DE69729766T2

DE69729766T2 - Gasbetriebener Luftbefeuchter

Info

Publication number: DE69729766T2
Application number: DE69729766T
Authority: DE
Inventors: E. James Nepean Kovacs
Original assignee: NORTEC AIR CONDITIONING IND LT; NORTEC AIR CONDITIONING INDUSTRIES Ltd OTTAWA
Current assignee: Nortec Humidity Ltd Ca
Priority date: 1996-04-25
Filing date: 1997-04-24
Publication date: 2005-07-14
Also published as: EP0803686B1; US5816496A; CA2203332C; EP0803686A2; ATE270762T1; EP0803686A3; DE69729766D1; CA2203332A1; DE69729766T8

Description

Gegenstand der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mit Brennstoff betriebenen Dampf erzeugenden Luftbefeuchter. Die Vorrichtung verwendet einen gasförmigen Brennstoff als Primärquelle der Wärme zur Erzeugung von Dampf, der zur Befeuchtung der Luft bei der Heizung, Belüftung und Klimatisierung eines Gebäudes verwendet wird. Der Luftbefeuchter kann eine einzeln stehende Einheit sein, welche den Dampf in dem Raum verteilt, wo er aufgestellt ist oder der von der Vorrichtung erzeugte Dampf kann in einer erzwungenen Luftströmung eines Heizsystems des Bauwerks verteilt werden. Ein mit Brennstoff betriebener Dampf erzeugender Luftbefeuchter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der US-A-3 824 985 bekannt.
Hintergrund der Erfindung
Die Befeuchtung von Luft ist ein Vorgang mit einer Phasengrenzflächen-Übertragung von Masse und Energie, die auftritt, wenn Luft in Kontakt mit Wasser gebracht wird, in welchem die Luft im wesentlichen unlöslich ist. Abhängig davon, ob das Wasser in flüssiger Form oder Dampfform ist, gibt es zwei Luftbefeuchtungsvorgänge: a) einen adiabatischen Vorgang, bei dem die Luft in direkten Kontakt mit dem Wasser gebracht wird und die notwendige Verdampfungswärme der Luft entnommen wird, welche befeuchtet wird, und b) einen isothermischen Vorgang, bei dem ein Wasserdampf bei Atmosphärendruck der Luft zugefügt wird, um deren Feuchtigkeit zu erhöhen, wobei die Wärmeenergie der Luft unbeeinflußt bleibt.
Der isothermische Befeuchtungsvorgang wird für gewöhnlich in einem zentralen Klimatisierungs-Luftleitungssystem oder in einem offenen Raum durchgeführt, in dem ein Strom von atmosphärischem Dampf in einem Strom von Luft verteilt und hiermit vermischt wird. Die Menge an Dampf, welche einem Strom von Luft hinzugefügt werden kann, ist begrenzt, und hängt von der Trockenkugeltemperatur und dem absoluten Feuchtigkeitsgehalt der Luft ab. Der Dampf zur Befeuchtung der Luft kann entweder an der Stelle des Dampfverteilers in einem kompakten Luftbefeuchter erzeugt werden oder er kann einem Dampfverteiler oder Injektor von einem zentralen Boiler zugeführt werden.
Technische und allgemeine Literatur geben an, daß die kompakten isothermischen Luftbefeuchter nach dem momentanen Stand der Technik Dampf in einem verschlossenen Wasserbehälter durch Kochen und Verdampfen des eingehenden Zufuhrwassers bei Atmosphärendruck in einem zyklischen einstufigen Verdampfungsprozeß erzeugen. Die notwendige Wärme wird entweder durch elektrische Leistung über zwei oder mehr Elektroden oder elektrische Widerstandsheizelemente erzeugt, welche in dem Siedewasser eingetaucht sind oder durch Dampf unter Druck, der von einem zentralen Dampfboiler in einem untergetauchten Wärmetauscher zugeführt wird.
Ein elektrischer Dampferzeugungsluftbefeuchter ist in der US-PS-4,239,956, herausgegeben am 16. Dezember 1980 und erneut am 30. Oktober 1990 als RE 33,414 herausgegeben beschrieben. In diesem Patent wird Bezug genommen auf die US-PS-3,386,659 von Rea und die US-PS-3,436,697 von Fraser, da sie einen Dampfgenerator in Kombination mit einem Leitungssystem eines Gebläseheizsystems offenbaren.
In der US-PS-4,564,746 von B. W. Morton et al., herausgegeben am 14. Januar 1986 ist ein Dampf erzeugender Zimmerluftbefeuchter des gekapselten Typs beschrieben.
Das Zufuhrwasser, das in kompakten isothermischen Luftbefeuchtern verwendet wird, kann Leitungswasser, enthärtetes Wasser, deionisiertes Wasser (DI) oder mit Umkehrosmose behandeltes Wasser (RO) sein. Ungeachtet der Zufuhrwasserqualität, sind alle kompakten isothermischen Luftbefeuchter mit einem Verfahren zur Steuerung des Flusses des Zufuhrwassers in den Wasserbehälter, einem Verfahren zur Steuerung des Volumens und des Wasserstandes im Wasserbehälter und einem Verfahren zur Steuerung des Betriebsdrucks in dem Wasserbehälter ausgestattet.
Wenn das Zufuhrwasser in Dampf umgewandelt wird, konzentrieren sich Verunreinigungen, welche mit dem Zufuhrwasser eintreten, in dem Wasserbehälter. Besorgniserregend sind hauptsächlich die anorganischen Bestandteile von kesselsteinbildenden Substanzen, wie Kalzium und Magnesium. Jede Substanz hat ihre eigene Löslichkeitsgrenze in Wasser. Wenn ihre Konzentration die Löslichkeitsgrenze übersteigt, fällt die überschüssige Substanz aus und bildet Kesselstein an den untergetauchten elektrischen Widerstandsheizelementen, Elektroden, Wärmetauschern und den Wasserbehälterwänden. Diese Abscheidung verringert die Gesamtwärmeübertragungsrate. Um die Leistungsfähigkeit und Effizienz des Luftbefeuchters aufrechtzuerhalten, werden der Wasserbehälter, die untergetauchten Heizelemente und der Wärmetauscher regelmäßig gereinigt und die Wasserbehälter mit den Elektroden werden regelmäßig zu erheblichen Wartungs- und Ersatzteilkosten ausgetauscht.
Zum Verlängern der Arbeitsdauer des Wasserbehälters sind alle isothermischen Luftbefeuchter, welche mit Zufuhrwasser arbeiten, welches gelöste Festkörper (TDS) enthält, mit einem Verfahren ausgestattet, um die Konzentration von TDS in dem Siedewasser zu steuern, so daß die Aufbaurate von Kesselstein verringert wird. Die meisten steuern das PDS in dem Siedewasser durch ein regelmäßiges periodisches Entspannenlassen einer Mischung von Zufuhrwasser und Kochwasser, was zu einem hohen Verbrauch an Zufuhrwasser und einem überhohen Wärmeverlust mit dem Entspannungswasser führt.
Ein Hauptnachteil bei momentanen kompakten isothermischen Luftbefeuchtern sind ihre sehr hohen Betriebsenergiekosten und Betriebswartungskosten. Die hohen Betriebsenergiekosten sind das Ergebnis der Verwendung von elektrischer Leistung als Energiequelle, die zur Dampferzeugung benötigt ist. Die hohen Betriebswartungskosten entstehen aufgrund der notwendigen regelmäßigen Reinigung des Wasserbehälters und der untergetauchten elektrischen Widerstandsheizelemente oder des Wärmetauschers oder aufgrund des regelmäßigen Austausches eines mit Elektroden arbeitenden Wasserbehälters aufgrund des zu starken Aufbaus von Kesselstein.
Ein anderer Luftbefeuchter ist in der US-PS-3,824,985 zur Verwendung in Kombination mit einem Heißluftofen beschrieben. Der Luftbefeuchter wird durch einen Wasserbehälter mit Seiten-, Boden- und oberen Wänden zur Definition einer geschlossenen Kammer zur Aufnahme einer Wassermenge, einem Luft-Brennstoff-Brenner zur Erzeugung von Dampf aus dem Wasser und einem Dampfabgabedurchlaß mit einem Einlaß in den Wasserbehälter und einer Vorrichtung zur Steuerung des Betriebs des Luft-Brennstoff-Brenners gebildet, um die Erzeugung von Dampf durch den Luftbefeuchter in Antwort auf eine Befeuchtungsanforderung des Heizluftofens zu steuern. Der Luft-Brennstoff-Brenner ist unterhalb des Wasserbehälters angeordnet.
Die Erfindung schafft einen mit Brennstoff betriebenen Dampf erzeugenden Luftbefeuchter, bestehend aus:

a) einem Wasserbehälter mit Seitenwänden, Endwänden, einer unteren Wand und einer oberen Wand, die eine abgeschlossene Kammer zur Aufnahme einer ausgewählten Menge von Wasser definieren, in der die freie obere Oberfläche dieser Wassermenge von der oberen Wand nach unten einen Abstand aufweist;
b) einem Luft-Brennstoff-Brenner zum Erzeugen von Dampf aus der ausgewählten Wassermenge;
c) einem Dampfverteilungsmittel, enthaltend ein Dampfausströmkanalmittel, das einen Einlaß dazu in den Wasserbehälter an einer Position oberhalb der freien oberen Wasseroberfläche und einen zum äußeren des Wasserbehälters angeordneten Auslaß aufweist;
d) Mitteln zum Steuern der Dampferzeugung durch den Luftbefeuchter als Reaktion auf Luftbefeuchtungserfordernisse, weiter gekennzeichnet durch:
e) Wände, die einen wasserfreien Hohlraum in dem Wasserbehälter definieren, wobei der wasserfreie Hohlraum einen Verbrennungskammerabschnitt in einem unteren Abschnitt davon und einen Wärmetauscherkammerabschnitt, der sich davon als eine Verlängerung nach oben erstreckt, vorsieht, wobei die Wände, die den Hohlraum definieren, ein Paar von verlängerten, auseinandergesetzten, im wesentlichen vertikal angeordneten Wänden umfassen, die an ihrem oberen Ende verbunden sind;
f) Anordnung des Luft-Brennstoff-Brenners in dem Verbrennungskammerabschnitt des wasserfreien Hohlraums; und
g) einem Abgasauslaßrohrmittel, getrennt von und unterschiedlich zu dem Dampfausströmkanal, das mit dem Wärmetauscherkammerabschnitt in Verbindung steht und sich zum Ablassen von Verbrennungsgasen von dem Luft-Brennstoff-Brenner in die Atmosphäre durch eine Wand des Wasserbehälters erstreckt.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Wärmeübertragung von den von dem Luft-Brennstoff-Brenner erzeugten Verbrennungsprodukten auf das Wasser in dem Wasserbehälter zu verbessern. Es ist eine weitere Aufgabe, eine kompakte Vorrichtung zur Erzeugung von Dampf durch Verbrennung eines Brennstoffes bereitzustellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Eine Ausführungsform der Erfindung ist exemplarisch unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung dargestellt, in der:
1 eine teilweise schematische und teilweise geschnittene Darstellung der bevorzugten Ausführungsform des Luftbefeuchtersystems der vorliegenden Erfindung ist, welches zur Verwendung bei der Heizung, Belüftung und Klimatisierung von Gebäuden zur Befeuchtung von Luft vorgesehen ist. Der Luftbefeuchterabschnitt ist eine Schnittdarstellung im wesentlichen entlang Linie X-X von 2;
2 eine Schnittdarstellung im wesentlichen entlang der Linie Y-Y von 1 ist und auch schematisch einen Luftbefeuchter des in sich geschlossenen Typs zeigt;
3 einen anderen Entspannungsbehälter und eine andere Pegelsensorvorrichtung mit leitfähiger Sonde zeigt;
4 und 5 eine andere Kombination aus Brennkammer und Wärmetauscherauslegung zeigt, welche vollständig von Wasser umgeben ist, wobei 4 eine seitliche geschnittene Darstellung des Wasserbehälters und der Verbrennungskammer ist und 5 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf 4 ist; und
6 eine Ansicht ähnlich von 5 ist, jedoch zwei Verbrennungskammer/Wärmetauschereinheiten in einem einzelnen Wasserbehälter zeigt.
Genaue Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
In 1 schematisch dargestellt ist ein Luftbefeuchtungssystem mit einer Dampferzeugungsvorrichtung H gemäß der vorliegenden Erfindung, welche Dampf erzeugt und an einen Dampfverteiler 6 in einer Leitung 7 eines Gebläseluftsystems für ein Gebäude liefert. Verschiedene Anordnungen für eine Leitung und ein Dampfinjektorsystem sind bekannt, wobei einige hiervon in der genannten US-PS-RE 33,414 dargestellt sind und daher hier nicht weiter beschrieben werden.
Die Vorrichtung H weist eine Wasserbehältereinheit 3 auf, welche eine Kombination aus Verbrennungskammer 4 und Wärmetauscher 2 enthält. Die Wände der Verbrennungskammer und des Wärmetauschers definieren den Strömungspfad und schaffen die Wärmetauscheroberflächen für die heißen Gase, welche die Verbrennungsprodukte sind. Die Wände sind vollständig oder im wesentlichen vollständig in das Wasser in dem Behälter untergetaucht. Es gibt ein Verbrennungssystem mit Zwangszug, welches einen Brenner 13 (dessen Flamme mit 13a bezeichnet ist) und ein Zwangszuggebläse 16 aufweist, welches von einem Feuchtigkeitsregler 1 gesteuert wird, der in der Leitung 7 einen Sensor 1a hat, sowie eine Verbrennungssteuerung 10.
Der Feuchtigkeitsregler 1 mit dem Sensor 1a steuert den Befeuchtungsprozeß, der in der Luftleitung 7 durchgeführt wird. Abhängig von der Anwendung und der Art des Befeuchtungsvorgangs kann der Feuchtigkeitsregler entweder vom EIN-/AUS-Typ oder vom Zeitproportionierungstyp sein, um den periodischen Befeuchtungsvorgang zu steuern oder kann ein modulierender Feuchtigkeitsregler sein, um einen kontinuierlichen Befeuchtungsvorgang zu regulieren. Der Feuchtigkeitsregler 1 und die Verbrennungssteuerung 10 für den Brenner 13 mit dem Zwangszuggebläse 16 sind einander zugeordnet und arbeiten zusammen, um die Befeuchtung des Luftstroms 11 in der Luftleitung 7 und die Dampferzeugung in dem Wasserbehälter 3 zu steuern. Bei Anwendungen für eine Raumluftbefeuchtung wird die Luftleitung 7 durch eine übliche Luftgebläseaufnahme 7a mit einer Luftgebläseeinheit 7 ersetzt, um das Äquivalent der Luftströmung 11 zu erzeugen. Dampf tritt aus der Aufnahme 7a über einen Dampfverteiler 7c aus.
Das Verbrennungssystem mit Zwangszug beinhaltet die voranstehend erwähnte Verbrennungssteuerung 10, welche die Zündung und den Verbrennungsvorgang des Brenners 13 mit Zwangszug steuert, und ein Kombinationsgasventil 14, das Zwangszuggebläse 16 und eine Abgasablaßleitung 5. Das Kombinationsgasventil 14 kann ein Proportional-Magnetventil sein, wenn ein Modulations-Feuchtigkeitsregler verwendet wird, oder ein Magnetventil des EIN-/AUS-Typs zur Verwendung mit einem Feuchtigkeitsregler des EIN-/AUS-Typs oder Zeitproportionaltyps sein. Zur Verbesserung der Verbrennungseffizienz kann das Proportionalgasventil 14 durch einen modulierenden Ventilzug für konstantes Luft/Brennstoffverhältnis ersetzt werden (in 1 nicht gezeigt). Ein Verbrennungssystem mit induziertem Zug, welches das beschriebene Verbrennungssystem mit Zwangszug ersetzt, kann verwendet werden.
Die Wasserbehältereinheit 3 ist ein abgemessener, d. h. geschlossener Wasserbehälter aus korosionsbeständigem Material, beispielsweise rostfreiem Stahl und von rechteckiger Form und dafür ausgelegt, im wesentlichen bei Atmosphärendruck zu arbeiten. Als ein Beispiel beträgt die Kapazität des Behälters 85 kg Wasser. Der Wasserbehälter 3 hat jeweils äußere Hauptseitenwände 3a, 3b, eine obere Wand 3c, eine untere Wand 3d und Wände 3e, 3f. Die obere Wand 3c ist durch Gewindebefestigungen 3g oder andere geeignete Mittel entfernbar befestigt. Dies erlaubt eine periodische Reinigung des Behälters.
Der Behälter ist vollständig von einer Isolierung 29 umgeben und wie in 1 zu sehen ist, ist die Behältereinheit in einem äußeren Gehäuse H1 aufgenommen. Der Wasserbehälter und Wände, welche die Verbrennungskammer und die Wärmetauscherkammer definieren, sind so aufgebaut und/oder angeordnet, daß das Wasser in dem Behälter vollständig oder im wesentlichen vollständig die Verbrennungskammer und den Wärmetauscher umgibt.
Bezugnehmend auf 3, so ist die Bodenwand 3d in zwei voneinander beabstandete Abschnitte durch nach oben gerichtete Wasserbehälterinnenwände 26a und 26b unterteilt, welche an ihrem oberen Ende durch eine obere Endwand 26c verbunden sind. Diese letzteren Wände bilden zusammen mit den Endwänden 3e, 3f die Verbrennungskammer 4 und die Kammer des Wärmetauschers 2. In dieser Ausführungsform ist die Verbrennungskammer 4 am Boden durch die isolierende Bodenwand des äußeren Gehäuses oder Gehäuses H1 verschlossen.
5 zeigt einen anderen Aufbau, bei dem die Verbrennungskammer eine Bodenwand 26d hat, welche von der Bodenwand 3d des Wasserbehälters nach oben hin beabstandet ist. In dieser Ausführungsform sind die Verbrennungskammer und die Wärmetauscherkammer an dem Ende durch jeweilige Endwände 26e und 26f verschlossen. Diese letzteren Wände sind von den jeweiligen Wasserbehälterendwänden 3e und 3f beabstandet und werden in einer beabstandeten Beziehung hierzu durch Abstandshalter S gehalten. Die Bodenwand 26d der Verbrennungskammer ruht auf einem oder mehreren Sätteln 5a. Hieraus ergibt sich, daß die Wärmetauscherkammer und die Verbrennungskammer im unteren Teil hiervon vollständig in Wasser eingetaucht sind, wenn der Behälter bis zu seinem bestimmten Betriebsfüllstand gefüllt ist, der sich während des Betriebs zwischen einem hohen Stand 41a und einem niedrigen Stand 41b ändert (vgl. 3).
Wasser wird dem Behälter über ein Zufuhrwassermagnetventil 18 zugeführt, welches mit einer Wasserpegelsteuerung 50 und einem variablen Zeitgeber 47 verbunden ist, der von schwimmergesteuerten Schaltern 51, 52 betätigt wird. Dies steuert den Abfluß von Zufuhrwasser und den Wasserstand von Siedewasser im Wasserbehälter. Die schwimmergesteuerten Schalter können durch eine Füllstandssteuereinheit 49 (in 3 gestrichelt dargestellt) ersetzt werden, welche drei Sonden hat, welche durch Kontakt mit der Wasseroberfläche aktiviert werden. Die Füllstandsfühlvorrichtung kann sich, wie sich hieraus ergibt, entweder in dem Hauptwasserbehälter oder in einer externen Kammer befinden, wie gezeigt. Eine Überlauf- Skimmerleitung 19 schützt den Wasserbehälter vor einem Überfüllen. Ein Zufuhrwasserablaß 23 ist so angeordnet, daß Wasser hiervon in die Verdampfungskammer austreten kann. Ein Auslaß 24 ist für den Ablaß von Dampf 12 über eine Leitung 44 an den Dampfverteiler 6 vorgesehen und schafft auch einen Kondensatrücklauf über eine Leitung 45. Die Überlaufskimmerleitung 19 führt über einen Wasserverschluß 25 in einen Ablauf 43.
Zufuhrwasser fließt über eine Wasserleitung 38, ein Abschaltventil 39, einen Strömungsbegrenzer 40, das Magnetventil 18 und den Ablaß 23 in den Wasserbehälter 3. Der Strömungsbegrenzer 40 ist dafür vorgesehen, die Strömungsrate von Zufuhrwasser zu steuern und hält zusammen mit dem Magnetventil 18, der Steuerung 50 und den Schwimmerschaltern 51 und 52 das Wasser im Wasserbehälter 3 zwischen den bestimmten hohen und niedrigen Wasserpegeln, welche mit 41a bzw. 41b bezeichnet sind (3). Ein Handablaßventil 42 ist für das jahreszeitliche Entleeren des Wasserbehälters 3 über die Ablaufleitung 43 in eine Abwasserleitung vorgesehen.
Der Dampfverteiler 6 ist eine Leitung mit Öffnungen oder Düsen zur Verteilung des Dampfes 12 in den Luftstrom 11, der durch die Luftleitung 7 fließt. Der Dampf wird dem Verteiler 6 vom Auslaß 24 über eine Dampfleitung 44 zugeführt und das Kondensat wird über eine Leitung 45 zurückgeführt.
Der Wasserbehälter 3 hat eine Wärmeisolierung 29 an all seinen Oberflächen, um Wärmeverluste des heißen Wassers zu minimieren und für eine verbesserte Effizienz und verkürzte Zeit bis zum Beginn der Dampfproduktion.
Ein gasförmiger Brennstoff 31 vermischt sich mit Verbrennungsluft 32 in dem Zwangszuggebläse 16. Diese Mischung geht zum Brenner 13 und die Verbrennung wird von der Steuerung 10 gesteuert. Der Fluß des Brennstoffs 31 wird über das Gasventil 14 reguliert, welches von dem Feuchtigkeitsregler 1 über die Verbrennungssteuerung 10 gesteuert wird und der Fluß an Verbrennungsluft 32 wird von dem Zwangszuggebläse 16 reguliert, welches ebenfalls von der Steuerung 10 gesteuert wird. Der Hauptanteil von Wärme aus der Verbrennung des Brennstoffs wird von den Verbrennungsgasen 30 auf das Wasser übertragen, während das Gas durch die Brennkammer 4 und den Wärmetauscher 2 verläuft. Die Wärmeübertragung auf das Wasser erfolgt über die beiden Seitenwände 26a, 26b und die Oberseite 26c des Wärmetauschers (2 und 3). Die Verbrennungsgase mit der Restwärme hierin verlassen den Wärmetauscher über die Leitung 5 nach außen. Der Wärmetauscher 2 enthält eine Prallflächenvorrichtung 15, welche den Wärmeübergang auf die Wärmetauscherwände 26a und 26b verbessert. Die beiden Wände 26a und 26b des Wärmetauschers, welche in Kontakt mit den heißen Verbrennungsgasen sind, können auch gerippt sein oder mit Stegen versehen sein, welche die Wärmeübertragungsrate auf das Wasser in dem Behälter weiter erhöhen.
Die Prallflächenvorrichtung 15 kann verschiedentlich ausgelegt sein, um die Wärmeübertragung von den Verbrennungsgasen auf das Wasser in dem Behälter zu maximieren. In der dargestellten Ausführungsform ist eine Prallflächenvorrichtung so angeordnet, daß sie einen primären Zickzackströmungspfad, der in 4 durch Pfeile A1 dargestellt ist und einen sekundären oder Leckflußpfad bildet, der durch Pfeile A2 in 5 dargestellt ist. Die Strömungspfade A1 sind effektiv parallele horizontale Strömungspfade, welche aufgrund von Öffnungen A4 an einem Ende einander abwechselnder flacher Oberflächen der Prallflächen und Öffnungen A5 an abwechselnden verblei benden flachen Oberflächen der Prallflächen in Serie sind.
Obgleich die vorliegende Ausführungsform einen rechteckförmigen Wasserbehälter verwendet, ergibt sich einem Fachmann auf diesem Gebiet, daß die gleiche Anordnung der beschriebenen Teile und die gleichen Ergebnisse erhalten werden können mit einem anders geformten Wasserbehälter.
Der Wasserbehälter 3, das Abzugsgebläse 16 und die Ablaßleitung 5 sind gegen ein Überhitzen durch einen Hochtemperaturbegrenzungssteuerschalter 34 geschützt, der nahe dem Ausgang des Wärmetauschers in der Abgasablaßleitung 5 liegt und sind geeignet verbunden, um das System bei Erreichen einer Überhitzungssituation zu deaktivieren. Ein weiterer Überhitzungsschutz ist geschaffen durch einen Schwimmerschalter 53 für niedrigen Wasserpegel, der geeignet angeschlossen ist, um das System bei Erreichen eines abnormal niedrigen Wasserpegels im Wasserbehälter 3 zu deaktivieren. Es versteht sich, daß, falls gewünscht, der beschriebene gasförmige Brennstoff problemlos durch einen flüssigen Brennstoff ersetzt werden kann, um gleiche Ergebnisse zu erzielen.
Falls gewünscht kann ein Monitor – nicht gezeigt – mit Sensoren, Prozessoren, einem Taktgeber, Zeitsteuerungen und Anzeigen vorgesehen sein, um die Leistung und den Betrieb des Luftbefeuchtungssystems zu überwachen und anzuzeigen.
Der Betrieb der beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Steuerung durch den modulierenden Feuchtigkeitsregler ist wie folgt.
Der modulierende Feuchtigkeitsregler 1 überwacht kontinuierlich die Luftfeuchtigkeitsanforderung der Luft 11 in der Luftleitung 7 und reguliert über die Verbrennungssteuerung 10 den Betrieb des Brenners 13 und des proportionalen Gasmagnetventils 14. Die notwendige Verbrennungsluft 32 wird von dem Zwangszuggebläse 16 durch den Brenner getrieben. Die Verbrennung des gasförmigen Brennstoffes 31 mit der Verbrennungsluft 32 tritt am Brenner 13 in der Verbrennungskammer 4 auf. Die Verbrennung des Brennstoffes erzeugt die Prozeßwärme, die zum Erhitzen des Wassers 37 auf Siedetemperatur notwendig ist und zur Erzeugung der notwendigen Menge an Dampf 12 zur Hinzufügung zu dem Luftstrom 11 in der Luftleitung 7 über den Dampfverteiler 6.
Die notwendige Prozeßwärme wird von den heißen Verbrennungsgasen 30 zurückgewonnen und rückübertragen, läuft durch die Brennkammer 4 in und durch die Wärmetauscherwände 26a und 26b in das Wasser 37, und bewirkt, daß dieses siedet. Die Abgase kühlen ab, wenn sie durch die Verbrennungskammer 4 und den Wärmetauscher 2 durch das Zwangszuggebläse 16 getrieben werden und werden über die Leitung 5 nach außen abgegeben.
Der Dampf zur Luftbefeuchtung wird in einem zyklischen Verdampfungsprozeß erzeugt, der durch den modulierenden Feuchtigkeitsregler gesteuert wird und wird in dem Wasserbehälter 3 in drei Betriebsperioden im wesentlichen bei Atmosphärendruck durchgeführt.
Der erste Betriebsmodus umfaßt die Ablaufschritte einer kontinuierlichen Verbrennung von Brennstoff und die Übertragung von Wärme von den Verbrennungsgasen auf Siedewasser, die Verdampfung des siedenden Wassers, die Abtrennung des erzeugten Dampfes von dem siedenden Wasser, die Konzentration von gelösten Festkörpern in dem siedenden Wasser und die Abgabe des erzeugten Dampfes aus dem Wasserbehälter.
Wenn das siedende Wasser in dem Wasserbehälter 3 verdampft und der atmosphärische Dampf an den Dampfverteiler 6 geliefert wird, steigt die Konzentration von TDS (gesamte gelöste Festkörper) in dem siedenden Wasser an und der Wasserpegel in dem Wasserbehälter nimmt langsam von dem hohen Wasserpegelpunkt 41a auf den niedrigen Punkt 41b ab. Die Konzentration von TDS in dem Siedewasser steigt proportional zu dem zwischen den beiden Wasserpegelpunkten verdampften Wasser an. Wenn der Wasserpegel auf den unteren Punkt 41b abfällt, aktiviert der Wasserpegelschwimmerschalter 52 das Zufuhrwassermagnetventil 18, um einen kontrollierten Fluß von Zufuhrwasser über den Strömungsbegrenzer 40 in den Wasserbehälter 3 zu ermöglichen. Beim Öffnen des Zufuhrwassermagnetventils beginnt die zweite Betriebsperiode in dem Dampferzeugungsprozeßzyklus.
Die zweite Betriebsperiode umfaßt die Prozeßschritte des kontinuierlichen Flusses von eingehendem Zufuhrwasser, eine kontinuierliche Verbrennung von Brennstoff und die Übertragung von Wärme von Verbrennungsgasen auf siedendes Wasser, die Abtrennung des erzeugten Dampfes von dem siedenden Wasser, die Verdünnung von dem TDS in dem siedenden Wasser und das Ablassen des erzeugten Dampfes aus dem Wasserbehälter.
Während der zweiten Betriebsperiode wird die auf das siedende Wasser übertragene Wärme verwendet, das Zufuhrwasser auf seine Siedetemperatur zu erhitzen und um den benötigten Dampf zu erzeugen. Da die Menge an verfügbarer Prozeßwärme begrenzt ist, wird die Kapazität zur Dampferzeugung durch die Menge von Wärme verringert, die zum Erhitzen des Zufuhrwassers auf Siedetemperatur ver wendet wird. Um die notwendige minimale Dampferzeugungsrate zu ermöglichen, wird die Fließrate von Zufuhrwasser von dem Begrenzer 40 beschränkt. Aufgrund des eingehenden Zufuhrwassers nimmt die Konzentration von TDS in dem Siedewasser ab. Wenn das Siedewasser den hohen Wasserpegelpunkt 41a erreicht, aktiviert der hohe Wasserpegelschalter 51 einen variablen Zeitgeber 47. Dies löst die dritte Arbeitsperiode des Dampfprozeßzyklus aus.
Die dritte ist ähnlich zu der zweiten, wo der kontinuierliche Fluß von eingehendem Zufuhrwasser bewirkt, daß der Pegel des Wassers im Behälter kontinuierlich ansteigt, bis der Pegel die Überflußskimmerleitung 19 erreicht. Die Oberkante dieses Skimmers liegt etwas oberhalb des hohen Wasserpegelpunktes 41a. Wasser fließt über den Überflußskimmer aus, um während einer bestimmten Zeitdauer abgeführt zu werden, abhängig von der bekannten TDS-Konzentration des Zufuhrwassers, um die TDS-Konzentration des Wassers im Wasserbehälter zu verringern. Das Ende der Zeitperiode deaktiviert das Zufuhrwassermagnetventil 18, um die dritte Betriebsperiode des Dampfprozeßzyklus zu beenden und um einen neuen Zyklus zu beginnen.
Durch die beschriebene korrekt eingestellte zeitgesteuerte Überflußperiode wird die Konzentration der Kesselstein bildenden Substanzen in dem Siedewasser innerhalb ihrer Löslichkeitsgrenzen mit minimalem Überfluß (Entspannung) des konzentrierten Siedewasser beibehalten.
Als anderes Verfahren zur Steuerung der Überflußmenge an Wasser ist in 3 gezeigt. Bei diesem Verfahren liegt die Oberkante des Überflußskimmers 19 etwas unterhalb des hohen Wasserpegels 41a. Während der Betriebsperiode 2 fließt Wasser in den Skimmer 19 und füllt eine Entspannungskammer 27 mit festgelegtem Volumen. Am Ende der Betriebsperiode 2 deaktiviert die Hochwasser- Flußsteuerung das Zufuhrwassermagnetventil und aktiviert ein Magnetablaßventil 46, so daß das Wasser in der Entspannungskammer 27 über ein Sieb 28 und durch das Magnetablaßventil zum Ablaß 43 fließen kann, um den Zyklus zu beenden. Der Behälter, der die Entspannungskammer 27 bildet, steht über eine Ventilierleitung 27a mit der Atmosphäre in Verbindung.
Durch Beibehaltung der Konzentration von TDS in dem Siedewasser innerhalb der Löslichkeitsgrenzen der Kesselstein bildenden Substanzen wird der Aufbau von Kesselstein an den Wasserbehälterwänden minimiert und Reinigungswartungen des Wasserbehälters während der Betriebssaison werden minimiert oder vermieden.
Während die bevorzugte Ausführungsform mit Zufuhrwasser beschrieben wurde, welches TDS enthält, versteht sich, daß die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung auch wirksam mit deionisiertem oder Umkehrosmosewasser betrieben werden kann. Im letzteren Fall wird der variable Zeitgeber 47 abgeschaltet oder die Entspannungskammer 27 wird weggelassen.
Das kochende Entspannungswasser kann durch einen Wärmetauscher fließen, um das eingehende Zufuhrwasser vorzuwärmen, so daß die Effizienz verbessert wird und auch die Temperatur des Ablaßwassers verringert wird.
Das eingehende Zufuhrwasser kann durch einen Zufuhrwasservorheizer (nicht gezeigt) geführt werden, der vom Speichertyp sein kann. Die notwendige Wärme für den Zufuhrwasservorheizer kann von den heißen Verbrennungsgasen 30 zurückgewonnen und hiervon übertragen werden. Dies würde die Effizienz verbessern und die Verringerung an Dampfausgang aufgrund des Einbringens von kaltem Zufuhrwasser abmindern.
Verbrennungsluft 32 kann von außerhalb der Gebäudeschale durch Anschluß einer Leitung (nicht gezeigt) zu dem Zwangszuggebläse 16 geführt werden.
Die voranstehende Ausgestaltung des Wasserbehälters umfaßt das folgende:

– vergrößerte Oberflächenbereiche der Verbrennungskammerwände für niedrigen Wärmefluß zur Verringerung von Kesselsteinaufbau, der in einer rohrförmigen Verbrennungskammer aufgrund von hohen Temperaturen und hoher Wärmekonzentration auftreten würde.
– vertikal angeordnete Verbrennungskammer- und Wärmetauscherwände, um Kesselstein anzuregen, während EIN-/AUS-Schaltzeiten aufgrund von Ausdehnung und Zusammenziehung der Verbrennungskammerwände abzufallen.
– einen Bereich am Boden des Behälters zur Sammlung von Kesselstein, der von den Wänden des Wasserbehälters und der Verbrennungskammer abgefallen ist, welche nicht Teil des Wärmetauscherbereichs ist, so daß der Aufbau von Kesselstein die Effizienz nicht beeinflußt.
– einen Kochbereich mit relativ kleiner Oberfläche, so daß ein heftiges Kochen das TDS agitiert, so daß die Entfernung von Festkörpern über den Skimmer maximiert wird.

Zur Erleichterung der Reinigung haben der Wasserbehälter und die Verbrennungskammer große glatte Oberflächen ohne versteckte Bereiche, welche bei einem rohrförmigen Wärmetauscherdesign unvermeidlich wären.
Voranstehend wurde eine einzelne Einheit beschrieben, welche in ihrer Größe so ausgelegt werden kann, daß sie den Anforderungen und der Situation einerseits angepaßt ist; andererseits könnte die Einheit so ausgelegt werden, daß eine vorgewählte Rate an Dampfproduktion bereitgestellt wird und die Kapazität kann durch Verbindung zweier oder mehrerer solcher Einheiten in Parallelschaltung erhöht werden. Der Wärmetauscher, die Verbrennungskammer und der Wasserbehälter sind in wirksamer Weise eine modulare Einheit und zwei oder mehrere solche Einheiten können leicht in Parallelschaltung verbunden werden und, wenn dies gewünscht wird, in einem gemeinsamen äußeren Gehäuse H1 eingeschlossen werden.
Als weitere Abwandlung könnte der Ausgang durch einen geeignet dimensionierenden Wasserbehälter erhöht werden, der vielleicht 15,2 cm (6 inch) breiter ist, um eine zweite Verbrennungskammer/einen zweiten Wärmetauscher in dem gleichen Wasserbehälter aufnehmen zu können. Ein zweites System von Gassteuerungen und Gebläse könnte unabhängig zu dem ersten arbeiten, so daß einer oder der andere von beiden Brennern gleichzeitig betrieben werden könnte. Die betrieblichen Vorteile sind, daß eines der Brennersysteme abgeschaltet werden könnte, um bei Bedarf einen geringeren Ausgang zu erreichen.
In einer weiteren Abwandlung können zwei oder mehr Brenner in einer einzelnen Verbrennungskammer/Wärmetauschereinheit angeordnet werden. Geeignete Betriebssteuerungen können zum Betrieb von einem oder den anderen Brennern für geringere Ausgänge oder für beide gleichzeitig für maximalen Ausgang vorgesehen sein.
Die oben genannte weitere Abwandlung ist in 6 dargestellt, wo jeweilige Einheiten G und H in einem einzelnen Wasserbehälter 3 vorhanden sind. Obgleich die dargestellte Einheit ein einzeln stehender Luftbefeuchter ist, ist klar, daß diese Abwandlung auch bei einem Heizsystemtyp anwendbar ist, der in 1 dargestellt ist. In 6 ist jede Verbrennungskammer/Wärmetauscherkammer und der Brenner eine modulare Einheit und gleich derjenigen, welche oben unter Bezug auf 5 oder die 2 und 3 beschrieben worden ist.

Claims

Mit Brennstoff betriebener Dampf erzeugender Luftbefeuchter, bestehend aus: (a) einem Wasserbehälter (3) mit Seitenwänden (3a, 3b), Endwänden (3e, 3f), einer unteren Wand (3d) und einer oberen Wand (3c), die eine abgeschlossene Kammer zur Aufnahme einer ausgewählten Menge von Wasser (37) definieren, in der die freie obere Oberfläche (41a, 41b) dieser Wassermenge von der oberen Wand nach unten einen Abstand aufweist; (b) einem Luft-Kraftstoff-Brenner (13) zum Erzeugen von Dampf aus der ausgewählten Wassermenge; (c) einem Dampfverteilungsmittel (6, 44, 45, 7a, 7b, 7c), enthaltend ein Dampfausströmkanalmittel (24), das einen Einlass dazu in dem Wasserbehälter an einer Position oberhalb der freien oberen Wasseroberfläche (41a) und einen zum Äußeren des Wassertanks angeordneten Auslass aufweist; (d) Mittel (1, 1a, 8, 10, 14, 16) zum Steuern der Dampferzeugung durch den Luftbefeuchter als Reaktion auf Luftbefeuchtungserfordernisse, und weiter gekennzeichnet durch: (e) Wände (26a, 26b, 26c, 26e, 26f, 3e, 3f), die einen wasserfreien Hohlraum in dem Wasserbehälter definieren, wobei der wasserfreie Hohlraum einen Verbrennungskammerabschnitt (4) in einem unteren Abschnitt davon und einen Wärmetauscherkammerabschnitt (2), der sich davon als eine Verlängerung nach oben erstreckt, vorsieht, wobei die Wände, die den Hohlraum definieren, ein Paar von verlängerten, auseinander gesetzten, allgemein/vertikal angeordneten Wänden (26a, 26b) umfassen, die an ihrem oberen Ende verbunden (26c) sind; (f) Anordnung des Luft-Kraftstoff-Brenners (13) in dem Verbrennungskammerabschnitt des wasserfreien Hohlraums; und (g) einem Abgasauslassrohrmittel (5) getrennt und unterschieden von dem Dampfausströmkanal, das mit dem Wärmetauscherkammerabschnitt in Verbindung steht und sich zum Ablassen von Verbrennungsgasen von dem Luft-Kraftstoff-Brenner in die Atmosphäre durch eine Wand (3f) des Wasserbehälters erstreckt.
Luftbefeuchter nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscherkammerabschnitt (2) darin angeordnete Prallflächenmittel (15) aufweist.
Luftbefeuchter nach Anspruch 2, wobei die Prallflächenmittel eine Pluralität von parallel, horizontalen Pfaden bilden, die reihenweise zum Strömen der Verbrennungsprodukte von dem Brenner während dessen Betrieb zu dem Abgaskanalmittel angeordnet sind.
Luftbefeuchter nach Anspruch 2, wobei die Prallflächenmittel (15) einen ersten primären Zickzackpfad (A1) für die Verbrennungsprodukte und einen sekundären Leckflusspfad (A2) im Allgemeinen senkrecht zu dem erstan Pfad bilden.
Luftbefeuchter nach Anspruch 1, wobei die untere Wand (3d) des Wasserbehälters einen sich nach oben erstreckenden Abschnitt aufweist, der das Paar von vertikal angeordneten Wänden (26a, 26b) vorsieht.
Luftbefeuchter nach Anspruch 1, wobei der Wasserbehälter, der darin den wasserfreien Hohlraum aufweist, innerhalb einer isolierten Umhüllung (H1) angeordnet ist.
Luftbefeuchter nach Anspruch 1, wobei das Dampfverteilungsmittel einen Dampfverteiler (6, 7c) und Mittel (44), das den Dampf aus dem Wasserbehälter-Dampfausströmkanalauslass dorthin leitet, umfasst.
Luftbefeuchter nach Anspruch 7, wobei der Dampfverteiler (6) an einer Position entfernt von dem Wasserbehälterapparat angeordnet ist und Mittel (45) zum Zurückführen von Kondensat von dem Verteiler zum Wasserbehälter umfasst.
Luftbefeuchter nach Anspruch 1, wobei das Dampfverteilungsmittel einen Dampfverteiler (7c) direkt am Luftbefeuchter montiert aufweist.
Luftbefeuchter nach Anspruch 9, wobei der Dampfverteiler (7c) in einem Luftventilatorabteil (7a, 7b) angeordnet ist.
Luftbefeuchter nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei das Dampferzeugungssteuermittel einen Feuchtigkeitsregler (1, 1a), Luftströmung erzeugende (16, 32) und Verbrennung steuernde Mittel (10) für den Luft-Kraftstoff-Brenner und Mittel zu ihrer gegenseitigen operativen Beziehung umfasst.
Luftbefeuchter nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei das Mittel zur Steuerung der Dampferzeugung einen Modulations-Feuchtigkeitsregler (1, 1a) umfasst, wobei der Kraftstoff Gas ist und das Ventilmittel (14) für eine Gasversogungsleitung zu dem Brenner vorgesehen ist, wobei das Ventilmittel ein Proportional-Magnet-Gasventil darstellt.
Luftbefeuchter nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei das Mittel zur Steuerung der Dampferzeugung einen Modulations-Feuchtigkeitsregler (1, 1a), Verbrennungssteuerungsmittel (10), ein Kraftstoffversorgungsventilmittel (14), in dem das Ventilmittel ein konventionelles Konstantverhältnis-Gas/Verbrennungsluft-Ventilsystemmittel enthält, und ein Verbrennungssystem-Fremdbelüftungs-Erzeugungsmittel (16, 32) umfasst.
Luftbefeuchter nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 10, der Überwachungsmittel zum Überwachen des Betriebs und der Leistung dieses Apparats enthält.
Luftbefeuchter nach Anspruch 1, wobei sich der Verbrennungskammerabschnitt und Wärmetauscherkammerabschnitt von einem der Endwände des Wasserbehälters in den Wasserbehälter erstrecken.
Luftbefeuchter nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur gesteuerten Dampferzeugung Mittel (39, 40) zur gesteuerten Zuführung von Wasser in den Behälter und Mittel (18, 50, 47), die in Verbindung damit funktionieren, um das Wasser in dem Wasserbehälter innerhalb eines vorgewählten oberen und unteren Wasserstands zu halten, umfassen.
Luftbefeuchter nach Anspruch 1, der einen weiteren Kraftstoff-Luft-Brenner in der Verbrennungskammer enthält.
Luftbefeuchter nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungskammerabschnitt, der Wärmetauscherkammerabschnitt und der Kraftstoff-Luft-Brenner eine modulare Einheit bilden, und in dem mindestens zwei derartige modulare Einheiten (H, G) in dem Wasseraufnahmetank angeordnet sind.
Luftbefeuchter nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 10 und 15 bis 18, wobei die obere Wand des Wasserbehälters abnehmbar montiert (3G) ist, um Zugang für regelmäßiges Entfernen von Kesselstein und ähnlichen Ablagerungen, die sich bilden können, zu ermöglichen.