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1. (WO2019048642) HEAT EXCHANGER DEVICE
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Wärmetauschvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschvorrichtung sowie ein Verfahren zum Austausch von Wärmeenergie zwischen einem ersten Gasmassenstrom und einem zweiten Gasmassen-ström.

Wärmetauscher sind grundsätzlich bekannt und werden beispielsweise bei Lüftungsanlagen eingesetzt. Dabei wird die Temperatur eines ersten Gasmassenstroms, welcher auch Primärstrom genannt wird, mittels eines zweiten Gasmassenstroms, welcher auch Sekundärstrom genannt wird, verändert, insbesondere erniedrigt und/oder erhöht.

Bisher treten dabei jedoch Energieverluste auf, die durch andere Maßnahmen ausgeglichen werden müssen.

Bekannt ist zudem der so genannte Brayton-Kreisprozess, welcher auch Joule-Kreisprozess genannt wird. Der ideale Brayton-Kreisprozess umfasst vier Stufen: Eine isentrope Kompression eines Gases, welches sich erhitzt, einen isobaren Austausch der Wärmeenergie, eine isentrope Entspannung des Gases sowie eine isobare Wärmeabgabe an die umgebende Atmosphäre.

Unter realen Bedingungen sind die vier Stufen wie folgt: Ein adiabatischer Prozess für die Kompression, ein isobarer Prozess für den Wärmeaustausch, ein adiabatischer Prozess für die Entspannung und ein isobarer Prozess für die Wärmeabgabe.

Dieser Prozess wurde ursprünglich für Kolbenmotoren benutzt, erlangte seinen Durchbruch aber erst mit der Entwicklung der Turbostrahltriebwerke. Auch bei druckbelüfteten Kabinen für Flugzeuge kommt dieser Prozess zum Einsatz, wobei zur Klimatisierung der Kabinen unter Ausnutzung des Kabinendrucks eine Turbine verwendet wird und so genannte Zapfluft zum Einsatz kommt. Dort treten jedoch im Wärmetauscher hohe Druckunterschiede zwischen den Gasmassenströmen auf, was aufgrund der dadurch bedingten robusten Bauweise die Effizienz verschlechtert.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Wärmetauschvorrichtung sowie ein Verfahren zum Austausch von Wärmeenergie zwischen einem ersten Gasmassenstrom und einem zwei-ten Gasmassenstrom zu schaffen, welche/s eine hohe Effizienz aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den Gegenstand sowie das Verfahren der unabhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß wird Wärmeenergie zwischen einem ersten Gasmassenstrom und einem zweiten Gasmassenstrom ausgetauscht. Insbesondere wird die Wärmeenergie vom zweiten Gasmassenstrom auf den ersten Gasmassenstrom übertragen. Jedoch ist auch ein Wärmeaustausch in umgekehrter Richtung denkbar.

Bei beiden Gasmassenströmen handelt es sich vorzugsweise um dasselbe Gas, vorzugsweise Luft.

Vor der Druckveränderungsvorrichtung kann der Druck des ersten und/oder zweiten Gasmassenstroms dem Umgebungsdruck entsprechen. Die Gasmassenströme können zu Beginn ins-besondere denselben Druck aufweisen. Insbesondere sind die Gasmassenströme somit nicht bereits vorher komprimiert oder dekomprimiert, wie es beispielsweise bei Triebwerksluft der Fall ist.

Die Wärmetauschvorrichtung umfasst einen hocheffizienten Wärmetauscher mit einer Min-desteffizienz von 75 %. Ältere Wärmetauscher besitzen eine deutlich geringere Effizienz, sodass erfindungsgemäß auf moderne Wärmetauscher, vorzugsweise Luft-Luft-Wärmetauscher, zurückgegriffen wird.

Insbesondere kann die Mindesteffizienz des Wärmetauschers 80 %, 85 %, 90 % oder 95 % betragen. Je höher die Mindesteffizienz des Wärmetauschers, desto höher ist auch die Gesamteffizienz der Wärmetauschvorrichtung.

In Flussrichtung des zweiten Gasmassenstroms ist vor dem Wärmetauscher eine Druckveränderungsvorrichtung angeordnet, die dazu ausgebildet ist, den Druck des zweiten Gasmassen-stroms zu verändern, insbesondere zu erniedrigen oder zu erhöhen.

Zum Erniedrigen des Drucks kann die Druckveränderungsvorrichtung als Entspanner ausgebildet sein oder einen Entspanner umfassen. Das Gas kann darin beispielsweise auf ein größeres Volumen ausgedehnt werden.

Bei dem Entspanner kann es sich z.B. um einen Filter, ein Ventil, eine Drossel, ein Divergenzrohr, eine Venturi-Absaugung im Einlass, ein z.B. tangential arbeitendes Turbinenrad, eine Radialturbine und/oder eine Axialturbine handeln.

Zum Erhöhen des Drucks kann die Druckveränderungsvorrichtung als Kompressor ausgebildet sein oder einen Kompressor umfassen. Das Gas kann darin beispielsweise auf ein kleineres Volumen komprimiert werden.

Bei dem Kompressor kann es sich beispielsweise um einen (einfachen) Staustrahl-Einlass, eine (speziell entwickelte) Staustrahl-Hutze, ein Konvergenzrohr, einen Axialverdichter, einen Radialverdichter und/oder einen Zentrifugalverdichter handeln.

Der Druckunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Gasmassenstrom im Wärmetauscher beträgt maximal 0,5 bar. Es war überraschend, dass derartig niedrige Druckunter-schiede bei modernen, hocheffizienten Wärmetauschern möglich sind. Insbesondere von der Effizienz des Wärmetauschers ist abhängig, ob geringe Differenzdrücke zwischen Primär- und Sekundärstrom zur Überwindung von Effizienzverlusten ausreichend sind. Erfindungsgemäß werden daher hocheffiziente Komponenten verwendet. Der Wärmetauscher kann vorzugsweise Lamellen umfassen. Die Lamellen sind vergleichsweise dünn.

Insbesondere beträgt der Druckunterschied maximal 0,45 bar, 0,4 bar, 0,35 bar, 0,33 bar, 0,3 bar, 0,25 bar, 0,2 bar, 0,15 bar oder 0,1 bar. Vorzugsweise beträgt der Druckunterschied mindestens 0,01 bar, 0,02 bar, 0,03 bar 0,04 bar, 0,05 bar, 0,06 bar, 0,07 bar, 0,08 bar, 0,09 bar oder 0,1 bar.

Dadurch, dass der Druck zumindest eines Gasmassenstroms vor dem Eintritt in den Wärmetauscher variiert wird, wird die Effizienz der Wärmetauschvorrichtung gegenüber herkömmlichen Wärmetauschern ohne eine Druckveränderungsvorrichtung deutlich erhöht.

Erfindungsgemäß wird der ideale Brayton-Prozess dazu verwendet wird, einem Gasmassenstrom Energie zu entziehen und an einen anderen Gasmassenstrom zu überführen, vorzugsweise ohne den Aufwand zusätzlicher Energie, also zumindest im Wesentlichen ohne Energieverlust.

Dem idealen Brayton-Kreislauf wird dabei möglichst nahe gekommen. Dazu werden hocheffiziente Komponenten eingesetzt, nämlich ein Wärmetauscher und wenigstens eine Druckveränderungsvorrichtung. Vorzugsweise werden zwei Druckveränderungsvorrichtungen verwendet, insbesondere ein Kompressor und ein Entspannen

Vorzugsweise wird die Energie ausschließlich durch den Wärmetauscher übertragen. Energie wird von einem heißen, komprimierten bzw. einem kalten, entspannten Gas des Sekundärstroms auf den Primärstrom mit Hilfe eines hocheffizienten Wärmetauschers übertragen.

Durch die Verwendung des hocheffizienten Wärmetauschers ist für das Verfahren ein geringer Differenzdruck ausreichend, um den Energiegehalt des Sekundärstroms über das Niveau der Ausgangsumgebung zu heben bzw. beim Kühlen unter das Niveau der Umgebung am Ausgang des Wärmetauschers zu senken. Je höher die Effizienz des Wärmetauschers, desto geringere Differenzdrücke sind notwendig.

Insbesondere durch eine geringfügige Manipulation des Druckes im Sekundärstrom wird die Temperatur derart eingestellt, dass durch den Wärmeaustausch innerhalb eines hocheffizienten Wärmetauschers die Temperatur über das am Ausgang des Primärstroms - und damit Eingang des Sekundärstroms - herrschende Niveau zum Heizen gehoben bzw. zum Kühlen gesenkt werden kann.

Die Erfindung ermöglicht die Übergabe von thermischer Energie von einem Gasmassenstrom auf einen anderen Gasmassenstrom über das ursprüngliche Vermögen eines Wärmetauschers hinaus.

Die Wärmetauschvorrichtung kann insbesondere zur Temperierung, insbesondere Kühlung und/oder Erwärmung, von Batteriefächern eingesetzt werden. Auch bei Automobilen, insbesondere bei Elektroautos, kann die Wärmetauschvorrichtung eingesetzt werden.

Insbesondere kann durch eine Kombination eines hocheffizienten Wärmetauschers mit einem Niedrigdruckverdichter eine Anhebung des Temperaturniveaus über den Effizienzverlust des Wärmetauschers hinaus erfolgen.

Weiterbildungen der Erfindung sind auch den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung so-wie den beigefügten Zeichnungen zu entnehmen.

Gemäß einer Ausführungsform ist nach dem Wärmetauscher eine weitere Druckveränderungsvorrichtung angeordnet, die dazu ausgebildet ist, den Druck des zweiten Gasmassenstroms auf Umgebungsdruck zu verändern, vorzugsweise zu erhöhen oder zu erniedrigen.

Insbesondere erfolgt die Druckveränderung nach dem Wärmetauscher entgegengesetzt zur Druckveränderung vor dem Wärmetauscher. So wird ein zuvor komprimierter Gasmassenstrom beispielsweise nach dem Wärmetauscher durch die weitere Druckveränderungsvorrichtung entspannt. Wird der Gasmassenstrom vor dem Wärmetauscher hingegen entspannt, wird er durch die weitere Druckveränderungsvorrichtung nach dem Wärmetauscher rückverdichtet.

Die Druckveränderung ist somit insbesondere temporär. Effizienzverluste im Wärmetauscher können dadurch aufgefangen werden und die Zuluft kann hinter dem Wärmetauscher über das Niveau der dort herrschenden Atmosphäre hinaus gehoben werden.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist die eine Druckveränderungsvorrichtung als Kompressor, insbesondere Verdichter, und die andere Druckveränderungsvorrichtung als EntSpanner, insbesondere Turbine, ausgebildet. So kann ein Gasmassenstrom vor dem Eintritt in den Wärmetauscher komprimiert bzw. entspannt werden. Nach dem Wärmetauscher kann der Gasmassenstrom entsprechend wieder entspannt bzw. rückverdichtet werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine in Flussrichtung des ersten Gasmassenstroms vor und/oder nach dem Wärmetauscher angeordnete Druckveränderungsvorrichtung vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, den Druck des ersten Gasmassenstroms zu verändern. Auf diese Weise kann auch der Druck des ersten Gasmassenstroms verändert werden.

Vorzugsweise sind eine Druckveränderungsvorrichtung vor dem Wärmetauscher und eine weitere Druckveränderungsvorrichtung nach dem Wärmetauscher für den ersten Gasmassenstrom vorgesehen. Eine nach dem Wärmetauscher angeordnete Druckveränderungsvorrichtung kann den Druck des ersten Gasmassenstroms insbesondere auf Umgebungsdruck ver-ändern.

Insbesondere kann der erste Gasmassenstrom vor dem Eintritt in den Wärmetauscher komprimiert bzw. entspannt werden. Nach dem Wärmetauscher kann der erste Gasmassenstrom entsprechend wieder entspannt bzw. rückverdichtet werden.

Insbesondere kann zur Manipulation der physikalischen Zustände von zwei abhängigen oder unabhängigen Gasmassenströmen eine geringfügige Kompression oder Dekompression eines oder beider Gasmassenströme aus der Umgebungsatmosphäre heraus erfolgen, bevor diese in einen hocheffizienten Wärmetauscher einströmen. Anschließend kann ein Gasmassenstrom bzw. können beide Gasmassenströme nach Verlassen des Wärmetauschers zurück auf Umgebungsdruck entspannt oder verdichtet werden, während im Wärmetauscher die Wärme des wärmeren Stroms an die Wärme des kälteren Stroms mit sehr hoher Effizienz übertragen wird. Dies hat den Zweck, die physikalischen Zustände eines oder beider Ströme zu steuern.

Die Temperaturen der Gasmassenströme können beispielsweise beeinflusst werden, indem der Primärstrom beheizt wird, entweder durch Kompression des Sekundärstroms oder durch Dekompression des Primärstroms. Auch ist es denkbar, dass der Primärstrom gekühlt wird, entweder durch Dekompression des Sekundärstroms oder durch Kompression des Primärstroms.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist eine, insbesondere die weitere, Druckveränderungsvorrichtung mit der anderen Druckveränderungsvorrichtung des zweiten Gasmassenstroms gekoppelt und kann diese insbesondere antreiben. Beispielsweise ein Entspanner, insbesondere eine Turbine, kann dadurch noch besser ausgenutzt werden.

Alternativ oder zusätzlich kann eine, insbesondere die weitere, Druckveränderungsvorrichtung mit einer Antriebsvorrichtung des ersten Gasmassenstroms und/oder einer vor oder nach dem Wärmetauscher angeordneten Druckveränderungsvorrichtung des ersten Gasmassenstroms gekoppelt sein und diese insbesondere antreiben. Vorzugsweise kann dadurch ein zusätzli-eher Motor für den Primärstrom eingespart werden. Beispielsweise kann ein Propeller der Antriebsvorrichtung des Primärstroms durch die Turbine des Sekundärstroms angetrieben werden.

Vorstellbar ist beispielsweise eine feste Verbindung beider Vorrichtungen auf einer Welle, so-dass die Energieaufnahme der Turbine an den Propeller zurückgegeben werden kann. Insbesondere über einen Riemen könnte auch der Propeller für den anderen Strom mit angetrieben werden.

Alternativ kann die weitere Druckveränderungsvorrichtung auch frei laufen und beispielsweise einen Generator antreiben.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist eine Entfeuchtungsvorrichtung zum Entfeuchten des ersten und/oder zweiten Gasmassenstroms vorgesehen. Ein Gasmassenstrom kann auf diese Weise getrocknet werden. Die Wärmetauschvorrichtung kann somit auch als Entfeuchter eingesetzt werden.

Insbesondere kann beim Entspannen eines Gasstroms innerhalb des Wärmetauschers auskondensierte Flüssigkeit über zumindest ein Siphon und/oder wenigstens ein Ventil abgespült werden. Auch kann beim Entspannen nach Verlassen des Wärmetauschers auskondensierende Flüssigkeit offen ausfallen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Befeuchtungsvorrichtung zum Befeuchten des ersten und/oder zweiten Gasmassenstroms vorgesehen. Ein Gasmassenstrom kann auf diese Weise befeuchtet werden. Die Wärmetauschvorrichtung kann somit auch als Befeuchter eingesetzt werden.

Insbesondere kann beim Verdichten eines Gasstroms innerhalb des Wärmetauschers Flüssigkeit über Düsen eingespritzt werden. Auch kann beim Rückverdichten nach Verlassen des Wärmetauschers Flüssigkeit über Düsen eingespritzt werden.

Insbesondere können die Temperaturen der Gasmassenströme derart beeinflusst werden, dass der Anteil an festen Stoffen innerhalb der Gasströme beeinflusst wird, insbesondere im Sinne einer Sublimation und/oder Resublimation. Dazu resublimieren beim Entspannen eines Gasstroms innerhalb des Wärmetauschers Partikel oder beim Entspannen nach Verlassen des Wärmetauschers fallen resublimierende Partikel offen aus. Ferner ist es möglich, dass beim Verdichten eines Gasstroms innerhalb des Wärmetauschers Partikel sublimieren oder dass beim Rückverdichten nach Verlassen des Wärmetauschers Partikel sublimieren.

Insbesondere können die Temperaturen der Gasmassenströme derart beeinflusst werden, dass eine Vereisung der Gasmassenströme erfolgt oder verhindert wird. Dazu wird beim Küh-len der Primärstrom komprimiert und somit der Sekundärstrom in Richtung Fortluft beheizt. Ferner ist es möglich, dass beim Heizen der Sekundärstrom komprimiert wird und somit den Primärstrom in der Außenluftansaugung frühzeitig beheizt. Daneben kann zur Bildung von Eis im Primärstrom der Sekundärstrom evakuiert werden bzw. kann zur Bildung von Eis im Sekundärstrom der Primärstrom evakuiert werden.

Die Anwendungen können vorzugsweise in beliebiger Form und/oder Reihenfolge kombiniert werden. Somit kann der Zustand der Gasmassenströme insbesondere gleichzeitig für mehrere Anwendungen manipuliert werden.

Insbesondere können beide Ströme parallel und/oder simultan im Wärmetauscher beliebig komprimiert und/oder dekomprimiert werden, solange die Druckdifferenz in beiden Strömen im Wärmetauscher ausreichend niedrig ist. Die Druckdifferenz beträgt dabei einen Bruchteil des atmosphärischen Drucks. Der Zustand der Gasmassenströme kann dadurch gleichzeitig für mehrere Anwendungen manipuliert werden.

Vorzugsweise kann das Verfahren einer Platzierung folgen, z.B. zwischen zwei geschlossenen Räumen, ein gleiches Gas austauschend zwischen den Räumen oder ein gleiches oder zwei verschiedene Gase umwälzend oder in einer offenen Atmosphäre, so dass beide Seiten des Verfahrens offen sind und das gleiche Gas aufweisen. Auch ist eine Platzierung zwischen einer offenen Atmosphäre und einem geschlossenen Raum, entweder als Austausch von Gasmassen oder als Umwälzung des Gases im geschlossenen Raum möglich.

Insbesondere kann der Aufbau des Verfahrens in austauschenden und/oder umwälzenden Gasströmen komprimierend und/oder expandierend im Primärstrom und/oder Sekundärstrom oder beiden arbeiten. Das Verfahren bzw. die Bauteile der Wärmetauschvorrichtung können beliebig kombiniert werden in paralleler, serieller, schleifenförmiger oder jeder anderen denkbaren Anordnung.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Wärmetauscher als Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet. Der erste Gasmassenstrom wird dabei im Wärmetauscher parallel, aber in entgegengesetzter Richtung zum zweiten Gasmassenstrom geleitet. Die Strecke, auf der der Wärmetausch stattfindet, ist somit vergleichsweise lang. Auf diese Weise erhöht sich die Effizienz im Vergleich zu rechtwinklig orientierten Gasmassenströmen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Wärmetauscher als Gegenstrom-Kanal-Wärmetauscher ausgebildet. Der Wärmetauscher umfasst somit wenigstens zwei benachbarte Kanäle. In einem Kanal wird dabei der erste Gasmassenstrom geführt, während im anderen Kanal der zweite Gasmassenstrom geführt wird.

Vorzugsweise sind mehrere Kanäle vorgesehen, in denen abwechselnd Teile des ersten und Teile des zweiten Gasmassenstroms geführt werden. Die Kanäle können vorzugsweise lamellenartig ausgebildet sein.

Insbesondere können die Kanäle auch in verschiedenen Ebenen bzw. Schichten übereinander angeordnet sein. So kann sich eine Sandwich-Struktur aus mehreren Ebenen parallel zueinander angeordneter Kanäle ergeben.

Durch diese Querschnittsgeometrie ergibt sich eine hohe Effizienz des Wärmetauschers.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Austausch von Wärmeenergie zwischen einem ersten Gasmassenstrom und einem zweiten Gasmassenstrom, insbesondere mittels einer erfindungsgemäßen Wärmetauschvorrichtung.

Der Druck eines zweiten Gasmassenstroms wird verändert. Anschließend wird der zweite

Gasmassenstrom einem hocheffizienten Wärmetauscher mit einer Mindesteffizienz von 75 % zugeführt.

Im Wärmetauscher wird Wärmeenergie mit dem ersten Gasmassenstrom austauscht, wobei der Druckunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Gasmassenstrom maximal 0,5 bar beträgt.

Thermische Energie kann von einem Gasmassenstrom auf den anderen Gasmassenstrom übertragen werden und zwar insbesondere über das Energieniveau des ursprünglichen Gas-massenstroms hinaus. Dies wird dadurch realisiert, dass ein sekundärer Gasmassenstrom vor dem Eintritt in den Wärmetauscher komprimiert und damit erhitzt wird. Im Wärmetauscher kann er, zumindest nahezu, seine gesamte Temperaturdifferenz an den entgegenkommenden Primärstrom abgeben. Nach dem Austritt fällt die Temperatur bei der Entspannung auf den Umgebungsdruck unter das Niveau der Umgebungstemperatur ab.

Umgekehrt ermöglicht das Verfahren, thermische Energie einem Gasmassenstrom zu entziehen und zwar insbesondere unter das Niveau des eintretenden Energiezustands, indem der Sekundärstrom vor Eintritt in den Wärmetauscher dekomprimiert und damit unterkühlt wird. Im Durchfluss durch den Wärmetauscher nimmt der Sekundärstrom die sensible Enthalpie des entgegenkommenden Primärstroms auf und kühlt diesen unter das Niveau des Eintrittzu-

Stands ab. Nach dem Verlassen des Wärmetauschers wird der Sekundärstrom wieder auf Umgebungsdruck verdichtet. Die dadurch entstehende zusätzliche Hitze wird wie die dem Primärstrom entnommene Hitze an die Umgebung abgegeben.

Der Druck des Primärstroms kann insbesondere beim Umgebungsdruck verbleiben.

Beide Verfahren, also die Kompression und die Dekompression, können sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen verwendet werden, je nachdem, welcher Strom genutzt werden soll.

Zum Heizen wird die Temperatur des ersten Gasmassenstroms insbesondere über die Umgebungstemperatur am Ausgang gehoben. Zum Kühlen wird die Temperatur des ersten Gasmassenstroms vorzugsweise unter die Umgebungstemperatur am Ausgang gesenkt.

Gemäß einer Ausführungsform wird der Druck des zweiten Gasmassenstroms nach Verlassen des Wärmetauschers auf Umgebungsdruck verändert.

Zur Temperierung des gasförmigen Primärstroms kann der gasförmige Sekundärstrom insbesondere mittels Kompression erhitzt oder mittels Dekompression gekühlt werden. Anschließend wird in einem Hocheffizienz Luft-Luft-Wärmetauscher Wärme zwischen den beiden Strö-men ausgetauscht. Anschließend wird der Sekundärstrom auf Umgebungsdruck entspannt o-der rückverdichtet.

Dabei kann das Verfahren auch so angewendet werden, dass beide Ströme für den Verlauf im Wärmetauscher verdichtet oder entspannt werden, der Differenzdruck jedoch eine zusätzliche Wärmeübergabe ermöglicht und trotzdem noch klein genug ist, um mechanische Veränderungen im Wärmetauscher zu vermeiden.

Nach einer weiteren Ausführungsform wird die Wärmeenergie zwischen dem ersten Gasmassenstrom und dem zweiten Gasmassenstrom ausschließlich durch den Wärmetauscher aus-getauscht. Zusätzliche Energie wird dem System folglich nicht zugeführt, wodurch sich eine hohe Effizienz ergibt.

Ferner wird insbesondere ausschließlich der Brayton-Kreisprozess verwendet. Ein weiterer Kreislauf, insbesondere eine Verbundkreislaufsystem, wie er beispielsweise bei Wärmepum-pen Verwendung findet, ist nicht vorgesehen.

Ferner ist erfindungsgemäß auch kein Speicher für den ersten Gasmassenstrom und/oder den zweiten Gasmassenstrom vorgesehen.

Alle hier beschriebenen Ausführungsformen und Bauteile der Vorrichtung sind insbesondere dazu ausgebildet, z.B. mittels einer Steuerungsvorrichtung, nach dem hier beschriebenen Verfahren betrieben zu werden. Ferner können alle hier beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung sowie alle hier beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens jeweils miteinander kombiniert werden, insbesondere auch losgelöst von der konkreten Ausgestaltung, in deren Zusammenhang sie erwähnt werden.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform

erfindungsgemäßen Wärmetauschvorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren

Ausführungsform einer erfindungsgemäßen

Wärmetauschvorrichtung,

Fig. 3 einen Graphen zu Darstellung der Abhängigkeit des

Druckunterschieds von der Temperatur,

Fig. 4 eine schematische Darstellung verschiedener Abhängigkeiten,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren

Ausführungsform einer erfindungsgemäßen

Wärmetauschvorrichtung,

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer weiteren

Ausführungsform einer erfindungsgemäßen

Wärmetauschvorrichtung,

Fig. 7 eine schematische Darstellung verschiedener Abhängigkeiten,

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer weiteren

Ausführungsform einer erfindungsgemäßen

Wärmetauschvorrichtung,

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer weiteren

Ausführungsform einer erfindungsgemäßen

Wärmetauschvorrichtung, und

Fig. 10 schematische Darstellung einer weiteren

Ausführungsform einer erfindungsgemäßen

Wärmetauschvorrichtung.

Zunächst ist zu bemerken, dass die dargestellten Ausführungsformen rein beispielhafter Natur sind. Die Merkmale einer Ausführungsform können auch beliebig mit Merkmalen einer anderen Ausführungsform kombiniert werden.

Enthält eine Figur ein Bezugszeichen, welches im unmittelbar zugehörigen Beschreibungstext nicht erläutert wird, so wird auf die entsprechenden vorhergehenden bzw. nachfolgenden Ausführungen in der Figurenbeschreibung Bezug genommen. So werden für gleiche bzw. vergleichbare Bauteile in den Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet und diese nicht nochmals erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Wärmetauschvorrichtung zum Austausch von Wärmeenergie zwischen einem ersten Gasmassenstrom 10 und einem zweiten Gasmassenstrom 12.

Die Wärmetauschvorrichtung umfasst einen hocheffizienten Wärmetauscher 14 sowie eine Antriebsvorrichtung 16, die dazu ausgebildet ist, den ersten Gasmassenstrom 10 anzutreiben.

Bei der Antriebsvorrichtung 16 kann es sich um eine Vorrichtung handeln, welche in der Lage ist, einen Gasmassenstrom 10 zu transportieren.

Ferner umfasst die Wärmetauschvorrichtung eine erste Druckveränderungsvorrichtung 18, welche den zweiten Gasmassenstrom 12 antreibt und dessen Druck verändert.

Zur Verdichtung kann jedes Verfahren und/oder jede Vorrichtung genutzt werden,

welche in der Lage ist, einen Gasmassenstrom zu komprimieren bzw. in Überdruck zu versetzen, insbesondere auch unter Ausnutzung von unterschiedlichen statischen und dynamische Drücken.

Beispielsweise kann die Druckveränderungsvorrichtung 18 als Kompressor ausgebildet sein und den zweiten Gasmassenstrom 12 komprimieren. Insbesondere kann als Vorrichtung zur Verdichtung ein Verdichterrad genutzt werden.

Eine zweite Druckveränderungsvorrichtung 20 kann beispielsweise als Entspanner ausgebil-det sein und den zweiten Gasmassenstrom 12 wieder auf den Umgebungszustand entspannen.

Insbesondere kann zwischen der verdichtenden Vorrichtung und der entspannenden Vorrichtung ein Überdruck aufgebaut werden bzw. der Unterdruck kann zwischen der entspannenden Vorrichtung und der verdichtenden Vorrichtung aufgebaut werden, welcher weniger als die Hälfte, insbesondere ein Drittel, des atmosphärischen Drucks betragen kann.

Die Druckdifferenz zwischen dem Primärstrom 10 und dem Sekundärstrom 12 kann weniger als die Hälfte, insbesondere ein Drittel, des atmosphärischen Drucks betragen, unabhängig des totalen Drucks gegenüber der Atmosphäre in den beiden Strömungskanälen 10, 12.

Zur Entspannung kann jedes Verfahren und/oder jede Vorrichtung genutzt werden, welche/s in der Lage ist, einen Gasmassenstrom zu entspannen bzw. in Unterdruck oder Teilvakuum zu versetzen. Beispielsweise kann als Vorrichtung

zur Entspannung ein Turbinenrad genutzt werden.

Insbesondere kann die Vorrichtung zur Entspannung als ein Turbinenrad in Kombination mit einer Vorrichtung zur Verdichtung genutzt werden, z.B. als gekoppelte Verdichter-Turbinen-Kombination.

Beispielsweise kann die Vorrichtung zum Transport der Gasmassenströme 10, 12 mit einer Turbine und/oder dem Verdichter oder einer Verdichter-Turbinen-Kombination gekoppelt sein.

Ein Propeller kann zum Transport einer offenen Strömung oder ein Turbinenrad zum Entspan-nen der Strömung oder das Verdichterrad zur Verdichtung der Strömung vorgesehen sein.

Auch kann eine Kombination aus zwei oder drei Rotoren verstellbare Propellerblätter aufweisen, um unterschiedliche Drücke, insbesondere Unterdruck und/oder Überdruck, bei unterschiedlichen Volumenströmen erzeugen zu können.

Vorzugsweise kann der Propeller, das Turbinenrad und/oder das Verdichterrad verstellbare Propellerblätter aufweisen, um die Strömungsrichtung der beiden Massenströme 10, 12 umzukehren.

Insbesondere kann der Einstellwinkel des Verdichterrades mit dem Einstellwinkel des Turbi-nenrades gekoppelt sein.

Der Einstellwinkel des Propellers kann z.B. an den Einstellwinkel des Verdichterrades und/oder an den Einstellwinkel des Turbinenrades gekoppelt sein.

Dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik folgend geht die Wärmeenergie innerhalb des Wärmetauschers 14 gleichförmig von der warmen Seite auf die kalte Seite über. Die Effizienz des Wärmetauschers 14 wird beeinflusst von vielen Faktoren. Einer davon ist die Wärmekapazität der Gasmassenströme 10, 12. Diese sollten dem Sekundärstrom 12 und Primärstrom 10 so gut wie möglich angeglichen sein, d.h. bei gleichen Gasen sollten die Massenströme 10, 12 identisch sein.

Aber auch andere Faktoren spielen eine Rolle, wie etwa das Vermögen der Trennwände, Wärme zu übergeben. Die Trennwände zwischen den Gasmassenströmen 10, 12 im Wärmetauscher 14 sollen möglichst dünn sein. Dadurch werden ein hoher Wirkungsgrad und damit eine hohe Effizienz ermöglicht.

Der Wärmetauscher 14 kann vorzugsweise Lamellen umfassen.

Da die Trennwände vergleichsweise empfindlich sind, dürfen keine großen Druckdifferenzen zwischen den beiden Strömen 10, 12 auftreten. Große Druckunterschiede könnten insbesondere zu Undichtigkeiten und/oder Verformungen führen, letztendlich aber zu einem Ausgleich der Drücke.

Der Wirkungsgrad bzw. die Effizienz η des Wärmetauschers 14 wird definiert durch die Rela-tion zwischen der übertragenen Wärme zum Wärmeunterschied zwischen den beiden Seiten a und b des Wärmetauschers 14, ohne Manipulation des Drucks, d.h. auf beiden Seiten a und b herrscht atmosphärischer Außendruck.

Die nachfolgende Formel steht für die Effizienz n(ZuL) auf der Zuluft(ZuL)-Seite b des Primär-Stroms 10. Der Sekundärstrom 12 könnte unter gleichen Bedingungen eine andere Effizienz H(FOL) in der Fortluft (FoL) aufweisen:

H(ZUL) = (Tiob-Tioa) (Tb-Ta).

Es ist auch ein Zustand möglich, bei dem in beiden Strömen 10, 12 der gleiche Druck herrscht, d.h. es wird kurzfristig kein Druck manipuliert, wenn dies für die Anwendung des Verfahrens nötig wird, z.B. beim Umschalten von Überdruck auf Unterdruck.

Fig. 2 zeigt eine Wärmetauschvorrichtung unter normalen atmosphärischen Bedingungen. Eine zweite Druckveränderungsvorrichtung 20 ist dabei nicht vorgesehen.

Unter idealen Bedingungen wäre der Wirkungsgrad eines Wärmetauschers 100 %, d.h. beide Temperaturen auf der Außenseite a und Innenseite b werden in den Strömen 10, 12 vollständig übertragen. Erfindungsgemäß wird auch hier das Temperaturniveau des Primärstroms 10 beim Heizen über das Niveau am Ausgang gehoben bzw. beim Kühlen unter das entsprechende Niveau gesenkt.

Technologisch realisierbar sind bei Luft-Luft-Gegenstrom-Kanal-Wärmetauschern 14 Effizienzen von bis zu ca. 95 %. Zum Verlust im thermischen Übertrag addieren sich aerodynamische Reibungswiderstände, der sogenannte Druckverlust. Dieser kann verringert werden durch Vergrößerung des Wärmetauschers 14 oder Verminderung des Massenstroms. Technologisch realisierbar ist insbesondere eine Druckverlustleistung von etwa 1 % der Wärmeübertragungsleistung.

Weitere Verluste werden durch die Antriebsvorrichtung 16 sowie die Druckveränderungsvorrichtung 18 verursacht. Auch die Effizienz dieser Bauteile muss daher berücksichtigt werden.

Der Sekundärstrom 12 kann mit Hilfe der Druckveränderungsvorrichtung 18 auf der Abluftseite b verdichtet oder entspannt werden, um eine kurzfristig höhere oder niedrigere Temperatur als die Umgebung an der Abluftseite b anzunehmen, mit dem Ziel, die Temperatur im Primärstrom 10 entsprechend zu manipulieren.

Ein optionaler Entspanner 20, welcher als Drossel ausgebildet sein kann, kann dazu dienen, den Druck innerhalb des Wärmetauschers 14 aufrecht zu erhalten.

Die Temperatur in Abhängigkeit vom Druck wird beschrieben durch die Formel von Poisson. Sie definiert die Verhältnisse zwischen zwei Temperaturen und dazugehörigen Drücken eines Gases:


wobei der Isentropenexponent κ verschiedene Konstanten für bestimmte Gase annimmt. Für Luft beträgt κ ungefähr 1 ,4 und bei idealen Gasen steigt der Isentropenexponentexponent maximal auf 1 ,66. Je höher der Exponent, desto leichter kann durch Kompression die Temperatur gesteigert werden.

Die Internationale Standard Atmosphäre [ISA] wird durch folgende Werte definiert:

pisA=101325Pa, TISA=15°C=288 K, piSA=1 ,225kg/m3.

Gemäß der Formel


muss ein Druck von 102.562 Pa erzeugt werden, um die Umgebungstemperatur um 1 °C zu erhöhen, d.h. der Umgebungsdruck müsste um 1 .237 Pa für 1 °C erhöht werden.

Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringere Druckerhöhungen sind nötig. Da ein Ziel der Erfindung die Kühlung und Beheizung von menschlichen Umgebungen ist, wird die Umgebungstemperatur in den Behaglichkeitsbereich von 21 °C (294 K) versetzt. Um Luft ausgehend von 21 °C um 1 °C zu erwärmen, werden jetzt nur noch 1 .21 1 Pa benötigt.

Fig. 3 stellt die Änderung der Temperatur (in °C) bei Änderung des Drucks (in Pa) grafisch in einer Kurve dar.

Wird nun der Druck im Sekundärstrom 12 entsprechend der Formel verändert, so wird seine Temperatur mitverändert und versorgt die Wärmetauschvorrichtung mit entsprechend zusätzlicher Enthalpie.

Ist die absolute Differenz Δ der Temperatur höher als der thermische Effizienzverlust (1 - η) im Wärmetauscher 14,


dann kann die Zuluft im Primärstrom 10 zum Heizen über das Niveau auf der Abluftseite gehoben werden, oder entsprechend bei Unterdruckanwendung zum Kühlen unter den Zustand der Abluftseite b gebracht werden.

Als Gas kann Luft verwendet werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere geeignete Gase und/oder Gasgemische denkbar.

Mit der erfindungsgemäßen Wärmetauschvorrichtung kann beispielsweise ein Gebäude auf der Seite b mit Hilfe der Außenluft aus der Seite a beheizt werden.

Soll innen beispielsweise eine Temperatur von 20°C eingestellt werden, wobei außen eine Temperatur von 0°C angenommen wird und der Wärmetauscher 14 einen Wirkungsgrad von 90 % aufweist, so würde der Wärmetauscher 14 für sich bereits das Gebäude mit 18°C warmer Luft versorgen. Um die fehlende Lücke von 2 K zu schließen und zu verhindern, dass das Gebäude auskühlt, wird der Sekundärstrom 12 erfindungsgemäß mit 3.677 Pa beaufschlagt. Dies ist der Druck, der nötig ist, um den Sekundärstrom 12 zusätzlich um 3 K aufzuheizen. Bei 90% werden nun 20,7 K an den Primärstrom 10 übergeben, d.h. es wird geheizt. Wenn der Sekundärstrom 12 an der Außenseite a wieder auf Umgebungsdruck entspannt, verliert er wieder die 3 K, sodass die Fortluft unter 0°C fällt.

Es kann somit das Problem von Vereisung auftreten. Erfindungsgemäß kann das in der Luft enthaltenen Wasser manipuliert werden. Damit sind die physikalischen Zustände wie Vereisung und Enteisung, Befeuchtung und Entfeuchtung, Sublimation und Resublimation gemeint.

Ein weiteres Beispiel betrifft trockene Luft. Im Sommer sei die Außentemperatur z.B. 30°C und sie soll mit 20°C in der Zuluft eingebracht werden. Der Wärmetauscher 14 würde ohne das

Verfahren das Gebäude bereits mit 21 °C versorgen. Um die Lücke von 1 K zu überwinden, müsste das Verfahren im Sekundärstrom 12 einen Unterdruck von -1 .206 Pa aufbauen, um beide Ströme entsprechend abzukühlen. Bei anschließender Rückverdichtung wird auch die Fortluft auf etwa 30°C anwachsen.

Das Gebäude könnte aber auch gekühlt werden, indem anstelle einer Dekompression des Sekundärstroms 12 eine Kompression des Primärstroms 10 erfolgt. Zunächst würde dann die Außenluft, also der Primärstrom an der Seite a, um 1 K verdichtet, im Wärmetauscher 14 von der nicht manipulierten Abluft, also dem Sekundärstrom 12 an der Seite b, abgekühlt und bei der abschließenden Entspannung um ein weiteres Kelvin fallen.

Das Verfahren der hier vorliegenden Erfindung kann also in beide Richtungen sowohl mit Kompression als auch mit Dekompression kühlen oder heizen.

Da sich die relative Luftfeuchtigkeit mit der Temperatur ändert, die absolute Feuchtigkeit als konstanter Massenstrom innerhalb des Wärmetauschers 14 aber gleicht bleibt, ermöglicht das Verfahren der Kompression und Dekompression auch die Beeinflussung der Luftfeuchtigkeit über die Kondensationsgrenzen der Umgebung hinaus.

Bei einer Kompression kann insbesondere zusätzliche Feuchtigkeit durch Verdunstung aufgenommen werden. Bei einer Dekompression kann insbesondere zusätzliches Wasser bei einer Kondensatbildung abgeschieden werden. Hierfür können Zustände aus dem Mollier-Dia-gramm entsprechend angefahren werden.

Durch die Aufnahme von zusätzlichem Wasser in der Gasphase kühlt die Luft adiabatisch ab, da sie Energie an das Wasser abgibt. Durch die Bildung von Kondensat erwärmt sich umgekehrt die Luft adiabatisch, da sie Energie vom Wasser aufnimmt. Unter Ausnutzung dieser Effekte kann das Verfahren insbesondere zusätzlich für adiabatische Kühlung oder/oder Rücker-hitzung genutzt werden.

Heizen, Kühlen, Befeuchten, Entfeuchten, Sublimieren, Resublimieren, Vereisen und/oder Enteisen stellen verschiedene Anwendungen der Erfindung dar.

Als Platzierung wird im Folgenden die Art und Weise bezeichnet, wie das Verfahren gegenüber seiner Umgebung eingesetzt werden kann. Insbesondere ergeben sich drei Möglichkeiten einer Platzierung des Verfahrens:

Erstens ein Energietransfer zwischen zwei Strömen in einer vollkommen offenen Umgebung. Zweitens ein Energietransfer zwischen zwei Strömen, die beide aus einer geschlossenen Umgebung kommen und in die geschlossene Umgebung strömen. Drittens ein Energietransfer zwischen zwei Strömen, wobei eine Seite geschlossen ist und die andere Seite die offene Umgebung darstellt.

Verschiedene Abhängigkeiten zwischen Anwendungen ANW, Platzierungen PLA und Aufbauten AUF sind in Fig. 4 dargestellt.

Bei den Anwendungen ANW kann es sich z.B. um Heizen HE, Kühlen KÜ, Befeuchten BF, Entfeuchten EF, Vereisen VE, Enteisen EE, Resublimation RE und/oder Sublimation SU handeln.

Bei der Platzierung PLA gibt es z.B. die Varianten offen/offen o/o, geschlossen/geschlossen g/g und/oder geschlossen/offen g/o.

Beim Aufbau AUF kann Austauschluft AUS und/oder Umluft UML vorgesehen sein. Der Primärstrom 10 und/oder der Sekundärstrom 12 kann eine Kompression KO und/oder Expansion EX erfahren.

Aufgrund der Platzierung PLA ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren entweder in Umluft UML oder im Austausch AUS zu betreiben. Diese alternativen Möglichkeiten werden als Aufbau AUF des Verfahrens bezeichnet.

Bei Umluft UML werden die beiden Atmosphären durch die Wände des Wärmetauschers 14 voneinander getrennt, die Ströme 10, 12 speisen sich selbst. Bei Austausch AUS können sich beide Atmosphären durch den Wärmetauscher 14 hindurch austauschen, beide Ströme 10, 12 füttern die gegenüber liegende Atmosphäre.

Der Energietransfer zwischen zwei Strömen 10, 12 kann in verschiedenen Umgebungen stattfinden. Beispielsweise kann die Umgebung vollkommen offen sein.

Wenn das Verfahren in einer zu beiden Seiten offenen Umgebung angewendet wird, so befin-det sich auf beiden Seiten a, b die gleiche Atmosphäre und der gleiche Zustand. Wird ein Strom durch das Verfahren erhitzt und der andere abgekühlt, so werden beide Ströme 10, 12 kurz nach Verlassen des Verfahrens wieder den atmosphärischen Zustand annehmen.

Prinzipielle sind zwei Möglichkeiten für einen Aufbau des Verfahrens mit dieser beidseitig offe-nen Platzierung PLA denkbar:

Erstens führt die Expansion des Sekundärstroms 12 zu einem Temperaturanstieg in der Fortluft, also dem Sekundärstrom 12 auf Seite a, und einem Temperaturabfall in der Zuluft, also dem Primärstrom 10 auf Seite b.

Zweitens führt die Kompression des Sekundärstroms 12 zu einem Temperaturabfall in der Fortluft, also dem Sekundärstrom 12 auf Seite a und einem Temperaturanstieg in der Zuluft, also dem Primärstrom auf Seite b.

Beispielsweise kann ein Wärmetauscher 14 in einer offenen Umgebung dazu verwendet werden, einen offenen Primärstrom 10 zu heizen oder zu kühlen, ohne diesen einem Druck oder anderer Manipulation aussetzen zu müssen, z.B. um Gefahren oder Verschmutzungen zu vermeiden. Möglich sind Anwendungen ähnlich einer Heißluftpistole, einem Fön, einem Kühlgebläse, z.B. für Bremsen, einem Befeuchtungsgerät, z.B. bei der Zelluloseproduktion, einem Trocknungsgerät z.B. im Haushalt, einer Schneekanone, einem Eis produzierendem Gerät z.B. im Lebensmittelbereich, Trockeneis-Extrahierung in der pharmazeutischen Industrie und/oder einem Gerät zur Extrahierung von Partikeln in der Gasphase.

Fig. 5 zeigt eine Wärmetauschvorrichtung, bei der ein Energietransfer zwischen zwei Strömen 10, 12 stattfindet, die beide aus einer geschlossenen Umgebung kommen und in eine geschlossene Umgebung strömen.

Die Wärmetauschvorrichtung kann demnach in einer auf beiden Seiten geschlossenen Umgebung platziert werden. Insbesondere wird hierbei lediglich der Sekundärstrom 12 manipuliert.

Bei Umluft UML arbeiten beide Umgebungen getrennt für sich. Hierbei können insbesondere verschiedene Gase verwendet werden. Bei Austauschluft AUS bedient eine geschlossene Umgebung die andere. Damit ergeben sich vier Möglichkeiten für einen Aufbau:

Erstens führt bei Austauschluft AUS die Expansion EX des Sekundärstroms 12 zu einem Temperaturanstieg in der Fortluft, also dem Sekundärstrom 12 auf Seite a, und einem Temperaturabfall in der Zuluft, also dem Primärstrom 10 auf Seite b.

Zweitens führt bei Austauschluft AUS die Kompression KO des Sekundärstroms 12 zu einem Temperaturabfall in der Fortluft, also dem Sekundärstrom 12 auf Seite a, und einem Temperatur Anstieg in der Zuluft, also dem Primärstrom 10 auf Seite b.

Drittens führt bei Umluft UML die Expansion EX des Sekundärstroms 12 zu einem Tempera-turanstieg in der Umgebung der Fortluft, also dem Sekundärstrom 12 auf Seite a, und einem Temperaturabfall in der Umgebung der Zuluft, also dem Primärstrom 10 auf Seite b.

Viertens führt bei Umluft UML die Kompression KO des Sekundärstroms 12 zu einem Temperaturabfall in der Umgebung der Fortluft, also dem Sekundärstrom 12 auf Seite a, und einem Temperaturanstieg in der Umgebung der Zuluft, also dem Primärstrom 10 auf Seite b.

Die beiden letzten Fälle mit Aufbau AUF in Umluft UML erreichen lediglich die Temperaturdifferenz aufgrund des Druckunterschieds. Da die Ströme 10, 12 sich im Wärmetauscher 14 gegenseitig wieder auf ihr Niveau zurückbringen, macht das Verfahren mit Wärmetauscher 14 keinen Sinn. Einfacher wäre es, direkt den Druck innerhalb der geschlossenen Umgebung zu manipulieren.

Dies liegt daran, dass bei einer Platzierung PLA mit dem Aufbau AUF in Umluft UML die physikalischen Grenzen des Enthalpie-Tauschs mit dem Gegenstrom plus der Temperaturdiffe-renz erzeugt durch den Druckunterschied nicht überschritten werden kann. Wenn beispielsweise die Druckbeaufschlagung 10 K Temperatur erzeugt, dann werden auch beide Umgebungen nur um 10 K voneinander abweichen. Nachteilig kommt hinzu, dass ein reales System permanent Energie in das geschlossene System bringen wird, was zu einer Überhitzung führen würde.

Anders sieht die Situation des Aufbaus AUF in Austauschluft AUS aus. Da sich die Ströme 10, 12 im Wärmetauscher 14 an ihrem eigenen Gegenstrom aufheizen bzw. abkühlen, gehen die Temperaturen durch das Verfahren immer weiter auseinander. Die physikalische Grenze des Verfahrens liegt bei solchem Aufbau AUF an einem Punkt, bei dem die Temperaturdifferenz aus der Verlustleistung des Wärmetauschers 14 die Temperaturdifferenz aus der Druckmanipulation erreicht.


Oder es wird ein Zustand der Verflüssigung durch Kälte erreicht. Dies ist mit der erfindungsge-mäßen Wärmetauschvorrichtung ebenfalls möglich.

Angenommen in beiden geschlossenen Umgebungen herrscht ein Anfangszustand von 20°C, der Wirkungsgrad des Wärmetauschers beträgt 90 % und das Verfahren kann im Sekundärstrom 12 ein ΔΤ von 10 K (Δρ=12.629 Pa) aufbauen, dann gehen die Temperaturen solange auseinander, bis der Wärmetauscher 14 die 10 K nicht mehr überwinden kann. Dies wäre in diesem Fall aber ein Temperaturunterschied von 100 K. Bei einer Effizienz von 95 % läge der Abstand bei 200 K. Bei Einsatz eines idealen Gases - schließlich handelt es sich bei der Platzierung PLA um eine geschlossene Umgebung - mit κ=1 ,66, z.B. bei 20°C, einem Wärmetauscher 14 Wirkungsgrad von 90 % und einem Δρ von 10 % der Atmosphäre, läge die Grenze des Abstands bei 1 13 K, d.h. auf einer Seite würden -36°C herrschen und auf der anderen Seite 76°C.

Die Wärmetauschvorrichtung ermöglicht somit die Erzeugung extremer Temperaturen ohne großen Energieaufwand. Die einzige Energie, die das Verfahren benötigt, sind die Antriebe 16, 18 zum Transport der Strömungen 10, 12. Eventuell kann der Antrieb 16 für den Primärstrom 10 entfallen, da das System hier ohnehin über den Primärstrom 10 zu einem Druckausgleich kommt. Der Aufbau AUF ermöglicht daher die Produktion kalter Gase.

Ein Aufbau AUF mit austauschender Strömung ist in Fig. 6 gezeigt. Dieser kann genutzt wer-den, um in einem Gas gelöste Flüssigkeiten zu transportieren und anschließend durch Kondensation oder Resublimation RE zu extrahieren. Beispielsweise kann auf der warmen Seite

Wasser eingesprüht werden. Dieses kondensiert auf der kalten Seite und wird dort wieder entnommen. Auch zur Gewinnung von Wasser aus der Luft kann das Verfahren ohne großen Energieaufwand verwendet werden, z.B. mit Hilfe von Gewächshäusern.

Insbesondere kann gleichzeitig eine kalte und eine warme Umgebung erzeugt werden. So müssen beispielsweise Rechenzentren für eine bessere Rechnerleistung gekühlt werden, während umgebende Räumlichkeiten für Menschen und/oder Pflanzen besser geheizt werden sollen. In diesem Aufbau AUF kann ohne großen Energieaufwand dem Rechenzentrum Wärme entzogen und an einen habitablen Raum abgegeben werden.

Da Pflanzen für besseres Wachstum C02 benötigen, kann insbesondere auch ein Aufbau AUF zunächst in Umluft UML erfolgen und später, wenn Sauerstoff benötigt wird, auf eine Austauschluft AUS umschalten. Vorteil eines Aufbaus AUF in einer beidseitigen geschlossenen Platzierung PLA ist also auch, dass von der Umwelt getrennte Gase verwendet werden können.

Bei einem Aufbau AUF in Austauschluft AUS mit beidseitig geschlossener Platzierung PLA ist auch eine Anwendung als Energiespeicher denkbar. So ermöglicht das Verfahren, große Mengen an Wärmeenergie von einer Seite auf die andere zu pumpen.

Durch die Wärmetauschvorrichtung kann auch ein Energietransfer zwischen zwei Strömen 10, 12 stattfinden, wobei eine Seite geschlossen ist und die andere Seite die offene Umgebung darstellt.

Besonders vorteilhaft ist die Wärmetauschvorrichtung, welche derart platziert ist, dass eine Seite in eine offene Umgebung arbeitet und die andere Seite mit einer geschlossenen Umgebung arbeitet. Die offene Umgebung kann beispielsweise durch die erdnahe Atmosphäre gebildet sein.

Eine Platzierung PLA offen/geschlossen o/g ermöglicht einen Aufbau AUF des Verfahrens mit verschiedenen Möglichkeiten in Kombination von Strom, Druck und Kreislauf, die jeweils verschiedene Anwendungen möglich sind. Hier kann der Primärstrom 10 und/oder der Sekundärstrom 12 manipuliert werden, in Überdruck oder Unterdruck, bei Umluft UML oder Austauschluft AUS.

Bei einer Platzierung PLA zwischen offener und geschlossener Umgebung ergeben sich somit acht Möglichkeiten für einen Aufbau AUF:

Erstens führt bei Austauschluft AUS die Expansion EX des Sekundärstroms 12 zu einem Tem-peraturabfall in der Zuluft, also dem Primärstrom 10 auf Seite b, und einem Temperaturanstieg in der Fortluft, also dem Sekundärstrom 12 auf Seite a.

Zweitens führt bei Austauschluft AUS die Kompression KO des Sekundärstroms 12 zu einem Temperaturanstieg in der Zuluft, also dem Primärstrom 10 auf Seite b, und einem Temperatur-abfall in der Fortluft, also dem Sekundärstrom 12 auf Seite a.

Drittens führt bei Umluft UML die Expansion EX des Sekundärstroms 12 zu einem Temperaturabfall in der geschlossenen Umgebung der Zuluft, also dem Primärstrom 10 auf Seite b, und einem Temperaturanstieg in der offenen Umgebung der Fortluft, also dem Sekundärstrom 12 auf Seite a.

Viertens führt bei Umluft UML die Kompression KO des Sekundärstroms 12 zu einem Temperaturanstieg in der geschlossenen Umgebung der Zuluft, also dem Primärstrom 10 auf Seite b, und einem Temperaturabfall in der offenen Umgebung der Fortluft, also dem Sekundärstrom 12 auf Seite a.

Fünftens führt bei Austauschluft AUS die Expansion EX des Primärstroms 10 zu einem Temperaturanstieg in der Zuluft, also dem Primärstrom 10 auf Seite b, und einem Temperaturabfall in der Fortluft, also dem Sekundärstrom 12 auf Seite a.

Sechstens führt bei Austauschluft AUS die Kompression KO des Primärstroms 10 zu einem Temperaturabfall in der Zuluft, also dem Primärstrom 10 auf Seite b, und einem Temperaturanstieg in der Fortluft, also dem Sekundärstrom 12 auf Seite a.

Siebtens führt bei Umluft UML die Expansion EX des Primärstroms 10 zu einem Temperaturanstieg in der geschlossenen Umgebung der Zuluft, also dem Primärstrom 10 auf Seite b, und einem Temperaturabfall in der offenen Umgebung der Fortluft, also dem Sekundärstrom 12 auf Seite a.

Achtens führt bei Umluft UML die Kompression KO des Primärstroms 10 zu einem Temperaturabfall in der geschlossenen Umgebung der Zuluft, also dem Primärstrom 10 auf Seite b, und einem Temperaturanstieg in der offenen Umgebung der Fortluft, also dem Sekundärstrom 12 auf Seite a.

Nachfolgend werden Beispiele von allen acht Aufbaumöglichkeiten beschrieben. Dabei be-schränken sich die Erklärungen auf atmosphärische Luft als beispielhaftes Gasgemisch.

Die Reihenfolge entspricht dabei nicht der obigen Auflistung.

In Austauschluft AUS führt die Kompression KO des Sekundärstroms 12 zu einem Tempera-turanstieg in der Zuluft und einem Temperaturabfall in der Fortluft, wobei b geschlossene warme Räumlichkeiten darstellt und a die kalte Außenatmosphäre.

Dieser Aufbau ist z.B. typisch für eine Anwendung zur Beheizung von Räumlichkeiten. Die abströmende Abluft wird vor dem Wärmetauscher 14 komprimiert und übergibt die additive Wärme im Wärmetauscher 14 an die kältere Außenluft übergehend zur heizenden Zuluft. Hinter dem Wärmetauscher 14 entspannt die Fortluft und kühlt unter Außenluft ab.

Ein Vorteil dieses Aufbaus ist, dass die kalte, trockene Außenluft im wärmeren Bereich der Zuluft mit Feuchtigkeit angereichert werden kann.

In Austauschluft AUS führt die Expansion EX, also Dekompression des Primärstroms 10 zu einem Temperaturanstieg in der Zuluft und einem Temperaturabfall in der Fortluft, wobei b geschlossene warme Räumlichkeiten darstellt und a die kalte Außenatmosphäre.

Auch dieser Aufbau ermöglicht die Beheizung der Räumlichkeiten. Die Außenluft wird vor dem Wärmetauscher 14 entspannt, zum Beispiel mit Hilfe eines Filters, und dadurch nochmals abgekühlt, wärmt sich dann innerhalb des Wärmetauschers 14 an der entgegenkommenden Sekundärströmung 12 auf und erhitzt zusätzlich bei der Rekompression über das Raumniveau hinaus.

Ein Vorteil dieses Aufbaus ist, dass die Entspannung der Außenluft zusätzlich abgekühlt wird und auf diesem Wege Feuchtigkeit abgeschieden werden kann, sobald die Temperatur unter die Kondensationsgrenze fällt. Eine Abtrocknung ist in Gebäuden im Winter nicht wünschenswert. Bei Fahrzeugen kann eine trockene Warmluft zum schnellen Entfernen von Beschlag je-doch sehr positiv genutzt werden.

Auch bei diesem Aufbau liegt die Vorrichtung zur Verdichtung der Luft auf der Innenseite des geschlossenen Raums. Für den Anwendungsfall, dass der Aufbau hier nur mit Stauluft betrieben wird, kann ein Unterdruck im Primärstrom 10 z.B. mit Hilfe einer Venturi-Anordnung erzeugt werden.

In Austauschluft AUS führt die Expansion EX, also Dekompression des Sekundärstroms 12 zu einem Temperaturabfall in der Zuluft und einem Temperaturanstieg in der Fortluft, wobei b geschlossene kühle Räumlichkeiten darstellt und a die heiße Außenatmosphäre.

Ein solcher Aufbau ermöglicht die Kühlung von geschlossenen Räumen mit wärmerer Frischluft von außen. Die Raumluft respektive Abluft wird vor dem Eingang zum Wärmetauscher 14 entspannt und fällt damit in der Temperatur unter das Niveau der Raumluft. Der warme Gegenstrom kühlt entsprechend ab und erreicht als kalte Zuluft den Raum. Die Fortluft fällt hinter dem Verdichter auf atmosphärischen Außendruck zurück und erhitzt dabei.

Da weltweit mehr Energie für das Kühlen aufgebracht wird als für das Heizen, stellt dieser Aufbau eine sehr nützliche Anwendung dar.

Der Verdichter ist dabei vorzugsweise auf der Außenseite des Aufbaus angeordnet.

Allerdings kann Feuchtigkeit auftreten. Feuchte, warme Außenluft beinhaltet eventuell mehr gasförmiges Wasser als die kalte Raumluft tragen kann. Wenn die relative Luftfeuchte während der Abkühlung im Wärmetauscher 14 die Kondensationsgrenze von 100 % Luftfeuchte erreicht, wird die übertragene Enthalpie fortan für die Bildung des Kondensats verschwendet. Die sensible Temperatur sinkt hingegen kaum noch. Wenn das Wasser kondensiert, gibt es seine Energie aus der Gasphase an die umgebende Luft ab und erwärmt die Luft zurück.

Durch die erfindungsgemäße Wärmetauschvorrichtung können optimale Aufbauten für die verschiedenen Einsatzzwecke gefunden werden.

Fig. 7 zeigt ein Phasendiagramm. Verschiedene Anwendungen sind abhängig von den Phasen fest fe, flüssig fl und gasförmig ga dargestellt. Der große Pfeil repräsentiert die Energie E.

Immer wenn ein Stoff Teil einer Gasphase ist und in einer Atmosphäre gelöst ist, wie z.B. Wasser in der Luft, tauscht der entsprechende Stoff seine Energie E mit der umgebenden Atmosphäre aus. Verliert das Wasser an Energie E und wandert in einer energieärmere Phase, dann gibt es Energie E an die Luft ab und erwärmt diese und umgekehrt.

In Umluft UML führt die Expansion EX, also Dekompression des Sekundärstroms 12 zu einem Temperaturabfall in der geschlossenen Umgebung der Zuluft und einem Temperaturanstieg in der offenen Umgebung der Fortluft.

Dieser Aufbau umgeht das Problem der Kondensatbildung bei der Kühlung geschlossener Räume in gewissem Rahmen. Die warme Außenluft wird eingangs des Wärmetauschers 14 soweit wie möglich dekomprimiert und abgekühlt. Dabei muss die Abkühlung durch Dekompression unter das Niveau der Raumluft gebracht werden. Im Wärmetauscher 14 nimmt die Primärluft 10 dann die entsprechende Temperatur an.

Die Luft im Primärstrom 10 kann als getrenntes Gas betrachtet werden. Beispielsweise entfällt damit der Nachteil feuchter Außenluft.

Ein weiterer Vorteil ist, dass der Verdichter und der Entspanner auf der Außenseite angeord-net sind.

Dieser Aufbau eignet sich besonders für den Einsatz bei Fahrzeugen und/oder Flugkörpern, wenn ein hoher Staudruck zur Verfügung steht. Der Staudruck müsste dann gemäß der Gleichung von Bernoulli

Pstat = Pa— Pdyn

in Unterdruck verwandelt werden, z.B. mit Hilfe einer Venturi-Vorrichtung. Dies ermöglicht eine Kühlung ohne atmosphärischen Ausgleich, da Umluft.

In Umluft UML führt die Kompression KO des Primärstroms 10 zu einem Temperaturabfall in der geschlossenen Umgebung der Zuluft und einem Temperaturanstieg in der offenen Umgebung der Fortluft.

Dieser Aufbau ergibt eine Kühlung der geschlossenen Umgebung. Die durch die Kompression KO erhitze Luft wird an der Außenluft abgekühlt und kühlt dann weiter ab durch die Dekompression. Dieses Verfahren ist von der Temperatur der Außenluft abhängig. Innen kann die Temperatur nicht unter Außen luft abzüglich der Kompressionswärme sinken. Trotzdem bietet dieser Aufbau Vorteile, die bei bestimmten Anwendungen optimal sind.

Dadurch, dass die Komponenten für Verdichtung und Entspannung im Inneren des geschlossenen Raums liegen, können diese gegen Umwelteinflüsse geschützt werden. Des Weiteren kann auch hier innen eine eigene Atmosphäre aufgebaut bzw. ein fremdes Gas verwendet werden.

Dieser Aufbau eignet sich daher z.B. für die Kühlung von abgeschlossenen elektronischen Gehäusen, Schaltschränken und/oder Bremsgehäusen.

Die Manipulation innerhalb des geschlossenen Raums erlaubt weitere Anwendungen, wie z.B. Befeuchtung BF, Resublimation RE oder Vereisung VE, also Anwendungen bei Energieverlust durch das Entspannen im Primärstrom 10.

In Austauschluft AUS führt die Kompression des Primärstroms 10 zu einem Temperaturabfall in der Zuluft und einem Temperaturanstieg in der Fortluft.

Ein komprimierter Strom kühlt ab, wenn er aus dem Überdruck entlassen wird. Somit eignet sich auch dieser Aufbau für Kühlung. Dabei wird warme Außenluft zum Eingang am Wärmetauscher 14 verdichtet und zusätzlich aufgeheizt. Die relative Luftfeuchte sinkt dabei. Im Wär-metauscher 14 kühlt der Primärstrom 10 nun an dem Sekundärstrom 12 ab. Nach Verlassen des Wärmetauschers 14 wird die kühle Zuluft entspannt und zusätzlich abgekühlt.

Ein Vorteil dieses Verfahrens gegenüber einer Dekompression des Sekundärstroms 12 ist es, dass das Problem der Kondensatbildung durch die Senkung der relativen Luftfeuchte auf den Teil der Entspannung im Prozess verschoben wird. Dadurch lassen sich mit dem gleichen absoluten Differenzdruck tiefere Temperaturen generieren. Der Prozess wird von der Kondensationsgrenze wegbewegt. Die Kondensation wird durch diesen Aufbau quasi verzögert.

Eine weitere Umsetzung dieses Aufbaus ist die Möglichkeit, reinen Staudruck für die Kom-pression KO des Primärstroms 10 zu nutzen.

Wird z.B. ein Wärmetauscher 14 mit einem Wirkungsgrad von 95% verwendet, dann würde ein Temperaturunterschied ΔΤ von 1 K eine maximale Temperaturspanne von 20 K erzeugen. Dies ist ausreichend, um ein Fahrzeug von 40°C auf 20°C Innenluft zu klimatisieren. Folgende Gleichung errechnet den Staudruck:


Für die Erzeugung von 1 K ist ein Druckanstieg von 1 .21 1 Pa bei 20°C erforderlich. Dieser Staudruck resultiert in einer Geschwindigkeit v von 44,5 m/s (160 km/h). Da die Geschwindig-keit quadratisch eingeht, wird bei 300 km/h bereits ein ΔΤ von ca. 3,5 K erreicht, was bei η=90 % eine Spanne von 35 K ergibt. So ist bei einer Außentemperatur von 55°C eine Frischluft von 20°C möglich und das ohne Energieverbrauch.

Eine Vorrichtung für die Aufnahme des Staudrucks kann insbesondere als ein speziell gestal-teter aerodynamischer Lufteinlass ausgebildet sein.

Insbesondere könnten Flugkörper mit noch höheren Geschwindigkeiten auf diese Art und Weise die Elektronik und/oder Sensorik kühlen.

In Umluft UML führt die Expansion EX, also die Dekompression des Primärstroms 10 zu einem Temperaturanstieg in der geschlossenen Umgebung der Zuluft und einem Temperaturabfall in der offenen Umgebung der Fortluft.

Der Antriebsenergie aufnehmende Teil des Aufbaus liegt innerhalb der zu beheizenden, ge-schlossenen Umgebung. Dabei handelt es sich um die Vorrichtung zur Entspannung der Abluft bzw. Raumluft im Primärstrom 10, z.B. eine Turbine, eine Vorrichtung zum Antrieb des Sekundärstroms 12, z.B. ein Ventilator und hauptsächlich ein Verdichter zur Rekompression des Primärstroms 10 in die Zuluft, z.B. ein Axialverdichter, der gleichzeitig den Primärstrom 10 antreibt.

Trotz dieser zusätzlichen Energie kommt das Verfahren mit diesem Aufbau nicht über die Re-kompressions-Temperatur hinaus, da die Raumluft am Wärmetauscher 14 abgekühlt wird.

Dennoch eignet sich der Aufbau zur Beheizung von geschlossenen Räumen, wenn es erzielt wird, energiesparende und effiziente Antriebskomponenten zu verwenden.

Insbesondere eignet sich das Verfahren zur Entfeuchtung EF, Sublimation SU und/oder Entei-sung EE bei kritischen Anlagen. Vorteilhaft ist, dass die Antriebskomponenten im geschlossenen Raum liegen können, z.B. zur Kapselung des Schalls.

In Umluft führt die Kompression des Sekundärstroms 12 zu einem Temperaturanstieg in der geschlossenen Umgebung der Zuluft und einem Temperaturabfall in der offenen Umgebung der Fortluft.

Wenn der Sekundärstrom 12 in Umluft verdichtet wird, so wird er mit Hilfe des Wärmetauschers 14 die resultierende Wärme an den Primärstrom 10 übergeben, in diesem Falle beheizen. Der Sekundärstrom 12 wird bei Umluft UML aber immer wieder von der Außentemperatur gespeist. Der Primärstrom 10 kann also nicht über die Außentemperatur zuzüglich der Temperatur der Druckerhöhung hinauswachsen. Damit ist das Verfahren auf eine geringe Manipulation der Temperatur beschränkt. Dennoch kann ein solcher Aufbau dazu verwendet werden, geschlossene Umgebungen, die keine Frischluft benötigen oder die kein Gas erzeugen, auf Temperatur zu halten oder zu beheizen, da kaum Energie für den Heizvorgang benötigt wird.

Nach einer Ausführungsform können die Bauteile der Wärmetauschvorrichtung auch in unterschiedlichen Formen miteinander kombiniert werden.

Wie bereits erwähnt ist es möglich, mehrere Anwendungen miteinander zu kombinieren. Wei-terhin ist es möglich, den Aufbau zu kombinieren, beispielsweise indem das Verfahren von Umluft UML auf Austauschluft AUS geschaltet wird. Auch ist es möglich, dass das Verfahren auf beide Ströme 10, 12 angewendet wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein Umschalten innerhalb eines Stroms zwischen Kompression KO und Dekompression erfolgen.

Für letzteren Fall kann insbesondere eine Verdichter-Entspanner-Kombination von Überdruck auf eine Entspanner-Verdichter-Kombination mit Unterdruck reversiert werden. Eine solche Lösung ist relativ einfach zu bewerkstelligen, beispielsweise mit Hilfe von Axialrotoren mit verstellbaren Flügeln. Bei gleicher Drehzahl hat der Kompressor einen höheren Anstellwinkel als das nachfolgende Rad, welches mit geringerem Anstellwinkel als Turbine fungieren kann.

Für die Dekompression hat der vordere Rotor einen geringeren Anstellwinkel und verzögert die Strömung, während der hintere Rotor mit höherem Anstellwinkel sowohl Unterdruck als auch Transport der Strömung bewerkstelligt. Vorstellbar ist auch eine feste Verbindung beider Vorrichtungen auf einer Welle, sodass die Energieaufnahme der Turbine an den Propeller zu-rückgegeben werden kann.

Insbesondere über einen Riemen oder andere Übertragungsformen könnte auch der Propeller für den anderen Strom mit angetrieben werden.

Rotoren mit verstellbarem Einstellwinkel haben jedoch auch einen anderen wichtigen Einfluss auf die Wärmetauschvorrichtung bzw. das Verfahren. Dieses erfordert von den Antrieben sowohl einen Massenstrom, als auch einen Druckunterschied. Während also mit der Drehzahl der Rotoren der Massenstrom variiert werden kann, ermöglicht der Einstellwinkel die Kontrolle des Druckunterschieds im Wärmetauscher 14 und damit die Beeinflussung der Temperatur.

Bestimmte Temperaturen können somit direkt angefahren werden. Es kann umgehend geheizt oder gekühlt werden und gewünschte Temperaturen anvisiert werden. Eine Vorlaufzeit ist nicht erforderlich. Unnötige Energie wird nicht verschwendet.

Kombinationen von verschiedenen Aufbauten ermöglichen dem Verfahren hingegen, verschiedene Anwendungen gleichzeitig mit demselben Gasmassenstrom zu erfüllen. So kann z.B. ein Aufbau kühlen, während ein weiterer Aufbau entfeuchtet.

Auch Kombinationen von Aufbauten in Umluft UML sind möglich, welche im Zusammenhang mit Fig. 8 beschrieben werden. Aufgabe des Aufbaus ist die Temperierung eines geschlossenen elektronischen Raums oder eines Schaltschranks. Der Raum soll von Witterungsbedingungen hermetisch abgeriegelt sein. Gewünschte Anwendung ist das Kühlen und/oder Heizen. Die beste Lösung ist eine Platzierung P LA geschlossen/offen g/o mit Aufbau in Umluft UML.

Eine Kombination von Aufbauten ermöglicht insbesondere zwei Lösungsansätze. Zum einen kann wie beschrieben eine Rotor-Kombination mit verstellbaren Flügeln auf der Innenseite des Verfahrens eingesetzt werden. Zum Heizen dekomprimiert die Kombination innerhalb des Wärmetauschers 14 und zum Kühlen komprimiert sie.

Eine zweite, kostengünstige Lösung ohne verstellbare Rotoren ist eine Kompression auf beiden Seiten des Wärmetauschers 14, je nach Anwendung. Um z.B. einen Elektronikraum 22 zu heizen, wird der in der offenen Atmosphäre liegende Sekundärstrom 12 komprimiert, der Primärstrom 10 verbleibt bei seinem atmosphärischen Druck und wird lediglich am Wärmetau-scher 14 aufgeheizt und durch die Antriebsvorrichtung 16 transportiert.

Zum Kühlen wird nun umgekehrt der Sekundärstrom 12 unter atmosphärischem Druck belassen und lediglich transportiert. Die zweite Druckveränderungsvorrichtung 20 dient dabei lediglich als Antrieb.

Nun wird der Primärstrom 10 mit Hilfe von der ersten Primärdruckveränderungsvorrichtung 16 sowie der zweiten Primärdruckveränderungsvorrichtung 17 komprimiert, im Wärmetauscher 14 an der Außenluft abgekühlt und verliert nach der Entspannung weiter an Temperatur.

Die Kühlleistung im Wärmetauscher 14 muss dabei der im Elektronikraum 22 entstehenden Wärmeleistung entsprechen. Diese ergibt sich aus der spezifischen Wärmekapazität multipliziert mit dem Massenstrom, wobei die Wärmekapazität wiederum von der Temperaturdifferenz bestimmt wird.

Mit der Erhöhung des Massenstroms lässt sich daher die Wärmeleistung erhöhen, aber auch mit der Temperaturdifferenz. Ist die Temperaturdifferenz und damit der Druckunterschied im Wärmetauscher 14 klein, dann kann dies durch einen großen Massenstrom ausgeglichen werden. Ein Optimum wäre hier der minimale Verlust an Energie.

Das Verfahren in diesem Beispiel eignet sich insbesondere für sehr große Anwendungen wie z.B. Gewächshäuser und Rechenzentren, aber auch für sehr kleine elektronische Geräte wie z.B. Telefone oder tragbare Computer.

Auch eine parallele Kombination mit Austauschluft AUS ist möglich. Die Situation stellt sich bei Atmosphären, die von Lebewesen oder Maschinen verbraucht werden und sich ändern, also belüftet werden müssen, jedoch komplexer dar. Menschen muss eine habitable Umgebung gewährleistet werden, deren Aufrechterhaltung als kritisch anzusehen ist. Während der Anteil bestimmter Gase gehalten werden muss, hat auch die habitable Temperatur ihre Grenzen. Ein weiterer Faktor ist die Feuchtigkeit, also die Gasphase von bestimmten Flüssigkeiten.

In der Außenumwelt auf der Erde kann kein direkter Einfluss auf die Faktoren genommen werden. Innerhalb z.B. eines Gebäudes oder Gewächshaus muss jedoch hinsichtlich der Temperatur, der Feuchte und/oder des Gasanteils ein positiver Einfluss genommen werden.

Gewünschte Anwendungen sind das Heizen HE, Befeuchten BF und Enteisen EE bei kalter Witterung sowie Kühlen KÜ mit Entfeuchten EF bei warmer Witterung.

Dies wird durch eine Platzierung PLA geschlossen/offen g/o mit Aufbau AUF in Austauschluft AUS.

Während des Winters trocknet Raumluft schnell aus und führt zur Verbreitung von Viren. Beheizung mittels Dekompression des Primärstroms 10 ist daher nur eine unzureichende Lösung, da die kalte Außenluft eventuell weiter entfeuchtet wird, was nicht gewünscht ist. Daher ist es vorteilhaft, den Sekundärstrom 12 zu komprimieren. Dies wirkt gleichzeitig einer Verei-sung VE in der Außenluft entgegen.

Während des Sommers trägt die Atmosphäre aufgrund des Energiegehalts viel Wasser in sich. Dies muss noch nicht einmal hohe Luftfeuchtigkeit bedeuten, aber beim Eintritt in ein gekühltes Gebäude kann dies dann doch zu sehr hoher Luftfeuchtigkeit führen. Fällt die gekühlte Luft unter die Kondensationsgrenze, kann dies im Gebäude zu Beschlag auf Oberflächen wie z.B. Möbeln, Wänden und/oder Pflanzen kommen. Dies führt leicht zu Sporen, die die Gesundheit des Menschen aber auch der Pflanzen gefährden können. Wenn nun die Luft entsprechend abgekühlt wurde, kann diese häufig mit 100 % Luftfeuchtigkeit in der Zuluft im Raum ankommen.

Die Bildung von Kondensat während der Durchströmung des Wärmetauschers 14 bringt das Problem der Rückerwärmung durch die Energieabgabe an den Primärstrom 10 mit sich. Die Kondensatbildung verzehrt quasi die Enthalpie, die ansonsten der Temperatur entnommen würde. Dieses Problem der atmosphärischen Kühlung wird auch als feuchtadiabatische Tem-peraturänderung bezeichnet.

Wenn ein Gas, das keine auskondensierende Flüssigkeit enthält, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren abgekühlt wird, so ist es möglich, dieses bis auf die Temperaturspanne von ΔΤ/(1 -η) abzukühlen. Sobald aber entstehendes Kondensat durch eine Rückerwärmung ver-hindert, dass das Verfahren mit Hilfe der Manipulation des Drucks mit der Zuluft unter den Ausgangspunkt in der Abluft kommen kann, ist eine progressive Kühlung nicht mehr möglich.

In dem Fall erzeugt die Druckmanipulation eine bestimmte Enthalpie, um die der Primärstrom 10 abgekühlt werden kann. Eine Unterstützung durch eine kühler werdende Abluft erfolgt hingegen nicht mehr.

Diese doppelte Problematik kann insbesondere dadurch gelöst werden, dass die Luft durch Dekompression soweit abgekühlt wird, dass diese eine absolute Feuchte in sich trägt, die einer relativen Feuchte von z.B. 50 % im Behaglichkeitsbereich entspricht. Dies wäre z.B. bei etwa 10°C und 100 % relativer Feuchte der Fall.

Ein solcher Unterdruck würde jedoch schon fast dem halben atmosphärischen Druck entsprechen und jeden Wärmetauscher 14 zum Versagen bringen, da der Differenzdruck zwischen beiden Strömen 10, 12 zu groß ist.

Durch ein paralleles, simultan entspannendes Verfahren kann dieses Problem gelöst werden. Dabei wird das Verfahren parallel in beiden Strömen 10, 12 angewendet. Auf diese Weise kann der Differenzdruck weiterhin minimal oder sogar bei null gehalten werden.

Fig. 9 zweigt eine parallele Dekompression bei Austauschluft AUS.

Mit einem solchen parallelen, simultan dekomprimierten Aufbau AUF in Austauschluft AUS und offen/geschlossener Platzierung PLA können gleichzeitig drei Anwendungen kontrolliert werden. Der Volumenstrom wird über den Druckunterschied zwischen Außen- a und Innenseite b kontrolliert. Die Entfeuchtung EF wird über den Druckunterschied im Wärmetauscher 14 im Primärstrom 10 kontrolliert und die Temperatur wird über den Druckunterschied im Wär-metauscher 14 im Sekundärstrom 12 kontrolliert.

Die ausfallende Flüssigkeit hinter dem Entspanner muss noch vor dem Wärmetauscher 14 durch z.B. wenigstens ein Siphon und/oder Ventil abgeführt werden. Der Unterdruck im Wärmetauscher 14 soll dabei aufrecht gehalten werden.

Um z.B. eine Vereisung im Sekundärstrom 12 zu vermeiden, sollte dieser nur bis minimal 0°C dekomprimiert werden, also etwa 20.000 Pa bei 20°C.

Um den Druckunterschied zum Primärstrom 10 gering zu halten, angenommen 10.000 Pa, müsste der Primärstrom in diesem Fall zwischen 10.000 Pa und 30.000 Pa evakuiert werden.

Zu bedenken ist, dass der Primärstrom 10 um den rekomprimierten Druck wieder in der Temperatur ansteigt. Es ist daher nach einem Kompromiss zwischen gewünschter Luftfeuchtigkeit und Temperatur zu suchen. Auch die Außenbedingungen haben darauf einen gewissen Ein-fluss.

Ferner ist auch eine serielle Kombination in Austauschluft AUS möglich, wie sie beispielhaft in Fig. 10 gezeigt ist.

Demnach kann eine Wärmetauschvorrichtung vorgesehen sein, bei der zunächst in einem ers-ten Aufbau die Feuchtigkeit abgebaut wird und dann in einem zweiten Aufbau die Temperatur abgesenkt wird. Verschiedene Bauteile werden demnach seriell kombiniert. Ein solcher Aufbau wird auch als serielles, simultan entspannendes Verfahren bezeichnet.

Beispielsweise kann die Außenluft für eine Abkühlung genutzt werden, da davon genügend zur Verfügung steht.

Angenommen die Umweltsituation a besteht aus tropischem Wetter mit heiß-feuchter Luft. Kurz vor tropischem Regen kann die Luft z.B. keine weitere Feuchtigkeit mehr aufnehmen. Kühlung würde in dem Fall fast alle Enthalpie an die Bildung von Regentropfen verschwenden.

Um dies zu verhindern, kann in einem ersten Aufbau der Primärstrom 10 komprimiert werden, um von der Kondensatgrenze wegzukommen. Beim Durchwandern des Wärmetauschers 14 wird der Primärstrom 10 an der Außenluft a in einem dritten Gasmassenstrom 13, welcher auch Tertiärstrom genannt wird, wieder auf Außenluftniveau abgekühlt.

Bei der nachfolgenden Entspannung kühlt der Primärstrom 10 dann ab und scheidet in einem ersten Schritt Kondensat aus. Um nun weiter abzukühlen, wird der Primärstrom 10 anschließend in einen zweiten Aufbau geleitet, wo er an einem dekomprimierten Sekundärstrom 12 weiter abkühlt, aber aufgrund der nun sicheren Kondensatbildung nicht mehr so stark wie ge-wünscht. Daher sollte der Sekundärstrom 12 auf das Maximum entspannt werden, d.h. soviel, wie der Wärmetauscher 14 an Druckdifferenz aushält. Der Sekundärstrom 12 verdichtet sich nach der Rekompression zu heißer Fortluft, also dem Sekundärstrom 12 auf Seite a (mittig).

Mit diesem Verfahren im simultan entspannenden Aufbau sind beispielsweise 26°C bei 100 % Luftfeuchte erreichbar. Dabei ist zu bedenken, dass das Verfahren etwa 100 kJ pro m3 Luft entzieht, also Kühlenergie.

Denkbar ist ferner eine vereinigte Kombination obiger Aufbauten in Austauschluft AUS und Umluft UML.

Die Verfahren in Umluft UML unterliegen den Beschränkungen der Druckmanipulation. Andererseits sind sie aber gute Verfahren, um sich innerhalb der gegebenen Grenzen zu bewegen.

Beispielsweise liegt bei der Wohnraumlüftung der Behaglichkeitsbereich zwischen 20°C und 26°C. Das Verfahren kann in Umluft zwischen 10°C und 36°C Außenluft funktionieren, wenn der definierte Druckunterschied beispielsweise bis zu 10 K Wärmeübergabe ermöglicht.

Für eine gesunde Raumluft muss auch ein minimaler Frischluftanteil durch Austausch gewährleistet werden. Dieser kann aber auf den benötigten Sauerstoffverbrauch reduziert werden. Wenn aber die Außenatmosphäre in der Temperatur darüber hinaus abweicht, muss ebenfalls der Anteil an Austauschluft erhöht werden, um die Temperaturverluste aufzufangen.

Eine Kombination zwischen Austauschlust AUS und Umluft UML wird als vereinigte Kombination von Aufbauten bezeichnet.

Um das Verfahren für mehrere Anwendungen gleichzeitig zu nutzen, können Kombinationen in parallelem, seriellem und/oder schleifenförmigen Aufbau vorgesehen sein. Multiple Anwendungen können neben Heizen HE, Kühlen KÜ, Befeuchten BF, Entfeuchten EF auch Sublimation SU, Resublimation RE, Vereisen VE und Enteisen EE sein.

Durch eine entsprechende Kombination kann ein möglichst hoher Transfer an Energie erwirkt werden.

Bezugszeichenliste

10 erster Gasmassenstrom, Primärstrom

12 zweiter Gasmassenstrom, Sekundärstrom

13 dritter Gasmassenstrom, Tertiärstrom

14 Wärmetauscher

16 Antriebsvorrichtung, erste Primärdruckveränderungsvorrichtung

17 zweite Primärdruckveränderungsvorrichtung

18 erste Druckveränderungsvorrichtung, Kompressor

20 zweite Druckveränderungsvorrichtung, Entspanner

21 dritte Druckveränderungsvorrichtung

22 Elektronikraum

a Außenseite

b Innenseite, Abluftseite

ANW Anwendung

PLA Platzierung

AUF Aufbau

HE Heizen

KÜ Kühlen

BF Befeuchten

EF Entfeuchten

VE Vereisen

EE Enteisen

RE Resublimation

SU Sublimation

o/o offen/offen

g/g geschlossen/geschlossen

g/o geschlossen/offen

AUS Austauschluft

UML Umluft

KO Kompression

EX Expansion

fe fest

fl flüssig

ga gasförmig

E Energie