Kaltluft-Kältemaschinen-Wärmepumpen-System mit geschlossener und offener Luftaufbereitung

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine auf Wärmepumpenbetrieb umschaltbare Kaltluft-Kältemaschine als Luftaufbereitungsanlage zum Zweck einer ganzjährigen Klimatisierung von Räumen (24), insbesondere von Reisezugwageninnenräumen, die mit einem Kanalsystem (14) einer aktiven Isolierung des Raumes (24) so gekoppelt ist, daß die thermische Aufbereitung der Luft in dem Kanalsystem (14) mit aktiver Luftisolierung in einem geschlossenen Prozeß ohne stofflichen Kontakt mit der Umgebungsluft, der Außenluft (23) und die Aufbereitung der in den zu klimatisierenden Raum (24) direkt einzublasenden Zuluft (21) gleichzeitig nach einem offenen Prozeß so erfolgt, daß beide zum thermischen Lastabbau im Raum benötigten Luftmasseströme in keinen stofflichen Kontakt treten können.
Mit dieser erfinderischen Idee wird weitestgehend eine Schwitzwasserbildung im Kanalsystem (14) der aktiven Isolierung sowie eine Feuchtigkeitsabscheidung in der Luftentspannungsturbine (9) der Kaltluft-Kältemaschinen-Wärmepumpenanlage vermieden, wodurch sich ihr Wirkungsgrad erhöht und Betriebsstörungen durch Eis- oder Wasserbildung während der Luftaufbereitung ausgeschlossen werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine auf Wärmepumpenbetrieb umschaltbare Kaltluftkältemaschine, die mit einem ganzjährig zu klimatisierenden Raum, insbesondere mit Reisezugwagenräumen, so gekoppelt ist, daß gleichzeitig zwei Luftmasseströme verschiedener Quantität und Qualität so aufbereitet werden, daß der eine einen geschlossenen und der andere einen offenen Prozeß durchläuft.

[0002] Es ist bekannt, daß entsprechend dem Stand der Technik zum Klimatisieren von Räumen Luftaufbereitungsanlagen und Luftverteilersysteme notwendig sind.

[0003] In der Luftaufbereitungsanlage wird der zum thermischen und stofflichen Lastabbau notwendige Zuluftmassestrom thermisch und stofflich aufbereitet. Hierzu sind als Hauptbaugruppen Filter, Mischkammern, Heiz-, Kühl- und Befeuchtungseinrichtungen sowie Lüfter zum Transport der Luft erforderlich.

[0004] Den Stand der Technik der Heizeinrichtungen bestimmen mit verschiedenen Heizmedien (Dampf, Warmwasser, Abluft, Abgas) betriebene Rekuperatoren, die den als Kühlmedium fungierenden Zuluftmassestrom zum Zweck der Heizlastkompensation erwärmen. In Klimaanlagen, insbesondere von Reisezugwagen, dominiert die elektrische Widerstandsheizung. Ihren Energieaufwand versucht man durch verschiedene Energierückgewinnungsmaßnahmen wie durch Fortluftnutzung, durch Reduzierung des in dem Zuluftmassestrom enthaltenen Außenluftanteils und neuerdings auch mit dem Einsatz von Wärmepumpen zu reduzieren. In der deutschen Patentanmeldung P 43 03 219.2 "Luft-Wärmepumpe" werden hierzu verschiedene auf Wärmepumpenbetrieb umschaltbare Kaltluft-Kältemaschinen-Schaltungen vorgestellt. Die Vorteile dieser Lösung bestehen u.a. darin, daß eine Maschine für die Kühlung und Erwärmung des Zuluftmassestromes genutzt wird, daß der im Vergleich zu herkömmlichen Kaltdampf-Kältemaschinen höhere Energieaufwand einer Kaltluft Kältemaschine durch den im Vergleich zur elektrischen Widerstandsheizung niedrigeren Energieaufwand im Wärmepumpenbetrieb kompensiert wird und schließlich Luft als Kältemittel bzw. Energieträger weder ein Ozongefährdungs- noch ein den Treibhauseffekt förderndes Potential besitzt. Technische Schwierigkeiten sind jedoch bei dieser erfinderischen Idee durch die Wasserausscheidung während der Expansion feuchter Luft in der Luftentspannungsturbine bei der energetischen und maschinentechnisch günstigeren offenen Kaltluft-Kältemaschinen-Wärmepumpen-Anlage zu erwarten, die zu erheblichen Betriebsstörungen der Klimaanlage führen dürfte.

[0005] Über ein nach dem Stand der Technik sehr verschiedenartig ausführbares Luftverteilersystem gelangt die thermisch und stofflich aufbereitete Zuluft direkt in den Wirkungsbereich des zu klimatisierenden Raumes, den sie als Abluft wieder verläßt. Zusammen mit Außenluft wird der Umluftanteil der Abluft der Luftaufbereitungsanlage zum Zweck der Zuluftaufbereitung wieder zugeführt, so daß sich in einer in der deutschen Patentanmeldung P 43 03 219.2 beschriebenen Kaltluft-Kältemaschinen-Wärmepumpen-Anlage erhebliche Wassermengen beim Entspannen der feuchten Luft in der Luftentspannungsturbine ausscheiden, die neben einer erheblichen Wirkungsgradverschlechterung der Ablage zu den bereits geschilderten Nachteilen führen. Mit steigenden thermischen und stofflichen Lasten fallen diese Nachteile immer mehr ins Gewicht, da mit den Lasten auch die Zuluftmasseströme anwachsen müssen, wenn Luft als einziger Energieträger zum Klimatisieren in Frage kommt. Überschreitet ein direkt in einen Raum eingeblasener Zuluftmassestrom einen bestimmten Grenzwert, so lassen sich die zulässigen örtlichen Höchstgeschwindigkeiten der Raumluft und damit auch nicht eine vom Menschen empfundene thermische Behaglichkeit realisieren. Dieser Nachteil kann weitgehend durch ein in der DD 252 802 B5 beschriebenes System einer aktiven und passiven Isolierung aufgehoben werden. In der aktiven Isolierung, die ein den zu klimatisierenden Raum umschließendes Luftkanalsystem darstellt, wird ein großer Abteil der thermischen Gesamtlast außerhalb des Raumes kompensiert. Die Restlast wird durch einen direkt in den Raum eingeblasenen aber stark reduzierten thermisch und stofflich aufbereiteten Zuluftmassestrom abgebaut, womit ein Überschreiten zulässiger Raumluftgeschwindigkeiten vermieden wird. Um Schwitzwasserbildung in dem Kanalsystem der aktiven Isolierung gänzlich auszuschließen, darf in ihm nur trockene Luft zirkulieren. Dazu muß verhindert werden, daß sie - einmal in der Luftaufbereitungsanlage getrocknet - mit der Umgebung in stoffliche Kontakte treten kann. Die Luftaufbereitungsanlage und das Kanalsystem der aktiven Isolierung müssen deshalb für die zwischen ihnen zirkulierende Luft ein geschlossenes System bilden.

[0006] Das in der DD 263 961 A1 beschriebene Verfahren Zuluftaufbereitungsanlage für Eisenbahnfahrzeuge mit aktiver und passiver Isolierung erfüllt diese Forderung nicht, da die in den Raum eingeblasene Zuluft und die Luft der aktiven Isolierung im Abluftbereich gemischt werden. Das bedeutet, daß die Luft in der Luftaufbereitungsanlage ständig getrocknet werden muß, und somit ein Einsatz nach der deutschen Patentanmeldung P 43 03 219.2 beschriebenen Kaltluft-Kältemaschinenanlage aufgrund der mit der Wasserausscheidung verbundenen Nachteile mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden wäre.

[0007] Ziel der Erfindung ist es, die auf Wärmepumpen-Betrieb umschaltbare Kaltluft-Kältemaschine mit einer als geschlossenes Kanalsystem ausgeführten aktiven Isolierung zu koppeln.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, eine auf Wärmepumpenbetrieb umschaltbare Kaltluft-Kältemaschine als Luftaufbereitungsanlage zum Zweck der ganzjährigen Klimatisierung von Räumen, insbesondere von Reisezugwagenräumen, mit einer aktiven Isolierung so zu koppeln, daß ihre Luftaufbereitung in einem geschlossenen Prozeß ohne stofflichen Kontakt mit der Umgebungsluft und die Aufbereitung der in den zu klimatisierenden Raum direkt einzublasenden Zuluft gleichzeitig nach einem offenen Prozeß erfolgen kann, ohne daß beide Luftmasseströme in stofflichen Kontrakt treten können.

[0009] Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel entsprechend Fig.1 näher erläutert werden.

[0010] In der auf Wärmepumpenbetrieb umschaltbaren zweistufigen Kaltluft-Kältemaschine - bestehend aus dem von der Luftentspannungsturbine 9 direkt angetriebenen Vorverdichter 1, den Dreiwegeventilen 2, 4, 11 und 16, dem Zwischen-Wärmeübertrager 3, dem motorgetriebenen Hauptverdichter 5, den Vierwegeventilen 6 und 8, dem Feuchtigkeitsabscheider 10, dem Lüfter 17 zum Luftmassestromausgleich, dem Wärmeübertrager 12 für Zuluftabkühlung oder -erwärmung, dem Ablüfter 19 und Zuluftlüfter 18 sowie aus dem regenerativen Wärmeübertrager 20 Fortluft-Zuluft - wird Luft 14 für die aktive Isolierung im Kühlbetrieb gekühlt und im Heizbetrieb erwärmt, wobei sie ohne stofflichen Kontakt mit der Umgebung einen geschlossenen Prozeß durchläuft und Zuluft 21 in einem offenen Prozeß gekühlt oder erwärmt.

[0011] Im Kühlbetrieb wird die Luft in dem Kanalsystem 14 einer aktiven Isolierung mit Umgebungsdruck am Austritt 15 aus der aktiven Isolierung des Mantelsystems vom Vorverdichter 1 abgesaugt. Mit den Dreiwegeventilen 11 und 16 und dem Lüfter 17 wird der in der Kaltluft-Kältemaschine gekühlte Luftmassestrom für die aktive Isolierung nach energetischen Gesichtspunkten optimal eingestellt. Dieser optimale Luftmassestrom gelangt vom Vierwegeventil 8 in den Vorverdichter 1, wo er auf einen Zwischendruck verdichtet und dabei erwärmt wird. Bei Stellung des Dreiwegeventils 2 von Vorverdichter 1 nach Zwischen-Wärmeübertrager 3 gelangt die Luft in den Zwischen-Wärmeübertrager 3, wo sie mit Umgebungsluft, mit Außenluft 23 gekühlt wird. Über das von Zwischen-Wärmeübertrager 3 nach Hauptverdichter 5 gestellte Ventil 4 gelangt die Luft in den motorgetriebenen Hauptverdichter 5, der sie auf den maximalen Prozeßdruck verdichtet. Die bei diesem Druck erwärmte Luft gelangt bei der Stellung Hauptverdichter 5 nach Haupt-Wärmeübertrager 7 des Vierwegeventils 6 zum Haupt-Wärmeübertrager 7, in dem die unter maximalen Prozeßdruck stehende Luft mit Außenluft 23 wieder zurückgekühlt wird. Über das von Haupt-Wärmeübertrager 7 nach Luftentspannungsturbine 9 eingestellte Vierwegeventil 8 gelangt die Luft in die Luftentspannungsturbine 9, in der sie auf nahezu Umgebungsdruck entspannt und dabei unterhalb der Temperaturen der Außenluft 23 abgekühlt wird. Die Leistung der Luftentspannungsturbine 9 wird zum Antrieb des Vorverdichters 1 genutzt, mit dem sie auf einer Welle angeordnet ist. In der Anfahrphase kann in dem Feuchtigkeitsabscheider 10 aus der Luft ausscheidendes flüssiges Kondensat gesammelt werden. Über das von Feuchtigkeitsabscheider 10 nach Dreiwegeventil 11 geschaltete Vierwegeventil 6 gelangt die gekühlte und getrocknete Luft über das Dreiwegeventil 11, den Wärmeübertrager 12 und den Eintritt 13 mit Umgebungsdruck in das Kanalsystem 14 der aktiven Isolierung des zu klimatisierenden Raumes 24. In dem Wärmeübertrager 12 läßt sich die Luft für die aktive Isolierung auf den gewünschten Wert nachwärmen, wobei gleichzeitig die in den Raum 24 einzublasende Zuluft 21 nachgekühlt wird. Vor Eintritt in den Wärmeübertrager 12 wird die Zuluft 21 über den regenerativen Wärmeübertrager 20 für die Fortluft-Zuluft mit Hilfe des Zuluftlüfters 18 aus der Umgebung angesaugt. Im Wärmeübertrager 20 wird sie mit der Abluft 22, die mit dem Abluftlüfter 19 aus dem Raum 24 abgesaugt wird, vorgekühlt. Die thermische Aufbereitung der Zuluft 21 erfolgt so gegenüber der Außenluft 23 in einem offenen Prozeß.

[0012] Im Heizbetrieb arbeitet die Kältemaschine als Wärmepumpe. An dem Austritt 15 wird die Luft aus der aktiven Isolierung beim Umgebungsdruck abgesaugt. Mit dem Ventil 16, dem Lüfter zum Luftmassestromausgleich 17 und dem Dreiwegeventil 11 läßt sich der in der Wärmepumpe zu erwärmende Luftmassestrom für die aktive Isolierung nach energetischen Gesichtspunkten optimal einstellen. Bei Stellung Dreiwegeventil 16 nach Luftentspannungsturbine 9 des Vierwegeventils 8 gelangt der optimal eingestellte Luftmassestrom in die Luftentspannungsturbine 9. In ihr wird die Luft unterhalb Umgebungsdruck entspannt und dabei unter die Umgebungstemperatur abgekühlt. In der Anfahrphase wird in dem Feuchtigkeitsabscheider 10 aus der Luft ausscheidendes flüssiges (oder festes) Kondensat gesammelt. Über das von Feuchtigkeitsabscheider 10 nach Haupt-Wärmeübertrager 7 gestellte Vierwegeventil 6 gelangt die in der Luftentspannungsturbine 9 abgekühlte Luft in den Haupt-Wärmeübertrager 7, in dem sie Umgebungsluft, der Außenluft 23 Wärme entzieht und sich dabei erwärmt. Über das von Haupt-Wärmeübertrager 7 nach Vorverdichter 1 gestellte Vierwegeventil 8 wird die Luft vom Vorverdichter 1 angesaugt und auf einen noch unterhalb des Umgebungsdruckes liegenden Zwischendruck vorverdichtet und erwärmt. Durch die von Vorverdichter 1 nach Hauptverdichter 5 eingestellten Dreiwegeventile 2 und 4 gelangt die vorgewärmte Luft direkt in den motorgetriebenen Hauptverdichter 5. Dieser verdichtet die Luft bei gleichzeitiger weiterer Erwärmung wieder auf Umgebungsdruck und fördert sie über das von Hauptverdichter 5 nach Dreiwegeventil 11 gestellte Vierwegeventil 6, durch das Dreiwegeventil 11, den Wärmeübertrager 12 und durch den Einlaßkanal, den Eintritt 13 in das Kanalsystem 14 der aktiven Isolierung. Im Wärmeübertrager 12 wird die Luft auf eine aus energetischer Sicht optimale Temperatur zurückgekühlt und dabei die Zuluft 21 nachgewärmt. Vorgewärmt wird diese mit dem Zuluftlüfter 18 aus der Umgebung angesaugte Außenluft 23 im regenerativen Wärmeübertrager 20, in dem die mit dem Abluftlüfter 19 aus dem Raum 24 abgesaugte Abluft 22 abgekühlt wird, so daß die thermische Aufbereitung der Zuluft 21 auch im Heizbetrieb in einem offenen Prozeß erfolgt.

Aufstellung der Bezugszeichen

[0013] 

1

Vorverdichter

2

Dreiwegeventil

3

Zwischen-Wärmeübertrager

4

Dreiwegeventil

5

Hauptverdichter

6

Vierwegeventil

7

Haupt-Wärmeübertrager

8

Vierwegeventil

9

Luftentspannungsturbine

10

Feuchtigkeitsabscheider

11

Dreiwegeventil

12

Wärmeübertrager

13

Einritt

14

Kanalsystem

15

Austritt

16

Dreiwegeventil

17

Lüfter

18

Zuluftlüfter

19

Abluftlüfter

20

Wärmeübertrager

21

Zuluft

22

Abluft

23

Außenluft

24

Raum

Ansprüche

1. Kaltluft-Kältemaschinen-Wärmepumpen-System mit geschlossener und offener Luftaufbereitung, gekennzeichnet dadurch, daß das Kanalsystem (14) einer aktiven Isolierung, die einen zu klimatisierenden Raum (24) vollständig oder teilweise einhüllt, mit einer auf Wärmepumpenbetrieb umschaltbaren zweistufigen Kaltluft-Kältemaschine - bestehend aus einem von einer Luftentspannungsturbine (9) direkt angetriebenen Vorverdichter (1), einem Zwischen-Wärmeübertrager (3), einem motorgetriebenen Haupt-verdichter (5), einem Feuchtigkeitsabscheider (10), einem Haupt-Wärmeübertrager (7), einem Wärmeübertrager (12) für Zuluftabkühlung oder -erwärmung sowie einem Abluft- und Zuluftlüfter (19 und 18) - so gekoppelt ist, daß die Luft der aktiven Isolierung ohne stofflichen Kontakt mit der Umgebungsluft, der Außenluft (23) in einem geschlossenen Prozeß, gleichzeitig aber die in den zu klimatisierenden Raum (24) einzublasende Zuluft (21) mit dem Wärmeübertrager (12) für Zuluftabkühlung oder - erwärmung und dem Abluft- und Zuluftlüfter (19 und 18) in einem offenen Prozeß aufbereitet werden kann, wobei mit zwei Vierwegeventilen (6 und 8) ein Umschalten vom Kühlen zum Heizen beider Luftströme der aktiven Isolierung und der Zuluft (21) möglich ist.

2. Kaltluft-Kältemaschinen-Wärmepumpen-System mit geschlossener und offener Luftaufbereitung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß mit einem regenerativen Wärmeübertrager (20) für die Fortluft-Zuluft der Luftmassestrom der in den Raum (24) einzublasenden Zuluft (21) durch die Abluft (22) aus dem Raum (24) vorgekühlt bzw. vorgewärmt wird.

3. Kaltluft-Kältemaschinen-Wärmepumpen-System mit geschlossener und offener Luftaufbereitung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß mit einem Lüfter (17) zum Luftmassestromausgleich und mit zwei Dreiwegeventilen (11 und 16) der in der Kaltluft-Kältemaschine oder Wärmepumpe für das Kanalsystem (14) der aktiven Isolierung im Sommer oder Winter aufzubereitende Luftmassestrom nach energetischen Gesichtspunkten optimal eingestellt werden kann.

4. Kaltluft-Kältemaschinen-Wärmepumpen-System mit geschlossener und offener Luftaufbereitung nach Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß im Wärmepumpenbetrieb der Anlage mit zwei Dreiwegeventilen (2 und 4) der Luftmassestrom für die aktive Isolierung um den Zwischen-Wärmeübertrager (3) vorbeigeführt und somit nicht zwischengekühlt wird.

5. Kaltluft-Kältemaschinen-Wärmepumpen-System mit geschlossener und offener Luftaufbereitung nach Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß im Wärmepumpenprozeß die Erwärmung der Zuluft (21) zusätzlich mit einer nach dem Wärmeübertrager (12) für Zuluftabkühlung oder -erwärmung angeordneten elektrischen Zusatzheizung zuluftseitig vorgesehen wird.

6. Kaltluft-Kältemaschinen-Wärmepumpen-System mit geschlossener und offener Luftaufbereitung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Aufheizung der Zuluft (21) nach Vorwärmung in dem regenerativen Wärmeübertrager (20) für die Fortluft-Zuluft nur mit einer elektrischen Heizung erfolgt, wozu der Massestrom der Zuluft (21) mit Hilfe zweier zusätzlicher Dreiwegeventile an dem Wärmeübertrager (12) für Zuluftabkühlung oder -erwärmung vorbeigeführt wird und somit die Luft für die aktive Isolierung nicht nachgekühlt wird.

7. Kaltluft-Kältemaschinen-Wärmepumpen-System mit geschlossener und offener Luftaufbereitung nach Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Anlage über den Lüfter (17) zum Luftmassestromausgleich und den Dreiwegeventilen (11 und 16), über die Masseströme der Außenluft (23) der Zwischen-Wärmeübertrager (3), Haupt-Wärmeübertrager (7) und Wärmeübertrager (20), mit den Dreiwegeventilen (2 und 4), mit einem dem Wärmeübertrager (12) nachgeschaltetem Heizaggregat sowie mit einem drehzahlverstellbaren motorgetriebenen Hauptverdichter (5) lastabhängig geregelt werden kann.

Zeichnung