappen auf der Außen- und Fort luftseite und der Raumseite ausgerüstet, so läßt sich durch eine kontinuierliche Ent feuchtung und Befeuchtung, ähnlich der Destillation mit Antriebs- und Verstärkungs säule darstellen. Zur Trennung der azeatropen Mischung wird durch die Mischklap pe eine temporäre Mischung gebildet. Die Entnahme des Wärmepotentials erfolgt über einen Wärmeaustauschers, welcher in den Kreislauf des Befeuchters als adia batische Kühlung angeordnet ist.

Legende Fig. 10

54

Mischklappensteuerung Frischluft-Fortluft

45

Wärmrückgewinnung rekuperativ

46

Nebenschluß- Diffusions-Effusion Entfeuchter

47

Wäscher regelbar oder Kaltdampfgenerator

53

Eintrag aus Nebenschluß- Entfeuchter Abluft

48

Zuluftventilator

49

Nachwärmer

54

Mischklappen Umluft-Fortluft

46

Nebenschluß-Diffusions-Effusions-Luftentfeuchter

50

Abluftventilator

47

Wäscher regelbar oder Kaltdampfgenerator

52

Wärmerückgewinnungssystem rekuperativ Abluft

53

Eintrag Wasserdampf in Befeuchterstrecke

54

Mischklappen Umluft-Fortluft

55

Wärmaustauscher adiabatische Kühlung

56

adiabatische Kühlung Umlaufwasser geothermisch

57

Kondensator Dampfentfeuchter

58

Latentspeicher mit Kühldecke

59

Abnahme Pumpenkaltwasser adiabatische Kühlung

60

Energiepfähle für adiabatische Kühlung Umlaufwasser

13.7 Verfahren 13.3 Darstellung im h-x-Diagramm Fig. 11

Ähnlich der grafischen Darstellung der kontinuierlichen Destillation im McCabe-Thie le-Diagramm bildet die Sättigungskurve im h-x-Diagramm die Verstärkungslinie. Die Antriebsgerade bildet die Wirkungskennlinie. Die vereinfachte Darstellung im Mollier hx-Diagramm entsprechend Fig. 1 erfolgen folgende Verfahrenschritte kontinuierlich bis theoretisch die Sättigungskurve und die Wirkungsgradkennlinie sich annähern, sofern, und das ist der Sinn der Konstruktion, keine Wärme als Klimakaltwasser über den Wärmaustauscher adiabatische Kühlung des Wäscher entnommen wird.

Fig. 11 zeigt die kontinuierlichen Verfahrensschritte
3 < 4 Diffusions-Effusions-Trockner
4 < 5 Befeuchtung mit Wäscher Umlaufwasser
5 < 6, 6 < 7, 8 < 9 als Grenzkurve 10.

14. Konstruktionsdetail Fig. 12 Nebenschluß-Diffusions-Effusions-Entfeuchter

Nebenschluß-Ansaugkammer, semipermeable Membran, Vakuum, mit Direktkontakt-Kondensator.

Das Konstruktionsdetail zeigt eine typische Anordnung der Anlagebauteile:

61 Luftführung gleich welcher Luftrichtung
62 Luftkanalsystem
63 Hohlkörper
64 Oberflächenkondensator
65 Kühlrippen
66 Kühlwasserkreislauf < 68°C
67 Verdichter thermisch oder mechanisch bzw. Vakuumpumpe
68 Destillatwasservorlage
69 Kondensatableitung Kondensatanstauregelung oder Kondensatpumpe
70 Diffusions-Effusions-Sorptionskörper als Direktkontakt-Verdampfer

Die Einrichtung 67, Vakuum-Verdichter bzw. Saugdruckgebläse, ist zur Über windung der Widerstände der semipermeablen Membran der Sorptionskörper 70 konstruktions bedingt erforderlich.

Die Einrichtungen 64, 65, 66, Wärmetauscher und 69 Kondensatableitung sind erforderlich, wenn der Kondensationsdruck über einen Verflüssiger mit Kühlung aufgebaut wird.

Der Vakuum-Verdichter 67 erfüllt dann lediglich die Aufgabe des Druckauf baus vor einer mechanischen Kondensatanstauregelung 69. Der Aufbau einer Kon densat-Kolbenpumpe anstatt der Kondensatanstauregelung zur Entwässerung des Verflüssiger ist möglich.

Die Einrichtung 65, Wärmeaustauscher mit Kühlrippen, kann durch einen ge schlossenen Wäscher mit Kühlung des Umlaufwassers ersetzt werden. Eine Kon densatpumpe mit Niveauregelung entfernt überschüssigen kondensierten Wasser dampf aus dem System.

Wegen des geringen erforderlichen Differenzdrucks durch Diffusion-Effusion im Nebenschluß, ist es wirtschaftlich, gänzlich das auf Kondensationssystem zu ver zichten, wenn die Bauart des Vakuum-Verdichter, Saugdruckgebläse oder Strahl pumpe dies wahlweise zuläßt. Die Bauart offenes System ist zu bevorzugen.

15. Anwendungen 15.1 Fig. 13

Die Darstellung 13 zeigt vereinfacht den Verlauf der Luftbehandlung im Mollier-h-x-Diagramm. Nach dem Verfahrensschritt Lufttrocknung durch Neben schluß-Diffusions-Effusions-Entfeuchter AU zu AU' erfolgt die Wärmrückgewinnung durch ein Rekuperativ-Wärmaustauscher AU' zu AB' und wird durch eine Mischklappen steuerung als Teilstrom geführt. Die anschließende adiabatische Befeuchtung er laubt eine wesentlich niedrigere Zulufttemperatur und Kühlleistung als die bekannten Systeme. Es ist somit auch möglich, in den Umlaufwasserkreislauf des Befeuchters, siehe Fig. 10, 59 Abnahme Pumpenkaltwasser adiabatische Kühlung, Prozeßkälte für den Anwendungsbedarf Raumlufttechnik zu erzeugen.

15.2 Fig. 14

Fig. 14 zeigt den Geräteaufbau eines bekannten Herstellers, welcher die adiabati sche Kühlung in einen Plattenwärmeaustauscher stattfinden läßt und effektiv den Wärme- und Stofftransport des Systems optimiert. Mit der zusätzlichen Ausrüstung des Nebenschluß-Diffusions-Effusions-Entfeuchters 46 kann daß System wesent lich höhere Kälteleistungen als nur mit der adiabatischen Kühlung im Abluftstrom erbringen.

15.3 Fig. 15

Fig. 15 zeigt die Anwendung des Geräteaufbaus Fig. 14, wenn das System mit Mischklappensteuerungen 54 ausgerüstet wird. (Siehe auch Fig. 10). Durch die Luftführung im Kreislauf kann theoretisch das Umlaufwasser des Befeuchters bis zu der Kühlgrenze, welche dem Partialdruck des Wasserdampfes in der Atmosphäre entspricht, heruntergekühlt und dem Umlaufwasser Kälte mit dem Wärmeaustau scher (Einrichtung Wärmtauscher 59) entnommen werden. Diese Betriebsart ent spricht der Erzeugung von Klimakaltwasser ohne üblicher Kältemaschinen.

Bezugszeichenliste

3

<

1

Befeuchtung mit Dampfbefeuchtung

3

<

2

Befeuchtung mit Wäscher Umlaufwasser

3

<

5

Sorptionstrockner

5

<

4

trockene Kühlung bzw. WRG

3

<

4

Diffusions-Effusions-Trockner

5

<

6

<

7

<

8

<

9

<

10

Grenzkurve

11

Verbindungsrohr

12

Gefäßluftleer

13

Eisbildung

14

Kältemischung

15

Gefäß mit Wasser

16

Gefäß

17

Wasserstoff

18

Verbindungsrohr

19

Kapillare

20

Wasserstrahl

21

Verbindungsrohr

22

Gefäß

23

Wasser

24

Verschlußstopfen

25

Luftkanal

26

Hohlkörper mit Membranabdeckung

27

Verbindungsrohre

28

Saugdruckgebläse oder Vakuumpumpe

29

mit/ohne Wärmetauscher

30

mit/ohne Kondensatanstauregelung oder Kolbenpumpe

31

mit/ohne Kühlwasserkreislauf

32

Vakuum-Kompressor

33

Kondensat-Ableitung

34

Verdichter mechanisch oder thermisch

35

Diffusions-Hohlkörper

36

Diaphragma

37

Luftkanalsystem geschlossen

38

Luftspalt

39

Förderventilator Luftsystem

40

Kühlsystem

41

Oberflächenkondensator

42

Direktkontaktkondensator

43

Kondensat-Ableitung in freie Atmosphäre

44

Vorwärmer Frostschutz

45

Wärmerückgewinnungssystem rekuperativ Zuluft

46

Nebenschluß-Diffusions-Effusion Entfeuchter

47

Wäscher regelbar oder Kaltdampfgenerator

48

Zuluftventilator

49

Nachwärmer

50

Abluftventilator

51

Wäscher oder Kaltdampfgenerator

52

Wärmerückgewinnungssystem rekuperativ Abluft

53

Eintrag aus Nebenschluß-Entfeuchter Abluft

54

Mischklappensteuerung Frischluft-Umluft/Umluft-Fortluft

55

Wärmaustauscher adiabatische Kühlung

56

adiabatische Kühlung Umlaufwasser

57

Kondensator Dampfentfeuchter

58

Latentspeicher Kühldecke P 197 16 288

59

Abnahme Pumpenkaltwasser adiabatische Kühlung

60

Energiepfähle für adiabatische Kühlung Umlaufwasser

61

Luftführung gleich welcher Luftrichtung

62

Luftkanalsystem

63

Hohlkörper

64

Oberflächenkondensator

65

Kühlrippen

66

Kühlwasserkreislauf < 68°C

67

Verdichter thermisch oder mechanisch bzw. Vakuumpumpe

68

Destillatwasservorlage

69

Kondensatableitung Kondensatanstauregelung oder Kondensatpumpe

70

Diffusions-Effusions-Sorptionskörper als Direktkontakt-Verdampfer

Claims

1. Ein kontinuierliches Gastrennverfahren unter Nutzung von Druckdifferenzen und Anwendung dieses Verfahren in der Luft- und Klimatechnik, die Anord nung eines Diaphragmas im Hauptstrom und Gastrennung durch Druckdiffe renzen im Nebenschluß ist Gegenstand der Neuerung.

2. Konstruktionsdetail Luftkanal mit innenliegenden Kammern mit Diaphragma, welches folgende Ausführungen und zugehörige Einrichtungen ermöglicht:
Diffusor-Venturisaugkammer mit Absaugung im Nebenschluß,
Diffusor-Venturisaugkammer mit Kühlung im Nebenschluß,
Nebenschluß-Feuchteaustauscher mit semipermeabler Membran, Vakuum-Ab saugung optional und Kühler oder geschlossener Wäscher als Kondensator,
Nebenschluß-Feuchteaustauscher Vakuum-Absaugung und semipermeabler Sorptions-Membran,
Nebenschluß-Feuchteaustauscher mit Vakuum-Absaugung und dauerhygros kopischer Membran,
Kontinuierliches Verfahren mit Befeuchtung als Antriebsgerade und Entfeuch tung mit Nebenschluß-Feuchteaustauscher als Verstärkungsgerade in einem lufttechnisches Zentralgerät mit Mischklappensteuerung zum Zwecke der Erzeugung von Pumpenkaltwasser, welches über einen Wärmetauscher im Umlaufwasserkreislauf des Befeuchters als adiabatische Kühlung entnom men und erzeugt wird.