Hygiene und Luftbefeuchtung

Luftbefeuchtung als Bestandteil von RLT-Anlagen

Reinhard Steiner Teil 3

Nachdem im 1. Teil der Serie die Grundzüge der Luftbefeuchtung erläutert und im 2. Teil die adiabatische Luftbefeuchtung* besprochen wurde, erläutert der Autor im 3. und letzten Teil ausgiebig die Befeuchtung der Luft mittels Dampf.

Bild 1: Elektrodendampfluftbefeuchter mit der Möglichkeit, den Dampfzylinder zu reinigen.

3.2 Dampfluftbefeuchtung

Die ideale Befeuchtungstechnik für die Luftbefeuchtung in geschlossenen Räumen und für RLT-Systeme ist, schon aus Gründen der besseren Regelbarkeit und vor allem auch aus Gründen der Hygiene, die Dampfluftbefeuchtung. Hinzu kommt, daß diese Befeuchtungsart isotherm, also annähernd auf der Temperaturkonstanten - entlang der h-Linie - verläuft.

Eigendampfluftbefeuchter

Bei der Eigendampfluftbefeuchtung wird in Dampfzylindern (aus Kunststoff oder Edelstahl) unter Verwendung elektrischer Energie Dampf erzeugt. Am Markt existieren heute zwei Prinzipien:

- die Elektrodendampferzeugung und

- die Widerstandsheizung.

Da in dem zur Befeuchtung verwendeten Wasser Mineralien, Schwebstoffe, Tone, Bakterien, Keime u.a. enthalten sind, muß die Leitfähigkeit des zu verdampfenden Wassers in den Dampfzylindern durch dosiertes Ablassen und dosierte Nachspeisung ständig konstant gehalten werden. Besondere Aufmerksamkeit gilt dabei vor allem den Härtebildnern, die durch auskristallisieren erhebliche Probleme verursachen. Da in den meisten Fällen Rohwasser in Trinkwasserqualität aus den öffentlichen Versorgungsnetzen verwendet wird, sind außer den einschlägigen Vorschriften für den Betrieb von Elektrogeräten (VDE-Vorschriften) besonders die Vorschriften des DVGW und der DIN 1988 zu beachten und einzuhalten. Der erzeugte Dampf wird meistens über flexible, bis 5 m lange Schlauchleitungen oder über isolierte Kupferrohre (Längen bis ca. 10 m) in ein RLT-System gespeist oder über ein Ventilationsaggregat direkt in einen Raum abgegeben.

Aufgrund moderner Prozessortechniken können heute mit Kombinationen aus mehreren Einheiten (Master-Slave-Systeme) Luftbefeuchtungsleistungen bis 320 kg/h erreicht werden. Aus wirtschaftlichen Überlegungen liegt die Grenze bei etwa 180 kg/h. Bei höheren Leistungen sollte aufgrund geringerer Gesamtkosten das Druckdampfsystem angewendet werden. Bei längeren Stillstandszeiten muß bei allen Eigendampfluftbefeuchtern das Wasser aus den Zylindern entleert werden.

Bild 2: Geöffneter Dampfzylinder; er läßt sich reinigen.

Elektrodendampfluftbefeuchter

Bei dieser Technik wird der elektrische Strom durch den Widerstand des Wassers in Wärme umgewandelt, d.h., Leitfähigkeit des Wassers, Elektrodenfläche, Elektrodenabstand, Eintauchtiefe der Elektroden und Stromfluß stehen in einer direkten Funktion zueinander (Bild 1). Um den Härtebildnern im Wasser eine möglichst große Oberfläche zu bieten, werden sogenannte Großflächenelektroden eingesetzt. Die Härtebildner kristallieren an diesen Elektroden aus und wirken isolierend. Da das Wasser zur Verdampfung eine der Stromaufnahme zugeordnete Eintauchtiefe der Elektroden benötigt, wandert der Wasserspiegel im Dampfzylinder stetig nach oben, bis die zur Verfügung stehende Elektrodenfläche immer kleiner und damit die Dampfabgabeleistung geringer wird. Ein elektrisches Signal meldet den Zylindervollstand optisch. Dann wird der Zylinder entweder gegen einen neuen getauscht (Einwegprinzip) oder es werden nach Reinigung des Behälters die Elektroden gegen neue ersetzt (Reinigungsprinzip). Um auch bei Gerätestillstand die ständige Startbereitschaft gewährleisten zu können, bleiben die Elektroden im Wasser eingetaucht. Die Dampfabgabe ist deshalb im unteren Bereich auf 10 bis 20% der Dampfabgabeleistung begrenzt. Die Industrie bietet heute Einweg-Dampfzylinder an, die gegen neue ausgetauscht werden, wenn sie mit Mineralien angereichert sind. Vorteil: Kurze Umrüstzeiten.

Ein neuer Dampfzylindertyp ist in Bild 2 dargestellt, bei dem das Öffnen und Tauschen der Elektroden ohne Werkzeug möglich ist. Zudem ist die kritische Nahtstelle zum Zylinderdeckel hin verlegt. Durch Veränderung der Elektrodenabstände (180°-Drehung) ist eine noch bessere Anpassung an die vorhandenen Rohwasserqualitäten möglich.

Der erzeugte Dampf wird den Dampfverteilern zugeführt. Anfallendes Kondensat wird in das Gerät zurückgeführt, soweit der Verteiler über dem Gerät angeordnet ist. Bei Anordnung unterhalb der Dampfaustrittsöffnung muß das Kondensat drucklos abgeführt werden. Ist der Dampfverteiler saugseitig, also in Luftrichtung gesehen vor einem Ventilator angeordnet, muß, um gleiche Druckverhältnisse über dem Dampfaustritt zu gewährleisten, das Kondensat entweder wieder zurück in das Gerät geführt oder über ein Siphon bzw. einen U-Rohrbogen abgeleitet werden.

Bild 3: Schnitt durch einen Druckdampf-Luftbefeuchter, System ESCO.

Widerstands-Dampfluftbefeuchter

Der Dampf wird in einem leicht zu reinigenden Edelstahlzylinder, der zum Schutz gegen das Anwachsen der Härtebildner mit einer mehrfach verwendbaren Kunststoffolie ausgekleidet ist, durch Wärmeentwicklung in elektrischen Widerständen erzeugt (Prinzip des Tauchsieders). Dadurch ist diese Technik nicht von der Leitfähigkeit des verwendeten Wassers abhängig, so daß auch vollentsalztes Wasser genommen werden kann. Einen weiteren Vorteil bietet der stufenlose Regelbereich von 0 bis 100% der Dampfabgabeleistung.

Druckdampf-Luftbefeuchtung

Die Technik spricht auch von einer "Dampfumwandlung". Der zentral erzeugte Dampf wird über eine Regeleinheit, Kondensatabscheidung und Dampfverteilung an ein RLT-System abgegeben. Direkte Raumluftbefeuchtung ist selten und nur mit hohem technischen Aufwand möglich. Häufig wird der zur Befeuchtung verwendete Dampf aus vollentsalztem Wasser erzeugt. Dieser Tatsache ist bei der Auswahl der jeweiligen Geräte und der Rohrleitungen besondere Beachtung zu schenken. Weiterhin ist zu berücksichtigen, daß die DIN 1946 Teil 4 die Zudosierung dampfflüchtiger Sauerstoffbindemittel verbietet.

Bezogen auf jeweils vorhandene Luftvolumenströme können Kombinationen für Befeuchtungsleistungen bis zu 2 t/h hergestellt werden. Aufgrund der Temperaturbeständigkeit der Stopfbuchsen an der Ventilspindeldurchführung sind die Betriebsdrücke bis auf einzelne Ausnahmen auf 4,0 bar (entsprechend einer Sattdampftemperatur von 150°C) begrenzt. Die Technik kennt zwei unterschiedliche Systeme, die von der Aufgabenstellung als gleichwertig anzusehen sind und die sich in Verbindung mit RLT-Anlagen seit Jahren bewähren. Die Definition zur Unterscheidung der beiden Techniken hat sich im langjährigen Sprachgebrauch gebildet und beschreibt deren Wirkungsweise. Es handelt sich um das offene und das geschlossene System.

Bild 4: Druckdampf-Luftbefeuchter System ESCO mit senkrechten Verteilerrohren und Kollektor.

Offenes System

Dabei wird der zur Befeuchtung verwendete Dampf zunächst über den integrierten Schmutzfänger und die Abscheider-/Regeleinheit in den Dampfverteiler geleitet und dort an die umgebende Atmosphäre abgegeben. Im Dampfverteiler anfallendes Kondensat wird über eine separate Kondensatleitung und einen Sekundärkondensatableiter drucklos abgeführt. Kondensat aus der Abscheidereinheit kann unter Druck an ein Sammelkondensatnetz abgeführt werden, soweit im Kondensatsystem nicht mehr als 50% des Vordruckes als Gegendruck herrscht. Das System bietet den Vorteil, daß sofort nach Schließen des Regelventiles die gesamte Einheit Umgebungstemperatur annimmt und so im RLT-System keine zusätzliche Wärmebelastung darstellt (Bild 3).

Das in Bild 4 dargestellte System mit stehenden Dampfverteilern und integrierten Düsen auf einem Verteilkollektor und Abströmung quer zum Luftstrom ist mit einem dicht schließenden Keramikdrehschieberventil ausgerüstet. Es ist sehr widerstandsfähig und garantiert eine hohe Regelgenauigkeit. Aufgrund der geringen Reibungsverluste kann mit relativ kleinen Drehantrieben gearbeitet werden. Die Sphäroguß-Abscheider-/Regeleinheit ist TÜV-geprüft.

Bild 5: Schnitt durch ein Dampfverteilerrohr mit Dampfdüse.

Der eigentliche Dampfverteiler ist in Bild 5 dargestellt. Der Dampf tritt aus der Kernzone des Edelstahldampfverteilers durch die eingeschraubten leistungsdefinierte Edelstahldüsen aus. Bedingt durch den Sekundärkondensatableiter am Kondensatablauf herrscht im Dampfverteilrohr selbst ein geringer Überdruck mit ca. 0,15 bar. Dieser Überdruck bewirkt, daß der Dampf beim Durchströmen durch die Düsenbohrung eine Geschwindigkeitszunahme im Bereich 150 bis 170 m/s erfährt. Durch die entstehende Reibungswärme erfolgt ohne zusätzliche Energiezufuhr eine Nachverdampfung von noch mitgerissenem Restkondensat. Das dargestellte System ist eine Lösung, die sehr kurze Vermischungsstrecken erlaubt, teilweise (aufgrund der definierten Feinabströmung quer zum Luftstrom) unter 1 m.

Geschlossenes System

Bei dem zur Luftbefeuchtung verwendete Dampf durchströmt zuerst den Außenmantel des Dampfverteilers, um dann über eine Abscheidereinheit und das Regelventil in das eigentliche Dampfverteilerrohr zu gelangen. Durch die Vorbeheizung über den Außenmantel soll die Auskondensierung im Innenrohr vermieden werden (Wärmetauschereffekt), was bei niedrigen Dampfdrücken bzw. -temperaturen fraglich ist.

Bild 6: Definition der Abstände nach einem Druckdampf-Luftbefeuchter.

3.3 Vermischungsstrecken und Befeuchtungstechnik

Unter einer Vermischungsstrecke wird der Raum verstanden, in dem nach einer Luftbefeuchtungseinheit der Übergang von Wasser in Wasserdampf vonstatten geht und die Luft den Dampf ohne Auskondensierung bzw. Niederschläge aufnimmt. Das gilt auch für die Dampfluftbefeuchtung.

Für die Dampfluftbefeuchtung existieren die derzeit einzigen aussagefähigen Unterlagen. Das Bild 6 zeigt die einzelnen Abstände nach einem Dampfluftbefeuchter mit vertikal stehenden Dampfverteilern und quer zum Luftstrom abströmendem Dampf. Die Kurzbezeichnungen für die einzelnen Abstände nach einem Luftbefeuchter gelten sinngemäß auch für andere Luftbefeuchtungstechniken und bedeuten im einzelnen:

"B_N" bezeichnet den Abstand des sichtbaren Nebels nach dem Befeuchter und den Mindestabstand zum nächsten Hindernis wie Ventilator, Abzweig, Übergang, Krümmer o.ä. Diese Nebelzone ergibt sich nach den Gesetzen der Physik: heißer Dampf trifft auf kalte Luft. Ein geringer Teil des Dampfmassenstromes kondensiert aus. Da die Energie im Dampf noch vorhanden ist, geht dieser "Nebel" auch in kurzer Zeit (nach kurzer Strecke) in Wasserdampf über. Das, was die umgebende Atmosphäre nicht absorbieren kann, fällt am nächsten widerstandsbildenden Bauteil (Bogen, Krümmer, Abzweig usw.) als Kondensat aus.

"B_F" bezeichnet den Abstand zum nächsten Feinfilter;
"B_S" bezeichnet den Abstand zum nächsten Schwebstoffilter;
"B_M" bezeichnet den Abstand zum nächsten Meßpunkt, d.h. der möglichen Position des Sicherheitshygrostaten. Erst in diesem Abstand kann davon ausgegangen werden, daß der Dampf sich über den gesamten Querschnitt eines RLT-Systems gleichmäßig ausgebreitet hat. Aufgrund der Anlagengeometrie ist es nicht immer möglich, den in der Praxis ca. 5- bis 6fachen Wert von "B_N" einzuhalten, so daß immer wieder auf die Anlagen bezogene Kompromißlösungen gefunden werden müssen.

Bild 7: Nomogramm für Befeuchtungsstrecken.

Bild 7 zeigt ein Nomogramm für unterschiedliche Abstände nach einem Dampfluftbefeuchter mit Düsenverteilung quer zum Luftstrom für "B_N", "B_F" und "B_S" bei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichen Luftgeschwindigkeiten mit einem Feuchtegehalt vor dem Befeuchter von 1 g/kg. Mit dieser Hilfe ist die erforderliche Vermischungsstrecke relativ leicht zu bestimmen. Anders verhält es sich mit waagerecht in ein System integrierten Dampfverteilern. Der austretende Dampf bildet ebenfalls die beschriebene Nebelzone. Nur ist die sich bildende Nebelfahne nach dem Verteiler wesentlich dichter und kompakter und benötigt deshalb mehr Zeit (Strecke), um in Wasserdampf überzugehen. Diese Streckenverlängerung wird als Zuschlag mittels eines besonderen Nomogrammes ermittelt.

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

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

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