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Die
Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung und
insbesondere einen Taupunkt-Kühler.
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Die
Erfindung schafft eine Kühlvorrichtung, aufweisend:
einen
ersten Medienkreislauf und einen zweiten Medienkreislauf, der mit
dem ersten Medienkreislauf über
eine mindestens teilweise wärmeleitende
Wand thermisch gekoppelt ist, wobei durch die beiden Kreisläufe zwei
jeweilige Medien im Gegenstrom strömen können;
wobei die wärmeleitende
Wand Aufbrechvorrichtungen zum Aufbrechen mindestens der thermischen Grenzschicht,
der laminaren Grenzschicht und der Grenzschicht der relativen Feuchtigkeit
an der Position der am wenigsten aktiven Zonen zwecks Wärmeübertragung
zumindest in das Primärmedium
aufweist, wobei die Aufbrechvorrichtungen wärmeleitende Vorsprünge aufweisen,
die den wirksamen wärmeleitenden
Oberflächenbereich
der Wand vergrößern;
wobei
wärmeleitende
Oberflächen
der wärmeleitenden
Vorsprünge
zumindest teilweise zumindest in dem Bereich des zweiten Medienkreislaufs
von einer hydrophilen Beschichtung bedeckt sind, mittels derer eine
Flüssigkeit
rückgehalten
und durch Verdampfung wieder freigegeben wird; und eine Benetzungseinheit,
um die Beschichtung in dem Bereich des Sekundärmediums einer Benetzung durch
die verdampfbare Flüssigkeit
auszusetzen,
und wobei der Wärmeübertragungskoeffizient der
gesamten Wand mindestens 1 W/m2K beträgt.
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Sehr
gute Ergebnisse sind insbesondere mit Portland-Zement erzielt worden.
Die Schicht kann aus diesem Zement des mikroporösen Typs bestehen, wobei die
Schichtdicke beispielsweise in der Größenordnung von 50 μm liegt.
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Es
ist bekannt, dass eine Flüssigkeit
auf sehr einfache Weise, z.B. in einer warmen, sonnigen Umgebung,
in größerem oder
kleineren Maß gekühlt werden
kann, indem die in einem Behälter
befindliche Flüssigkeit
mit einem feuchten Tuch umhüllt
wird. Da das Wasser in dem Tuch aufgrund von Wärme und möglicherweise Wind verdunstet,
erfolgt eine Verdunstung, mit der in der Wand des Behälters ein
Temperaturabfall einhergeht, der auf die im Behälter enthaltene Flüssigkeit übertragen
wird. Die an sich bekannte "Taupunkt-Kühlung" basiert auf diesem
allgemein bekannten Grundprinzip.
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Aus
WO 02/27254 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der die Prinzipien
der indirekten Verdunstungskühlung
angewandt werden. Die Vorrichtung weist einen Platten-Wärmeaustauscher
mit Kanälen auf,
die auf einer Nass-Seite und einer Trocken-Seite des Wärmeaustauscher
ausgebildet sind. Die Kanäle sind
angeordnet zur Ermöglichung
eines querverlaufenden Flusses von Fluidströmen an beiden Seiten der Platte.
Die Platte ist ferner mit Perforationen versehen, die einen Durchtritt
eines Arbeitsgasstroms von der Trocken-Seite zu der Nass-Seite ermöglichen.
Die Nass-Seite der Platte ist mit Dochtmaterial zur Transpiration
von Kühlflüssigkeit über die Nass-Seite
versehen. Wenn das Arbeitsfluid sich über die Nass-Seite der Platte
bewegt, bewirkt es ein Verdunsten der Flüssigkeit, wodurch eine Kühlung des
an der Trocken-Seite fließenden
Produktstroms bewirkt wird.
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Ein
Taupunkt-Kühler
ist ein bestimmter Typ von Enthalpie-Austauscher. Wie bekannt ist
Enthalpie definiert als die Summe der inneren Energie und des Produkts
aus Druck und Volumen in einem thermodynamischen System. Enthalpie
ist eine energieartige Eigenschaft oder Status-Funktion und hat
die Dimension von Energie. Der Wert ist ausschließlich durch
die Temperatur, den Druck und die Zusammensetzung in dem System
bestimmt.
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Gemäß dem Energieerhaltungssatz
ist die Veränderung
der inneren Energie gleich der dem System zugeführten Wärme minus der von dem System
geleisteten Arbeit. Falls beispielsweise die einzige ausgeführte Arbeit
eine Volumenveränderung
bei konstantem Druck ist, ist die Veränderung in der Enthalpie exakt
gleich der Energie, die dem System zugeführt wird.
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Für das Taupunkt-Kühlen ist
die Verdunstungswärme
von Wasser ein wesentlicher Aspekt. Wenn Wasser gekocht wird, wird
dem Wasser Energie zugeführt,
jedoch kann die Temperatur nicht über den Siedepunkt ansteigen.
Die an dem System durchgeführte
Arbeit wird in diesem Fall dazu verwendet, zu bewirken, dass das
Wasser in Wasserdampf umgewandelt wird. Dieser Vorgang wird als Verdunstung
bezeichnet und erfolgt in diesem Fall isothermisch. Wesentlich ist,
dass eine Phasenveränderung
von der flüssigen
Phase zur Dampf- oder Gas-Phase eintritt.
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Der
umgekehrte Vorgang, bei dem Gas oder Dampf dichter wird und dadurch
Flüssigkeit
gebildet wird, wird als Kondensation bezeichnet. Kondensation kann
z.B. in feuchter Luft – d.h.
wasserausdünstender
Luft – eintreten,
falls die betreffende Luft in Kontakt mit einer derart kalten Fläche gelangt,
dass die relative Luftfeuchtigkeit in diesem Bereich auf den der
relevanten Temperatur zugeordneten Sättigungswert ansteigt. In diesem
Fall ist die Luft nicht länger in
der Lage, die Menge des vorhandenen Wassers zu absorbieren, so dass
das Wasser in diesem Bereich von der gas- oder dampfförmigen Phase
in die flüssige
Phase übergeht.
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Im
Vergleich mit dieser bekannten Technik ist der Taupunkt-Kühler gemäß der Erfindung
in dem Sinn überlegen,
dass seine Leistungsfähigkeit
um die verschiedenen angeführten
kennzeichnenden Aspekte verbessert ist. Wichtig ist die Verwendung
der oberflächenvergrößernden
Aufbrechvorrichtungen, die einen beträchtlichen Beitrag zu der Wärmeübertragung
zwischen der wärmeleitenden
Wand und dem betreffenden vorbeiströmenden Medium leisten. Die
charakteristische Menge in diesem Zusammenhang die soge nannte Nusselt-Zahl,
die ein Maß für diese
Wärmeübertragung
ist und kann gemäß der Erfindung
sehr hohe Werte erreichen.
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Es
muss die Tatsache betont werden, dass die oberflächenvergrößernden Aufbrechvorrichtungen
den Temperaturarbeitsbereich des Taupunkt-Kühlers beträchtlich erweitern. Unter praktischen
Bedingungen und mit einem gut konzipierten Taupunkt-Kühler gemäß der Erfindung
ist es etwa möglich,
mit einer Eingangstemperatur, d.h. einer Zufuhrtemperatur des Primärmediums,
von z.B. 80°C zu
arbeiten.
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Ferner
ist wichtig, dass die wärmeleitenden Flächen und
die Aufbrechvorrichtungen in der gezeigten Weise mit einer hydrophilen
Beschichtung bedeckt sind, die zudem in der Lage ist, eine hinreichend
große
Menge von Wasser zu puffern, das z.B. intermittierend von der Benetzungseinheit
zugeführt wird.
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Es
wird nachdrücklich
darauf hingewiesen, dass die Benetzungseinheit derart ausgebildet
sein muss, dass keine oder zumindest nur eine vernachlässigbare
Zerstäubung
auftritt, jedoch z.B. ein intermittierender Flüssigkeitsstrom erfolgt, der
die hydrophile Beschichtung direkt nass hält. Nur auf diese Weise ist
der Betrieb als Taupunkt-Kühler
mit hohem Leistungsgrad gewährleistet,
anders als z.B. in dem Fall, in dem eine wärmeleitenden Wand, die ohne
Beschichtung belassen oder mit einer dünnen Beschichtung versehen
ist, mit einer zerstäubten
Flüssigkeit
besprüht
wird. In diesem Fall tritt eine Verdunstung bereits in dem relevanten
Medienstrom auf, wobei dieser Strom zwar in der Tat eine Kühlung bewirkt,
jedoch die Wärmeübertragung
zu der Wand, durch die Wand hindurch und anschließend zu
dem Medium auf der anderen Seite der Wand sehr begrenzt ist.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung hat der Taupunkt-Kühler das spezielle Merkmal,
dass die Beschichtung aus einem Kunststoff besteht. Auch bei dieser
Ausführungsform
kann der Kunststoff von einem porösen Typ sein. Die Porosität kann z.B.
durch Schrumpfung während
des Kühlens
oder Aushär tens erzielt
werden. Es kann auch ein Gel verwendet werden, das z.B. einen hygroskopischen
Charakter hat und somit Wasser absorbieren und dieses an einen vorbeiströmenden Luftstrom
abgeben kann.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsformen können vorteilhafterweise
das spezielle Merkmal aufweisen, dass der wirksame Außenoberflächenbereich
der Beschichtung, von dem die Flüssigkeit
verdunsten kann, mindestens 100 x, vorzugsweise 1000 x größer ist
als sein projizierter Oberflächenbereich. Es
sollte ersichtlich sein, dass der Außenoberflächenbereich einer Beschichtung
z.B. eine unregelmäßige Form
haben kann, die z.B. der Küstenlinie von
Britannien ähnlich
ist. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, im kleinsten Maßstab zu
erreichen, dass der wirksame Oberflächenbereich extrem größer ist als
der projizierte Oberflächenbereich,
und dass örtlich
aufgrund von Turbulenz und anderer Luftbewegungen ein sehr effektives
Aufbrechen der Grenzschichten erfolgen kann.
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Das
spezielle Merkmal einer bevorzugten Ausführungsform besteht in einer
derartigen Dimensionierung des Taupunkt-Kühlers, dass die Medienströme Werte
dahingehend haben, dass in dem Sekundärstrom eine Annäherung an
den Taupunkt innerhalb 1°C
erfolgt. Die betreffende Dimensionierung kann auf der Basis der
oben angeführten
Spezifikationen gemäß der Erfindung
realisiert werden, indem der Taupunkt-Kühler auf der Basis des detaillierten Fachwissens
konzipiert wird.
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Gemäß einem
wiederum weiteren Aspekt der Erfindung kann der Taupunkt-Kühler das spezielle Merkmal
haben, dass die Aufbrechvorrichtungen Rippen aufweisen, die in Form
einer Anzahl von Streifen ausgebildet sind, welche jeweils im Wesentlichen
wellenförmig
ausgeführt
sind, wobei aufeinanderfolgende Wellen-Oberbereiche jedes dieser
Streifen an der einen Seite mit der Wand verbunden sind, und die
Beschichtung im Wesentlichen nur an derjenigen Oberfläche jedes
Streifens angeordnet ist, die von der Wand entfernt ist. Derartige
Rippen ohne Beschichtung sind an sich bekannt, z.B. von Kraftfahrzeug-Kühlern. Die
Rippen sind sehr effektiv, und im Kontext des Taupunkt-Kühlers gemäß der Erfindung bewirken
sie eine überraschend
hohe Effizienz in Kombination mit einer sorgfältig gewählten hydrophilen Beschichtung,
insbesondere einer aus mikroporösen
Portland-Zement bestehenden Beschichtung.
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Wie
oben bereits erwähnt,
kann auf der Basis des verfügbaren
Wissens im Zusammenhang mit Wärmeaustauschern
der gemäß der Erfindung
vorgesehene Taupunkt-Kühler
auf der Basis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung sorgfältig dahingehend
konzipiert werden, dass eine hohe Effizienz erreicht wird. In diesem
Zusammenhang ist eine Variante wichtig, bei welcher der genannte
Aspekt der wesentlichen Vergrößerung des
wirksamen Außenoberflächenbereichs
der Beschichtung genutzt wird, wobei die Eigenschaften der Beschichtung
und diejenigen der Flüssigkeit
ferner relativ zueinander derart gewählt werden, dass
- (a) pro Oberflächeneinheit
der Wand und der Aufbrechvorrichtung eine vorbestimmte Menge der Flüssigkeit
in der Beschichtung gepuffert werden kann; und
- (b) der Wärmewiderstand
einer mit Flüssigkeit
gefüllten
Beschichtung quer zu ihrer Hauptebene relativ zum Gesamt-Wärmewiderstand
in dem Weg zwischen der wärmeleitenden
Wand und dem vorbeiströmenden
Sekundärmediums
vernachlässigbar
ist.
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Es
kann eine optional einstellbare Umkehreinheit verwendet werden,
um einen Teil des Primärmedien-Stroms
am Auslass des ersten Medienkreislaufs umzukehren und dadurch einen
Sekundärmedien-Strom
zu bilden. In diesem Fall besteht ein Brutto-Primärmedien-Strom,
ein Netto-Primär-medien-Strom, der
im gekühlten
Zustand als effektiver Strom zugeführt wird, und ein Tara-Abzweigstrom, der über die
Verdunstung von Flüssigkeit,
in dem als Sekundärmedium
wirkenden abgezweigten Medium einen Kühleffekt auf den Brutto-Primärmedien-Strom ausübt. Der
von dem Brutto-Primär-Strom
erwärmte Tara-Sekundär-Strom
wird als Verlust in die Umge bung ausgegeben, insbesondere in die
Außenumgebung.
Der Sekundärstrom
kann einen Wert z.B. in der Größenordnung
von 30% des Brutto-Primär-Stroms haben.
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Da
das Verhältnis
zwischen dem Brutto-Strom und dem Tara-Strom die Effizienz des Taupunkt-Kühlers wesentlich
beeinflussen kann, kann eine Ausführungsform das spezielle Merkmal
aufweisen, dass das Verhältnis
zwischen dem Primär-Strom
und dem genannten Teil des Primär-Stroms
derart einstellbar ist, dass man den Wirkungsgrad des Taupunkt-Kühlers einstellen
kann.
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Bei
einer bestimmten Ausführungsform,
in welche der letztgenannte Aspekt einbezogen ist, weist der Taupunkt-Kühler gemäß der Erfindung
das spezielle Merkmal auf, dass die Einstellvorrichtungen als eine
optional einstellbare Durchführung
in dem Primärkreislauf
und eine einstellbare Durchführung
in dem Sekundärkreislauf
ausgebildet sind. Wie jeder Durchstromkreislauf hat der Primärkreislauf
einen bestimmten Strömungswiderstand.
Dies bedeutet, dass in dem Fall, dass ein Sekundärkreislauf abgezweigt wird,
ein bestimmter Strom durch diesen hindurch erfolgt, der von dem
Strömungswiderstand
in dem stromaufwärtigen
und dem stromabwärtigen
Primärkreislauf
und demjenigen in dem Sekundärkreislauf
abhängt.
Beispielsweise kann in dem Fall, dass der Primärkreislauf nicht variabel ist,
durch Wählen des
Strömungswiderstands
in dem Sekundärkreislauf
das Verhältnis
zwischen den relevanten Strömungsraten
eingestellt werden, um den Wirkungsgrad des Taupunkt-Kühlers einzustellen.
Es ist auch möglich,
ein Ventil mit einstellbarer Durchlässigkeit in dem stromaufwärtigen Primärkreislauf
und Sekundärkreislauf
zu verwenden.
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Um
die Wärmeübertragung
weitestmöglich zu
verbessern, müssen
die Vorsprünge
in der Strömungsrichtung
so wenig wie möglich
miteinander interferieren, was bedeutet, dass jeder Vorsprung, wie z.B.
eine Rippe, mit einem fast ungestörten Strom zusammenwirkt. In
diesem Zusammenhang kann mit Vorteil eine Ausführungsform verwendet werden,
bei der die Vorsprünge
gegenseitig versetzt angeordnet sind.
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Im
Fall einer beträchtlichen
Wärmefortleitung in
der Längsrichtung,
d.h. in der Richtung der Medienströme, die zwecks Erzielens eines
optimalen Wirkungsgrads in zueinander gegenläufigen Richtungen strömen, kann
der gemäß der Erfindung
vorgesehene Taupunkt-Kühler
vorteilhafterweise das spezielle Merkmal aufweisen, dass die Vorsprünge in der Strömungsrichtung
eine beschränkte
Länge haben, wodurch
die Wärmeübertragung
verbessert wird.
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Der
Taupunkt-Kühler
kann ferner das Merkmal aufweisen, dass die Vorsprünge in der
Strömungsrichtung
durch Teile voneinander getrennt sind, die eine wesentlich niedrigere
Wärmeleitfähigkeit
haben.
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Um
den gewünschten
hohen Wirkungsgrad zu erzielen, muss bei dem Taupunkt-Kühler gemäß der Erfindung
eine gute Benetzung der Beschichtung gewährleistet sein, die aus separaten
Teilen bestehen kann, wobei insbesondere ausgeschlossen ist, dass
trockene Oberflächenbereiche
verbleiben. Dieses Erfordernis besteht, da ansonsten eine örtliche Temperaturdifferenz
auftreten könnte,
die unerwünschte
Wärmeströme verursachen
könnte,
aufgrund derer die Leistungsfähigkeit
des Systems hinter dem gewünschten
Maß zurückbliebe.
Die Verhältnisse
zwischen den Oberflächenbereichen
der wärmeleitenden
Flächen
und den Aufbrechvorrichtungen in dem Primär- und dem Sekundärkreislauf
müssen ferner
dahingehend gewählt
sein, dass in Anbetracht sämtlicher
Parameter die Wärmeströme zwischen dem
Primär- und dem Sekundärmedium
so groß wie möglich sind.
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Die
Erfindung bietet die Option, einen Taupunkt-Kühler mit beträchtlich
erhöhtem
Leistungsgrad zu realisieren, bei dem die Temperatur am Auslass
des Primärkreislaufs
in dem sogenannten h,x-Diagramm nach Mollier mindestens die Linie
von 85% RH (relative humidity – relative
Luftfeuchtigkeit) erreicht und bei dem sich eine beträchtlich
reduzierte Temperaturdifferenz von z.B. 2 bis 3°C zwischen dem Primär-Einlass
und dem Sekundär-Auslass
ergibt. Anzumerken sei, dass eine weitestmögliche Annäherung an die Sättigungslinie
(100% RH) wünschenswert
ist, wobei in der Praxis ein Wert von ungefähr 85% angestrebt wird.
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Die
Erfindung wird nun im Zusammenhang mit den beifügten Figuren erläutert. Diese
zeigen Folgendes:
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1 zeigt
ein Blockschaltbild eines Taupunkt-Kühlers mit einem Primärkreislauf
und einem Sekundärkreislauf;
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2 zeigt
ein 1 entsprechendes Blockschaltbild eines Taupunkt-Kühlers, bei
dem der Sekundärkreislauf
mit dem Auslass des Primärkreislaufs
verbunden ist;
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3 zeigt
in stark schematisierter Darstellung ein Beispiel eines Taupunkt-Kühlers mit
einer Umkehreinheit zum Umkehren eines Teils des Primärmedienstroms;
und
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4 zeigt
eine schematische und stark vereinfachte perspektivische Ansicht
eines Taupunkt-Kühlers.
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1 zeigt
einen Taupunkt-Kühler 1 mit
einem Primärkreislauf 2 und
einem Sekundärkreislauf 3.
Die durch diese strömenden
Medien bewegen sich im Gegenstrom, wie durch die Pfeile 4, 5 angedeutet. Das
Primärmedium
I strömt über einen
Einlass 6 ein und wird über
einen Auslass 7 ausgegeben. Die Abbildung einer Pumpe,
eines Rotors oder einer ähnlichen
Medientransportvorrichtung wurde weggelassen. Das Sekundärmedium
II strömt über einen
Einlass 8 ein und verlässt
den Austauscher über
einen Auslass 9. Es sind zwei betreffende Verschachtelungseinheiten
und Verteiler 10, 11 symbolisch angedeutet, die
mit mehreren ineinander verschachtelten Kanälen in dem Taupunkt-Kühler 1 verbunden
sind, um die betreffenden einzelnen Leitungen für den Primär- bzw. Sekundärkreislauf
zu bilden.
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In
dem Sekundärkreislauf 3 wird
die Wärmeaustauschwand
durch (nicht gezeigte) Benetzungsvorrichtungen benetzt, um diese
Wand zu kühlen,
indem mittels des vorbeifließenden
Sekundär-Luftstroms
eine Verdunstung des Wassers an der Wand erfolgt.
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Die
Medien I, II befinden sich in dem Kühler 1 in Wärmeaustauschkontakt.
Bei dieser Ausführungsform
weist der Kühler
einen externen Primär-Einlass 11,
einen externen Primär-Auslass 12, einen
externen Sekundär-Einlass 13 und
einen externen Sekundär-Auslass 14 auf.
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2 unterscheidet
sich insbesondere hinsichtlich dieses letztgenannten Aspekts der
Ausführungsform
gemäß 1 dahingehend,
das der Sekundär-Einlass 8 des
Taupunkt-Kühlers 1 einen
Medienstrom I'' empfängt, bei
dem es sich um einen Abzweig von dem Gesamt-Medienstrom I handelt.
Der Durchstrom I' gelangt über den
Verteiler 11' zu
dem Auslass 12. Die Summe der Strömungsraten I' und I'' ist gleich I. Die Strömungsrate
I'' ist gleich der Strömungsrate
II. Das Verhältnis
zwischen I' und
I'' ist in großem Maße entscheidend
für die
Leistung des Kühlers
und kann z.B. einen Wert in der Größenordnung von 70:30 haben.
Der Medienstrom I kann als der Brutto-Strom betrachtet werden, d.h.
als gesamter in die Vorrichtung eingeführter Medienstrom. Der Strom
I' ist der wärmebehandelte
Strom, insbesondere der gekühlte
Strom, der als Netto-Strom bezeichnet werden kann. Die Differenz
zwischen dem Brutto-Strom I und dem Netto-Strom I' ist der Abzweig-Strom
I'' oder II, der dem
Strom II gemäß 1 entspricht.
Dieser Strom II fließt
durch den Sekundärkreislauf
und kann bei der Konfiguration gemäß 2 als Tara-Strom
bezeichnet werden. Das thermisch behandelte – insbesondere erwärmte – Medium
an dem Auslass 14 wird als Verlust nach außen abgelassen.
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3 zeigt
stark schematisiert einen Taupunkt-Kühler 20. Dieser weist
einen Primärkreislauf
I und einen Sekundärkreislauf
II auf. Durch den Primärkreislauf
strömt
ein Primär-Luftstrom 21.
Durch den Sekundärkreislauf
II strömt
ein Sekundär-Luftstrom 22.
Dieser ist ein Abzweig des Primär-Luftstroms 21,
der seinerseits als Teilstrom 21 fortgesetzt wird.
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Der
Taupunkt-Kühler
weist einen Primär-Einlass 23,
einen Primär-Auslass 24 und
einen Sekundär-Auslass 25 auf,
wobei die Auslässe
einen Teil eines Gehäuses 26 bilden.
Ein Gebläse 27 dient
zum Antrieb des Primär-Luftstroms 21.
In dem Gehäuse ist
eine Wärmeaustauschwand 28 angeordnet,
welche den Primärkreislauf
I von dem Sekundärkreislauf II
trennt. In der Wand ist eine Öffnung 29 ausgebildet, die
mittels eines von einem Stellglied 31 gesteuerten Ventils
geschlossen und geöffnet
werden kann.
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In
der gezeigten Öffnungsposition
wird ein gewählter
Teil der Primärstroms 21 in
Form eines Stroms 22 abgezweigt, während sich der übrige Teil als
Strom 21' weiterbewegt.
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Die
Wand 28 trägt
Primär-Rippen 32 und
Sekundär-Rippen 33.
Diese dienen zum Aufbrechen der relevanten Grenzschichten und zur
wirksamen Oberflächenvergrößerung der
Wand 28. Die Sekundär-Rippen 33 sind
mit einer Beschichtung aus Portland-Zement versehen. Dadurch sind
die Rippen an der Oberfläche
wirksam hydrophil und können
eine bestimmte Menge an Wasser puffern. Dieses Wasser wird über eine
Wasserleitung 34 und ein Ausgabeventil 35 einer
Ausgabeleitung 36 zugeführt.
Dies gewährleistet
eine kontinuierliche Benetzung der Beschichtung.
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Der
vorbeifließende
Sekundär-Luftstrom 22 bewirkt
die Verdunstung des in der Beschichtung vorhandenen Wassers, wobei
damit eine Kühlung
der Rippen 33, der Wand 28 und dadurch der Rippen 32 einhergeht,
wodurch der Primär-Strom 21 gekühlt wird.
Der Primärauslass-Strom 21' hat somit eine niedrigere
Strömungsrate
als der Primär-Strom 21, jedoch
auch eine reduzierte Temperatur. Deshalb wird dieser Strom 21' als wirksamer
gekühlter
Luftstrom z.B. zwecks Raum-Kühlung
verwendet. Der den Wasserdampf mitführende Sekundär-Luftstrom 22 kann
nach außen
hin ausgegeben werden.
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Nicht
gezeigt ist eine Variante, bei der das Ventil 30 nicht
verwendet wird. Das Verhältnis
zwischen den Strömen 21 und 22 ist
in diesem Fall nicht einstellbar.
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4 zeigt
einen Taupunkt-Kühler 50,
dessen Gehäuse
aus Gründen
der Übersichtlichkeit nicht
abgebildet ist. In dieser stark vereinfachten Ansicht weist der
Taupunkt-Kühler
drei wärmeleitende und
medientrennende Wände 51, 52, 53 auf,
die beiden Seiten mit jeweiligen Rippen 54, 55, 56, 57 versehen
sind, welche in Form zickzackförmiger
Streifen in Querrichtung zu den nachstehend zu beschreibenden Strömen verlaufen.
Die Rippen weisen in den Strömungsrichtungen
eine begrenzte Länge
auf, während
die Wände 51, 52, 53 im
Bereich der Rippen wärmeleitend
sind und wärmeisolierende
Teile 58, 58' zwischen
den jeweiligen Rippen-Streifen, die mit 57 bzw. 57' bzw. 57'' bezeichnet sind, aufweisen. Dadurch
wird ein Wärmetransport
in der Längsrichtung vermieden,
so dass der Austauscher eine ausgezeichnete Effizienz hat.
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Die
mittleren beiden der vier gezeigten Kanäle entsprechen dem Primärkreislauf
I. Die äußeren beiden
Kanäle,
die ferner durch das (nicht gezeigte) Gehäuse begrenzt sind, definieren
den Sekundärkreislauf
II. Die verschiedenen Ströme
und Kreisläufe sind
mit den gleichen Bezugszeichen wie in 2 gekennzeichnet.
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Der
Taupunkt-Kühler 50 weist
ferner eine zentrale Wasserzuführleitung 59 mit
Düsen 60 zum Benetzen
der Rippen 54–57 auf,
die mit einer hydrophilen Beschichtung versehen sind. Die Rippen
sind mit Perforationen versehen, über die das aus den Düsen 60 austretende
Wasser auch die an einer niedrigeren Position gelegenen Rippen voll
benetzen kann. Mögliches überschüssiges Wasser
wird mittels nicht gezeigter Vorrichtungen ausgegeben. Wie aus der
Figur ersichtlich ist, sind die Perforationen als Schlitze ausgebildet.
Diese Schlitze werden nicht ausgestanzt, sondern werden ausgebildet,
indem in einer Stanzmaschine Schnitte appliziert werden und das
Rippen material aus der Hauptebene der umgebenden Fläche derart
herausgedrückt
wird, dass sich eine Durchlassschlitz-Struktur ergibt. Die Form
der Perforationen 61, die nun als Durchlassschlitze bezeichnet
werden, ist derart vorgesehen, dass sie in der Strömungsrichtung
in zwei aufeinanderfolgenden Gruppen von Durchlassschlitzen eingeteilt
sind, die mit 62 bzw. 63 gekennzeichnet sind.
Bei dieser Ausführungsform
ist die in der Strömungsrichtung
am weitesten stromaufwärts
gelegene Gruppe von Durchlassschlitzen diejenige mit dem Bezugszeichen 63.
Die Durchlassschlitze sind derart platziert, dass der Strom 5 von
den Durchlassschlitzen abgefangen und auf die andere Seite der Rippe
umgelenkt wird, wo der abgelenkte Strom wiederum von den Durchlassschlitzen
der Gruppe 62 abgefangen wird und zumindest ungefähr seinen
ursprünglichen
Weg wiederaufnimmt. Diese Struktur bewirkt eine ausgezeichnete Wärmeübertragung
zwischen dem vorbeiströmenden
Medium und den Rippen.
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Die
Energiebeaufschlagung der Wasserzuführleitung 59, die
mit den Düsen 60 zum
Aufbringen von Wasser auf die bedeckte Seite – d.h. auf die Rippen 54–57 in
dem Tara-Sekundärmedienstrom
II – versehen
ist, erfolgt vorzugsweise periodisch. Das Bewässerungssystem bewässert die
Beschichtung, wodurch die Rippen hydrophil werden. Ein direktes Benetzen
des Sekundär-Luftstroms wird so
weit wie möglich
vermieden, da dies nur eine Reduzierung der Effizienz des Taupunkt-Kühlers zur
Folge hätte.
Somit ist bei der Erfindung die Verwendung von Sprühvorrichtungen
definitiv zu vermeiden. Die Verdunstung erfolgt nur von der Beschichtung
der mit Wasser benetzten Rippen und von den freien Wandteilen der Wände 51, 52, 53,
die wahlweise auch mit einer hydrophilen Beschichtung versehen sind,
d.h. den mit 58 und 58' bezeichneten rippenfreien Zonen.
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Gemäß der Erfindung
wird durch eine leichte Überwässerung
bewirkt, dass die nasse Wand einschließlich der Rippen im Wesentlichen
homogen bewässert
wird und überall
fast die gleiche Menge an Wasser enthält. Der Treibdruck für die Verdunstung ist
somit überall
optimal. Eine gute Wahl der Strömungsgeschwindigkeit
und des Grads der Turbulenz bewirkt eine hohe Effizienz.
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An
dieser Stelle sollte auch auf die Effizienz des Enthalpie-Austauschers
generell hingewiesen werden, insbesondere anhand von 4,
die diesen Aspekt deutlich veranschaulicht. Nach dem Durchlauf durch
die Primär-Wärmeaustauscher-Seite
wird ein Teil I'' des Brutto-Luftstroms
I entlang der Sekundär-Seite
des Enthalpie-Austauschers 50 geführt, um auf die oben beschriebene
Weise Wasserdampf zu absorbieren. Die Verdunstungswärme des
absorbierten verdunsteten Wassers wird verwendet, um den Brutto-Primärluftstrom
I auf die Temperatur des Netto-Primärluftstroms I' zu kühlen, bei
dem es sich letztlich um die gewünschte
Luft handelt, die zum Kühlen in
den relevanten Raum geblasen wird. Das Verhältnis zwischen dem Brutto-Strom
und dem Tara-Strom hat an jeder Bemessung des Taupunkt-Kühlers ein Optimum. Die dem
Primär-Brutto-Luftstrom
entzogene Wärme
wird mit der Wärmeeffizienz
des Taupunkt-Kühlers 50 multipliziert.
Für die
Sekundär-Extraktion
der Enthalpie wird weitgehend die latente Verdunstungswärme des
Bewässerungswassers verwendet.
Es ist somit möglich,
an der Sekundärseite
mit einem nur kleinen Luftstrom auszukommen. Im typischen Fall liegt
das Verhältnis
im Massenstrom zwischen dem Primärstrom
und dem Sekundärstrom bei
einem Wert in der Größenordnung
von 2 bis 3.
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Durch
die hydrophile oder hygroskopische Abdeckung oder die Oberflächenbehandlungen,
die den Rippen und den rippentragenden wärmeaustauschenden Wänden die
erforderlichen Feuchtigkeitsverteilungs- und Feuchtigkeitspufferungs-Eigenschaften
geben, wird ein Speichern des Wassers zur Verdunstung zwischen zwei
Bewässerungsperioden ermöglicht.
Die Abdecklage oder -beschichtung ist derart dünn, dass sie einen fast vernachlässigbaren Wärmewiderstand
hat, so dass die Wärmeübertragung
zwischen dem Primärmedienstrom
und dem Sekundärmedienstrom
praktisch ungestört
erfolgen kann.
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In 4 sind
die Verteiler-Teile, die zum Verbinden der äußeren beiden Kanäle bzw.
der inneren beiden Kanäle
an beiden Seiten des Wärmeaustauschers 60 erforderlich
sind, nicht gezeigt. Ebenfalls nicht gezeigt sind die Vorkehrungen,
die zum Bilden der Teilströme
I' und I'' aus dem gezeigten Strom I erforderlich
sind. Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung gemäß 3 oder eine
andere geeignete Vorrichtung verwendet werden.
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Da
bei dem Taupunkt-Kühler
des Typs gemäß 4 oder
generell des gemäß der Erfindung vorgesehenen
Typs eine kleine Antriebstemperatur-Differenz auftritt und da der Druck
des gesättigten Dampfs
direkt von der Temperatur abhängig
ist, ist es sehr wichtig, zu gewährleisten,
dass diese Temperaturdifferenz nicht aufgrund von in Längsrichtung
(in Strömungsrichtung)
verlaufender Leitung in der Wand beseitigt wird. Dies wird realisiert,
indem relativ kleine Wanddicken gewählt werden oder indem zwischen
den Rippen in der Strömungsrichtung
des Mediums Trennvorrichtungen angeordnet werden, die nicht wärmeleitend
oder nur in einem vernachlässigbaren
Maß wärmeleitend
sind. Dies sind die mit 58, 58' gekennzeichneten wärmeisolierenden
Teile.
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Um
den größtmöglichen
Transport von Substanz an der Nass-Seite zu erzielen und dadurch Wasser
zu Wasserdampf verdunsten zu lassen, der von dem Sekundärmedium
mitgeführt
wird, muss die Druckdifferenz zwischen dem bei der herrschenden Temperatur
gesättigten
Dampfdruck und dem Dampfdruck der zugeführten Luft so groß wie möglich sein.
Gesättigte
Luft oder fast gesättigte
Luft macht diese Differenz so klein, dass dies die Leistung des
Enthalpie-Austauschers negativ beeinflusst. Bevorzugt weist der
Taupunkt-Kühler
an der bewässerten
Sekundärseite
eine teilweise unbeschichtete Oberfläche auf, welche die wasserabsorbierende Luft
wiederum weiter weg von dem Sättigungspunkt bringt,
derart, dass das Wasser noch auf optimale Weise absorbiert werden
kann. Dies kann ein kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Vorgang
des Absorbierens und Erhitzens von Dampf sein.
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Abgesehen
von der beschriebenen thermischen Trennung zwischen den mit Rippen
versehenen Zonen ist die Wärmeleitfähigkeit
der Zwischenwand zwischen dem Primärstrom und dem Sekundärstrom nicht
wichtig. Die Wärmeleitung
der Vorrichtungen, welche die Wärmeübertragung
begünstigen, insbesondere
der Rippen, die sich um einen gewissen Abstand von der Wand in dem
relevanten Kanal weg erstrecken und deshalb absorbierte Wärme durch
Leitung zur Wand transportieren müssen, ist von hoher Wichtigkeit
und muss deshalb gut gewählt werden.
In diesem Zusammenhang werden gemäß einer bestimmten Ausführungsform
der Erfindung Rippen verwendet, die in gezahnter oder zickzackartiger
Form gefaltet sind und aus Kupferstreifen mit kühlschlitzartigen Perforationen
gemäß 4 bestehen.