DE4303256C2 - Verfahren zur Aufbereitung von Luft in einer keimarm arbeitenden Klimaanlage sowie Vorrichtung hierfür - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aufbereitung von Luft in einer keimarm arbeitenden Klimaanlage, bei dem eine Befeuchtung der Luft durch Einbringen von Flüssigkeit und eine Einstel­ lung der Temperatur der Luft vorgenommen sowie die eingebrachte Flüssigkeit am Boden gesammelt und ab­ geführt wird, wobei die Luft in Strömungsrichtung zunächst einer Wirbelkammer zugeführt wird, in der Flüssigkeitstropfen eingesprüht werden sowie einer Vorrichtung hierfür.

Eine Vorrichtung gattungsgemäßer Art ist aus der DE-PS 30 09 093 bekannt. Zum Zwecke des Reinigens, Entkeimens und des Kondensierens wird Luft in einem mehrstufigen Verfahren zunächst einer Wasserberie­ selung, anschließend einer Nebelsprühbehandlung und nach Durchströmen eines Tropfenabscheiders einer Temperatur- und Feuchtigkeitseinstellung zugeführt. Hierbei verläßt die Luft vollständig mit Feuchtig­ keit gesättigt die Anlage. Die in der letzten Sta­ tion vorgenommene Temperatur- und Feuchtigkeitsein­ stellung geschieht einzig durch Änderung der Tempe­ ratur. Im Vordergrund steht das Auswaschen von Kei­ men, Bakterien und dergleichen. Die Erzeugung gereinigter Luft mit einer hinreichend unterhalb dem Sättigungsgrad liegender Feuchtigkeit ist grundsätzlich ausgeschlossen, so daß sich ein vor allem im Sommer als unangenehm empfundenes feucht­ warmes Raumklima ausbildet.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Schaf­ fung eines Verfahrens zur Aufbereitung von Luft in Klimaanlagen zur Aufgabe gemacht, so daß eine kühle und vergleichsweise trockene Luft erzeugbar wird. Weiterhin ist als nachteilig anzusehen, daß bei ei­ ner Kühlung der mit Feuchtigkeit vollständig gesät­ tigten Luft in der letzten Stufe eine Kondensation eintritt, die zu Korrosion führt aber auch das Wachstum von Kolonien von Bakterien und Pilzen im Kondenswasser, beispielsweise von Legionellen, stark begünstigt. Diese Keime, Bakterien, Pilze und Viren können durch die Klimaanlage dann leicht in infektionsgefährdende Bereiche wie Operationsräume und Intensivstationen von Krankenhäusern und Klini­ ken verbracht werden und dort das geschwächte Im­ munsystem erkrankter Patienten angreifen und ihre Gesundheit stark gefährden. Die Kondensation läßt sich nur dann vermeiden, wenn in der letzten zur Temperierung vorgesehenen Stufe ausschließlich eine Erwärmung stattfindet, so daß sich der Einsatz die­ ser Klimaanlage für den Sommerbetrieb wenig eignet.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Ent­ wicklung eines Verfahrens zur Aufbereitung von Luft in Klimaanlagen zur Aufgabe gemacht, das unter Wah­ rung eines niedrigen Anteils von krankheitserregen­ den Keimen die Erzeugung von trockener und kühler Luft erlaubt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Tropfendurchmesser so groß gewählt ist, daß nur sehr wenig Flüssigkeit verdunstet sowie die Temperatur der versprühten Flüssigkeit so niedrig ist, daß eine Kühlwirkung eintritt, die oberhalb der Adiabaten liegt und anschließend die Befeuch­ tung der Luft auf den gewünschten Wert erfolgt.

Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, vor dem Luftbefeuchter einen Kühlwäscher anzuordnen, die den konventionellen Luftkühler ersetzt und eine Senkung der Temperatur der durchströmenden Luft be­ wirkt. Das Funktionsprinzip des Kühlwäschers be­ steht darin, daß Tropfen einer Flüssigkeit mit der durchströmenden Luft wechselwirken, wobei Wärme- und Stoffübergänge möglich sind. In Abhängigkeit von der Temperatur des Wassers sind dabei beliebige Änderungen des Luftzustands möglich, es kann eine Erwärmung, Kühlung, Befeuchtung oder Trocknung stattfinden. Die Temperatur und/oder die Tropfen­ größe und/oder die in einer Zeiteinheit durch die Düsen versprühte Menge der Flüssigkeit sind abhän­ gig von der Außentemperatur derart gewählt, daß sich die gewünschte Raumtemperatur einstellt. Um eine Temperaturabsenkung der Luft zu erreichen, ist eine hinreichend tiefe Temperatur der Flüssigkeit erforderlich. Die Kühlung der Luft erfolgt dabei primär durch Wärmeentzug durch die tiefe Temperatur der Flüssigkeit, so daß von einer nicht-adiabati­ schen Kühlung zu sprechen ist. Der durch Verdun­ stung der Flüssigkeit bewirkte Anteil der Kühlung (adiabatische Kühlung) ist aufgrund der großen Tropfendurchmesser außerordentlich gering, so daß eine niedrige Luftfeuchtigkeit erhalten bleibt. Für die Erfindung entscheidend ist, daß durch die nied­ rige Temperatur der Flüssigkeit eine nicht-adiaba­ tische Kühlung eintritt, die wesentlich ausgepräg­ ter ist als die durch reine Verdunstung entstehende Kühlung (adiabatische Kühlung). Zu kleine Tropfen bewirken aufgrund ihrer großen Oberfläche ein hohes Maß an Verdunstung und somit eine unerwünscht hohe Luftfeuchtigkeit. Der pro Zeiteinheit eingestellte Wasserdurchsatz bestimmt die jeweils abgeführte Wärmemenge. Für die nicht im Luftstrom mitgeführ­ ten, durch die Schwerkraft auf dem Boden treffenden Tropfen ist am tiefsten Punkt der Wirbelkammer eine Wanne vorgesehen, in der sich die Flüssigkeit sam­ melt. Um ein unerwünschtes Keimwachstum in der Wanne zu verhindern, ist an ihrem tiefsten Punkt ein Abfluß angeordnet, durch den die Flüssigkeit abläuft. Saubere Flüssigkeit strömt durch die Düse, schlägt in der Wanne nieder und fließt ab, so daß stets frische Flüssigkeit in der Wirbelkammer vor­ handen ist.

Die Einstellung der von der Klimaanlage erreichten Raumluftfeuchtigkeit erfolgt nach wie vor durch den nachgeschalteten Luftbefeuchter, während die Wir­ kung des Kühlwäschers primär in einer Temperaturre­ duzierung besteht. Aufgrund der geringen Verdun­ stung tritt keine Sättigung durch Feuchtigkeit ein. Vielmehr wird durch die Kühlung der Flüssigkeit ein Teil der vorhandenen Feuchtigkeit auskondensiert, so daß im Ergebnis eine Entfeuchtung der Luft ein­ tritt. Das Resultat ist eine kühle und feuchte Luft, die den Kühlwäscher verläßt und zur Einstel­ lung der gewünschten Feuchtigkeit dem Luftbefeuch­ ter zugeführt wird. Anschaulich ausgedrückt wird hier die Luft im Luftwäscher einem Regen und nicht wie im Stande der Technik einem Nebel unterzogen. Man erhält eine kühle Luft von vergleichsweise ge­ ringer Feuchtigkeit, wie sie nach Regenschauern vorzufinden ist. Die Reihenfolge des Kühlwäschers und des Luftbefeuchters ist nicht vertauschbar, da andernfalls eine Verminderung der Temperatur der befeuchteten Luft in der Wirbelkammer (mit Errei­ chen des Taupunkts) zu einer unerwünschten Konden­ sation des in der Luft enthaltenen Wassers führt.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß im Bereich des Kühlwäschers keine Kolo­ nien pathogener Keime entstehen, da eine für ihr Wachstum erforderliche, stillstehende Flüssigkeit nicht vorhanden ist. Durch den direkten Kontakt der eingesprühten Flüssigkeit mit der durchströmenden Luft findet eine intensive Wärmeübertragung statt, so daß die Wirkung des Kühlwäschers konventionellen Luftkühlern gleichwertig ist. Gleichzeitig findet keine nennenswerte Befeuchtung der Luft statt, so daß der Feuchtigkeitsgehalt weit unterhalb der Sät­ tigungsgrenze zu liegen kommt. Die versprühte Flüs­ sigkeit bewirkt eine Reinigung der Luft von Staub­ teilchen und von einigen schädlichen Gasen, wie beispielsweise SO₂.

In einer Weiterbildung wird der Durchmesser der Wassertropfen zwischen 0.05 mm und 2 mm gewählt, da Tropfen dieser Größe durch die Schwerkraft bedingt bereits im Bereich des Kühlwäschers auf den Boden niederschlagen oder leicht aus dem Luftstrom her­ ausfilterbar sind. Außerdem ist das Verhältnis zwi­ schen Oberfläche und Volumen dieser Tropfen so klein, daß nur sehr wenig Wasser verdunstet, so daß die Luftfeuchtigkeit näherungsweise konstant ist.

Gerade während des Sommerbetriebs ist zur Herstel­ lung einer angenehmen Atmosphäre in den Räumen eine starke Absenkung der Temperatur erwünscht. Die Tem­ peratur des in dem Kühlwäscher versprühten Wassers beträgt dann 3°C, während die eingespeiste Wasser­ menge zur Abführung der Wärme hinreichend groß ist.

Im folgenden wird eine Anlage beschrieben, die sich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Aufbereitung von Luft in einer keimarm arbei­ tenden Klimaanlage eignet. Sie besteht aus einem Luftbefeuchter und einem Kühlwäscher zur Einstel­ lung der Temperatur, wobei der Kühlwäscher eine Wirbelkammer ist, in der mindestens eine Düse Trop­ fen einer Flüssigkeit in den Luftstrom abgibt, daß am Boden der Wirbelkammer eine Wanne mit Abfluß zur Sammlung niedergeschlagener Flüssigkeit angeordnet ist, die dadurch gekennzeichnet sind, daß der Kühl­ wäscher in Strömungsrichtung der Luft dem Luftbe­ feuchter vorgeordnet ist, daß die Temperatur der versprühten Flüssigkeit derart niedrig ist, daß eine Kühlwirkung eintritt, die oberhalb der Adiaba­ ten liegt und der Durchmesser der Tropfen so groß gewählt ist, daß nur sehr wenig Flüssigkeit verdun­ stet. Diese Klimaanlage wird in der bereits im Zu­ sammenhang mit dem Verfahren geschilderten Weise betrieben.

Zur Verbesserung der Wirkung der Wirbelkammer ist empfohlen, daß ein Drallregler im Bereich des Luft­ einlasses der Wirbelkammer angebracht ist, der Tur­ bulenzen der einströmenden Luft erzeugt und eine Durchmischung der einströmenden Luft mit den Flüs­ sigkeitstropfen bewirkt. Aus der Verlängerung der Verweildauer der verwirbelten Luft in dem Kühlwä­ scher resultiert eine verstärkte Absenkung ihrer Temperatur und eine Verbesserung des Wirkungsgra­ des.

Als Drallregler ist ein rotierender oder ein fest­ stehender Propeller vorteilhaft, da dieser problem­ los die gewünschte Rotations- und Wirbelbewegung des einfließenden Luftstroms erzeugt.

Ein optimaler Betrieb der Klimaanlage ist gewähr­ leistet, falls der Luftstrom Flüssigkeit nur in Dampf-, jedoch nicht in Tropfenform mitführt, da sich die Tropfen im Bereich der Räume niederschla­ gen und eine Ablagerung von Sedimenten oder ein Wachstum pathogener Keime begünstigen. Es ist daher empfohlen, zwischen dem Kühlwäscher und dem Luftbe­ feuchter einen Abscheider anzuordnen, der im Luft­ strom verbleibende Tropfen abfängt und in einen Auffangbehälter ableitet. Dabei ist zu gewährlei­ sten, daß das Wasser aus dem Auffangbehälter schnell abläuft, da sich andernfalls in der stehen­ den Flüssigkeit unerwünschte Bakterien- oder Pilz­ kolonien bilden.

Die Aufgabe der Düse besteht darin, die Flüssigkeit in Tropfen derart räumlich zu zerstäuben, daß ein möglichst großer Anteil der Luft mit ihnen in Be­ rührung kommt. Eine Verwendung von Sprinklerdüsen ermöglicht die Herstellung von Tropfen der erfor­ derlichen Größe. Die gleichmäßige Verteilung der Tropfen ist dann begünstigt, wenn die Düse auf der Achse des Luftstroms angeordnet und somit allseitig von Luft umströmt ist. Bevorzugt sind Düsen mit ei­ ner Rundumcharakteristik, die eine Wechselwirkung des gesamten Querschnitts der in den Kühlwäscher einströmenden Luft mit den Flüssigkeitstropfen er­ möglichen, so daß der gesamte Luftstrom gekühlt ist.

Die Düse kann sowohl in als auch entgegen der Strö­ mungsrichtung der Luft arbeiten, wobei die Bewe­ gungsbahn der Tropfen völlig unterschiedlich ist. Das Aussprühen der Düse entgegen der Bewegungsrich­ tung hat den Vorteil, daß aufgrund der gegenläufi­ gen Bewegungsrichtungen die Bahn der Flüssigkeits­ tropfen umgelenkt, dadurch die Aufenthaltsdauer in der Luft erhöht und die Zeit, in der die Relativge­ schwindigkeit der Tropfen ungleich null ist, ver­ längert wird. Das Ergebnis ist eine weitere Verbes­ serung des Wirkungsgrades des Kühlwäschers.

Als Flüssigkeit ist Wasser empfohlen, da es preis­ wert und nicht gesundheitsgefährdend ist. Um zu verhindern, daß aus dem versprühten Wasser patho­ gene Keime in die Raumluft gelangen, ist oberstes Ziel die Verwendung keimfreien oder nur eine sehr geringe Anzahl an Keimen aufweisenden Wassers. Ne­ ben einer Verwendung frischen Trinkwassers, die aufgrund des hohen Wasserverbrauchs relativ teuer und nur in Verbindung mit einer Weiterverwendung sinnvoll ist, kommen Wasserkreisläufe in Betracht, in denen beispielsweise durch UV-Bestrahlung des Wassers eine Abtötung der Keime stattfindet. Bei diesen Kreisläufen ist eine Ergänzung verdunsteten Wassers durch frisches vorzusehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 in prinzipienhafter Darstellung einen Schnitt durch eine Wirbelkammer und einen nachgeschalteten Luftbefeuchter.

Fig. 2 das h, x-Diagramm mit Darstellung der konventionellen und der erfindungsgemäßen Vorgehensweise.

Die Wirbelkammer (1) ersetzt einen konventionellen Luftkühler und dient einer Temperaturabsenkung, während der Luftbefeuchter (2) die Feuchtigkeit der durchströmenden Luft vergrößert. Der in die Wirbel­ kammer (1) eintretende Luftstrom (6) trifft auf einen feststehenden Drallregler (5), der eine Wir­ belbewegung des Luftstroms (6) bewirkt. Die Bewe­ gung der Luft verbessert die Wechselwirkung mit den von Düsen (8) versprühten Wassertropfen; die die Düsen (8) durchströmende Wassermenge ist durch elektromagnetisch betätigte Ventile (9) bedarfsge­ recht einstellbar. Um ein Wachstum von Keimen in der Wirbelkammer (1) zu unterbinden, ist eine in der Zeichnung nicht erkennbare, bodenseitige Wanne mit einem Abfluß für niedergeschlagenes Wasser vor­ gesehen. In der Luft enthaltene, nicht durch die Schwerkraft auf den Boden der Wirbelkammer (1) nie­ derschlagende Tropfen werden durch einen Abscheider (4) ebenfalls in einen Auffangbehälter (11) abge­ leitet, so daß auch hier ein Wachstum von Keimen unterbunden und gleichzeitig verhindert ist, daß Tropfen unerwünschterweise die Wirbelkammer (1) verlassen.

Die für eine angenehme Raumtemperatur erforderliche Temperaturabsenkung wird durch einen Wärmeübergang von der Luft auf die Wassertropfen bewirkt. Die Wassertemperatur ist hinreichend gering) um einen Temperaturabsenkung zu erreichen, während der Durchmesser der Wassertropfen entsprechend groß ist. Weiterhin ist die Menge des durch die Düsen strömenden Wassers in Abhängigkeit von der Außen­ temperatur und der abzuführenden Wärmemenge ge­ eignet groß gewählt.

Der Luftbefeuchter (2) befindet sich im Luftstrom nach der Wirbelkammer (1) und dient der Einstellung der Luftfeuchtigkeit. Er verwendet Flüssigkeits­ tropfen versprühende, über ein Ventil (10) ver­ sorgte Düsen (12) zur Befeuchtung des austretenden Luftstroms (7), wobei ebenfalls ein Abscheider (3) für im Luftstrom (7) vorhandene Tropfen nachge­ schaltet ist.

Fig. 2 zeigt das h, x-Diagramm, in dem die unter­ schiedlichen Vorgehensweisen beim Stande der Tech­ nik als auch im vorliegenden erfindungsgemäßen Fall dargestellt sind. Im Stande der Technik, wie sich der gattungsgemäßen Druckschrift entnehmen läßt, findet ausgehend vom Ausgangspunkt AU durch die Be­ feuchtung der Luft aufgrund der Verdunstungskälte eine Bewegung entlang der Adiabaten in Richtung auf eine niedrigere Temperatur zu statt (Linie 13). In der letzten Behandlungsstation wird dann entweder durch Erhöhen der Temperatur entlang der Vertikalen (14) die Feuchtigkeit abgesenkt oder aber durch Er­ niedrigen der Temperatur der Taupunkt 15 erreicht, wo Feuchtigkeit zum Auskondensieren veranlaßt wird. Im erfindungsgemäßen Fall hingegen tritt im Kühlwä­ scher aufgrund des nicht-adiabatischen Entzugs von Wärmeenergie eine starke Abkühlung ein, die wesent­ lich stärker ist, als die durch reine Verdunstung entlang der Adiabaten entstehen würde. Gleichzeitig tritt eine gewisse Entfeuchtung ein. Die Bewegung erfolgt hierbei nicht entlang der Adiabaten, son­ dern auf einer im wesentlichen als Gerade schräg hierzu verlaufenden Kurve (Gerade 16). Auch ist eine Erhöhung der Temperatur, also eine Bewegung entlang der Linie 14 oder aber eine Absenkung bis zum Taupunkt 15 möglich.

Claims (10)

1. Verfahren zur Aufbereitung von Luft in einer keimarm arbeitenden Klimaanlage, bei dem eine Be­ feuchtung der Luft durch Einbringen von Flüssigkeit und eine Einstellung der Temperatur der Luft vorge­ nommen sowie die eingebrachte Flüssigkeit am Boden gesammelt und abgeführt wird, wobei die Luft in Strömungsrichtung zunächst einer Wirbelkammer zuge­ führt wird, in der Flüssigkeitstropfen eingesprüht werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Tropfen­ durchmesser so groß gewählt ist, daß nur sehr wenig Flüssigkeit verdunstet sowie die Temperatur der versprühten Flüssigkeit so niedrig ist, daß eine Kühlwirkung eintritt, die oberhalb der Adiabaten liegt und anschließend die Befeuchtung der Luft auf den gewünschten Wert erfolgt.

2. Verfahren zur Aufbereitung von Luft gemäß An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmes­ ser der Tropfen auf 0,05 mm bis 2 mm eingestellt wird.

3. Verfahren zur Aufbereitung von Luft nach An­ spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Flüssigkeit etwa 3°C beträgt.

4. Keimarm arbeitende Klimaanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, insbesondere für infektionsgefährdete Bereiche in Krankenhäusern, mit einem Luftbefeuchter und einem Kühlwäscher zur Einstellung der Temperatur, wobei der Kühlwäscher eine Wirbelkammer (1) ist, in der mindestens eine Düse (8) Tropfen einer Flüssigkeit in den Luftstrom (6) abgibt, daß am Boden der Wir­ belkammer (1) eine Wanne mit Abfluß zur Sammlung niedergeschlagener Flüssigkeit angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlwäscher in Strömungsrichtung der Luft dem Luftbefeuchter vorgeordnet ist, daß die Temperatur der versprühten Flüssigkeit der­ art niedrig ist, daß eine Kühlwirkung eintritt, die oberhalb der Adiabaten liegt und der Durchmesser der Tropfen so groß gewählt ist, daß nur sehr wenig Flüssigkeit verdunstet.

5. Klimaanlage nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Drallregler (5) im Eingangsbe­ reich der Wirbelkammer (1) den in die Wirbelkammer eintretenden Luftstrom in eine Wirbelbewegung ver­ setzt.

6. Klimaanlage nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Drallregler (5) ein rotierender oder ein feststehender Propeller ist.

7. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Wirbelkam­ mer (1) und dem Luftbefeuchter (2) ein Abscheider (4) Flüssigkeitstropfen aus dem Luftstrom (6) in einen Auffangbehälter (11) abführt.

8. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (8) eine auf der Achse des Luftstroms angeordnete Sprinklerdüse ist.

9. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (8) in oder entgegen der Strömungsrichtung der Luft sprüht.

10. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Düse (8) versprühte Flüssigkeit Wasser, insbesondere keim­ freies Wasser ist.