DE102008045672A1

DE102008045672A1 - Befeuchtungsvorrichtung von Gasen mit integrierter Taupunktkalibrierung

Info

Publication number: DE102008045672A1
Application number: DE102008045672A
Authority: DE
Inventors: Heinz Prof. Dr. Falk; Martin Falk
Original assignee: FALK STEUERUNGSSYSTEME GmbH
Current assignee: FALK STEUERUNGSSYSTEME GmbH
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-08-16
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2028-08-17
Also published as: DE102008045672B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Befeuchtung von Gasen, wobei eine integrierte Kalibrierung der eingebrachten Feuchtigkeitsmenge die exakte Einhaltung vorgegebener Taupunkt-Temperaturen bei veränderlichen Gasdurchsätzen gewährleistet. Bei der erfindungsgemäßen Befeuchtungsvorrichtung wird ein Teilstrom des zu befeuchtenden Gases zunächst durch ein temperaturgeregeltes Verdampfergefäß geführt, anschließend durch ein Kondensationsgefäß geleitet und schließlich mit einem weiteren Teilstrom des zu befeuchtenden Gases gemischt. Die Temperatur des Kondensationsgefäßes ist stets niedriger als diejenige des Verdampfergefäßes. Die erfindungsgemäße Befeuchtungsvorrichtung benötigt keine Feuchtigkeitssensoren und gestattet eine langzeitig stabile Befeuchtung ohne eine Kalibrierung von Sensoren.

Description

1. Stand der Technik
Die Befeuchtung von Luft und anderen Gasen ist für die Klimatisierung aber auch für viele technische Prozesse unabdingbar. Während in der Klimatechnik der Feuchteanteil, messbar durch die Taupunkt-Temperatur der Luft, in recht weiten Grenzen variieren kann, werden für technische Prozesse häufig sehr geringe Toleranzen des Taupunktes des jeweiligen Gases verlangt. Zusätzlich erfordern viele technische Prozesse, dass der Taupunkt des Gases einem vorgegebenen Zeitverlauf folgt. Das ist z. B. bei der Behandlung und Vergütung von Metalloberflächen mittels Tauchbeschichtung der Fall, wobei der Wasserdampf an chemischen Reaktionen während des Beschichtungsprozesses beteiligt ist. Ähnliches gilt auch für andere technische Beschichtungsverfahren. Die zunehmend an Bedeutung gewinnende Brennstoffzellentechnologie erfordert ebenfalls die Einhaltung enger Grenzen für den Taupunkt von Reaktionsgasen. Ein Beispiel für eine solche Befeuchtungsvorrichtung für die Prozessgase Luft oder Wasserstoff ist in der Patentschrift Publ.-Nr. KR20040101110 („Apparatus for accurately and promply controlling humidity of fuel cell by controlling Pressure in humidifier”) beschrieben. Dabei wird Wasser im Befeuchter verdampft und dem Gas zugemischt. Der Feuchtegehalt wird mit einem Sensor gemessen und Gasdurchsatz und Verdampfertemperatur derart geregelt, dass ein vorgegebener Taupunkt am Eingang der Brennstoffzelle eingehalten wird. Nach dem gleichen Prinzip arbeitet eine Vorrichtung entsprechend Patentschrift Publ.-Nr. KR20020050534 .
Es gibt eine beträchtliche Anzahl weiterer Varianten für geregelte Befeuchtungsvorrichtungen, welche auf der Messung des Wasserdampfdruckes oder des Taupunktes mit Hilfe von Sensoren beruhen.
Die Abhängigkeit der Einhaltung eines gewünschten Taupunktes eines zu befeuchtenden Gases vom Messwert eines Feuchtesensors ist ein Nachteil, da jede Fehlfunktion sich unmittelbar auf den Taupunkt auswirkt. Deshalb erfordern Feuchtesensoren eine wiederholte Kalibrierung, wobei zwischenzeitlich auftretende Abweichungen nicht bemerkbar sind und entsprechend größere Fehler des Taupunktes des befeuchteten Gases bewirken. Darüber hinaus benötigen Feuchtesensoren eine bestimmte Einstellzeit, wodurch sich der Übergang zu einem geänderten Taupunkt entsprechend verlangsamt vollzieht. Die Einstellzeit von Feuchtesensoren zeigt im Allgemeinen eine Hysterese, das heißt, für ansteigende und abfallende Taupunkte ergeben sich verschiedene Einstellzeiten. Schließlich verursacht ein Feuchtesensor erhebliche Kosten für die Anschaffung und die regelmäßige Kalibration.
Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines vorgegebenen Befeuchtungsgrades durch Regelung der Heizleistung eines Verdampfers in einem Luftbefeuchter bekannt ( EP 1796771 , angemeldet am 15.9.2005 „Humidifier including a device for regulating the degree of humidification of the air flow”). Derartige Systeme haben eine große Einstellzeit und ermöglichen nur eine ungenaue Einhaltung vorgegebener Taupunkte, sind somit nicht für technische Prozesse mit hohen Anforderungen an die Einhaltung von Zeitverläufen der Feuchte von Gasen geeignet.
2. Aufgabenstellung
Zur Befeuchtung von Gasen ist eine Vorrichtung wünschenswert, welche die Einhaltung vorgegebener Feuchtegehalte (Sollwerte), gemessen z. B. durch die Taupunkttemperatur, in engen Grenzen gestattet. Auch zeitlich veränderliche Sollwerte müssen mit geringer Verzögerung ohne zusätzliche Kalibration der Befeuchtungsvorrichtung über lange Zeiträume eingehalten werden. Die wünschenswerte Befeuchtungsvorrichtung soll einen weiten Feuchtebereich von ca. –60°C bis über 50°C für geringe und große Durchflussmengen des zu befeuchtenden Gases gestatten.
3. Erfindungsbeschreibung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem geschlossenen beheizten Verdampfer, welcher mit Flüssigkeit gefüllt ist und Dampf gegebenenfalls gemeinsam mit einem Trägergas durch ein geschlossenes temperiertes Kondensationsgefäß hindurchführt. Die Temperatur des Kondensationsgefäßes wird auf einem Wert stabilisiert, der niedriger ist als die Temperatur des Verdampfers. Das Kondensationsgefäß besitzt eine große innere Oberfläche, so dass der hindurchströmende Dampf die Temperatur der Gefäßwand annimmt und sich mithin der dieser Temperatur entsprechende Dampfdruck einstellt. Die überschüssige Dampfmenge kondensiert im Kondensationsgefäß und wird in den Verdampfer zurückgeführt. Die Taupunkt-Temperatur des aus dem Kondensationsgefäß austretenden Dampfes ist dann genau gleich der Gefäßtemperatur. Durch Mischung des austretenden Dampfes mit dem zu befeuchtenden Gas kann jede beliebige Taupunkt-Temperatur unterhalb der Temperatur des Kondensationsgefäßes eingestellt werden.
4. Ausführungsbeispiel
Die oben beschriebene Vorrichtung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Aus dem Schema in 1 sind die wichtigsten Komponenten einer erfindungsgemäßen Befeuchtungsvorrichtung dargestellt. Die Funktionen der einzelnen Komponenten sind in Stichworten angegeben. Die Temperatur und das Flüssigkeitsniveau im Verdampfer werden elektronisch geregelt. Ein Teil des zu befeuchtenden Gases wird durch den Durchflussregler MFC1 in den Verdampfer geleitet. Ein Gas-Dampfgemisch mit einem Taupunkt, welcher etwa gleich der Verdampfertemperatur ist, wird über eine Rohrleitung in den Kondensator geführt. Der Kondensator hat eine deutlich niedrigere Temperatur als der Verdampfer, wodurch ein Teil des Dampfes kondensiert und in den Verdampfer zurückläuft. Die in den Kondensator eingebrachte Kondensationswärme wird durch ein Kühlaggregat (in 1. weggelassen), z. B. mittels Peltierelementen, abgeführt. Das Gas-Dampfgemisch gelangt aus dem Kondensator durch eine Rohrleitung zu einer Verzweigung („Mischpunkt”), in welcher über den Durchflussregler MFC2 genau soviel Gas zufließt, wie zur Erreichung des gewünschten Taupunktes erforderlich ist. Je nach Anwendungsfall kann das Gas aus MFC2 eine Temperatur oberhalb der Kondensatortemperatur besitzen, um Kondensation von Dampf zu vermeiden. Verdampfer und Kondensator sind jeweils aus thermisch gut leitendem Material hergestellt und sind zur Minimierung des Energiebedarfs nach außen thermisch isoliert.
Das obige Ausführungsbeispiel erfüllt alle in der Aufgabenstellung enthaltenen Forderungen und benötigt keinen Feuchtesensor.
Eine zweckmäßige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet eine Messung der im Kondensator umgesetzten Kühlleistung zur Ermittlung der kondensierten Dampfmenge. Mit der Kondensatmenge als Führungsgröße kann die Heizleistung des Verdampfers und damit dessen Temperatur derart geregelt werden, dass die Kondensatmenge auf einem vorgegebenen Wert konstant gehalten wird. Durch diese Regelung wird einerseits der Energieverbrauch des Befeuchters minimiert und gleichzeitig sichergestellt, dass der Sättigungsdampfdruck entsprechend der Temperatur des Kondensators erreicht wurde.
Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann darin bestehen, dass mehrere Verdampfer und zugehörige Kondensatoren mit unterschiedlichen Volumina parallel angeordnet einen Befeuchter bilden und jedes Teilsystem separat zuschaltbar ist. Eine solche Anordnung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn ein sehr großer Bereich für die Gasdurchflussmenge oder des Feuchtegrades abgedeckt werden soll.
Anhang:
1: Flussschema Befeuchter mit Taupunkt-Kalibration.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- KR 20040101110 [0001]
- KR 20020050534 [0001]
- EP 1796771 [0004]

Claims

Befeuchtungsvorrichtung für Gase mit interner Kalibrierung, dadurch gekennzeichnet dass, die für die Befeuchtung verwendete Flüssigkeit in einem geschlossenen Verdampfergefäß verdampft und der Dampf gemeinsam mit einem dem Verdampfergefäß zugeführten ersten Teilstrom des zu befeuchtenden Gases über eine Rohrleitung durch ein geschlossenes Kondensationsgefäß hindurchgeführt wird und mit einem zweiten Teilstrom des zu befeuchtenden Gases gemischt wird, wobei die Temperatur des Verdampfergefäßes höher ist als die Temperatur des Kondensationsgefäßes.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Kondensationsgefäßes niedriger ist als die Umgebungstemperatur.
Befeuchtungsvorrichtung nach Ansprüchen 1. und 2., dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensationsgefäß mit einem schaltbaren Element zur Kühlung oder Heizung, insbesondere auf der Basis von Peltierelementen, ausgestattet ist, die Kühlleistung gemessen, dieser Messwert mit einem Sollwert verglichen und die Abweichung zur Regelung der Heizleistung des Verdampfers benutzt wird.
Befeuchtungsvorrichtung nach Ansprüchen 1. bis 3., dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitsniveau innerhalb des Verdampfers auf konstanter Höhe durch geregelte Zufuhr von Flüssigkeit gehalten wird.
Befeuchtungsvorrichtung nach Ansprüchen 1. bis 4., dadurch gekennzeichnet, dass das im Kondensatorgefäß gebildete Kondensat mit Hilfe einer gegen die Umgebung abgeschlossenen Rohrleitung in den Verdampfer zurückgeführt wird.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1. bis 5., dadurch gekennzeichnet, dass anstelle von Wasser eine andere Flüssigkeit verwendet wird.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1. bis 6., dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus mindestens zwei Vorrichtungen nach Anspruch 1. mit verschiedenen Volumina besteht, welche abwechselnd oder parallel betrieben werden.