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28. Juni 2012 Autor: Dr.-Ing. Manfred Stahl / Christian Bremer
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Beitrag der Verdunstungskühlung

Abb. 4: Der für die Beispielrechnungen eingesetzte Oberflächenverdunster besteht aus einem Verdunstungskörper mit parallel verlaufenden V-Profilen in einem Vliesverbund. Bei der Durchströmung des Verdunsters nimmt die Luft Wasser auf, wird dadurch bis auf 94 % relative Feuchte befeuchtet und um bis zu 13 K abgekühlt.  Abb. 4: Der für die Beispielrechnungen eingesetzte Oberflächenverdunster besteht aus einem Verdunstungskörper mit parallel verlaufenden V-Profilen in einem Vliesverbund. Bei der Durchströmung des Verdunsters nimmt die Luft Wasser auf, wird dadurch bis auf 94 % relative Feuchte befeuchtet und um bis zu 13 K abgekühlt.

In Ergänzung zu den vorherigen Berechnungen wird nun untersucht, wie viel mechanische Kälteleistung der Kältemaschine durch den zusätzlichen Betrieb einer Verdunstungskühlung auf der Abluftseite im RLT-Gerät eingespart werden kann. Dazu wird die Abluft vor dem Rotationswärmeübertrager in einem Oberflächenbefeuchter befeuchtet (siehe Abb. 4). Bei der Strömung durch den Befeuchter wird die Abluft auf 94 % relative Feuchte befeuchtet, wodurch sie von zuvor 26 °C auf nun 18,4 °C abkühlt und mit dem neuen Zustand TABL1 = 18,4 °C, φABL1 = 0,94 %, xABL1 = 0,0126 kg/kg und hABL1 = 50,5 kJ/kg in den Rotationswärmeübertrager einströmt. Für diesen „neuen Abluftzustand 1“ (ABL1) werden nun die bereits zuvor bei der Ermittlung der mechanischen Kälteleistung vollzogenen Berechnungen erneut ausführlich für den Außenluftzustand 1 mit TAUL1 = 36 °C, φAUL1 = 40 %, hAUL1 = 74,9 kJ/kg und xAUL1 = 0,015 kg/kg durchgeführt.
Aufgrund der Befeuchtung strömt die Abluft nun mit einer Temperatur von TABL1 = 18,4 °C in den Rotationswärmeübertrager ein und kühlt dort die TAUL1 = 36 °C warme Außenluft nach der Gleichung ηWRG = (TZUL1 – TAUL1) / (TABL1 – TAUL1)

0,75 = (TZUL1 – 36) / (18,4 – 36)

um rund 13 K auf TZUL1 = 22,8 °C ab (ohne Entfeuchtung der Zuluft). Somit verlässt die vorgekühlte Außenluft als ZUL1 den Rotationswärmeübertrager nun mit einer Temperatur von 22,8 °C, einer absoluten Feuchte von weiterhin xZUL1 = 0,015 kg/kg, einer relativen Feuchte von etwa φZUL1 = 86 % und einer Enthalpie hZUL1 = 61,2 kJ/kg. Das heißt, durch die Vorkühlung der Abluft infolge der Verdunstungskühlung und der anschließenden Wärmeübertragung im Rotationswärmeübertrager wurde die Außenluft nun nach der Gleichung QWRG,mit = Ml • (hAUL1 – hZUL1)

QWRG,mit = 17,5 kg/s • (74,9 kJ/kg – 61,2 kJ/kg) = 240 kW

um 240 kW abgekühlt.

Abb. 3: Darstellungen der Zustandsänderungen der Außenluft (AUL) zur Zuluft (ZUL) und der Abluft (ABL) zur Fortluft (FOL). Im Vergleich zu Abb. 2 sorgt nun auf der Abluftseite vor dem Rotor eine Verdunstungskühlung zur Kühlung der Abluft. Dadurch kann im Rotor der warmen Außenluft deutlich mehr Wärme entzogen werden.  Abb. 3: Darstellungen der Zustandsänderungen der Außenluft (AUL) zur Zuluft (ZUL) und der Abluft (ABL) zur Fortluft (FOL). Im Vergleich zu Abb. 2 sorgt nun auf der Abluftseite vor dem Rotor eine Verdunstungskühlung zur Kühlung der Abluft. Dadurch kann im Rotor der warmen Außenluft deutlich mehr Wärme entzogen werden.

Nun muss die im Rotationswärmeübertrager vorgekühlte Zuluft im Wasserkühlsatz des RLT-Geräts noch vom Zustand 1 (hZUL1 = 61,2 kJ/kg) – wie beim Beispiel zuvor ohne Betrachtung der Verdunstungskühlung – auf TZUL = 13,2 °C, xZUL = 0,009 kg/kg und hZUL = 36,1 kJ/kg nachkonditioniert werden. Dafür wird im Wasserkühlsatz nach der Gleichung QK,neu  = Ml • (hZUL1 – hZUL) eine Kälteleistung von QK,neu  = 17,5 kg/s • (61,2 kJ/kg – 36,1 kJ/kg) = 439 kW benötigt. Anschließend erfolgt wieder die Nacherwärmung der aus dem Wasserkühlsatz ausströmenden Zuluft von 13,2 °C auf die Solltemperatur von 18 °C. Die zuvor erläuterten Zustandsänderungen der Außenluft zur Zuluft und der Abluft zur Fortluft sind für den Außenluftzustand AUL1 – nun mit Betrachtung der Verdunstungskühlung – in einem h,x-Diagramm in Abbildung 3 dargestellt.

Berechnet man die Leistungen der Verdunstungskühlung nun noch für die weiteren Außenluftzustände, ergeben sich die in Tabelle 2 dargestellten (gerundeten) Werte.

Tab. 2: Thermische Leistungen (gerundete Werte), die zur Zuluftkonditionierung des Beispielgebäudes von der Wärmerückgewinnung inklusive der vorgeschalteten Verdunstungskühlung (QWRG,mit) erbracht werden und die zur Nachkühlung der Zuluft auf die Sollbedingungen vom Wasserkühlsatz (QK,neu) aufgebracht werden müssen. Bei den Berechungen wurden eine konstante Ablufttemperatur von 26 °C und eine konstante Abluftfeuchte von 45 % angesetzt.Tab. 2: Thermische Leistungen (gerundete Werte), die zur Zuluftkonditionierung des Beispielgebäudes von der Wärmerückgewinnung inklusive der vorgeschalteten Verdunstungskühlung (QWRG,mit) erbracht werden und die zur Nachkühlung der Zuluft auf die Sollbedingungen vom Wasserkühlsatz (QK,neu) aufgebracht werden müssen. Bei den Berechungen wurden eine konstante Ablufttemperatur von 26 °C und eine konstante Abluftfeuchte von 45 % angesetzt.

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Artikelnummer: cci5507
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Kommentare (4):

Betrachten Sie auch mal die multifunktionalen KVS-Systeme mit Verdunstungskühlung und nutzen Sie die Entfeuchtungskälte-Rückgewinnung. (cci 03/2009) und aus der CCI 01/2005 (so alt ! aber gut!) der Luftwäscher, der entfeuchtet und kühlt - war früher im Archiv zu finden. Habe ich noch als pdf.
Rüdiger Heß 28.06.2012
Die adiabate Kühlung der Fortluft wird sinnvoll verstärkt durch eine gleichzeitige Trocknung der Zuluft (z.B. Sorptionstrocknung). Diese Zusammenhänge haben wir in unserem Programm zur Kühllastbe-rechnung (besser: Berechnung der erforderlichen Kühlleistung) schon vor vielen Jahren aufgenommen. Im Heft Technik hoch zwei 1/2012 wird im Fachaufsatz "Dampfsperre senkt Kühlleistung" am Schluss (Seite 6) auf zusätzliches Optimierungspotential durch eine RLT-Anlage mit der o.g. zentralen Luftaufbereitung hingewiesen. Das Diagramm ergibt sich automatisch aus unserem Berechnungspro-gramm. Dazu sind nur wenige zentrale Eingaben erforderlich.
Bei Interesse Ihrerseits stehe ich gerne mit weiteren Informationen zur Verfügung.
Peter Behr 28.06.2012
Peter Behr Behr 28.06.2012
Klar, die Adiabatik an sich ist super um erforderliche Kühlleistung stark zu reduzieren. Doch das System an sich ist nun wirklich nix Neues und bei Menerga seit Markteinführung 1992 erhältlich. Neu wäre nur, wenn sich die Entscheidungsträger in Industrie, öffentlichem Dienst usw. mehr für die wesentlich niedrigeren Betriebskosten, statt der höheren Investitionskosten bei der Anlagentechnik interessieren würden. Die Einbeziehung von regenerativen Energien nur zu fordern ist das Eine, die Einsicht dafür auch mehr zu investieren (bei leeren Kassen) ist das Andere. Zum Beispiel an sich (Adiabatik mit Rotor) will ich nur folgende Dinge zu bedenken geben.
1. Meiner Ansicht nach nur geeignet für Anlagen mit Raumabluftklasse ETA I gem. DIN 13779. Im Gegensatz hierzu ist das Menergasystem für alle Abluftklassen einschl. Küchenabluft geeignet.
2. Bei der Ausführung einer regenerativen Adiabatik halte ich die Zustimmung eines Hygienikers für unbedingt erforderlich, weil Umluft, Keime, Feuchtigkeit usw. in die Zuluft gelangt.
Klaus Hansen 29.06.2012
Ich bin ein begeisterter Leser Ihrer Zeitung. Außerdem bin ich Ihrem Hause dankbar, dass Sie meinen Studenten schon seit Jahren einige Exemplare kostenlos zur Verfügung stellen. Mit Interesse habe ich ihren Artikel zur Verdunstungskühlung gelesen. Gestatten Sie mir aus "akademischer Sicht" einige kleine Anmerkungen:
- Das Formelzeichen T wird meist der absoluten Temperatur zugeordnet (K), Sie geben zum Glück den Hinweis, dass in der angegebenen Gleichung ein Einsetzen in °C erfolgen muss.
- Die Berechnung der Luftaustrittstemperatur über die Rückwärmezahl kann nur mittels Tempertaurdifferenzen erfolgen, wenn keine Entfeuchtung stattfindet (man könnte aus dem Artikel schließen, dass es immer mit den Tempertaurdifferenzen ginge). Eigentlich sind die Entahlpiedifferenzen einzusetzen, um dann nach der gesuchten Tempertaur aufzulösen.
- Die Annahme der Luftdichte mit 1,2 kg/m³ ist aus der Sicht des Praktikers sicherlich hinreichend genau. Streng genommen müste jedoch mit der Luftdichte der trockenen Luft (die Enthalpie wird in kJ/kg trockene Luft angegeben) gerechnet werden. Das setzt allerdings ein Hin- und Herrechnen zwischen feuchten und trockenen Volumenströmen voraus.

Prof. Dr. Ingwer Ebinger, Hochschule für angewandte Wissenschaften, Hamburg
29.06.2012

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