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Energetischer und wirtschaftlicher Vergleich von Wärmerückgewinnungssystemen

Written by F. Paprstein

Paper category

Master Thesis

Subject

Engineering

Year

2019

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Abstract

Masterarbeit: Plattenwärmetauscher Plattenwärmetauscher (Bild 2.1), auch rekuperativer Wärmetauscher oder Plattenwärmetauscher (PHE) genannt, wird als Luft-Luft-Wärmetauscher in Klimaanlagen eingesetzt. Viele Platten aus Aluminium, Edelstahl oder Kunststoff werden im Dauereinsatz verwendet. Eine einzelne Platte hat über die gesamte Oberfläche verteilte Vertiefungen, die Kanäle für den Luftstrom bilden. Außenluft und Abgas strömen abwechselnd zwischen den Platten in unterschiedliche Richtungen, sodass die warme Luft ihre Energie an den kühleren Luftstrom abgibt, ohne sich mit diesem zu vermischen. Um eine möglichst hohe Dichtigkeit zu erreichen, werden die Platten miteinander verklebt und/oder mechanisch verbunden (Bild 2.2). Wenn Sie die Wärmeübertragungsleistung erhöhen möchten, können Sie mehrere PWT miteinander koppeln. Es besteht ein Unterschied zwischen Kreuzstrom-PWT- und Gegenstrom-PWT-Ausführungen (Stahl, 2015). 2.1.1 Aufbau des Röhrenwärmetauschers Der Röhrenwärmetauscher ist ein PWT mit quadratischer Grundfläche (Bild 2.3), dessen Funktionsweise in Bild 2.4 dargestellt ist. Der Luftstrom kreuzt sich und die Wärmeenergie wird vom wärmeren Luftstrom auf den kälteren Luftstrom übertragen. Durch den modularen Aufbau kann sich PWT an die Gerätegröße anpassen, wie in Abbildung 2.5 dargestellt. Je nach Gerätegröße und Betriebsbedingungen (Luftstrom, Luftgeschwindigkeit, Druck) die Anzahl und Dicke der Platten und den Abstand zueinander anpassen. 2.1.2 Der Aufbau des Gegenstrom-Wärmetauschers Der Gegenstrom-Plattenwärmetauscher (Bild 2.6) ist eine Sonderform des Kreuzstrom-Wärmetauschers. Das Prinzip der Gegenstrom-PHE ist in Abbildung 2.7 dargestellt. In diesem Fall wird der horizontale Strömungsweg verlängert, was zu einer Rückströmungskomponente führt. Dies kann die Wärmeübertragungskapazität erhöhen. Diese Art von PWT wird nur bis zu einer bestimmten Größe verwendet. Die Größe von Querstrom-PHW kann die von Gegenstrom-PHW deutlich übersteigen (Stahl, 2015). 2.1.3 Die Leistungsregelung des Plattenwärmetauschers Um die Leistung des Plattenwärmetauschers auf die erforderliche regenerative Leistung zu reduzieren, ist jeder Plattenwärmetauscher mit einem Bypass und einer Klappe ausgestattet. Die Klappe wird in der Regel auf der Zuluftseite montiert und die Abluft strömt immer ungeregelt direkt durch den Wärmetauscher. Bild 2.8 zeigt einen PWT mit Bypass in der Mitte, inklusive Bypassklappe und Außenluftklappe. Je nach benötigter Wärmeübertragungsleistung wird die seitliche Ausblastür weiter geöffnet oder geschlossen, während der Luftstrom durch die Wärmetauscherplatte mit externen Luftklappen reguliert wird (Stahl, 2015). 2.2 Aufbau des Rotationswärmetauschers Der Rotationswärmetauscher (Abbildung 2.9), auch Rotor genannt, ist ein regenerativer Wärmetauscher und wird wie PWT als Luft-Luft-Austausch in HLK-Anlagen eingesetzt. 2.2.2 Rotationswärmetauscher mit jährlicher Feuchtigkeitsrückgewinnung Ein Rotor mit jährlicher Feuchtigkeitsrückgewinnung muss im Vergleich zu einem Brennwertrotor auch in der Lage sein, Wasserdampf aus dem Luftstrom ohne Kondensation aufzunehmen. Die Effizienz der Wasserrückgewinnung wird ähnlich der Wärmerückgewinnung (Wärmerückgewinnungsrate) durch die Rückgewinnungsrate beschrieben. Es gibt verschiedene Methoden der Wasserrückgewinnung, wie zum Beispiel einen Feuchtigkeitsabsorptionsrotor oder einen Adsorptionsrotor. Bei einem feuchtigkeitsabsorbierenden Rotor wird die Speichersubstanz mit einer hauchdünnen feuchtigkeitsabsorbierenden Schicht überzogen, bei einem Adsorptionsrotor wird eine Schicht aus Kieselgel oder Zeolith (Molekularsieb) verwendet. Während der Feuchte-Absorptionsrotor im Sommer nur einen Rückfeuchte-Wirkungsgrad von ca. 30% erreichen kann, erreicht der Absorber-Rotor einen Wirkungsgrad von über 70% (Hoval AG, 2016). Durch die zusätzliche Übertragung von latenter Wärme in Form von Feuchtigkeit wird die Gesamtübertragungsleistung deutlich erhöht. Ein Vorteil ist, dass bei einer Anpassung der Luftzufuhr auch ein Teil der Be- oder Entfeuchtungsleistung reduziert werden kann. Allerdings ist zu beachten, dass die Wasserrückgewinnung im Winter die Befeuchtung durch die meist zu trockene Abluft nicht ersetzen kann. Auch bei Verwendung des Adsorptionsrotors wird die relative Luftfeuchtigkeit in der Zuluft im Winter 25 bis 30 % nicht überschreiten (Stahl, 2015). Zu trockene Luft ist schädlich für den menschlichen Körper und kann zu trockenen Schleimhäuten, Augenreizungen und trockenen Lippen führen. Um den optimalen Bereich zwischen 40 % und 60 % relativer Luftfeuchtigkeit zu erreichen, ist eine kontrollierte Befeuchtung der Zuluft unerlässlich. 2.2.3 Die Leistungsregelung des Rotationswärmetauschers Die Leistungsregelung des Rotors wird durch die stufenlose Drehzahlregelung realisiert. Der Rotor wird normalerweise von einem Elektromotor über einen Keilriemen angetrieben (Abbildung 2.12). Auf diese Weise kann der Rotor auch stoppen, wenn die Wärmeübertragung während der Übergangszeit bedeutungslos ist. Beträgt beispielsweise die Ablufttemperatur 26 °C und die Außenlufttemperatur 22 °C, ist die Zuluft auf 20 °C abgekühlt, ist der Wärmeübergang bedeutungslos (Stahl, 2015). 2.3 Hochleistungsnetzsystem 2.3.1 Aufbau des Loop-Systems Der Aufbau des Simple Loop-Systems (KVS) besteht aus einem Luft-Sole-Wärmetauscher für Zu- und Abluft. Diese Sole ist in der Regel ein Gemisch aus Wasser und Ethylenglykol und wird von einer frequenzgeregelten Pumpe zyklisch gepumpt (siehe Abbildung 2.13). Der Glykolgehalt liegt in der Regel zwischen 20 % und 30 %, was wichtig ist, um ein Einfrieren bei niedrigen Außenlufttemperaturen zu verhindern. Beim Durchströmen des Wärmetauschers wird die Wärme auf die Sole übertragen, die wiederum die Wärme in der Zuluft auf den Wärmetauscher überträgt und dadurch die Außenluft erwärmt. Read Less