Einleitung

Raumklimatisierung verbraucht einen hohen Anteil des globalen

Elektrizitätsangebotes und trägt damit auch zur C02 Bilanz der Erde bei.

Energieeinsparung kann durch Wärmerückführung, insbesondere über

Wärmetauscher erfolgen. Wärme wird aber nicht nur in der Wärmekapazität der betroffenen Stoffe sondern mehr noch in der Enthalpie des beteiligten

Wasserdampfes gespeichert oder transportiert. Wärmerückführung kann nur dann effizient stattfinden, wenn Abkühlung und Erwärmung, Kondensation und

Verdampfung simultan und am gleichen Ort stattfinden. Das erfordert eine

Neukonzeption des Wärmetauscherprinzips, die hier beschrieben werden soll.

Stand der Technik

Klimatisierung erfolgt im Sommer vorzugsweise durch elektrisch betriebene

Kältemaschinen oder im Winter durch Verbrennung von brennbaren Substanzen. Zur Erreichung eines behaglichen Klimas muss in der Regel Wasserdampf aus der Luft durch Kondensation ausgeschieden oder durch Verdampfung hinzugefügt werden. Der dafür nötige Energieaufwand ist in Extremfällen ein Vielfaches dessen, was zum bloßen Abkühlen oder Erwärmen der dampffreien Luft über das gleiche

Temperaturintervall nötig wäre. Das Kondensationswasser wird verworfen, anstatt es für eine Verdampfungskühlung zu nützen.

So genannte geregelte Ventilation soll unter Verwendung von Luft/ Luft- Wärmetauschern beim Energiesparen helfen. Im Winter ist es damit zwar möglich die Außentemperatur nahezu auf Innenraumtemperatur zu bringen, aber diese erwärmete Frischluft ist extrem trocken und muss nachträglich unter Energiezufuhr befeuchtet werden. Im Sommer ist das Problem noch schlimmer: Da die

Enthalpiedifferenz zwischen feuchter heißer Außenluft und kühler trockener Innenluft viel größer ist, als die Enthalpiedifferenz zwischen trockener Innenluft und derselben Luft auf Außentemperatur, kann durch einen solchen Wärmetausch immer nur ein sehr kleiner Beitrag zur Reduktion der erforderlichen Kühlleistung erbracht werden. In der Patentschrift A192/2015 wird daher ein Luft/Luft-Wärmetauscher beschrieben, wo das bei der Abkühlung gebildete Kondensat aus der Frischluft der Abluft zugeführt wird, um in diese hinein zu verdampfen und dabei die frei werdende Kondensationswärme als Verdampfungswärme zu kompensieren.

Eine wirkliche Kühlung der Luft unter die Temperatur, die im zu klimatisierenden Raum herrscht, welche nötig wäre um andere Wärmeeinträge wie

Sonneneinstrahlung oder Computerwärme zu beseitigen, kann jedoch nicht stattfinden. Daher muss bei diesem Konzept immer noch ein aktives

Zweitkühlsystem eingesetzt werden, das üblicherweise mehr als die Hälfte der gesamten Kühllast zu tragen hat.

Ein zusätzliches Problem ergibt sich aus der Tatsache, dass eine konstante

Befeuchtung der Wärmetauscherflächen zu Bakterien- oder sonstigem

Mikrobenbewuchs führen kann, was in weiterer Folge zu Verstopfung oder gar zu Übertragung von Krankheiten führen könnte.

Aufgabenstellung

Im Prinzip sollte durch einen geeigneten Wärmetauscher im Sommer die gesamte Kühlleistung durch Verdampfungskühlung erreicht werden können, weil die

Enthalpiedifferenz zwischen trockener Innenluft und mit Dampf gesättigter Luft auf Außentemperatur immer größer sein muss als die Enthalpiedifferenz zwischen feuchter heißer Außenluft und kühler trockener Innenluft. In der Praxis ist dieser Vergleich aber aus Entropiegründen nicht ganz zutreffend.

Immerhin ist in vielen klimatischen Situationen, eine reine Verdampfungskühlung möglich, wenn man nur dem Wärmetauscher genug Wasser auf der Abluftseite zuführt. In Fällen wo die Luftfeuchtigkeit zu hoch ist kann die Luft durch

hygroskopische Lösung abgesenkt werden.

Umgekehrt ist für die Erwärmung von kalter feuchter Luft in der kalten Jahreszeit eine Erwärmung dieser Luft durch hygroskopische Trocknung derselben möglich.

Die Aufgaben der Erfindung sind also folgende:

Klimatisierung von Räumen durch Verdampfungskühlung, beziehungsweise eine Beheizung durch hygroskopische Lufttrocknung für unterschiedliche Klimaverhältnisse der äußeren Umgebung

Hygienische Bedingungen im Wärmetauscher

Regelung der Luftfeuchtigkeit in den zu klimatisierenden Räumen durch eine hygroskopische Lösung oder Wasserverdunstung

Regenerierung der hygroskopischen Lösung nachdem diese Wasser aufgenommen hat, wobei es möglicherweise zu Kristallisationsprozessen kommen kann, die den gesamten Prozess nicht stören dürfen, durch das gleiche Gerät

Eine möglichst kompakte Bauweise für das ganze Gerät

Lösung der gestellten Aufgaben und Unteraufgaben sowie die daraus

erwartbaren Ergebnisse

Die Aufgabe Klimatisierung von Räumen durch reine Verdampfungskühlung beziehungsweise eine Beheizung durch hygroskopische Lufttrocknung zu

bewerkstelligen wird erfindungsgemäß durch einen neuartigen Mehrphasen- Plattenwärmetauscher bewerkstelligt.

Ein Mehrphasenwärme-Plattenwärmetauscher ist ein Plattenwärmetauscher für zwei gasförmige Medien mit unterschiedlicher Temperatur und mit

unterschiedlichem Dampfgehalt, die im Gegenstrom oder Parallelstrom von je einem regulierbaren Gebläse bewegt werden, wobei die aktive

Wärmeübertragungsfläche zwischen den betroffenen Medien auf einer oder auf beiden Oberflächen von einer oder von zwei verschiedenen langsam fließenden Flüssigkeiten benetzt werden, die mit den jeweiligen Medien in direkter

Wechselwirkung stehen, so dass Verdampfung oder Kondensation und wegen der dabei eintretenden Konzentrationsänderungen in den Flüssigkeiten auch

Kristallisation oder Lösung von Kristallen stattfinden kann, wobei diese

Flüssigkeiten von außen zu ihren spezifischen Eingangspositionen zwischen den Wärmetauscherplatten gepumpt werden und sich von dort den Kräften von Kapillarwirkung, Luftströmung, Verwirbelung, Gravitation beziehungsweise den Zwangskräften von besonderen Plattenausformungen folgend als mehr oder weniger dicker Flüssigkeitsfilm durch den Plattenwärmetauscher bewegen, so dass zusammengehörige Medien und Flüssigkeiten häufig nicht in der gleichen Richtung fließen.

Um einen solchen Mehrphasenwärmetauscher erfolgreich zu betreiben ergibt sich die zusätzliche Aufgabe, die genannten Flüssigkeiten in die Spalten des

Wärmetauschers tropfenweise einzubringen, wobei aber die eingebrachte Menge pro Spalt nicht stark variieren soll. Um diese Aufgabe zu lösen gibt es drei

Methoden: die Flüssigkeitszufuhr von einem Speichertank zu den Eingangspositionen zwischen den Wärmetauscherplatten so erfolgen zu lassen, dass sich die Zuleitung nach der Pumpe zu einem Bündel von Kapillarrohren oder - Schläuchen auffächert, die an den entsprechenden Bestimmungsorten im Wärmetauscher münden. die Flüssigkeitszufuhr von einem Speichertank zu den Eingangspositionen zwischen den Wärmetauscherplatten so erfolgen zu lassen, dass die

Zuleitung nach der Pumpe zu einem gemeinsamen Verbindungskanal zwischen den Wärmetauscherplatten führt, der aus kongruent

korrespondierenden Durchbrüchen durch diese Platten gebildet ist, wobei in jedem Plattenspalt, in den Flüssigkeit eingeführt werden soll, eine Drossel für den tropfenweisen Flüssigkeitsdurchgang vom Verbindungskanal in den Spalt vorgesehen ist.

Die Flüssigkeit vor den Plattenspalteneingängen aus Düsen zu versprühen, wobei die dabei entstehenden Tropfen nicht zu klein sein sollen, um eine Wechselwirkung mit der Luft vor dem Aufprall der Tropfen auf die zu benetzenden Flächen gering zu halten. Diese Anordnung empfiehlt sich vor allem bei großen Anlagen.

Experimente haben gezeigt, dass die Flüssigkeitszufuhr durch Kapillaren zwar vom Aufwand her deutlich komplizierter und teurer ist, als die Alternative eines gemeinsamen Verbindungskanals quer durch alle Platten, dafür aber die gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit über alle Platten wesentlich genauer ist, wodurch der Wirkungsgrad der Anlage wesentlich besser wird.

Ebenfalls aus Experimenten hat sich ergeben, dass eine genaue Dosierung der zuzuführenden Flüssigkeiten allein durch Kapillaren oder Düsen sehr ungenau ist, weil kleinste Verunreinigungen den Strömungswiderstand und damit auch die Durchflussmenge bei gleicher Pumpenstärke verändern können. Besser ist es daher, die Pumpen in kürzen Stößen arbeiten zu lassen, wobei die Stoßdauer und der zeitliche Abstand zwischen den Stößen entsprechend der Messdaten von geeigneten Sensoren variiert werden können, welche die Wärmeübertragung sowie

Verdampf ungs- und Kondensationsleistung im Wärmetauscher ermitteln.

Sobald die genannten Flüssigkeiten in der korrekten Menge zu den

Plattenoberflächen geführt worden sind, ergibt sich die nächste Aufgabe, nämlich diese Plattenoberflächen gleichmäßig zu benetzen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Oberflächen der aktiven

Wärmeübertragungsflächen die gleichmäßige Verteilung des Flüssigkeitsfilms beziehungsweise die lokale Festhaltung von Kristallen oder deren Weitertransport durch Rillen, feinporöse Oberfläche, Schleifspuren, Kratzer und/oder

Faserbeschichtung, sowie Beschichtungen durch hydrophile Materialien oder aber auch durch eine Kombination mehrerer solcher Maßnahmen begünstigen.

Experimentell hat sich auch eine Beschichtung der Wärmeübertragungsflächen mit super-hydrophilen ΤΊ02 Nano-Kristallen als sehr zweckmäßig gezeigt.

Um die Aufgabe der Regelung der Luftfeuchtigkeit in den zu klimatisierenden Räumen durch eine hygroskopische Lösung oder verdunstendes Wasser zu lösen, bietet sich einerseits die Möglichkeit eines iso-enthalpischen Übergangs an, und andererseits kann eine zusätzliche Erwärmung oder Kühlung nötig sein. Ein iso- enthalpischer Übergang kann in dem erfindungsgemäßen

Mehrphasenwärmetauscher dadurch erreicht werden, dass man den gleichen Luftstrom in die Primärseite und in die Sekundärseite des genannten

Wärmetauschers einführt so dass diese beiden Ströme parallel und in gleicher Richtung fließen, wobei zur Benetzung der Wärmetauscherflächen in beiden Strömen die gleiche Flüssigkeit verwendet wird. Ist diese Flüssigkeit Wasser, so wird beim iso-enthalpischen Übergang der Luftstrom gekühlt, während er sich gleichzeitig mit Wasserdampf sättigt. Ist diese Flüssigkeit dagegen eine

hygroskopische Lösung, so wird beim iso-enthalpischen Übergang der Luftstrom erwärmt. Damit kann also im ersten Fall ein Kühleffekt und im zweiten Fall ein Heizeffekt erzielt werden.

Soll dagegen der Luftstrom während der Entfeuchtung durch hygroskopische Lösung gekühlt werden, so kann eine zusätzliche Kühlung des Wärmetauschers durch ein anderes Medium hilfreich sein. Auch dafür kann der erfindungsgemäße

Mehrphasenwärmetauscher verwendet werden, wobei auf der Primärseite die zu entfeuchtende Luft gemeinsam mit einer die Wärmetauscherfläche benetzenden hygroskopischen Lösung im Gegenstrom eingeführt werden und auf der

Sekundärseite das zu kühlende Medium, das je nach Erfordernis im Gleich- oder im Gegenstrom fließen kann und das gasförmig oder auch flüssig sein kann.

Der umgekehrte Fall, dass ein Luftstrom bei seiner Befeuchtung wärmer werden soll, ergibt sich zum Beispiel bei der Aufgabe der Regenerierung der

hygroskopischen Lösung nachdem diese Wasser aufgenommen hat. Hier ist eine Erwärmung nötig, die ebenfalls im Mehrphasenwärmetauscher vorgenommen werden kann, wenn das Sekundärmedium Wärme zuführen kann.

Beide Aufgaben zusammen können gleichzeitig gelöst werden, wenn in dem beschriebenen Mehrphasen-Plattenwärmetauscher die Zuflüsse für Medien oder Flüssigkeiten oder einzelne Abschnitte des Wärmetauschers selbst mit gesonderten Temperierungsmedien oder einer elektrischen Heizung in Wärme leitendem Kontakt stehen, die diese Bereiche heizen oder kühlen können.

Die Einrichtung einer externen Temperierungsmöglichkeit und deren Platzbedarf unterstreichen die Wichtigkeit der oben genannten Aufgabe eine möglichst kompakten Bauweise für das ganze Gerät zu finden. Diese Aufgabe wird durch eine Kombination von einem Mehrphasenwärmetauscher mit zwei oder mehreren der Plattenwärmetauscher zu Heiz- oder Kühlzwecken gelöst, wobei diese Kombination aus einem einzigen Plattenpaket besteht und die einzelnen Teilwärmetauscher jeweils kongruente Bereiche auf den Platten dieses Pakets bilden. Die Aufgabe, hygienische Bedingungen im Wärmetauscher zu garantieren und die Aufgabe die Luftfeuchtigkeit in den zu klimatisierenden Räumen durch eine hygroskopische Lösung zu begrenzen wird gemeinsam so gelöst, dass die

Flüssigkeiten, mit denen die aktiven Oberflächen im Mehrphasen- Plattenwärmetauscher benetzt werden Wasser oder andere Lösungsmittel sowie hygroskopische Salze, Kältemittel, Desinfektionsmittel oder Netzmittel enthalten können. Die bereits genannte Beschichtung der Wärmeübertragungsflächen mit Ti02 Nano-Kristallen hat in diesem Zusammenhang einen zusätzlichen positiven Effekt. Durch die bekannten photo-katalytischen Eigenschaften des ΤΊ02 werden bei Beleuchtung der Wärmetauscherflächen organische Materialien oder Mikroben, die normalerweise an der Oberfläche anhaften würden, chemisch zersetzt und deren Reste von der Flüssigkeit weggespült. Zu diesem Zweck muss man entweder die Mehrphasenwärmetauscher aus transparentem Kunststoff machen oder man muss für eine Beleuchtung sorgen, die in die Wärmetauscherplattenspalten hinein leuchtet.

Zusammenfassend wird die Aufgabe, Räume durch reine Verdampfungskühlung zu klimatisieren und dabei die Luftfeuchtigkeit in den zu klimatisierenden Räumen durch eine hygroskopische Lösung zu begrenzen so gelöst, dass in einem

Mehrphasen-Plattenwärmetauscher das Primärmedium die heiße und feuchte Außenluft eines bewohnten Raumes ist und das Sekundärmedium die verbrauchte aber relativ trockene und kühle Luft des bewohnten Raumes ist, die im Gegenstrom zum Primärmedium fließt, und dass die inneren Oberflächen der Plattenspalten für das Primärmedium mit hygroskopischer Lösung benetzt werden, wobei diese

Flüssigkeit und die Luft in gegensätzlicher Richtung fließen während die inneren Oberflächen der Plattenspalten für das Sekundärmedium mit Wasser benetzt werden, das in beliebiger Richtung fließen kann. Dadurch erhält man Frischluft mit annähernder Raumtemperatur aber wesentlich geringerer relativer Feuchte als die Raumfeuchte. Soll der Raum gekühlt werden, so schließt man an die so erreichte Trocknung der Frischluft eine iso-enthalpische Befeuchtung derselben mit

Kühleffekt an, wodurch eine Temperatur erreicht werden kann, die deutlich unter dem Taupunkt der Raumluft liegt.

Die Aufgabe, einen Raum durch hygroskopische Lufttrocknung zu beheizen wird so gelöst, dass in einem Mehrphasen-Plattenwärmetauscher das Primärmedium die kalte Außenluft eines bewohnten Raumes ist und das Sekundärmedium die verbrauchte aber relativ feuchte und warme Luft des bewohnten Raumes ist, die im Gegenstrom zum Primärmedium fließt, und dass in diesem Fall die inneren Oberflächen der Plattenspalten für das Sekundärmedium mit hygroskopischer Lösung benetzt werden, wobei diese Flüssigkeit und die Luft in gegensätzlicher Richtung fließen während die inneren Oberflächen der Plattenspalten für das Primärmedium mit Wasser benetzt werden, das in beliebiger Richtung fließen kann. Dadurch erhält man Frischluft mit annähernder Raumtemperatur aber wesentlich größerer relativer Feuchte als die Raumfeuchte. Unterwirft man nun diese feuchte Frischluft einer iso-enthalpischen Trocknung bis zur gewünschten Raumfeuchte, erreicht man eine Temperatur deutlich über der herrschenden Raumtemperatur. Anzumerken ist, dass bei Außentemperaturen unter Null Grad für die

Wasserdampfsättigung der Außenluft im Mehrphasenwärmetauscher für die

Befeuchtung der aktiven Flächen ein geeigneter Frostschutz vor zu sehen ist. Hier kann im Tieftemperaturbereich statt reinen Wassers ein Frostschutzmittel mit niedrigem Eigendampfdruck zugegeben werden.

Die Nebenbedingung der Aufgabe Klimatisierung von Räumen durch

Verdampfungskühlung, beziehungsweise eine Beheizung durch hygroskopische Lufttrocknung zu erreichen war die, diese Aufgabe für unterschiedliche

Klimaverhältnisse der äußeren Umgebung zu lösen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass man mehrere der genannten Mehrphasenwärmetauscher zu einem System kombiniert. So kann es für die Kühlung in einem Raum mit trockener Luft sinnvoll sein die Abluft zuerst in einem Mehrphasenwärmetauscher für isoenthalpische Verdunstung zu befeuchten, bevor man den zuvor beschriebenen Kühlvorgang ausführt. Das gleiche gilt für die Beheizung eines relativ trockenen Raumes. Auch hier kann es sinnvoll sein die Abluft zuerst in einem

Mehrphasenwärmetauscher für isoenthalpische Verdunstung zu befeuchten.

Umgekehrt ist es vorteilhaft, in einem feuchten tropischen Klima die Frischluft vor dem Eintritt in dem zuvor beschriebenen Kühlprozess in einem

Mehrphasenwärmetauscher für isoenthalpische Trocknung vor zu trocknen.

Die Möglichkeit, ohne sichtbare Energiezufuhr einen Raum heizen oder kühlen zu können ist keineswegs ein Perpetuum Mobile. Eine hygroskopische Salzlösung ist nämlich ein hocheffizienter Energieträger. So kann zum Beispiel eine konzentrierte LiCl-Lösung die 10 bis 15-fache Wassermenge ihres Eigenvolumens aus feuchter Luft aufsaugen. Die resultierende Kondensationswärme die von einem Liter

konzentrierter LiCl-Lösung frei gesetzt werden kann ist also etwa so groß ist wie die Wärmemenge die beim Verbrennen von einem Liter Heizöl entsteht. Dem zu Folge kann eine konzentrierte hygroskopische Lösung auch als Wärmespeicher dienen, der ohne Wärmedämmung eine potentielle Energie beliebig lange speichern kann.

Die Aufgabe einer Regenerierung der hygroskopischen Lösung durch ein

gleichartiges Gerät, nachdem diese Lösung Wasser aufgenommen hat und dadurch verdünnt und unwirksam geworden ist, wird durch einen Mehrphasen- Plattenwärmetauscher gelöst, wo das Primärmedium heiße und feuchte Außenluft ist und wo die inneren Oberflächen der Plattenspalten für das Primärmedium mit vorgewärmter, verdünnter und wenig hygroskopischer Lösung im Gegenstrom zum Primärmedium benetzt werden, und wo das Sekundärmedium welches im

Gegenstrom zum Primärmedium fließt die gleiche Luft ist, die nach dem

Primärdurchgang durch den Wärmetauscher zusätzlich erwärmt und mit Dampf nahezu gesättigt worden ist, wodurch sich auf den inneren Oberflächen der

Plattenspalten für das Sekundärmedium bei dessen Abkühlung Kondenswasser bildet, das im Gleichstrom mit dem Sekundärmedium abgekühlt den

Wärmetauscher verlässt.

Da nicht auszuschließen ist, dass sich bei dem beschriebenen Trocknungsprozess zur Regeneration der hygroskopischen Lösung Salzkristalle bilden welche, wenn sie aus dem Wärmetauscher durch die Strömung abtransportiert werden,

möglicherweise zu Verstopfungen des Systems führen könnten, ist es als

zusätzliche Aufgabe wünschenswert, dass solche Kristalle am Ort ihrer Entstehung verbleiben, wo sie dann in der nächsten Kühlphase, vorausgesetzt, dass diese im gleichen Gerät stattfindet, wieder durch Kondenswasser aufgelöst werden. Dies kann erreicht werden, wenn der Mehrphasen-Plattenwärmetauscher so steht, dass seine Platten horizontal liegen und es Rillen oder Wellen quer zur Flussrichtung gibt, in denen sich diese Kristalle durch Schwerkraft ablagern. Aufzählung der Abbildungen und die Bedeutung der Nummern

Fig.1 a bis 1 d zeigen vier verschiedene Möglichkeiten der Nutzung eines

Mehrphasen- Plattenwärmetauschers, nämlich:

Fig 1 a zeigt eine schematische Darstellung eines einstufigen Kühlgerätes mit Mehrphasen- Plattenwärmetauscher und hygroskopischer Lufttrocknung

Fig.1 b zeigt die Lösungsregeneration mit dem gleichen Gerät

Fig. 1c zeigt die isoenthalpische Luftbefeuchtung und Kühlung mittels eines Mehrphasen-Plattenwärmetauschers

Fig. 1d zeigt die isoenthalpische Lufttrocknung und Erwärmung mittels eines Mehrphasen- Plattenwärmetauschers

Fig 2a und 2b zeigen Schnitte quer durch die Platten mit der Führung von Primär- und Sekundärmedium sowie der die Platten benetzenden Flüssigkeitsschichten

Dabei zeigt Fig 2a einen Wärmetauscher mit vertikalen Platten und eine

Flüssigkeitszuleitung durch Kapillaren und Fig 2b zeigt eine Flüssigkeitszuführung durch Verteilerkanäle quer durch horizontale Platten.

Fig. 3 zeigt das Schema einer dreistufigen Anordnung eines Kühlgerätes mit einem Mehrphasen- Plattenwärmetauscher und zwei isoenthalpischen Luftbefeuchtern

Fig. 4 zeigt das Schema einer dreistufigen Anordnung eines Heizgerätes mit einem Mehrphasen- Plattenwärmetauscher einem isoenthalpischen Luftbefeuchter und einem isoenthalpischen Lufttrockner

Fig.5 zeigt ein Schema, in dem die Dampfzuführung zur Lösungsregeneration von Fig. 1 b durch einen Luftbefeuchter in Form eines Mehrphasen- Plattenwärmetauschers erreicht wird.

Die Nummern in den Abbildungen bedeuten: A...Umgebung B...klimatisierter Raum

I ... gasförmiges Primärmedium

1 a... Plattenspalten für das Primärmedium

2...gasförmiges Sekundärmedium

2a...Plattenspalt für das Sekundärmedium

3...Flüssigkeit zur Benetzung der Innenwände der

Primärmediumswärmetauscherspalten

4...Flüssigkeit zur Benetzung der Innenwände der

Sekundärmediumswärmetauscherspalten

5...Kapillare zur Zuführung von Primärmediumsflüssigkeit

6...Rohr zur Wegführung von Primärmediumsflüssigkeit

7...Kapillare zur Zuführung von Sekundärmediumsflüssigkeit

8...Rohr zur Wegführung von Sekundärmediumsflüssigkeit

9...Verbindungskanal zur Zuführung von Flüssigkeit zum Primärmedium

9a...sehr kleine Öffnung im Verbindungskanal (9) oder am Ende einer Kapillare (5) mit Drosselwirkung

10...Verbindungskanal zur Zuführung von Flüssigkeit zum Sekundärmedium

10a...sehr kleine Öffnung im Verbindungskanal (10) oder am Ende einer Kapillare (7) mit Drosselwirkung

I I ... Lösungspumpe für die Primärseite 12... Lösungspumpe für die Sekundärseite 13...Wärmetauscherplatten

13a...aktive Fläche des Wärmetauschers, ( = Trennwand zwischen Primärmedium und Sekundärmedium )

14... Mehrphasen-Plattenwärmetauscher

14a...Primärseite des Mehrphasen-Plattenwärmetauschers 14b...Sekundärseite des Mehrphasen-Plattenwärmetauschers

14c... Luftbefeuchter, in Form eines Mehrphasen-Plattenwärmetauschers

14d...Lufttrockner, in Form eines Mehrphasen-Plattenwärmetauschers

1 5... Frischluft in der Umgebung eines zu kühlenden Raumes

1 5a...erwärmte mit Dampf gesättigte Frischluft

16... Abluft aus einem klimatisierten Raum

17a...konzentrierte hygroskopische Lösung

17b...verdünnte hygroskopische Lösung

17c...erwärmte verdünnte hygroskopische Lösung

18...Wasser

19...kondensierendes Wasser 20...heißer Dampf

Beschreibung der Abbildungen

Fig.1 a zeigt wie der erfindungsgemäße Mehrphasen-Plattenwärmetauscher für ein Lüftungssystem mit Kühlfunktion im warmen feuchten Klima verwendet wird. Der Mehrphasen-Plattenwärmetauscher -14-, der in der Realität üblicherweise aus vielen durch Platten gebildeten Kammern besteht, ist konzeptuell durch zwei aneinander anliegende Kammern -14a, 14b- dargestellt, die durch eine aktive Fläche -13a- voneinander getrennt sind, wobei die obere der beiden Kammern - 14a- die Wärmetauscherplattenspalten der Primärseite und die untere -14b- die Wärmetauscherplattenspalten der Sekundärseite symbolisiert. Dick gezeichnete Linien stellen den Wärmetauscher dar, dünne durchgezogene Linien stellen die Luftströme dar, gestrichelte Linien die benetzenden Flüssigkeiten. Auf der

Primärseite -14a- kommt heiße feuchte Frischluft -15- im Wärmetauscher mit hygroskopischer Lösung -17a, 17b- in Kontakt. Dabei kondensiert Wasserdampf in der Lösung -17a- und die dabei entstehende Wärme wird durch die aktive Fläche - 13a- hindurch an die Sekundärseite -14b- des Wärmetauschers abgegeben. Die auf Raumlufttemperatur gekühlte und entfeuchtete Frischluft -1 5- wird in den zu kühlenden Raum geleitet. Die durch Wasserkondensation verdünnte hygroskopische Lösung -17b- verlässt den Wärmetauscher -14- und wird danach der Regenerierung zugeführt, die in Fig. 1 b beschrieben wird. Auf der Sekundärseite -14b- wird kühle trockene Abluft -16- aus dem zu kühlenden Raum mit Wasser -18- in Kontakt gebracht, wobei gleichzeitig von der Primärseite -14a- her Wärme aus der

Kondensation sowie Wärme aus der Abkühlung der Frischluft -15- für die

Verdampfung eines Teils des Wassers -18- zur Verfügung stehen. Diese Wärme wird dadurch der Primärseite -14a- entzogen, weshalb in der Summe ein Kühleffekt bei der Frischluft auftritt. Das restliche Wasser -18- wird dabei nur leicht erwärmt und läuft zurück in einen Vorratstank.

Fig. 1 b zeigt als weiteres Anwendungsbeispiel des Mehrphasen- Plattenwärmetauschers -14- die Regeneration der durch den Kühlprozess in Fig. 1 a verdünnten und damit unbrauchbaren hygroskopischen Lösung -17b-. Es entspricht dies einer energetisch besonders günstigen Form der Entsalzung von Wasser, für die es ebenfalls eine große Zahl von Anwendungen gibt. Auf der Primärseite -14a- wird dabei Frischluft -15- mit erwärmter verdünnter hygroskopischen Lösung -17c- in Kontakt gebracht - wobei die Beheizung nicht dargestellt ist - deren Temperatur so hoch sein muss, dass ihr Dampfdruck über dem Dampfdruck der Frischluft -15- liegt. Dann nimmt die Frischluft -15- zusätzlichen Wasserdampf bis zu ihrer

Sättigung auf. Da diese Frischluft -15- aber gleichzeitig gegen die erwärmte Lösung -17c- anströmt wird sie selbst wärmer und kann zusätzlichen Wasserdampf aufnehmen und wird schließlich zu einer heißen, fast mit Dampf gesättigten Luft - 1 5c-. Durch diesen Prozess kühlt sich die Lösung -17b- ab, während gleichzeitig ihre Konzentration steigt wodurch sie als konzentrierte kühle Lösung -17a- den

Wärmetauscher -14- verlässt und erneut für einen Kühlvorgang verwendet werden kann. Die Sekundärseite -14b- dient der Energierückgewinnung der

Kondensationswärme welche entsteht, weil die heiße, mit Dampf gesättigten Luft - 15c- auf die Sekundärseite des Wärmetauschers -14b- geleitet wird, wo ihr von der Primärseite -14a- her Wärme entzogen wird, wodurch sie abkühlt und der dabei entstehende überschüssige Dampf -19- and der aktiven Fläche -13a- zwischen Primärseite -14a- und der Sekundärseite -14b- kondensiert und damit die

Kondensationswärme für die Lösungswasserverdampfung auf der Primärseite -14a- zur Verfügung stellt. In der Regel wird aber der Dampfgehalt der befeuchteten Frischluft -15- nach dem Verlassen der Primärseite -14a- nicht ausreichen um den beschriebenen Energierückführungsprozess dauerhaft aufrecht zu erhalten. Es muss der Luft -15-daher eine kleine Menge heißer Dampf -20- an der Stelle zugeführt werden, wo sie von der Primärseite -14a- zur Sekundärseite -14b- wechselt.

Fig. 1c zeigt die isoenthalpische Befeuchtung und Kühlung von Frischluft -15- mittels eines Luftbefeuchters- 14c-, in Form eines Mehrphasen- Plattenwärmetauschers -14-. Die zuströmende Frischluft -15- wird zuerst in 2 Ströme geteilt, die parallel zueinander in die Primärseite -14a- und Sekundärseite - 14b- eines Luftbefeuchters- 14c-, in Form eines Mehrphasen-Plattenwärmetauschers -14- geleitet werden, wo sie mit Wasser -18-, das die aktiven Flächen -13a- benetzt und sich in beliebiger Richtung bewegen darf, in Kontakt gebracht wird. Dabei verdampft Wasser -18-, sättigt dadurch allmählich die Frischluft -15- mit

Feuchtigkeit und kühlt sie dabei ab.

Fig. 1d zeigt die isoenthalpische Trocknung und Erwärmung von Frischluft -15- mittels eines Lufttrockners -14d-, in Form eines Mehrphasen- Plattenwärmetauschers -14-. Die zuströmende Frischluft -15- wird zuerst in 2 Ströme geteilt, die parallel zueinander in die Primärseite -14a- und Sekundärseite - 14b- eines Lufttrockners -14d-, in Form eines Mehrphasen-Plattenwärmetauschers - 14- geleitet werden, wo sie mit hygroskopischer Lösung -17a, 17b- welche die aktiven Flächen -13a- benetzt und sich vorteilhafterweise im Gegenstrom zur Frischluft -15- bewegen soll, in Kontakt gebracht wird. Dabei kondensiert

Wasserdampf aus der feuchten Frischluft -15- in der hygroskopischer Lösung -17a, 17b- und trocknet dadurch allmählich die Frischluft -15- und erwärmt sie dabei.

Fig. 2a zeigt einen schematischen Schnitt quer durch die Platten eines Mehrphasen- Plattenwärmetauschers mit Flüssigkeitszuleitung durch die Pumpen -11 , 12- und die als Drosseln wirkenden Kapillaren -5,7- in einem Fall, wo der Flüssigkeitsweg hauptsächlich durch Schwerkraft bestimmt wird, einer Situation also, wo sich vertikal gestellte Platten empfehlen, da so in jedem Wärmetauscherplattenspalt - 1 a, 1 b- beide angrenzenden Oberflächen problemlos mit Flüssigkeiten -3,4- benetzt werden können , wobei die Führung von Primär- -1 - und Sekundärmedium -2- sowie der die Platten -13- benetzenden Flüssigkeitsschichten -3,4- eingezeichnet ist. Außerdem erkennt man ein den Kapillaren -5,7- ähnlich gestaltetes Rohrsystem -6,8- zur Ableitung der Restflüssigkeit. Diese Restflüssigkeit, sei es Wasser -18- oder verdünnte hygroskopische Lösung -17b- kann entweder durch Schwerkraft zu einem Speichertank oder durch eine Pumpe zu weiteren Systemaufgaben bewegt werden. Anzumerken ist, dass diese Flüssigkeitszuleitung und Ableitung nicht nur für senkrecht stehende Wärmetauscherplatten, sondern auch für Platten mit beliebiger Neigung funktioniert, wenn die Plattenoberflächen so gestaltet oder beschichtet sind, dass ihre Benetzung mit Flüssigkeit immer garantiert ist. Das gelingt insbesondere dann gut, wenn die Plattenoberflächen aus feinporigem oder feinfaserigem Material bestehen.

Fig. 2b zeigt einen schematischen Schnitt quer durch die Platten eines horizontalen Mehrphasen- Plattenwärmetauschers mit Flüssigkeitszuleitung durch die Pumpen - 1 1 , 12- und Verbindungskanälen -9, 10- quer durch die Wärmetauscherplatten -13- wobei an den Durchbrüchen durch die Spalten des jeweils korrespondierenden Mediums -1 ,2- jeweils kleine Öffnungen -9a, 10a- mit Drosselfunktion eine tropfenweise Versorgung der Flüssigkeitsschichten -3, 4- ermöglichen. Auch hier wurde ein Rohrsystem -6,8- zur Ableitung der Restflüssigkeit in der Zeichnung dargestellt. Freilich wäre auch eine Flüssigkeitsableitung analog zur hier gezeigten Flüssigkeitszuleitung durch die Verbindungskanäle -9, 10- quer durch die

Wärmetauscherplatten -13- zielführend. Diese Restflüssigkeit, sei es Wasser -18- oder verdünnte hygroskopische Lösung -17b- kann entweder durch Schwerkraft zu einem Speichertank oder durch eine Pumpe zu weiteren Systemaufgaben bewegt werden. Auch diese Art der Flüssigkeitszuleitung und Ableitung kann für Platten mit beliebiger Neigung funktionieren, wenn die Benetzung mit Flüssigkeit immer garantiert ist. Fig. 3 zeigt das Schema eines dreistufigen Kühlsystems zwischen der heißen äußeren Umgebungsluft -A- und der Luft in dem zu kühlenden Raum -B-, bestehend aus einem Mehrphasen-Plattenwärmetauscher -14- und zwei isoenthalpischen Luftbefeuchtern -14c- und -14c', welche eine Bauweise wie die in Fig. 1 c gezeigte haben. Die von der Umgebung -A- kommende Frischluft -15- wird in der Primärseite -14a- im Mehrphasen-Plattenwärmetauscher -14- durch die die aktive Fläche -13a- benetzende hygroskopischen Lösung -17a, 17b-, die sich in der Gegenrichtung zur Luft -1 5- bewegt, entfeuchtet. Die dabei entstehende Wärme wird durch die aktive Fläche -13a- des Mehrphasen-Plattenwärmetauscher -14- auf die Sekundärseite - 14b- geleitet, wo Abluft -16- aus dem zu kühlenden Raum -B- in Richtung zur äußeren Umgebung -A- strömt. Da die aktive Fläche -13a- auf der Sekundärseite - 14b- mit Wasser -18- benetzt wird, das im Überschuss angeboten wird, wird auf der Sekundärseite -14b- genau so viel Wasser -18- in die Abluft -16- verdampft, wie dem Wärmeangebot von der Primärseite -14a- her entspricht. Diese in den

Mehrphasen-Plattenwärmetauscher -14- einströmende Abluft -16- ist bereits kälter und feuchter als die Luft im klimatisierten Raum -B-, da sie bereits den

isoenthalpischen Luftbefeuchter -14c- passiert hat, wo sie durch die Aufnahme von Wasser -18- bis zum Taupunkt des klimatisierten Raums -B- abgekühlt hat und mit Feuchtigkeit gesättigt ist. Dessen ungeachtet kann diese gesättigte Abluft -16- im Mehrphasen-Plattenwärmetauscher -14- weiter Wasserdampf aufnehmen, da sie ja durch Aufnahme der aus dem Prozess der Frischluftentfeuchtung entstehenden Wärme selbst erwärmt wird. Andererseits erlaubt die Tatsache, dass Abluft -16- mit der Temperatur des Taupunkts des klimatisierten Raums -B- in den Mehrphasen- Plattenwärmetauscher -14- einströmt, dass auch die nun getrocknete Frischluft - 15- beim Verlassen des Mehrphasen-Plattenwärmetauscher -14- eine Temperatur in der Nähe dieses Taupunktes hat. Diese kalte trockene Frischluft -15- wird nun zum isoenthalpischen Luftbefeuchter -14c' - geleitet, wo sie durch erneute Befeuchtung mit Wasser -18- auf eine Temperatur gebracht wird, die deutlich unter dem

Taupunkt dieses klimatisierten Raums -B- liegt.

Fig. 4 zeigt das Schema eines dreistufigen Heizsystems zwischen der äußeren kalten Umgebungsluft -A- und der Luft in dem zu heizenden Raum -B-, bestehend aus einem Mehrphasen-Plattenwärmetauscher -14- einem isoenthalpischen

Luftbefeuchter -14c- und einem isoenthalpischen Lufttrockner -14d-, welche Bauweisen wie die in Fig. 1c und Fig. 1d gezeigten haben. Die von -A- kommende Frischluft -15- wird in der Primärseite -14a- im Mehrphasen-Plattenwärmetauscher -14- durch das die aktive Fläche -13a- benetzende Wasser -18-, das im Überschuss angeboten wird, befeuchtet. Die dafür benötigte Wärme wird durch die aktive Fläche -13a- des Mehrphasen-Plattenwärmetauscher -14- von der Sekundärseite - 14b- bezogen, wo Abluft -16- aus dem zu heizenden Raum -B- in Richtung zur äußeren Umgebung -A- strömt. Da die aktive Fläche -13a- auf der Sekundärseite - 14b- mit hygroskopischer Lösung -17a, 17b- die sich in der Gegenrichtung zur Abluft -16- bewegt, benetzt wird, wird auf der Primärseite -14a- genau so viel Wasser -18- in die Frischluft -15- verdampft, wie dem Wärmeangebot von der Sekundärseite - 14b- her entspricht. Diese in den Mehrphasen-Plattenwärmetauscher -14- einströmende Abluft -16- ist bereits etwas kälter und feuchter als die Luft im klimatisierten Raum -B-, da sie bereits den isoenthalpischen Luftbefeuchter -14c- passiert hat, wo sie durch die Aufnahme von Wasser -18- bis zu einem Optimalwert befeuchtet worden ist, der aus den Enthalpiedaten feuchter Luft für jeden

Einzelfall berechnet werden kann. In der Praxis empfiehlt sich hier eine

automatische Steuerung durch einen programmierbaren Chip in Kombination mit entsprechenden Temperatur und Feuchtesensoren sowie Strömungsmessern. Die Steuerung funktioniert in diesem Fall über die Menge des zugeführten Wassers -18- im Verhältnis zum Luftstrom -16-. Der Vorteil dieser Befeuchtung im

isoenthalpischen Luftbefeuchter -14c- liegt darin, dass danach genug Wasserdampf zur Verfügung steht, um durch seine anschließende Kondensation in

hygroskopischer Lösung -17a, 17b- im Mehrphasen-Plattenwärmetauscher -14- die komplette Befeuchtung der Frischluft -15- zu ermöglichen. Danach verlässt also die Frischluft -15- den Mehrphasen-Plattenwärmetauscher -14- mit Dampf gesättigt und mit einer Temperatur, die nicht weit unter der liegt, die im Raum -B- herrscht und wird zum isoenthalpischen Lufttrockner -14d- geleitet, wo sie durch die

hygroskopische Lösung -17a, 17b- unter gleichzeitiger Erwärmung getrocknet wird und danach zur Erwärmung des klimatisierten Raums -B- verwendet werden kann.

Fig.5 zeigt ein Schema, in dem die Dampfzuführung zur Lösungsregeneration von Fig. 1 b durch einen Luftbefeuchter -14c- der anolog zur Fig. 1c aufgebaut ist, erreicht wird, wobei allerdings auf die Isoenthalpie verzichtet wird, weil heißes Wasser zugeführt wird. Dampferzeuger gibt es nach dem Stand der Technik viele. Allerdings erweist sich ein Luftbefeuchter -1 c- nach Art des hier beschriebenen Mehrphasen-Plattenwärmetauschers -14- für die Aufgabe der Regenerierung von hygroskopischer Lösung als besonders effektiv, da er nur genau die Dampfmenge konsumiert, die für den Prozess abzüglich der wieder verwertbaren

Kondensationswärme gebraucht wird. Die Trocknung der die aktive Fläche -13a- benetzenden hygroskopischen Lösung -17c, 17a- wird auf der Primärseite -14a- des Mehrphasen-Plattenwärmetauschers -14- dadurch ermöglicht, dass auf dessen Sekundärseite -14b- kondensierender Wasserdampf -19- die nötige Prozesswärme liefert. Da die einzudampfende heiße hygroskopische Lösung -17c- einen

Dampfdruck hat, der unter dem Dampfdruck einer gesättigten Frischluft -15- der gleichen Temperatur liegt, kann diese Frischluft -15- im Mehrphasen- Plattenwärmetauscher -14- nicht bis zu einer Feuchtigkeit von 100% gebracht werden, die zur Kondensation bei dieser Temperatur nötig wäre. Daher leitet man diese aus Primärseite -14a- des Mehrphasen-Plattenwärmetauschers -14- kommende heiße und sehr feuchte Frischluft -15- zu einem Luftbefeuchter -14c-, wo sie mit heißem Wasser -18a- im Gegenstrom in Kontakt gebracht wird. Dabei wird die Frischluft -15- weiter erwärmt und mit Dampf gesättigt. Sobald sie danach zurück in den Mehrphasen-Plattenwärmetauscher -14- auf dessen Sekundärseite - 14b- geleitet wird, kondensiert gerade so viel Wasserdampf, wie für die

Aufrechterhaltung des Trocknungsprozesses auf der Primärseite -14a- des

Mehrphasen-Plattenwärmetauschers -14- nötig ist. Für eine Optimierung des Gesamtprozesses ist es nötig, die Temperatur des heißen Wassers -18a- im

Luftbefeuchter -14c- so zu wählen, dass die Temperatur der den Mehrphasen- Plattenwärmetauscher -14- verlassenden Frischluft -15- möglichst nahe der Temperatur liegt, die sie vor dem ganzen Prozess hatte.