DE3314890C2 - Anlage zur mehrstufigen indirekten Verdunstungskühlung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß welchem und in welcher zur Kühlung von Luft der Luftstrom in Wärmeaustausch mit einem zweiten Luftstrom durch einen ersten Wärmeaustauscher (33) geführt wird und dann durch einen ersten Umwälzwasserkühler (18), dessen Wasser mittels einer Verdunstungskühlung (21) durch den zweiten Luftstrom (26, 28, 29) gekühlt wird, wonach der erste Luftstrom durch einen zweiten indirekten Wärmeaustauscher (44) geführt wird und dann in einen weiteren direkten Wärmeaustauscher (47).

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Anlage zur Kühlung von einem zu kühlenden Raum zugeführter Kühlluft als Primärluft, die durch direkten und indirekten Wärmetausch schrittweise abgekühlt wird.

Aus DE-OS 21 19 107 ist eine Umluft- bzw. Primär-Iuf t-Kühlanlage bekannt, die mehrere indirekte Wärmetauscher enthält. Ferner ist eine parallele Mischwärmeaustauscheinrichtung vorgesehen, die mehrere direkte Wärmetauscher enthält. Mit einer solchen Anlage wird eine starke Kühlung der Uir.gebungsluft über die Primärluftleitung erreicht, ohne daß Feuchtigkeit zugegeben wird.

Aus US-PSen 19 90 194, RE 20 469, 2162 158, 64 766, 24 88 116, 3116 612, 37 18 008, 38 08 832, 05 205, 38 12 686, 38 61 164, 38 90 797, 40 23 949 und 56 351 sowie aus der Literaturstelle von Neil Eskra im ASHRAE Journal, Mai 1980, Seiten 21 -25 sind Verdampfungskühlanlagen bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zur Kühlung von einem zu kühlenden Raum zugeführter Kühlluft derart auszubilden, daß man mit relativ geringem Energieverbrauch heiße trockene Luft auf eine relativ niedrige trockene Temperatur mit einer geringen Erhöhung des Gesamtfeuchtigkeitsgehalts kühlen kann.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst
Bei der erfindungsgemäßen Anlage wird die Umgebungsluft oder Primärluft zuerst durch zwei oder mehrere indirekte Wärmetauscher geleitet Dann wird sie in einen direkten Wärmetauscher geführt, der in Verbindung mit einem der indirekten Wärmetauscher über eine gemeinsame Wasserkreislaufleitung ist Durch die kontinuierliche Kühlung der Umgebungsluft während des indirekten Wärmeaustauschs wird die Trockentemperatur kontinuierlich herabgesetzt, während der Taupunkt relativ unverändert bleibt und die relative Feuchtigkeit geringfügig ansteigt Bei dieser Anlage wird somit die Umgebungsluft oder Primärluft sowohl gekühlt als auch befeuchtet Ferner wird bei der erfindungsgemäßen Anlage die durch den indirekten zweiten Wärmetauscher gehende Luft verwendet, um das Wasser zu kühlen, das auf das gesättigte Medium der zweiten Verdampfungswärmeaustauschfläche des direkten Wärmetauschers gesprüht wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 wiedergegeben.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht einer Anlage zur Kühlung von einem zu kühlenden Raum zugeführter Kühlluft,

F i g. 2 ein Diagramm zur Verdeutlichung der relativen Feuchtigkeit der in der Anlage nach F i g. 1 behandelten Luft in verschiedenen Stufen, und

F i g. 3 ein Vergleichsdiagramm zur F i g. 2 bei einem Wärmeübertragungswirkungsgrad in der Anlage von 100%.

Ein Verdampfungskühler 10 umfaßt eine erste Stufe 11 und eine zweite Stufe 12. Die zweite Stufe 12 weist eine erste Wasserumwälzeinheit auf, in der Wasser aus einem Vorrat 14 mittels einer Pumpe 15 über eine Leitung 16 durch eine schlangenförmig verlaufende Leitung 17 eines indirekten Wärmetauschers 18 und dann durch eine Leitung 19 zu einer Berieselungsdüse 20 gepumpt wird, die dieses Wasser in ein wassergesättigtes Medium als erste Verdampfungswärmeaustauschfläche

so 21 abgibt, von wo aus es zum Vorrat 14 zurückgeführt wird. Die schlangenförmig verlaufende Leitung 17 des Wärmetauschers 18 hat zweckmäßigerweise den üblichen gerippten Aufbau und ist in einem ersten Kanal 22 angeordnet, der einen Einlaß 23 und Auslaß 24 des Wärmetauschers 18 umfaßt. Ein Primärluftstrom, der Außenluft geringer Feuchtigkeit enthält, strömt durch den ersten Kanal 22 in die Anlage.

Die erste Verdampfungswärmeaustauschfläche 21 wird zweckmäßigerweise von einer Packung oder Füllung aus behandelter Zellulose gebildet, die einen hohen Sättigungsgrad aufrecht erhält. Das gesättigte Medium von 21 ist in einem zweiten Kanal 25 derart angeordnet, daß ein Sekundärluftstrom durch diesen Kanal mit Einlaß 26 und Auslaß 27 und durch das gesättigte Medium von 21 mittels eines Gebläses 28, das von einem Motor 29 angetrieben, wird, geleitet werden kann.

Gegebenenfalls kann die Luft für den Sekundärluftstrom aus dem Raum zugeführt werden, der durch den

Primärluftstrom gekühlt wird.

Stromauf vom Wärmetauscher 18 und stromab von dem gesättigten Medium 21 ist die erste Stufe 11 vorgesehen, die einen Luft-Luft-Wärmetauscher 3'3 als dritten indirekten Wärmetauscher aufweist, der eine Reihe von im Abstand voneinander angeordneten Kanälen oder Rohren 34 hat, durch die die Primärluft hindurchströmt, ehe sie in den indirekten Wärmetauscher 18 eintritt und um welche herum die aus dem gesättigten Medium \on 21 austretende Sekundärluft ebenfalls strömt Die Primärluft wird in den Abschnitt 35 des ersten Kanals 22 abgegeben und die Sekundärluft in den Abschnitt 36 des zweiten Kanals 25. Obwohl die Anordnung des dritten indirekten Wärmetauschers 33 stromauf vom ersten Wärmetauscher 18 im allgemeinen einen besseren Wirkungsgrad ergibt, kann unter gewissen Bedingungen der dritte indirekte Wärmetauscher 33 stromab vom Wärmetauscher 18 angeordnet werden. Die Luft des Sekundärluftstromes im Abschnitt 36 kann entweder nach außen abgeführt oder zur Kühlung anderer Einrichtung oder Medien verwendet werden.

Von der Austrittsseite des dritten indirekten Wärmetauschers 33 strömt die Luft im Raum 35 durch den indirekten Wärmetauscher 18 und dann in den Raum 35' in die dritte und vierte Stufe 37 und 38, welche eine zweite Wasserumwälzeinheit 39 aufweisen. In dieser zweiten Einheit wird Wasser aus einem Vorrat 40 mittels einer Pumpe 41 durch eine Leitung 42 in mit Rippen ausgerüstete Schlangen 43 eines zweiten indirekten Wärmetauschers 44 und durch eine Leitung 45 zu einer Berieselungsdüse 46 gepumpt, die dieses Wasser auf eine Sättigungsmediumpackung 47 als zweite Verdampfungswärmeaustauschfläche sprüht, von wo aus das Wasser in den Vorrat 40 zurückgelangt. Die Primärluft aus dem Raum 35' im ersten Kanal 22 strömt zuerst durch den zweiten indirekten Wärmetauscher 44 in den Raum 49 und dann zur zweiten Verdampfungswärmeaustauschfläche 47 in der zweiten Wasserumwälzeinheit 39 in den Auslaßraum 50 und durch einen Luftumwälzer 51, beispielsweise ein motorgetriebenes Gebläse oder dergleichen, in den zu klimatisierenden Raum.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 soll ein Behandlungsbeispiel von Luft beschrieben werden. Während des Sommers steht in Albuquerque, New Mexiko Zuluft mit einer Trockentemperatur von 35,5° C und einer Feuchttemperatur von 16° C zur Verfügung, dies ist in F i g. 2 im Punkt A dargestellt. In der ersten Kühlstufe strömt die Zuluft durch den dritten indirekten Wärmetauscher 33, in welchem die Trockentemperatur auf 25,5° C und die Feuchttemperatur auf 13° C erniedrigt wird ohne den Taupunkt von 3,5° C zu erhöhen. Die relative Feuchtigkeit nimmt jedoch von 13% im Punkt A auf 23% im Punkt 5 zu.

Im indirekten Wärmetauscher 18 wird ein Wirkungsgradgewinn erzielt und die Luft wird weiter von einer Trockentemperatur von 25,5° C auf 18° C im Punkt C abgekühlt, ohne Taupunktsär.derung und mit einer Zunahme der relativen Feuchtigkeit auf 38%.

Wegen der beträchtlich erniedrigten Feuchttemperatur, die die Luft nun im Raum 35' hat (Punkt C in F i g. 2), kann diese nun für einen weiteren Gewinn in ihrer Kühlfähigkeit verwendet werden. Die Luft strömt deshalb durch den zweiten indirekten Wärmetauscher 44 und dann zur zweiten Verdampfungswärmeaustauschfläche 47, ehe sie in den klimatisierten Raum abgegeben wird. Im zweiten indirekten Wärmetauscher 44 erreicht die Luft eine Trockentemperatur von 11,5° C, eine Feuchttemperatur von 7° C und eine relative Feuchtigkeit von 58% ohne Taupunktsänderung. Dies ist im Punkt D der F i g. 2 gezeigt

Von der Austrittsseite des zweiten indirekten Wärmetauschers 44 wird die Luft mit einer Feuchttemperatür vcn 7° C verwendet, um das Wasser zu kühlen, das über die zweite Verdampfungswärmeaustauschfläche 47 umgewälzt wird, wobei gleichzeitig die Luft auf eine Trockentemperatur von 8° C dicht über der Feuchttemperatur von 7° C weiter abgekühlt wird mit einem Taupunkt von 6,5°C und einer relativen Feuchtigkeit am Ausgang von 90% (Punkt E).

Es ist zu erkennen, daß die Zuluft mit einer Trockentemperatur von 35,5° C auf eine verhältnismäßig tiefe Temperatur von 8° C abgekühlt wird und dies ist sowohl für Wohnhauszwecke als auch für gewerbliche Zwecke geeignet. Dies unterscheidet sich von üblichen Luftkühlanlagen mit Kompressor, Kondensor und Verdampfer, die einen hohen Energieverbrauch haben und einstufig die Luft auf eine Trockentemperatur von 14,5° C und eine Feuchttemperatur von 13°C abkühlen.

Es hat sich gezeigt, daß wegen des Wirkungsgrades der Anlage die sich ergebende fühlbare Kühlung mit einer Rate unterhalb von etwa 11 324 1 pro Minute pro Tonne Kühlung erzielt werden kann, im Vergleich zu der erforderlichen Rate von etwa 11 324 bis 14 155 1 pro Minute pro Tonne Kühlung durch übliche Kühlanlagen und mit etwa 28 310 1 pro Minute pro Tonne Kühlung, die durch übliche einstufige Verdunstungskühler erzielt werden.

Für Vergleichszwecke zeigt das Diagramm der F i g. 3 die Lage der Punkte A', B', C, D' und E', wenn der Wirkungsgrad in den Wärmetauschern 100% beträgt. Es ist aus den Darstellungen zu erkennen, wie nahe die vorstehend beschriebene Anlage einer solchen kommt, die aufgebaut werden könnte, wenn die Wärmetauscher mit einem Wirkungsgrad von 100% arbeiten würden.

Obwohl die beschriebene Anlage zweckmäßigerweise für einen maximalen Betriebswirkungsgrad ausgelegt ist, sei bemerkt, daß Abänderungen angewendet werden können. Beispielsweise läßt sich ein Verdampfungskühler 52 einer Kühlmittelkühleinheit stromab der vierten Stufe 38 in einem Fall vorsehen, daß die Umstände eine weitere Erniedrigung der Trockentemperatur erfordern.

Unter bestimmten Bedingungen läßt sich die Anlage so ausbilden, daß der dritte indirekte Wärmetauscher 33 anstatt, wie in F i g. 1 gezeigt, stromauf, stromab vom indirekten Wärmetauscher 18 angeordnet ist.

Die Anlage läßt sich gegebenenfalls dadurch vereinfachen, daß der indirekte Wärmetauscher 18 fortgelassen wird, wobei die Pumpe 15 das Wasser lediglich über die erste Verdampfungswärmeaustauschfläche 21 umwälzt, oder den Wärmetauscher 33. Eine derart vereinfachte Anlage kann mit einem üblichen Verdampfungskühler 52 verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Anlage zur Kühlung von einem zu kühlenden Raum zugeführter Kühlluft als Primärluft, die durch direkten und indirekten Wärmetausch schrittweise abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zu kühlende Primärluft in einem ersten Kanal (22) durch einen indirekten Wärmetauscher (18) mit von Wasser zur Kühlung durchströmten Leitungen (17) geleitet wird, daß das Wasser dann zu einer ersten Verdampfungswärmeaustauschfläche (21) geführt wird, die in einem zweiten Kanal (25) für Sekundärluft angeordnet ist, daß im Primärluftstrom im ersten Kanal (22) dem indirekten Wärmetauscher (18) ein zweiter indirekter Wärmetauscher (44) mit von Wasser zur Kühlung durchströmten Leitungen (43) nachgeordnet ist, und daß das Wasser nach dem Durchgang durch den zweiten indirekten Wärmetauscher (44) zu einer im Primärluftstrom im Kanal (22) nachgeordneten zweiten Verdampfungswärmeaustauschfläche (47) geleitet wird.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Primärluftstrom im ersten Kanal (22) ein dritter indirekter Wärmetauscher (33) für den Wärmeaustausch von Primärluft und Sekundärluft der ersten Verdampfungswärmeaustauschfläche (21) im zweiten Kanal (25) nachgeordnet ist

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluft nach Durchgang durch den dritten indirekten Wärmetauscher (33) als Abluft abgeführt wird.

4. Anlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Wärmetauscher (33) im Primärluftstrom dem ersten indirekten Wärmetauscher (18) vorgeordnet ist.

5. Anlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte indirekte Wärmetauscher (33) im Primärluftstrom dem ersten indirekten Wärmetauscher (18) nachgeordnet ist.

6. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Primärluftstrom der zweiten Verdampfungswärmeaustauschfläche (47) ein Verdampfungskühler (52) nachgeordnet ist.