IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 24/1998, Seite 42 ff.

KLIMATECHNIK

Hygiene und Luftbefeuchtung

Luftbefeuchtung als Bestandteil von RLT-Anlagen

Reinhard Steiner   Teil 2

Nachdem der Autor im 1. Teil der Serie die Grundzüge der Luftbefeuchtung erläutert hat, befaßt er sich in den folgenden Teilen 2 und 3 mit den vielfältigen technischen Möglichkeiten der Anreicherung der Luft mit Feuchtigkeit und deren Umsetzung in die Praxis. Der vorliegende Teil beleuchtet im Schwerpunkt die adiabatische Luftbefeuchtung*.

1. Der Wasserkreislauf

Das zur Luftbefeuchtung benötigte Wasser steht meist in seiner ureigensten Zusammensetzung und nicht in der Art des destillierten Wassers zur Verfügung. Planer, Anlagenbauer und Nutzer müssen sich mit dem zur Verfügung stehenden Wasser, besonders aber mit den mitgeführten Bestandteilen, auseinandersetzen. Gerade in diesem Zusammenhang gilt der bekannte physikalische Grundsatz: "Es geht im Universum keine Materie verloren, sie kann nur umgewandelt werden."

Bild 1: Der Wasserkreislauf in der Natur.

Der Wasserkreislauf in seinem Zyklus spielt die besondere Rolle (Bild 1). Wasser verdunstet über der Erdoberfläche, kühlt in der Atmosphäre ab und fällt als Regen auf die Erde zurück. Beim Durchdringen der Atmosphäre werden Gase und Schwebstoffe (Stäube, Mikroorganismen u.ä.) aufgenommen. Das gleiche geschieht beim Aufprall auf die Erdoberfläche und beim Durchdringen der Erd- und Gesteinsschichten. Da das Wasser sehr aggressiv ist, hat es das Bestreben, Materie aufzunehmen; deshalb werden huminöse Stoffe, Tone, Erden und unterschiedlichste Mineralien aufgenommen. Mit diesen Bestandteilen tritt das Wasser wieder als Quelle, über künstlich angelegte Brunnen oder als Oberflächenwasser an die Erdoberfläche, wird unter anderem zu Trinkwasser aufbereitet und als sogenanntes "Rohwasser" zur Luftbefeuchtung verwendet. Bei der Aggregatzustandsänderung von flüssig nach gasförmig fallen alle aufgenommenen (absorbierten) Stoffe wieder aus. Deshalb ist es die eigentliche Hauptaufgabe der Luftbefeuchtungstechnik, trotz dieses Stoffausfalles einen störungs- und hygienisch einwandfreien Betrieb des jeweiligen Luftbefeuchtungssystems zu gewährleisten.

Wenn die Luft mit technischen Anlagen befeuchtet werden soll, ignoriert man leider oft die Zusammensetzung des Wassers. Jeder, der sich mit Luftbefeuchtung befaßt, sollte sich auch mit dem Wasser auseinandersetzen und nicht nur mit dem Wasserdampf.

2. Luftbe- und Entfeuchtung im h,x-Diagramm

Feuchtigkeit wird in Form von Wasserdampf abgegeben, um einen gewünschten Luftzustand zu erreichen. Hierbei bilden die Gasgesetze von Dalton, Boyle-Mariott und Gay-Lussac die Grundlage. Je nach Art der Luftbefeuchtung sind Luftzustandsänderungen in einem RLT-System oder in einem geschlossenen Raum möglich. Übersichtlich lassen sich diese Zustandsänderungen am besten im h,x-Diagramm von Molliere darstellen (Bild 2). Dabei ist zu beachten, daß die jeweilige Luftzustandsänderung von einem Punkt "A" aus in Richtung des Zustandes gesättigter Luft - der Sättigungslinie - annähernd geradlinig erfolgt. Je nach Temperatur des zur Luftbefeuchtung verwendeten Wassers sind neben der Luftbefeuchtung auch Erwärmung und Entfeuchtung möglich (Tabelle 1).

Bild 2: Zustandsänderungen der Luft, dargestellt im h,x-Diagramm.

3. Luftbefeuchtungstechniken

Für die drei klassischen Luftbefeuchtungstechniken Verdunstung, Zerstäubung und Verdampfung bietet die Industrie wirtschaftliche Gerät- und Systemtechniken, d.h. die passenden Lösungen an.

3.1 Adiabate Luftbefeuchtung

3.1.1 Verdunstungsluftbefeuchtung

Die wohl älteste und bekannteste Art der Verdunstungsluftbefeuchtung sind die Salinen in den Kurbädern, der Topf auf dem Ofen oder die Schalen und Behälter auf oder an Heizkörpern. Allerdings ist der Verdunstungseffekt der an Heizkörpern angebrachten Wasserschalen, bedingt durch die geringe Oberflächentemperatur bei modernen Heizungsanlagen, sehr gering und deshalb heute nicht mehr sinnvoll, abgesehen von der schlechten Reinigungsmöglichkeit und der damit verbundenen schlechten Hygiene.

Tabelle 1: Luftzustandsänderung im h,x-Diagramm

Befeuchtung und Erwärmung

Linie AB (Dampfluftbefeuchtung)

Befeuchtung und Kühlung

Linie AC

Ohne Befeuchtung, nur Kühlung

Linie AD

Entfeuchtung und Kühlung

Linie AE

Befeuchtung und Kühlung (h = konstant)

Linie AF (adiabate Luftbefeuchtung)

Unter dem Aspekt sehr kurzer Vermischungsstrecken wird die Verdunstungstechnik - entsprechend angepaßt - bei RLT-Anlagen eingesetzt. Das zur Luftbefeuchtung verwendete Wasser strömt mittels Schwimmer- oder Regelventil über ein Verdunstungselement (glasfaserverstärktes Wabenpaket, Filterfläche o.ä.) und rieselt in die darunter liegende Auffangwanne, aus der es entweder frei abfließt oder durch eine Pumpe wieder zur Verteilung nach oben geführt wird. Ein durch das Verdunstungselement strömender Luftmassenstrom nimmt bis annähernd Sättigungszustand Feuchtigkeit auf. Die Feuchteregelung ist mittels eines Temperatur- oder eines Feuchtefühlers in der abströmenden Luft einfach zu erreichen.

Ein schon vor Jahren praktizierter Weg in der Luftbefeuchtung ist überarbeitet worden und wird heute in allen Belangen den Anforderungen an Wirtschaftlichkeit, Montagefreundlichkeit und Hygiene gerecht. Diese seit kurzem in verschiedenen RLT-Anlagen mit Erfolg eingesetzte Dual- oder Hybrid-Technik ist eine Kombination aus Zerstäubung und Verdunstung mit hohem Wirkungsgrad (Bild 3). Hochporöse, 40 mm starke Keramikplatten mit großer innerer Oberfläche werden V-förmig in einer Befeuchtungskammer aufgestellt und mittels Molekularzerstäubungsdüsen ganzflächig und gleichmäßig mit Wasser beaufschlagt. Die Düsen sind spezielle Vollkegeldüsen, die mit vollentsalztem Wasser von einer kleinen Druckerhöhungspumpe mit konstantem Druck zwischen 4 und 7 bar versorgt werden. Aus Gründen der Sauberkeit und Hygiene wird ausschließlich vollentsalztes Wasser, empfohlen aus einer Umkehrosmoseanlage, zur Luftbefeuchtung verwendet. Als zusätzliche hygienische Maßnahme wird das Wasser mit Silberionen angereichert. Sie haben die Eigenschaft, sich in den Zellaufbau von Keimen und Bakterien einzulagern und so die Mikroorganismen abzutöten. Gleichzeitig schlagen sich die Silberionen auf den Keramikplatten nieder und verhindern das Wachstum von Mikroorganismen; außerdem wirken sie keimneutralisierend auf den durchströmenden Luftmassenstrom.

Bild 3: Prinzipdarstellung der Dual- bzw. Hybridbefeuchtung.

Die Keramikplatten sind sehr widerstandsfähig und können mit wenigen Handgriffen ausgebaut und mit Hochdruckreinigern (Dampf oder Wasser) gereinigt werden. Sie sind somit vielfach verwendbar. Außerdem können sie, wenn die Luftbefeuchtung z.B. im Sommer nicht benötigt wird, von Hand gegeneinandergeklappt werden, um den Luftwiderstand zu reduzieren und die Platten vor Verunreinigungen zu schützen. Ein Vorteil, wenn der Luftmassenstrom erhöht werden soll.

Durch die Kombination aus Zerstäubung und Verdunstung wird das eingebrachte Befeuchtungswasser optimal ausgenutzt. Die anfallende Überschußwassermenge ist sehr gering und kann deshalb aus Gründen der Hygiene frei abgeleitet werden. Es wird nicht mehr dem Befeuchtungswasserkreislauf zugeführt. Sei kurzem wird diese Technik durch ein Hygienezertifikat bestätigt.

Einige technische Daten zu dieser neuen Technik sind in Tabelle 2 zusammengefaßt.

3.1.2 Zerstäubungsluftbefeuchter

Bekannt sind heute die

Alle genannten Befeuchtungstechniken dienen der Herstellung von Aerosolen, d.h. der Produktion kleinster in der Luft schwebefähiger Wasserpartikel, etwa in der Form einer Seifenblase. Diese Aerosole haben je nach Gerät die Größe von < 20 µm. Partikel, die größer sind, gelten als Wassertropfen und werden an Tropfabscheidern aufgefangen und dem Befeuchtungswasser wieder zugeführt. Die für die Aggregatzustandsänderung nötige Umwandlungsenergie wird der umgebenden Luft entzogen. Die Darstellung im h,x-Diagramm ist die gleiche wie bei der Verdunstungsbefeuchtung entlang der h-Linie in Richtung Sättigungskurve.

Sprühdüsenluftbefeuchter (Wäscher)

In Sprühdüsen-Luftbefeuchtern wird, wie auch bei den Verdunstungsluftbefeuchtern, die Luft direkt in Kontakt mit dem zur Befeuchtung verwendeten Wasser gebracht. Dadurch findet nicht nur eine Wärmeübertragung, sondern auch in geringem Umfang eine Stoffübertragung statt. So können z.B. Gase wie CO2 oder SO2 und auch Stäube absorbiert und abgeleitet werden.

Tabelle 2: Herstellerspezifische Daten der Dual- bzw. Hybrid-Technik

Luftmassenstrom

mind. 5000 m3/h

Geräte-/Kanalabmessungen B/H

mind. 600/600 mm

Befeuchtungswirkungsgrad

bis 95%

Befeuchterstrecke

ca. 900 mm

Baulänge der kpl. Einheit

max. 1200 mm

WLZ (Wasser-Luft-Zahl)

< 0,01

Abwasseranteil

ca. 15% der Befeuchtungsmenge

Filterklasse vor dem Luftbefeuchter

mind. EU 6

Druckverlust bei 2,5 m/s

70 Pa

Mittels Wasserdüsen aus Kunststoff, Messing oder Edelstahl, die das zur Luftbefeuchtung verwendete Wasser in einer Befeuchtungskammer mit oder gegen den Luftstrom zerstäuben, wird ein Tropfen- bzw. Aerosolnebel erzeugt, durch den die zu befeuchtende Luft strömt und entsprechend ihrer Temperatur bis annähernd ihrer möglichen Sättigung Feuchtigkeit aufnimmt. Die Befeuchtungskammer ist heute wegen der möglichen Aggressivität des Wassers und wegen der besseren Reinigung aus glasfaserverstärktem Kunststoff oder aus Edelstahl hergestellt. Überschußwasser wird in der Wasserwanne gesammelt, die mit einer Abschlämmvorrichtung und mit direktem Wasseranschluß über einen Schwimmerschalter ausgerüstet ist. Eine außerhalb der Wanne angeordnete Umwälzpumpe - oder eine Tauchpumpe in der Wanne - erzeugt einen Düsenvordruck von 1,5 bis 4,5 bar. Die Anzahl der Düsen und die Verteilung über sogenannte Düsenstöcke (Kunststoff- oder Edelstahlrohre) richten sich nach Aufgabenstellung, Luftbefeuchtungsleistung und Größe bzw. Querschnitt des RLT-Systems. Üblich sind heute Düsenbohrungen zwischen 3 und 10 mm Durchmesser. Die Sprühwassermenge liegt zwischen 0,15 und 0,8 m3/h. Die Luftführung durch den Wassernebel geschieht in der Regel horizontal bei einer Luftgeschwindigkeit von 2,0 bis 3,0 m/s, in Sonderfällen auch bis 7 m/s (Hochgeschwindigkeitswäscher), jeweils bezogen auf den freien Querschnitt. Bei einem Pumpendruck von ca. 2,5 bar wird eine Tröpfchengröße zwischen 120 und 260 µm und damit die mittlere Partikeloberfläche bei 230 bis 350 cm2/cm3 erreicht. Zur gleichmäßigen Durchströmung der Befeuchtungskammer über den gesamten Querschnitt ist den Düsen oft ein Gleichrichter - z.B. in Form eines Wärmetauschers - vorgeschaltet. Die Wasser-Luft-Zahl wird bei dieser Technik mit 0,5 bis 1,5 angegeben.

Um das Eintragen von Wassertropfen in das RLT-System zu vermeiden, ist am Ende der Kammer ein Tropfabscheider - meist aus Kunststoff - angeordnet, der nicht absorbierte Wasserpartikel in die Wanne zurückführt. Kleinere Wasserpartikel werden durch den Tropfabscheider getragen und verdunsten unter Entzug der Umwandlungsenergie im Luftstrom (Nachverdunstung). Je nach Luftbefeuchtungsleistung und einem zu erzielenden Befeuchtungswirkungsgrad sind Kammerlängen bis zu 3,0 m möglich.

Aus Gründen der Hygiene, zur Vermeidung von Mineralauskristallisierungen im Wäschergehäuse oder Eintrag in das Kanalsystem und zur Reduzierung der erforderlichen häufigen Wartungsintervalle wird heute vermehrt vollentsalztes Wasser verwendet. Außerdem werden die Wannen in regelmäßigen Zeitintervallen und bei längerem Stillstand des Luftbefeuchters - teilweise über Leitfähigkeitsmessung - vollkommen entleert und ausgetrocknet. Zur Keim- und Bakterienabtötung wird das Befeuchtungswasser vor Eintritt in die Düsen sehr oft UV-bestrahlt oder es werden Desinfektionsmittel zudosiert, für die es aber keine Aussagen über deren toxikologische Unbedenklichkeit gibt. Auf alle Fälle ist ein hoher Wartungsaufwand (Wartungskosten) unvermeidbar.

Der Luftwiderstand eines normalen Sprühdüsenluftbefeuchters hängt von der zu zerstäubenden Wassermenge, der Luftgeschwindigkeit und der Bauart des Tropfabscheiders ab und wird mit 100 bis 200 Pa bei einer Luftgeschwindigkeit von 2,5 bis 3,5 m/s angegeben. Der Luftbefeuchtungsvorgang geschieht im Normalfall immer adiabat (h = konstant); die Umwandlungsenergie wird der durchströmenden Luft entzogen.

Zweistoffzerstäubungsdüsen

Unter Verwendung von Druckluft und Wasser werden nach dem Injektionsprinzip mittels Präzisionsdüsen feinste Aerosole mit einer Partikelgröße von 2 bis 5 µm erzeugt (Bild 4). Aufgrund ihrer Größe sind sie sehr leicht und schwebefähig und können unter Entzug der Umwandlungsenergie aus der umgebenden Atmosphäre die Aggregatzustandsänderung schnell vollziehen. Die Druckluft durchströmt die Düse und erzeugt ein Vakuum, in das Wasser nachströmt. Ein Vakuumventil regelt die nachströmende Wassermenge. Nach Wegschalten der Druckluft über ein Regelorgan von Hand oder über ein Zeittakt gesteuertes Umschaltventil schiebt eine Gegendruckfeder eine Reinigungsnadel in den Düsenmund. Der Vorteil dieser Technik liegt in der geringen Größe der Aerosole, in der garantierten tropfenfreien Befeuchtung und in dem geschlossenen System, das direkt und ohne offene Vorratsbehälter an das Trinkwassernetz angeschlossen ist. Zur Vermeidung von Ablagerungen aus dem Rohwasser empfiehlt sich die Wasseraufbereitung in Form einer Umkehrosmose. Für besonders kritische Anwendungsfälle kann zusätzlich eine UV-Bestrahlung oder eine Ionisierung nach der Wasseraufbereitung zugeschaltet werden.

Bild 4: Zweistoff-Zerstäubungsdüse

In der Hauptsache wird diese Technik zur direkten Raumluftbefeuchtung eingesetzt wie z.B.

Mechanische Zerstäubung

Die wohl älteste, industriell in Serie hergestellte Befeuchtungstechnik ist die Scheiben-Zerstäubungstechnik. Luftbefeuchter dieser Art werden heute in der Hauptsache nur noch zur direkten Raumluftbefeuchtung eingesetzt.

Ein klassischer Zerstäubungsluftbefeuchter ist in Bild 5 dargestellt. Das zur Luftbefeuchtung verwendete Wasser strömt über das Zulaufventil in ein Vorratsbecken (2), das über elektronische Steuerungstechnik ständig gespült und entleert wird. Ein Elektromotor treibt die rotierenden Zerstäubungsteller und die Zentrifuge, über die das Wasser "angesaugt" und auf die Teller gebracht wird. Aufgrund der hohen Umlaufgeschwindigkeit der Teller bildet sich ein feiner Wasserfilm, der zum Ende des Tellers hin immer dünner wird, an der Kante abreißt und gegen den Zerstäuberkranz (5) - Tropfabscheider - geschleudert wird, der wiederum größere Partikel als Wassertropfen in das Vorratsbecken zurückleitet. Schwebefähige Partikel, die Aerosole, durchdringen den Kranz und werden von einem vorbeiströmenden Luftstrom (7) mitgerissen und an die umgebende Atmosphäre abgegeben, um hier unter Entzug der Umwandlungsenergie in Wasserdampf überzugehen. Die so mechanisch hergestellten Aerosole haben eine Größe von 5 bis 15 µm. Diese Technik wird in der Hauptsache zur direkten Raumluftbefeuchtung, bei der Obst- und Gemüselagerung und im Treibhaus eingesetzt.

Bild 5: Prinzipschema eines Scheibenzerstäubers.

Ultraschallzerstäubung

Eine relativ junge Technik ist die Ultraschall-Luftbefeuchtung, die aufgrund sehr geringer Anschlußwerte oft in Verbindung mit RLT-Anlagen eingesetzt wird. Der Vorteil dieser Art der Befeuchtung - es ist im Grunde genommen ebenso eine Zerstäubungsluftbefeuchtung wie die beiden vorher beschriebenen Techniken - liegt vor allem in der Größe der erzeugten Aerosole von <1µm und einer damit verbundenen relativ kurzen Vermischungsstrecke. Trotzdem müssen für einen einwandfreien Betrieb innerhalb eines RLT-Systems einige wichtige Kriterien bekannt sein und beachtet werden.

Grundsätzlich ist diese Technik ähnlich zu behandeln wie die vorher genannten Befeuchtungsarten. Auch hier wird die zur Aggregatzustandsänderung erforderliche Energie der umgebenden Atmosphäre entzogen. Über einen piezokeramischen Schwinger (auch Transducer genannt), der am Boden eines Wassergefäßes installiert ist, wird der Wasserstand in engen Toleranzen konstant gehalten und elektrische in mechanische Energie umgesetzt. Die in der Ultraschallbefeuchtungstechnik eingesetzten Schwinger sind nach der Dickenvibrationsmethode konstruiert, d.h., daß sich entsprechend einer gegebenen hochfrequenten Wechselspannung (ca. 1,7 MHz) die Materialstärke des Schwingers vergrößert und verkleinert. Die über dem Schwinger stehende Wassersäule wird mit der gleichen Frequenz erregt. Da das Wasser aufgrund der Viskosität diesen hochfrequenten Schwingungen nicht folgen kann, entsteht ein momentanes Vakuum, verbunden mit einer sehr starken Kompression. Die Folge ist die explosive Bildung von Luftblasen, die mit großer Kraft aufeinandertreffen und zu einer Porösität des Wassers an dessen Oberfläche führt. Die Technik spricht hier von einem Kavitationsphänomen (einer Hohlraum- oder Hohlsogbildung), wie sie an Wasserturbinen, Schiffsschrauben usw. beobachtet wird. Da der Vorgang im Schwingerbrennpunkt kurz unter der Wasseroberfläche geschieht, kommt es zur Brechung von Kapillarwellen (durch Oberflächenspannung bedingte Kräuselwellen mit relativ kleiner Wellenlänge). Über dem Schwingerbrennpunkt, dem Fokussionspunkt, bildet sich eine rüsselähnliche Säule, aus der heraus feinste Nebelteilchen nach oben geschleudert werden. Damit der aufsteigende Nebel nicht wieder in sich zusammenfällt, ist der Schwinger im Ultraschalluftbefeuchter etwas schräg angeordnet.

Bestandteile des Rohwassers (Mineralien, Schwebstoffe, Algen, Bakterien u.ä.) können sich an den Transducern anlagern bzw. festsetzen und damit isolierend wirken, so daß sie nach kurzer Betriebsdauer durchbrennen. Es ist deshalb unbedingt erforderlich, mit vollentsalztem Wasser zu arbeiten. Hierbei ist die Technik der Umkehrosmose, schon aufgrund der Eigenschaft, ein Teil der vom Wasser mitgeführten Bakterien zurückzuhalten, allen anderen Aufbereitungsarten vorzuziehen.

Tabelle 3: Kriterien für den Einsatz der Ultraschall-Luftbefeuchtung in RLT-Anlagen

Luftgeschwindigkeit im freien Querschnitt

> 2,5 m/s

Vermischungsstrecke

> 2,5 m

Lufttemperatur vor dem Luftbefeuchter

> 20°C

Befeuchtungsleistung (Dx)

< 4 g/kg

Lebensdauer der Transducer (Herstellerangaben)

8 bis 10000 Betriebsstunden

Das Leitungsspektrum für RLT-Systeme pro Gerät geht bis 25 kg/h und für die Raumlufbefeuchtung bis 6 kg/h. Proportionale Ansteuerung ist heute schon bei einigen Ausführungen im Bereich "0 bis 100%" Befeuchtungsleistung möglich. Regelmäßige Entleerung der Wasserwanne und gleichzeitige Spülung der Versorgungsleitung ist aus hygienischen Gründen sinnvoll. Die 230-V-Spannung muß über Transformatoren auf eine Betriebsspannung von 48 V bei einer Toleranz von ± 10% gebracht werden. Zur Vermeidung größerer Spannungsverluste sind die Transformatoren immer in der Nähe der Befeuchter anzuordnen. Bei größeren Abständen (z.B. Schaltschrankeinbau) sind die Kabelquerschnitte entsprechend den örtlichen Vorschriften und den Herstellerangaben vorzusehen.

Aufgrund langjähriger Erfahrung in Theorie und Praxis sollten für einen einwandfreien Betrieb dieser Technik in Verbindung mit RLT-Systemen die in Tabelle 3 aufgeführten Kriterien berücksichtigt werden.

Hygieneuntersuchungen mit kontaminierten Wässern in einem Ultraschalluftbefeuchter belegen, daß durch die hohe Schwingungsfrequenz Bakterien und Keime im Befeuchtungswasser zerstört werden. Somit kann diese Technik auch unter hygienischen Gesichtspunkten als Alternative zur Dampfluftbefeuchtung angesehen werden.

(Fortsetzung folgt)

B i l d e r :   Axair Deutschland GmbH, Garching

*) adiabat: (hier) ohne Wärmezufuhr, h = konstant

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