DE19503937C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Luftaufbereitung in geschlossenen Räumen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Luft (Reinigung, Befeuchtung und Ionisierung) in geschlossenen Räumen durch eine nicht stationär gebundene kompakte Vorrichtung mit hoher Fernwirkung bei geringem Wartungsaufwand, wobei eine Einmischung von Frischluft möglich ist.

Bei der Luftaufbereitung, vor allem für Wohnräume, ist es nicht nur notwendig, diese von Feststoffen, Aerosolen und Gase zu befreien, auch die Elektroklimatisierung und die Befeuchtung sind wesentliche Merkmale für eine gesunde Atemluft.

Die den Menschen umgebende Atemluft kann durch eine Vielzahl verschiedener Stoffe wie zum Beispiel Blütenpollen, Staub, Ruß, Aerosolen aus Reinigungssprays, Zigarettenrauch, Formaldehyd und Ozon verunreinigt sein.

Diese Verunreinigungen können zu Befindlichkeitsstörungen (wie z. B. Kopfschmerzen, Konzentrationsstörungen) bzw. Zu Erkrankungen (z. B. Allergien) führen. Stoffe wie Formaldehyd stehen zusätzlich im Verdacht Krebs zu erzeugen; Benzole gehören zu den Krebsauslösern.

Doch nicht nur die verschiedenen Stoffe in der Luft, auch ihre Ladung steht in Wechselwirkung mit dem menschlichen Organismus.

In der den Menschen umgebenden Atmosphäre ist stets eine Mischung von positiven und negativen Ionen vorhanden. Allgemein überwiegen in geschlossenen Räumen, infolge der Raumausstattung, die positiven Ionen. Treten nun in der Luft Feldstärkeschwankungen der Ladung auf, können bei anfälligen und labilen Menschen dadurch Beeinträchtigungen des vegetativen Nervensystems auftreten. Bei großen Schwankungen des elektrischen Feldes in der Luft treten Beschwerden auf.

Es ist aber nicht nur sinnvoll die Luft auf einem konstanten Ionisierungspotential zu halten, es ist auch erwiesen, daß es sich sehr positiv auf Menschen auswirkt, wenn sie sich in einer Umgebung mit negativ ionisierter Luft befinden.

Negativ ionisierte Luft besteht zum großen Teil aus negativ geladenen Sauerstoffatomen.

Sauerstoff, der nicht ionisiert ist, ist biologisch inaktiv. Ionisierter Sauerstoff wirkt sich unter anderem positiv dadurch aus, daß er einen Dispersionseffekt (Antikoagulanseffekt) auf die im Blut auftretenden Elemente (rote Blutkörperchen, Leukozyten und Thrombozyten) hat und diese daran hindert, sich an den Wänden der Gefäße festzusetzen.

Das Einatmen eines zu großen Anteils positiver Ionen führt dagegen zu einer Herabsetzung des Sauerstoffpegels im Blut und zu einer Erhöhung der Serotoninansammlung (HT-5), eines Nervenhormons, das Schläfrigkeit, Depressionen, Reizbarkeit, Atembeschwerden und Kopfschmerzen auslöst. Die Einatmung negativer Ionen verstärkt die Fähigkeit des Körpers, Sauerstoff aufzunehmen und setzt den Serotoninpegel herab. Es ist bekannt, daß eine derartige Einatmung das allgemeine Wohlbefinden verbessert.

Gesundes Raumklima ist weiterhin charakterisiert durch eine konstante, genügend hohe Luftfeuchtigkeit.

Es ist weiter bekannt, daß eine zu geringe Luftfeuchtigkeit, etwa unter 40% die Schleimhäute austrocknet. Diese verlieren dann ihre Filter- und Abwehrfunktion gegenüber Viren und Bakterien. Hierdurch werden Infektionen, die über den Nasen-Rauchenraum in den Körper gelangen begünstigt.

Bereits bekannte Vorrichtungen dienen lediglich der Hydroionisation (EP 554 591 A1, EP 367 917 A2) und sind damit nicht geeignet eine Reinigungsfunktion der Luft zu übernehmen. Bei einer bekannten Vorrichtung zur Ionisation von Raumluft (DE 91 05 863 U1) wird die Raumluft mittels Coronaentladung ionisiert. Diese Vorrichtung schließt in ihrer Funktionalität die Befeuchtung und Reinigung der Luft nicht mit ein. Bei einer weiteren bekannten Vorrichtung zur Erzeugung von ionisierter, gereinigter und befeuchteter Luft (DE 43 38 713 A1) kann aufgrund der parallelen Anordnung von Lufteinlass und Luftauslass keine gute Fernwirkung der Vorrichtung erzielt werden. Außerdem ist bei dieser Vorrichtung keine Einmischung von Frischluft möglich.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das die Funktionen Luftreinigung, Ionisierung und Befeuchtung in einer mobilen, kompakten Vorrichtung mit guter Fernwirkung und der Möglichkeit zur Frischlufteinmischung vereint.

Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren und gemäß Anspruch 5 durch einen Luftwäscher gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 4 und zweckmäßige Ausgestaltungen eines Luftwäschers in den Ansprüchen 6 und 7 beschrieben.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Luft mit Wasser unter Nutzung mechanischer und vor allem auch der elektrostatischen Abscheidung durch die natürliche Polarisation des Wassers beim Versprühen (Lenard-Effekt) gewaschen wird.

Staubteilchen, die aus einem Gemenge unterschiedlicher Teilchen bestehen, vor allem wie sie sich in Wohnräumen befinden sind elektrostatisch nicht neutral. Fast alle Teilchen haben etwas Ladung der einen oder anderen Art. Das kann man damit belegen, daß Staubteilchen, wenn sie gegen eine Wand getrieben werden dort haften bleiben und ein leichter Luftzug nicht genügend Energie hat um sie wieder fortzuwirbeln. Zwei Teilchenarten können sich gegenseitig durch Berührung oder Reibung aufladen. Wenn nun z. B. ein positiv geladenes Staubteilchen langsam gegen die Wand driftet, dann werden der Wand negative Ladungen influenziert, es ist ein elektrisches Feld entstanden, das Teilchen wird zur Wand gezogen und bleibt dort elektrostatisch haften.

Man nimmt heute an, daß an den Oberflächen fester und flüssiger Medien elektrische Doppelschichten vorhanden sind. Der äußere Teil einer solchen Schicht besteht zum Beispiel aus Elektronen, welche von festen, an die Materie gebundenen Ladungsträgern in einem Gleichgewichtszustand gehalten werden, der den Körper nach außen hin neutral erscheinen läßt.

Schon bei der Berührung zweier Oberflächen können Elektronen aus der einen Oberfläche der Anderen angelagert werden, so daß nach der Trennung die erste durch einen Überschuß an Elektronen negativ und die Anderen positiv geladen sind. Die Höhe der Aufladung hängt von einer Reihe Faktoren ab, die noch nicht alle geklärt sind. Auch bei mechanischen Trennvorgängen wie beim Versprühen von Wasser entstehen elektrische Ladungen.

Hierauf basiert auch der Lenard-Effekt der das Entstehen von positiv und negativ geladenen Flüssigkeitstropfen beim Versprühen von Flüssigkeiten beschreibt.

Zusammengefaßt stellt man nun fest, daß sowohl in der Luft vorhandene Staubteilchen wie auch die beim Versprühen entstehenden Wassertropfen elektrisch nicht neutral sind. Nun kann man sich diesen Effekt zunutze machen, wenn es darum geht die Luft durch einen Wasservorhang zu leiten. Gemäß dem Coulombschen Gesetz ist die elektrostatische Wechselwirkung zwischen zwei geladenen Teilchen proportional ihrer Ladung und umgekehrt proportional dem Quadrat des Abstandes zwischen den Ladungen. Um diesen elektrostatischen Effekt zur Optimierung des Abscheidungsgrades beim Eindüsen von Wasser in einen Luftstrom zu nutzen müssen einige Faktoren berücksichtigt werden, die bei vorliegendem Verfahren optimiert wurden.

Zum einen ist es erforderlich für sehr langsame Gas- und Flüssigkeitsgeschwindigkeiten zu sorgen um eine möglichst lange Kontaktzeit bei gleichzeitig niedrigem Impuls der unterschiedlich geladenen Teilchen zu erreichen.

In der Vorrichtung, der dieses Verfahren zugrunde liegt, wird dies durch einen großen Strömungsquerschnitt erreicht, wodurch die Gasgeschwindigkeit bei etwa 0,5 m/s liegt, dabei aber noch ein ausreichender Gasdurchsatz erreicht wird. Weiterhin wird eine Pumpe (10) eingesetzt, die einen großen Volumenstrom fördert, jedoch nur einen kleinen Druck erzeugt. In einer dazu abgestimmten Düse (7), in der dem Flüssigkeitsstrom eine axiale Drallbewegung aufgezwungen wird, wird eine ausreichend feine Zerstäubung bei geringer Tropfengeschwindigkeit erreicht.

Die feine Zerstäubung ist erforderlich um eine geringe freie Weglänge zwischen den unterschiedlich geladenen Teilchen zu erreichen und somit gemäß dem Coulumbschen Gesetz eine möglichst hohe Anziehungskraft zwischen den Stoffen zu erhalten.

Da sich das Wasser hier aber in einem Kreislauf befindet und damit nicht bidestilliert ist, ist hier jedoch eine Grenze gesetzt. Erzeugt man feinste Wassertropfen, wie sie z. B. bei Verneblern entstehen, entstehen infolge des hohen Mineralgehaltes in hohem Maße sogenannte Konzentrationskeime, deren Oberflächenfeuchtigkeit schnell abtrocknet. Der trockene Mineralkern wird dann wieder ausgetragen, die Luft ist wieder staubhaltig, was gegen den gewünschten Effekt geht.

Bei dem hier angewandten Verfahren wird durch die hohe Oberfläche des durch die Düse (7) eingesprühten Wassers eine verstärkte Verdunstung und eine Erhöhung der Luftfeuchtigkeit erreicht. In der dem Verfahren zugrundeliegenden Vorrichtung sorgt zudem ein Feuchtigkeitssensor für eine Kontrolle der Luftfeuchtigkeit und schaltet das Gerät bei Erreichen einer zu hohen Luftfeuchtigkeit ab.

Für die Elektroklimatisierung sorgt eine dem Auswaschvorgang vorgeschaltete Ionisationsstrecke. Sie sorgt für einen Überschuß an negativen Ionen. Diese negativen Ionen bleiben, da die natürliche Aufladung der Wassertropfen beim Versprühen im glichen Maß positive wie negative Ionen freisetzt, nach dem Auswaschvorgang weitestgehend erhalten. Der Abscheidegrad wird dadurch deutlich verbessert, da die durch die Coronaentladung ionisierten Teilchen eine höhere Ladung tragen als die wie oben beschrieben durch natürliche Effekte ionisierten Teilchen.

In den Waschpausen wird ein Tel der negativen Ionen im geerdeten Waschwasser (6) abgeschieden (Wirkung wie bei bekannten elektrostatischen Naßabscheidern), der Rest dient der Ionisierung der Raumluft.

Neben der Aufgabe die Raumluft auf einem konstanten Ionisierungspotential zu halten werden hier auch weitere positive Effekte der negativen Ionisierung der Luft genutzt.

Weiterhin charakteristisch für das Verfahren ist die Luftführung. Hier wird der Luftstrom entgegen der Lehre nach dem Stand der Technik, von unten nach oben geführt, um den Dichteunterschied zwischen der Raumluft und der abgekühlten Luft am Ausgang für die Fernwirkung der Vorrichtung zu nutzen. Diese Technik verschlechtert zwar den Wirkungsgrad des Ventilators (4), da dieser jetzt statt das Dichtegefälle auszunutzen, dagegen anarbeiten muß, erfaßt aber, durch die entstehende Luftströmung ein größeres Raumvolumen.

Die bei Luftwäschern immer wieder bemängelte Verkeimung des Waschwassers wird durch eine in den Wasserkreislauf integrierte elektronische Entkeimungszelle unterbunden. Über zwei Elektroden wird dazu atomarer Wasserstoff bzw. Sauerstoff erzeugt, die über Oxydation bzw. Reduktion organische Verbindungen zerstören. Dadurch ist eine Wartung der Vorrichtung nur in großen Zeitintervallen durch einfaches Austauschen des Wassers notwendig, um den ausgewaschenen Schmutz und die ausgewaschenen Schadstoffe abzuführen.

Fig. 1 zeigt eine das erfindungsgemäße Verfahren umsetzende Vorrichtung im Schnitt. Neben dem Lufteintritt für die im Raum umgewälzte Luft (1) befindet sich der Frischluftanschluß (2). Das Verhältnis von Umluft zu Frischluft kann über einen Schieber (3) eingestellt werden. In Strömungsrichtung folgt der Ventilator (4), der Hochspannungsgenerator mit Entladeelektrode (5), das auf Erdpotential liegende Wasserreservoir (6), der durch die Düse (7) erzeugte polarisierte Wassertropfenvorhang (8), die Schalldämmzone (12) und die Austrittsöffnung (9). Aus dem Wasserreservoir (6) wird mittels Pumpe (10) das Wasser über eine Entkeimungszelle (11) gepumpt und der Düse (7) zugeführt.

Fig. 2 zeigt eine das erfindungsgemäße Verfahren umsetzende Vorrichtung für eine zentrale Aufstellung im Raum. Die Luft wird in Fußbodennähe angesaugt. Der Zustand der Luft am Lufteintritt entspricht dem des Raumes. In der Vorrichtung wird der Luft beim Waschvorgang die für die Verdunstung des Wassers notwendige Verdampfungsenthalpie entzogen. Die Luft am Austritt ist nahezu gesättigt (um 97% relative Feuchtigkeit) und hat die Temperatur der Waschflüssigkeit angenommen. Bei nicht gekühlter Waschflüssigkeit ist dies minimal die den Bedingungen im Raum zugeordnete Kühlgrenztemperatur. Die Luftdichte am Austritt ist, da der Abkühlungseffekt überwiegt, höher als am Eintritt. Infolge der Austrittsenergie wird die schwerere Luft in einem stabilen Freistrahl zur Raumdecke geblasen, dort umgelenkt und parallel zur Decke in den Raum transportiert. Auf diesem Weg wird ständig Raumluft eingemischt. Für alle Luftzustände der Mischung gilt jedoch, daß die Dichte höher ist, als die der Raumluft. Es existiert ein treibendes Dichtegefälle, daß die aufbereitete Luft langsam zum Raumboden bewegt. Durch diese Bewegung werden Schmutzpartikel aus dem Raum zum Fußboden geschleppt (mit Unterstützung der Schwerkraft) und der Vorrichtung zugeführt.

Fig. 3 zeigt eine das erfindungsgemäße Verfahren umsetzende Vorrichtung für Wand- bzw. Eckaufstellung. Hier erfolgt der vertikale Transport der aufbereiteten Luft zur Decke noch in der Vorrichtung. In der Nähe der Decke wird die aufbereitete Luft dann parallel zur Decke ausgeblasen. Dadurch wird ein wandnaher Kurzschluß von aufbereiteter Luft weitgehend vermieden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Luftautbereitung in geschlossenen Räumen durch einen nicht stationär gebundenen Luftwäscher mit folgenden Merkmalen:

• 1. die Raumluft wird in Bodennähe angesaugt und gegebenenfalls mit Frischluft vermischt,
• 2. der angesaugten Raumluft werden vor Eintritt in die Auswaschzone (8) über Coronaentladung negative Ionen aufgeprägt,
• 3. die Waschflüssigkeit wird in der Auswaschzone (8) derart zerstäubt, daß durch den Lenard-Effekt eine elektrostatische Aufladung der Waschflüssigkeit erfolgt,
• 4. die ionisierte Luft wird mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,5 m/s durch die Auswaschzone (8) geführt, um eine möglichst lange Kontaktzeit der unterschiedlich geladenen Teilchen zu erzielen,
• 5. nach Passieren einer Schalldämmzone (12) wird die Luft im oberen Bereich des Luftwäschers in den Raum geblasen,
• 6. die Entkeimung des im Kreislauf geführten Waschwassers erfolgt in einer elektronischen Entkeimungszelle (11).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Bodennähe angesaugte Raumluft entgegen dem Dichtegradienten durch den Luftwäscher nach oben transportiert und erst in Deckennähe in den Raum verteilt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft über nahezu die gesamte Raumhöhe entgegen dem Dichtegradienten durch den Luftwäscher geführt und erst kurz vor der Decke und parallel zu dieser in den Raum ausgeblasen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft in Abhängigkeit von der Raumhöhe 1 Meter oder höher über dem Boden aus dem Luftwäscher so ausgeblasen wird, daß der sich bildende Freistrahl stabil die Decke erreicht, dort umgelenkt wird und sich dann in den Raum verteilt.

5. Luftwäscher zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4 mit den folgenden Merkmalen:

• 1. In einem Gehäuse ist bodenseitig ein Einlass für Raumluft (1) und ein Frischluftanschluß (2) angeordnet, wobei das Verhältnis zwischen Raumluft und Frischluft mittels eines Schiebers (3) einstellbar ist,
• 2. in Strömungsrichtung folgend ist ein Ventilator (4), ein Hochspannungserzeuger mit Entladeelektrode (5), ein auf Erdpotential liegendes Wasserreservoir (6), eine Auswaschzone mit Düse (7) und Wassertropfenvorhang (8), eine Schalldämmzone (12) und eine Auslaßöffnung (9) angeordnet.

6. Luftwäscher nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Waschwasser über eine Pumpe (10) und entsprechende Rohrleitungen im Kreislauf führbar ist, wobei eine Entkeimung des Wasch­ wassers in einer Entkeimungszelle (11) erfolgt.

7. Luftwäscher nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Regler bei Erreichen einer eingestellten Luft­ feuchtigkeit die Zerstäubung (Wassertropfen­ vorhang 8) abschaltbar ist, wodurch der Luft­ wäscher ähnlich einem elektrostatischem Naß­ abscheider weiter betreibbar ist.