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Dokumentenidentifikation DE19545335A1 12.06.1997
Titel Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Entfeuchtung eines Gasstroms
Anmelder Dornier GmbH, 88090 Immenstaad, DE
Erfinder Jehle, Walter, Dipl.-Ing. (TH), 88263 Horgenzell, DE;
Steinwandel, Jürgen, Dr.rer.nat., 88690 Uhldingen-Mühlhofen, DE;
Wagner, Burkhard, Dipl.-Ing. (TH), 88094 Oberteuringen, DE;
Staneff, Theodor, Dipl.-Ing. (TH), 88697 Bermatingen, DE
DE-Anmeldedatum 05.12.1995
DE-Aktenzeichen 19545335
Offenlegungstag 12.06.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.06.1997
IPC-Hauptklasse B01D 53/26
IPC-Nebenklasse B01D 53/14   B01D 61/00   F24F 3/14   B60H 3/00   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Entfeuchtung eines Gasstroms, insbesondere Kabinenluft oder Raumluft. Dabei wird eine Absorption der Feuchtigkeit an einem flüssigen Absorbermedium mit nachfolgender membrangestützter Desorption durchgeführt. Die membrangestützte Desorption wird in Verbindung mit einer Kondensation durchgeführt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Entfeuchtung eines Gasstroms nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 insbesondere zur Entfeuchtung von Raumluft oder Kabinenluft in Land- oder Luftfahrzeugen.

Problemstellung

Die Entfeuchtung von Kabinen-/Raumluft ist aus verschiedenen Gründen erforderlich. So ist eine Erhöhung des Umluftanteils in vielen Fällen aus energetischen Gründen geboten, z. B. zur Treibstoffeinsparung im Flugzeug, da dort die der Passagierkabine zugeführte Frischluft in den Triebwerken abgezapft wird und somit ein Teil der Antriebsenergie verloren geht und z. B. im Pkw, wenn weniger Abwärme aus dem Antriebsbereich zur Heizung der Umluft bzw. Frischluft zur Verfügung steht (verbrauchsoptimierter Verbrennungsmotor oder Elektroantrieb). Infolge des erhöhten Umluftanteils nimmt die Feuchtebeladung der Kabinenluft jedoch zu.

Im Flugzeug muß die Luftfeuchte unter einem vorgegebenen Maximalwert gehalten werden, um Probleme z. B. infolge von Kondenswasserbildung in kühlen Bereichen zu vermeiden, wenn der Taupunkt der Luft unterschritten wird. Im Pkw kann bei niedrigen Außentemperaturen und entsprechend hoher Feuchte der Kabinenluft auf der Innenseite der Fenster Wasserdampf kondensieren und zu Scheibenbeschlag führen. Aus Gründen der Verkehrssicherheit ist dies zu vermeiden. Dieses Problem tritt vor allem bekannterweise in der Startphase auf, wenn die Kabinenluft eine entsprechend niedrige Temperatur aufweist und die Fahrzeugheizung noch nicht wirksam geworden ist.

Bisher bekannte Verfahren zur Kabinenluftentfeuchtung 1. Kühlverfahren

Die Entfeuchtung durch Kühlung unter den Taupunkt (konventionelle Klimaanlage) funktioniert im Normalfall nur bei Temperaturen > 0°C, um Reif- bzw. Eisbildung zu vermeiden. Ansonsten müßte ein komplizierter Abtaumechanismus und ein zweiter alternierend geschalteter Kältemittelverdampfer vorgesehen werden, um einen zufriedenstellenden quasikontinuierlichen Betrieb der Entfeuchtung zu gewährleisten.

Weitere Nachteile dieser Entfeuchtungsart sind:

  • - eine nachgeschaltete zusätzliche Aufheizung der entfeuchteten Luft vor der Rückführung in die Kabine ist erforderlich.
  • - Verkeimungsgefahr der Klimaanlage infolge der luftseitigen Kondensatbildung, vor allem bei höheren Betriebstemperaturen.

2. Sorptive Entfeuchtung im Festbett

Die Entfeuchtung mit festen Sorbentien (Lithiumchlorid, Silicagel, Molekularsieb) stellt ein quasikontinuierliches Verfahren dar. Die Regeneration des beladenen Sorbens erfolgt in einem zeitlich nachfolgenden Verfahrensschritt durch eine Temperaturerhöhung im Sorbensbett mit oder ohne Druckerniedrigung (Temperatur- oder Druckwechseladsorption). Die Sorptionseigenschaften des jeweils eingesetzten Sorbens bestimmt den erreichbaren Taupunkt und die Beladungskapazität. Der erreichbare Taupunkt liegt dabei bei <-20°C für Lithiumchlorid. Molekularsiebe werden vorwiegend für industrielle Trocknungsprozesse eingesetzt, wenn ein extrem niedriger Taupunkt (<-60°C) erreicht werden soll.

Dieses Sorptionsverfahren weist u. a. folgende Nachteile auf:

  • - aufgrund der verschiedenen Betriebsbedingungen für den Adsorptions- und Desorptionsschritt erfolgt keine gleichmäßige Entfeuchtungsleistung.


Dies bewirkt Schwankungen im verbleibenden Feuchtegehalt in der zur Kabine zurückgeführten Luft,

  • - z. T. starke Erwärmung der entfeuchteten Luft aufgrund der freiwerdenden Sorptionswärme (ΔT = 20-30°C),
  • - hohe erforderliche Desorptionstemperatur (> 80°C),
  • - für den quasikontinuierlichen Betrieb sind zwei Einheiten vorzusehen, wobei beide alternierend im Sorptions- und Desorptionsmodus gefahren werden (Umschaltmechanismus mit MSR erforderlich).

3. Entfeuchtung mit flüssigen Absorbern

Die absorptive Entfeuchtung mit einer Glykollösung in Füllkörperkolonnen ist aus der Erdgasaufbereitung als kontinuierliches Verfahren bekannt. Dabei wird in der ersten Kolonne (Absorber) die Entfeuchtung des Gases vorgenommen, anschließend die Absorberlösung erwärmt, in einer zweiten Kolonne das im Absorber aufgenommene Wasser desorbiert, gekühlt und wieder zur Absorptionskolonne zurückgeführt.

In Japan (Tanigaki, M. A new humidity control system using hydrophobic membrane, Poster Session ICOM 93, Heidelberg, Sept. 1993) wurde ein kontinuierliches Verfahren zur Feuchteregelung von Raumluft mit Membranabsorbern und -desorbern entwickelt. Als Absorbermedium wird Lithiumchlorid verwendet. Der Absorber wird dabei im Gebäude installiert und mit der zu entfeuchtenden Raumluft kontaktiert. Der Desorber befindet sich außerhalb des Gebäudes und wir mit Umgebungsluft als Spülgas betrieben. Diese Umgebungsluft nimmt dabei den desorbierten Wasserdampf auf.

Vorteile der Membranabsorption sind u. a.:

  • - unabhängig von einander einstellbare Stoffströme (Luft und Absorbermedium), da die Membran die Phasengrenze darstellt und eine Vermischung verhindert. Somit können optimale Betriebsbedingungen bezüglich des Stofftransportes in beiden Medien eingestellt werden,
  • - nur minimale Temperaturbeeinflussung der Luft, da die Absorberlösung im Normalfall auf dem gleichen Temperaturniveau gefahren. Außerdem sind die in Frage kommenden mikroporösen, hydrophoben Polymermembranen (z. B. PP, PTFE, PVDF) schlechte Wärmeleiter (λ ≈ 0.2 W/mK). Feuchte und Temperatur der Kabinenluft sind somit weitgehend unabhängig voneinander regelbar.
  • - Verwendung von problemangepaßten Absorberlösungen, so daß die hydrophoben Eigenschaften der Membran erhalten bleiben, aufgrund seines geringen Dampfdruckes das Absorbermedium sich in seiner Zusammensetzung nicht ändert und aufgrund der Lösungseigenschaften auch Luftschadstoffe aus der Luft abgetrennt werden können.


Die Nachteile dieser bekannten Vorrichtung sind wie folgt:

Die Desorption mit Spülgas ist insoweit energetisch nicht besonders effektiv, als die Feuchteaufnahmefähigkeit der Luft stark von der Temperatur abhängt:

Heizt man nur wenig auf, so muß ein relativ großer Spülgasstrom eingestellt werden, das heißt große Leistungen, größerer Austauschflächenbedarf etc. oder ein kleinerer Luftstrom muß entsprechend aufgeheizt werden. Beides ist wenig effektiv.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Entfeuchtungsverfahren mit membrangestützter Desorption anzugeben, das einen geringen Flächenbedarf für den Stoffaustausch aufweist.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhaft Ausbildungen der Erfindung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind Gegenstände weiterer Ansprüche.

Erfindungsgemäß wird die membrangestützte Desorption in Verbindung mit einer Kondensation durchgeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren bringt gegenüber der herkömmlichen Desorption mit Spülgas erhebliche Vorteile:

Die erfindungsgemäße Desorption mit direkter Kondensation ermöglicht es, sehr kompakte Apparate zu realisieren. Der Flächenbedarf für den Stoffaustausch ist sehr gering. Darüberhinaus es ist eine einfache Wärmerückgewinnung möglich.

Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Entfeuchtung von Kabinenluft oder Raumluft in Luft- oder Landfahrzeugen.

Die Kondensation erfolgt vorteilhaft an einer mit flüssigem oder gasförmigen Kühlmedium (Wasser, Luft) gekühlten Kontaktfläche.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird die Kondensationswärme zur Erwärmung der Kabinenluft verwendet. Diese Variante eignet sich insbesondere bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Entfeuchtung von Kabinenluft in Straßenfahrzeugen und Flugzeugen, wobei ein Gas, z. B. Kaltluft, als Kühlmedium eingesetzt wird.

Als Absorberflüssigkeit wird bevorzugt eine hochkonzentrierte wäßrige Lösung mehrwertiger Alkohole (z. B. Ethylenglykol, Glyzerin) oder eine hochkonzentrierte wäßrige Salzlösung (z. B. Lithiumchlorid, Harnstoff) eingesetzt.

Als Membran für die Desorption wird insbesondere eine hydrophobe, poröse Membran, z. B. aus einem der folgenden Materialien, eingesetzt Polytetrafluorethylen, Polypropylen, Polyvinyldifluorid, Polysulfon.

In einer vorteilhaften Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Desorptionsstufe als luft- oder flüssigkeitsgekühlter Plattenwärmetauscher ausgebildet. Der Wasserdampf wird aus der Absorberflüssigkeit durch eine hydrophobe, poröse Polymermembran abgezogen und an einer unmittelbar gegenüberliegenden metallischen Kontaktfläche kondensiert.

Die Erfindung wird anhand von Fig. näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine Prinzipskizze zur Absorption;

Fig. 3 eine Prinzipskizze zur Desorption;

Fig. 4 ein Schema des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zusätzlicher Wärmerückgewinnung;

Fig. 5 ein Versuchsaufbau zur Durchführung der Desorption;

Fig. 6 zeichnerische Darstellung der Versuchsergebnisse, gewonnen mit dem Versuchsaufbau nach Fig. 5.

Fig. 1 zeigt eine Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Luft in der Kabine wird im Umluftbetrieb über die Leitung 2 in die Absorptionsstufe 5 geleitet. Hier wird die mit Feuchtigkeit beladene Kabinenluft über eine Membran 6 von dem Absorptionmittel absorbiert. Die Arbeitsweise und der Aufbau der Absorptionsstufe 5 wird im Detail in Fig. 2 erläutert. Das flüssige Absorptionsmittel wird in einem geschlossenen Kreislauf von der Absorberstufe 5 zur Desorptionsstufe 15 geführt, wobei es durch eine Pumpe umgewälzt wird. Zusätzlich kann eine Heizung im Absorptionsmittelkreislauf vorhanden sein. In der Desorptionsstufe 15 wird der Wasserdampf aus der Absorberflüssigkeit durch die Membran 16 abgezogen. Der Wasserdampf kondensiert an der gegenüberliegenden Kontaktfläche 18. Zur Kühlung der Kontaktfläche steht letztere mit einem Kühlmedium, z. B. Wasser, Sole, Luft im Wärmekontakt. Das Kühlmedium wird über die Leitung 12 zugeführt. Die Desorptionsstufe 15 ist hier als luft- oder flüssigkeitsgekühlter Plattenwärmetauscher ausgebildet. Die Arbeitsweise und der Aufbau der Desorptionsstufe 15 wird in Fig. 3 eingehend erläutert.

Fig. 2 zeigte eine Prinzipskizze zur Durchführung der Absorption mit Hilfe einer Membran 9, wie sie aus der oben erwähnten Literaturstelle Tanigaki bekannt ist, und wie sie auch in dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt verwendet wird. Die Absorberlösung wird innerhalb einer Kammer 7, die durch die poröse, hydrophobe Membran 9 begrenzt ist, geführt. Auf der anderen Seite der Membran 9 befindet sich die mit Feuchtigkeit beladene Kabinenluft in einer weiteren Kammer 1. Der Wasserdampf der Kabinenluft tritt durch die Membran 9 hindurch und wird von der Absorberlösung in der Kammer 7 aufgenommen.

Fig. 3 zeigte eine Prinzipskizze der Desorption gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung besteht hier aus drei Kammern 17, 19, 21. In der rechten Kammer 17, die von der porösen, hydrophoben Membran 16 begrenzt ist, befindet sich die Absorberlösung. Der Wasserdampf aus der Absorberlösung tritt durch die Membran 16 hindurch in die mittlere Kammer 19. Er wird von der sich in dieser Kammer befindlichen Luft aufgenommen und kondensiert an der gegenüberliegenden gekühlten Wandung 18. Die linke Kammer 21, die sich an die gekühlte Wandung 18 anschließt, wird von einem Kühlmedium, hier z. B. Wasser, zur Kühlung der Wandung 18 durchströmt.

Fig. 4. zeigt ein Schema des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zusätzlicher Wärmerückgewinnung. Der Aufbau mit Kabine, Absorptionsstufe 5 und Desorptionsstufe 15 sowie Absorberkreislauf entspricht der in Fig. 1 gezeigten Anordnung. Anders als in Fig. wird hier jedoch das gasförmige Kühlmedium in der Leitung 12 nach Durchströmen der Desorptionsstufe 15 über die Leitung 30 in die Kabine geleitet.

Beispiel

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Desorption anhand eines konkreten Versuchsaufbaus sowie der damit gewonnenen Versuchsergebnisse beispielhaft erläutert.

1. Ziel der Versuche

Ziel der Versuche ist es, zu ermitteln, in welchem Maße der Wasserkondensat- Massenstrom von der Glykoltemperatur abhängt und die Größenordnung des Wasserkondensat-Massenstroms zu bestimmen.

2. Modularcharakteristik

Fig. 5 zeigt den Versuchsaufbau. Die Desorptionsstufe 15 besteht aus drei Kammern 17, 19, 21. Die erste Kammer wird durch eine Endplatte 40 und die Kontaktplatte 18, an der die Kondensation geschieht, begrenzt. Die Kontaktplatte 18 besteht aus Cu. Wasser tritt als Kühlmittel in die Kammer 21 ein, strömt entlang der Cu-Platte 18 und tritt auf der anderen Seite der Desorptionsstufe 15 wieder aus, wodurch die Cu-Platte 18 gekühlt wird. Ein Abstandshalter in der Kammer 21 (hier nicht gezeigt) dient einem besseren Wärmeübergang.

Die zweite Kammer 17 besteht aus der zweiten Endplatte 41, einem Abstandshalter (hier nicht gezeigt) und einer porösen Membran 16. Die verdünnte Membranflüssigkeit in dieser Kammer 17 wird auf 70°G erwärmt, wodurch der Wasserdampfpartialdruck über den der Umgebungsluft steigt. Das Wasser der Lösung wandert durch die Membran 16 und gelangt dort in die dritte Kammer 19. Diese dritte Kammer, sie befindet sich in der Mitte der Desorptionsstufe 15 zwischen den beiden erstgenannten Kammern 17, 21 und ist mit Luft gefüllt, wird durch die Cu-Platte 18 und die poröse Membran 16 begrenzt. Tritt das Wasser der Lösung durch die Membran 16, so wird es in der dritten Kammer 19 von der sich dort befindlichen Luft aufgenommen. Das Wasser kondensiert sofort an der Oberfläche der Cu-Platte 18 aus und wird über Fließkanäle abgeführt.

Daten:

Membranmaterial: PTFE

Porosität ε: 0,6

Porengröße: 0,1 mm

Membrandicke δ: 40 µm

Umwegfaktor τ: 2

Membranfläche AM: 0,01m² 3. Messung (mit Glykol als Absorberflüssigkeit) Parameter der Absorberflüssigkeit:

Glykolvolumenstrom VGly = 19 l/h

Glykolkonzentrat x = 85%

Parameter der Kühlflüssigkeit:

Wassertemperatur θH20 = 10°C

Wasservolumenstrom VH20 = 72 l/h

Die Glykoltemperatur θGly ist variabel gestaltet. Sie wird hier im Bereich von 50°C bis 70°C variiert.

4. Ergebnisse

In Fig. 6 sind die Versuchsergebnisse graphisch dargestellt. Aufgetragen ist der Massenstrom des Wasserkondensats über der Glykoltemperatur. Die genauen Werte können der nachstehenden Tabelle entnommen werden. Es ergibt sich ein maximaler Wasserkondensat-Massenstrom von 15,97 g/h für eine Glykoltemperatur von 70°C.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur kontinuierlichen Entfeuchtung eines Gasstroms, insbesondere Kabinenluft oder Raumluft, wobei eine Absorption der Feuchtigkeit an einem flüssigen Absorbermedium mit nachfolgender membrangestützter Desorption durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die membrangestützte Desorption in Verbindung mit einer Kondensation durchgeführt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu entfeuchtende Gasstrom im Umluftbetrieb geführt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Absorberflüssigkeit eine hoch konzentrierte wäßrige Lösung mehrwertiger Alkohole (z. B. Ethylenglykol, Glyzerin) oder eine hochkonzentrierte wäßrige Salzlösung (z. B. Lithiumchlorid, Harnstoff) eingesetzt wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Desorption eine hydrophobe, poröse Membran (16), insbesondere aus einem der folgenden Materialien, eingesetzt wird: Polytetrafluorethylen, Polypropylen, Polyvinyldifluorid, Polysulfon.
  5. 5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensation an einer gekühlten Kontaktfläche (18) erfolgt.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der Kontaktfläche (18) durch ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium, z. B. Luft oder Wasser erfolgt.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationswärme zur Erwärmung der Kabinenluft verwendet wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorbermedium beheizt wird.
  9. 9. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Entfeuchtung von Kabinenluft in Straßenfahrzeugen oder Flugzeugen.
  10. 10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Desorptionsstufe (15) mit einer hydrophoben, porösen Membran (16), durch die Wasserdampf aus der Absorberflüssigkeit abgezogen wird und einer luft- oder flüssigkeitsgekühlten Kontaktfläche (18), an der der Wasserdampf kondensiert.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Membran (16) und Kontaktfläche (18) im wesentlichen parallel sich gegenüberliegen.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche (118) metallisch ist.
  13. 13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (16) eine Polymermembran, z. B. aus Polytetrafluorethylen, Polypropylen, Polyvinyldifluorid, Polysulfon ist.
  14. 14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie als luft- oder flüssigkeitsgekühlter Plattenwärmetauscher ausgebildet ist.






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