EP3390923B1 - Verfahren und vorrichtung zur luftbefeuchtung mittels einer mikroporösen membran - Google Patents

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EP3390923B1
EP3390923B1 EP16822372.5A EP16822372A EP3390923B1 EP 3390923 B1 EP3390923 B1 EP 3390923B1 EP 16822372 A EP16822372 A EP 16822372A EP 3390923 B1 EP3390923 B1 EP 3390923B1
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EP
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water
membrane
air
humidifying device
frame
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Urs Forster
Frank Walter LICHTNER
Leo Rasmussen
Daniel Winter
Peter Kappenberger
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Condair Group AG
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Condair Group AG
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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    • F24F2110/20—Humidity

Definitions

  • the invention relates to a device for air humidification and a method for operating such a device.
  • Air humidification devices which use a membrane that is impermeable to water and permeable to water vapor are known. So explained DE 10 2008 038 557 A1 the disadvantages of the known air humidifier and proposes an air humidifier with a separating membrane, in particular with a separating membrane made of a hydrophobic material such as polypropylene (PP) or polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • PP polypropylene
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the invention is therefore based on the object of making the humidification by means of a membrane air humidifier with a separating membrane suitable for practice even with water at a relatively low temperature. Furthermore, operation with normal tap water should be possible without rapid calcification of the membrane humidifier occurring. By solving these tasks, the areas of application of such air humidifiers are to be expanded.
  • an air humidification device with a preferably hydrophobic membrane which is impermeable to water but permeable to water vapor, is operated according to the invention in such a way that the water mass flow in kg / h flowing past the membrane is selected by a factor X greater than the water vapor mass flow exiting the membrane in the air duct in kg / h, where the factor X is greater than 5, it is found that the cooling of the water on the membrane can be kept so low that a good humidification performance can also be achieved with water at a comparatively low temperature flowing to the membrane.
  • the desired water vapor mass flow can be specified, which results in the corresponding mass of water.
  • the water vapor mass flow can also be measured in any known manner via the air mass and its humidity.
  • the invention can, for example, enable the use of water which has a similar temperature to the liquid in floor heating, which makes it possible to operate the air humidifier with energy from floor heating without the temperature of the water having to be additionally increased.
  • a factor greater than 10 is particularly suitable, in particular a factor greater than 20, in particular a factor greater than 50 and in particular a factor greater than 50 to 250.
  • the limitation on the size of the factor is essentially the result for practical reasons, since with a very high factor the water mass flow in the air humidification device becomes very large; As a rule, a factor greater than 500 will therefore not make any technical sense.
  • the invention thus relates on the one hand to the operation of an air humidifier based on a preferably hydrophobic ("water-repellent") membrane, which is impermeable to water but permeable to water vapor.
  • a preferably hydrophobic (“water-repellent") membrane which is impermeable to water but permeable to water vapor.
  • Such membranes are known to the person skilled in the art and are commercially available.
  • the humidifier should be able to be installed in the supply air duct of a ventilation and air conditioning system and have the option of humidifying the supply air to such an extent that the resulting supply air is in the so-called comfort range. In the industrial use of such air humidifiers, the humidification can be above or below the so-called comfort range for living spaces.
  • the air humidifier with membrane operated according to the invention can already be operated with moderately warm water, and thus no electrical energy has to be used to generate steam.
  • the energy required to generate the hot water for the method according to the invention can be provided, for example, from otherwise unused waste heat or from solar heat generation.
  • the control of the humidity can only be controlled by the water temperature of the water mass flowing past the membrane, as well as only by setting the factor X or the water circulation mass flow.
  • a coupled control is preferably carried out so that the amount of water vapor per time or the humidity in the room to be humidified is effected both by influencing the water temperature and the amount of water per time or the factor X.
  • the control with these two influencing variables is preferably dependent on the value of the water temperature.
  • the influence of an increase in the water circulation mass flow is very small, since the temperature drop in the water when flowing through the membrane elements is also very small here and thus also the change in the mean water temperature at the membrane. In particular, at a low water temperature of less than approx.
  • the control is essentially carried out by influencing (increasing or decreasing) the water temperature, while at a higher water inlet temperature of approx. Greater than 40 ° C, the control takes place mainly by influencing factor X (increasing or decreasing the same).
  • the control takes place by influencing both the water temperature and the factor X. This can be a simple linear dependence of the two influences as a function of the temperature.
  • the temperature limits mentioned are only to be understood as an example and they can in particular also depend on the respective type and dimensioning of the membrane of the air humidification device, but can easily be determined by the person skilled in the art by means of experiments.
  • the amount of water is preferably measured with a flow sensor, in particular between a water pump of the air humidification device and the inlet into the container which contains the membrane.
  • the temperature of the water is preferably also measured, in particular at the same point at which the water flow rate is also measured.
  • membrane humidification fulfills the hygiene requirements due to the following two aspects:
  • the membrane is preferably hydrophobic and it can therefore be assumed that the germs and microorganisms in the water, such as bacteria , do not come into direct contact with the micropores of the membrane and thus do not pass into the air flow.
  • the (middle) The pore size of the membrane is 0.05 micrometers to 0.25 micrometers, at most up to 0.5 micrometers and preferably approx. 0.1-0.2 micrometers, as a rule below the size of the germs or microorganisms.
  • a hydrophobic polymer such as polytetrafluoroethylene (PTFE), but also polyvinylidene fluoride (PVDF) or polypropylene (PP) or polyurethane (PU) can be used as the material of the membrane.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PP polypropylene
  • PU polyurethane
  • Other, non-hydrophobic membranes and membranes with a hydrophobic surface coating multilayer membranes / asymmetrical membranes can also be used.
  • both flat screen membranes or flat sheet membranes i.e. membrane materials stretched over a large area, as well as tubular membranes (hollow fiber membranes or capillary membranes) are possible.
  • a counter-current arrangement or a cross-current arrangement or a direct-current arrangement can be provided for the air and water flow.
  • a cross-countercurrent arrangement is also preferred.
  • the membrane of the air humidification device is formed from a plurality of membrane elements, each of which has a frame formed from frame webs with a front side and a rear side and side walls.
  • the membrane material is arranged flat on at least one side of this frame and is preferably flat on both sides, on the front and rear.
  • the membrane material is attached in a watertight manner to the respective frame surfaces of the front and rear of the frame, so that a watertight space, delimited by the frame and the membrane surfaces, is formed within the frame, or, if necessary, a space is formed that is delimited by a membrane surface and a non-membrane surface, if only one side of the frame has a surface Membrane material is provided, from which space only the water vapor can escape through the membrane.
  • the frame has on side walls at least one opening leading into the room as a water inlet and at least one opening leading into the room as a water outlet.
  • the frame has in its interior at least one web, preferably several webs, which connect inner side walls of the frame, which webs have essentially the same thickness D over a first section as the frame webs and have a smaller thickness D1 over a second section of their length than the frame bars.
  • the sections with a smaller thickness form water passages within the frame.
  • the membrane surfaces are attached to the first sections of the webs in a watertight manner or, if necessary, a non-membrane surface is connected to the webs in a watertight manner if a membrane surface is only arranged on one side of the frame and the other side of the frame is closed by a non-membrane surface to create the watertight space to build.
  • This preferred configuration of the membrane elements results in a very good possibility of fastening and stability of the respective membrane surface on the frame in that it is also fastened to the webs.
  • the watertight fastening can be done, for example, by plastic welding of the membrane and the webs formed from a plastic, or can be done by lamination or gluing.
  • a further stabilization of the membrane elements or the membrane composed of these results when at least some of the webs, in particular all of the webs, are connected to one another or to a side wall by means of support webs running essentially transversely to the webs, the support webs having the smaller thickness D1 have or have an even smaller thickness so as not to disturb the flow of water.
  • the respective end of the first section is rounded off in at least one of the webs, in particular in all webs, of the membrane elements. Furthermore, the respective end of the first section in at least one of the webs or in all webs can be bent away from the first opening, and thus from the water inlet. Both measures, individually or preferably in combination, are advantageous for the water flow in the frame and avoid or reduce dead zones.
  • formations can be provided on second sections of smaller thickness D1 within the water passages formed by them, which provide additional surfaces for fastening the membrane material above the water passages in order to stabilize the membrane surface.
  • formations can be provided on both sides of a respective second section if a membrane surface is attached to the frame on the front and rear.
  • channels are provided through which can flow Cross-section is many times smaller than the cross-section provided by the respective water passages for the water. In this way, channels are created for any drainage of the membrane elements when the air humidification device or its water system is switched off, in order to be able to avoid stagnant residual water for reasons of hygiene.
  • the channels are designed with such small diameters that they do not interfere with the flow of water during operation.
  • the membrane elements are preferably provided with positioning means arranged on the frame in order to connect several membrane elements to form a large membrane as the sum of the respective membrane surfaces of the elements.
  • the air passages for the air to be humidified, which air flows past the individual membrane surfaces, are formed between the membrane elements.
  • At least two vertically running membrane channels through which water flows are arranged one behind the other in the flow direction of the air. In the cross-section over the width of the channel, this arrangement is repeated, separated by an air gap.
  • the warm water flows from the water guide arrangement from bottom to top, i.e. against gravity, into an upper header tank and from there flows further in the front membrane channel from top to bottom into the drain or preferably back into a recirculation cycle.
  • the advantage of this so-called cross-countercurrent arrangement which also results in this example, is primarily that the difference in the water vapor partial pressure between the two sides of the membrane (i.e.
  • the total water vapor diffusion is also higher. Furthermore, it can also be rated as a constructive advantage if the entire water supply and control can be placed on the underside of the membrane humidifier.
  • a flat membrane Since a flat membrane has only a low inherent stability, it is preferably reinforced. This can be done on the one hand by fastening, for example by fastening, in particular by means of welding or lamination, of the membrane with part of its water-side surface to an inner support structure.
  • An inner support structure is thus provided in the water flow area of the membrane and is designed in such a way as to inhibit the water flow as little as possible.
  • membrane elements designed in this way for forming the membrane has been explained above.
  • an external support structure for the membrane can also be provided in the air flow area.
  • the membrane can be attached to the outer support structure or can only lie loosely or be pressed on by the water pressure. The advantages of the flat membrane are easier cleaning and lower pressure loss in the air duct.
  • the water temperature of the water flowing into the container is set in the range from 20 degrees Celsius to 60 degrees Celsius, in particular the water temperature is adjusted in the range from 25 degrees Celsius to 45 degrees Celsius. It is further preferred that the water content of the water guide arrangement is continuously or discontinuously supplemented by to replace the amount of water evaporating through the membrane.
  • the water guide arrangement includes a water circuit and further that the water circuit includes a water tank. It is further preferred that the water guide arrangement comprises at least one heating device for the water and it is preferred that the heating device comprises a water / water heat exchanger and / or that the heating device comprises an electrical water heater.
  • the heating device in particular the electric water heater, is more preferably arranged in the water tank.
  • the concentration of substances dissolved in the water is measured by means of a sensor, for example by means of a sensor with which the electrical conductivity of the water is measured.
  • water can be discharged from the water cycle and supplemented with fresh water.
  • the drainage of water is carried out, for example, from the bottom of the mentioned water tank, with which deposits of the substances can be removed particularly well. This process is known in the technical language as "blowdown".
  • the membrane is a hydrophobic, microporous membrane with a nominal pore diameter in the range from 0.05 to 0.25 micrometers, or in the range from 0.05 to 0.5 micrometers, and especially in the range from 0.1 micrometers to 0.2 micrometers.
  • the method can preferably be improved if the air humidification device has means for blowing air into the water flow before or when the water enters the container and that air is supplied continuously or discontinuously on the water side during operation. It is further preferred that the air humidification device has means for generating a turbulent flow on the air side. And further that the container with the membrane is arranged in this way that the water flows past the membrane from bottom to top against the force of gravity.
  • the invention thus relates to an air humidification device based on a membrane, which is impermeable to water but permeable to water vapor, which is preferably hydrophobic (water-repellent).
  • the invention thus relates to a so-called membrane air humidifier.
  • Membrane materials for such air humidifiers are known to the person skilled in the art and are commercially available.
  • the humidifier should be able to be installed in the supply air duct of a building's ventilation system, preferably in front of a distributor to individual apartments in a building, and it should be able to humidify the supply air to such an extent that the resulting supply air is in the so-called comfort range.
  • the air humidifying device with membrane according to the invention can already be operated with moderately warm water and thus no electrical energy has to be used to generate steam.
  • the energy required to generate the hot water can be provided, for example, from otherwise unused waste heat or from solar heat generation. There is also good heat and mass transfer and good avoidance of deposits due to the shear forces generated by the high flow velocity of the water.
  • the membrane is preferably hydrophobic and it can therefore be assumed that the germs and microorganisms in the water, such as bacteria , do not come into direct contact with the micropores of the membrane and thus do not pass into the air flow.
  • the (mean) pore size of the membrane is from 0.05 micrometers to 0.5 micrometers, in particular from 0.05 micrometers to 0.25 micrometers, at most and preferably about 0.1 to 0.2 micrometers, usually below the size of the germs or microorganisms .
  • a polymer in particular a hydrophobic polymer, is preferred as the material of the membrane.
  • a polymer in particular a hydrophobic polymer
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PP polypropylene
  • PU polyurethane
  • the air humidification device preferably has a multiplicity of membrane elements which together form the membrane.
  • the preferred membrane element has a frame formed from frame webs with a front side and a rear side and side walls, on which frame the membrane material is arranged flat at least on one side, and on which frame the membrane material is preferably arranged flat on both sides, front and rear.
  • the membrane material is on the respective frame surfaces of the front and The back of the frame is attached watertight.
  • a watertight space, delimited by the frame and the membrane surfaces, is thus formed within the frame, from which only the water vapor can escape via the membrane. Or a space delimited by a membrane area and a non-membrane area is formed.
  • the frame has at least one opening as a water inlet and at least one opening as a water outlet on the side walls.
  • the frame preferably has at least one web in its interior, but the frame preferably has several webs in its interior, which connect the inner side walls of the frame Frame webs, and the respective webs have a thickness D1 over a second section of their length, which is less than the thickness of the frame webs.
  • the sections with a smaller thickness form water passages within the frame. If there is only one web, the membrane surface, or the membrane surfaces, is attached to the first sections of the web in a watertight manner. If there are several webs, the membrane surface or the membrane surfaces are attached to the first sections of the webs in a watertight manner. In this way, a meandering water flow can be brought about within the frame in a simple manner, so that a cross-countercurrent arrangement is achieved.
  • the webs can be connected to one another or to a side wall by means of support webs running essentially transversely to the webs in order to stabilize the webs and thus also to reduce the stress on the membrane surfaces attached to the webs.
  • the support webs have the smaller thickness or preferably an even smaller thickness in order not to disturb the water flow.
  • the end of the first section is rounded in at least one of the webs, which is also beneficial for the flow of water is advantageous in the meander arrangement of the webs. Furthermore, in at least one of the webs, the end of the first section can be bent away from the first opening in order to also improve the flow around the first sections and to reduce flow-poor zones. For this purpose, a recess for influencing the flow can also be provided on the inner side wall adjacent to the opening forming the water inlet.
  • formations are preferably provided which provide a surface for fastening the membrane material also within the water passages.
  • a formation can be provided on both sides of a respective second section if the membrane element is provided with membrane surfaces on both sides.
  • channels can be provided, the cross-section of which can be flown through is many times smaller than the cross-section for the water provided by the respective water passages, which channels are only important in the deactivated state of the air humidification device and the distance from Make residual water easier.
  • positioning means are preferably provided on their frames in order to facilitate the connection of several membrane elements to form a membrane in which the air passages are formed between the membrane elements.
  • the membrane material is preferably a material with a nominal pore diameter in the range from 0.05 to 0.5 micrometers, preferably in the range from 0.05 to 0.25 micrometers, in particular a material with a nominal pore diameter from 0.1 to 0.2 micrometers.
  • the membrane material is a polymer, preferably a hydrophobic polymer, and for example the membrane material is formed from polytetrafluoroethylene (PTFE) or polyvinylidene fluoride (PVDF) or polypropylene (PP) or polyurethane (PU) or it is another known membrane material.
  • the membrane surfaces are reinforced by an external support structure made of a material different from the membrane material, or that the membrane surfaces are reinforced by a support structure made of the same material as the membrane.
  • both flat screen membranes or flat sheet membranes i.e. flat-stretched membranes, and tubular membranes (hollow fiber membranes and capillary membranes) can be used.
  • a cross-countercurrent arrangement is preferred as a technical design.
  • a countercurrent arrangement or a direct current arrangement is also possible.
  • At least two vertically running membrane channels through which water flows are arranged one behind the other in the flow direction of the air. In the cross-section over the width of the channel, this arrangement is repeated, separated by an air gap.
  • the warm water flows from the water guide arrangement from bottom to top, i.e. against gravity, into an upper header tank and from there further in the front membrane channel from top to bottom into the drain or preferably back into a recirculation circuit.
  • the primary advantage of this so-called cross-countercurrent arrangement is that the difference in water vapor partial pressure between the two sides of the membrane (i.e.
  • a flat membrane Since a flat membrane has only a low inherent stability, it is preferably reinforced, which is achieved on the one hand by laminating the membrane with part of its water-side surface onto a thin, inner support structure in the water flow area of the membrane, which support structure is arranged in such a way that it facilitates the water flow hinders as little as possible.
  • a separate external support structure on which the membrane can rest or to which the membrane is attached can also be provided. The advantages of the flat membrane are easier cleaning and lower pressure loss in the air duct.
  • the entire membrane surface is formed from a multiplicity of tubular capillary membranes standing vertically in the channel cross-section.
  • the membrane surfaces consist of several columns of tubes aligned in the direction of the air flow. For example, with an outer diameter of 2 mm for the individual tubes, several dozen of these tubes are each arranged in a row one behind the other and parallel to the direction of flow of the air in the channel per column.
  • the tubes are only arranged with little or no spacing within a row, for reasons of mechanical stability and packing density (membrane area per volume) and also with advantages in terms of pressure loss in the air duct.
  • capillary membranes over flat membranes are, in addition to the above-mentioned points of higher packing density and greater mechanical stability, that the sealing of the water channel to the air side can be structurally simpler and this can be achieved by potting.
  • the use of the capillary membrane is disadvantageous in terms of cleaning (air and water side).
  • the water temperature of the water flowing into the container can be set in the range from 20 degrees Celsius to 60 degrees Celsius, in particular in the range from 25 degrees Celsius to 45 degrees Celsius.
  • the water content of the water supply arrangement can be supplemented continuously or discontinuously in order to replace the amount of water evaporating through the membrane.
  • the water guide arrangement includes a water circuit and further that the water circuit includes a water tank.
  • the water guide arrangement comprises at least one heating device for the water and it is preferred that the heating device comprises a fluid-fluid heat exchanger, for example a water-water heat exchanger and / or that the heating device comprises an electrical water heater.
  • the heating device in particular the electric water heater, is more preferably arranged in the water tank.
  • the air humidification device preferably has at least one water temperature sensor connected to the control arrangement in terms of signals, in particular a water temperature sensor which is arranged in the water flow between the water pump and the water inlet of the container. It is further preferred that the air humidification device has a water flow meter connected to the control arrangement in terms of signals for measuring the water flow, which is arranged in particular in the water flow between the water pump and the water inlet of the container, and in particular it is preferred that the water temperature sensor and the water flow meter are combined with one another are.
  • the membrane is preferably a, in particular hydrophobic, microporous membrane with a nominal pore diameter in the range from 0.05 to 0.5 micrometers, and in particular with a nominal pore diameter in the range from 0.05 to 0.25 micrometers, and in particular with a nominal pore diameter in the range from 0.1 to 0.2 micrometers .
  • the air humidification device can have means for blowing air into the water flow before or when the water enters the container and can be designed so that air can be supplied continuously or discontinuously on the water side. It is further preferred that the air humidification device has means for generating a turbulent flow on the air side. And further that the container with the membrane is arranged in such a way that the water flows past the membrane from bottom to top against the force of gravity.
  • FIG 1 shows schematically and by way of example an air humidification device 10, the parts belonging to the device being shown within the area delimited by the broken line.
  • the Air humidification device 10 is arranged, for example, in a technical room 11 and is used to humidify the air that is supplied to a room, for example living room 22, which is only indicated.
  • the invention can generally be used in the field of air conditioning (HVAC).
  • Air that is discharged from the living space 22 is in this example fed by a fan 24 via a line 23 to an air-to-air heat exchanger 25 in the technical room 11 and from there via the line 27 into the environment outside the building, in where the technical room and the living room are located.
  • Air entering from the environment via line 26 passes through heat exchanger 25 and fan 24 'into air humidification device 10 and from there via line 28 into living space 22.
  • Fans 24, 24' and thus the flow rate of the air also have a Influence on the humidification performance.
  • the absolute humidification performance in kg / h tends to increase somewhat with increased air speed. As a rule, however, the fans are not part of or are not under the control of the air humidification device 10. The (rather minor) influence of the fans is therefore not considered here.
  • the air humidification device 10 comprises a membrane 1, shown only schematically, by means of which the air to be humidified is supplied with water vapor in the amount M1 per hour (kg / h).
  • the membrane 1 usually consists of several membrane elements or membrane surfaces which together form the membrane with an effective total membrane surface. Warm water is supplied to one side of the membrane and evaporating water can pass through the membrane to the other side in the form of water vapor, where it is absorbed by the air carried past the other side of the membrane as an air stream. This is known in principle and was explained at the beginning.
  • the membrane 1 is arranged in a container 2 which contains the membrane elements or the individual membrane surfaces which together form the membrane. These can in particular be flat elements or cylindrical elements, as has also already been explained.
  • the membrane elements forming the membrane 1 are arranged and designed in such a way that the water flows past on one side and the air to be humidified on the other side.
  • the container has an inlet 3 and an outlet 3 'for the air flow as well as an inlet 4 for the warm water and an outlet 4' for the less warm water, which has a lower temperature than that at inlet 4 in FIG water that has entered the container.
  • the inlets and outlets for the air and the inlets and outlets for the water are only indicated in the figure; the person skilled in the art knows how such inlets and outlets or connections for air and water pipes are designed.
  • the air humidification device has a water guide arrangement, which is intended to denote the entirety of the lines, water tanks, valve and pumping means, which are used to guide the water used for humidification into the container 2 and thus to the membrane 1 and the water emerging from the container 2 To resume water.
  • the water guide arrangement preferably has a water circuit so that water emerging from the container 2 can re-enter the container. In between there is at least one step of heating the water so that it again contains enough energy to evaporate part of the water on the membrane.
  • a sensor 33 is preferably provided which emits an output signal which emits a measure of the concentration of the substances dissolved in the water.
  • a conductivity sensor can be installed in the line as a sensor 33 between the tank 6 and the pump 8, which outputs the conductivity of the water as a measured value, which represents a measure of the concentration of the dissolved substances in the water, which measured value transmits to the control arrangement 35 becomes.
  • the control unit sends a control signal to the blow-down valve 34 for the blow-down of water with a high concentration of dissolved substances.
  • the tank 6 is preferably provided in order to provide a sufficient amount of water in a simple manner to be able to. Furthermore, the tank allows the amount of water in the system to be determined in a simple manner and to keep the system generally depressurized. Furthermore, as mentioned, a tank allows the minerals that accumulate in the water to be drained away by draining water with a comparatively high concentration of dissolved substances and replacing it with fresh water with a lower concentration of dissolved substances. In technical jargon, this process is often referred to as "blowdown". If a sufficiently long line length is accepted, the tank can be dispensed with; the amount of water for operating the device is then available in the line sections of the water conduction arrangement.
  • At least one sensor is preferably provided which determines the water temperature in the water guide arrangement.
  • a sensor 33 ' is preferred, which determines the water temperature at a point between the pump 7 and the membrane.
  • the water temperature value determined by this sensor is preferably transmitted to the control arrangement.
  • the control arrangement can use this temperature value in order to influence the water vapor generation to be carried out by means of an increase or decrease in the water temperature and / or by means of an increase or decrease in the factor X, which has been described at the beginning as a preferred procedure.
  • a sensor is preferably provided, for example sensor 33 ′′, which determines the water mass flow in the circuit and which preferably transmits the flow rate of the water to the control arrangement, which leads to a controlled setting of factor X.
  • the sensor is a combined temperature and flow sensor.
  • the water is heated with a heating device which can heat the water in any known manner.
  • a heating device which can heat the water in any known manner.
  • An example is an electric water heater 32, which is preferably arranged in the tank 6 but could also be present at another point in the water guide arrangement.
  • This heating device can be operated electrically or in another known manner.
  • the heating device can comprise a fluid-fluid heat exchanger and in particular a water-water heat exchanger 31, this instead of the water heater 32 or in addition to it.
  • heat With the heat exchanger 31, heat is preferably extracted from the water circuit in a floor heating system of the building and particularly preferably from the water circuit of the floor heating system of the room 2 in order to heat the water in the water supply arrangement of the air humidifier 10.
  • a means is preferably provided in order to continuously or discontinuously supply water to the water conduction arrangement from a water source external to the device 10.
  • a water source external to the device 10.
  • the valve 9' is from of the control arrangement 35 of the air humidification device, which will be explained later, for this purpose the valve 9 'is an electrically controllable valve which is connected to the control arrangement 35 via an electrical control line (not shown).
  • the water tank preferably has an element which determines the fill level of the tank and which is preferably connected to the controller.
  • This is preferably a schematically illustrated float whose position serves as a level control and this float can be connected to the control arrangement so that the control arrangement can derive an indication of the amount of water in the water supply arrangement via the float level.
  • the tank 6 is provided with a drain, in particular for the so-called blowdown. Mineralization of the water in the tank or, in extreme cases, sludge formation on the bottom of the tank, can occur in the water circuit especially when tap water is used and such substance concentrations can be removed via an openable drain, whereupon the drain is closed again.
  • the drain can also be activated via a controllable valve if maintenance or cleaning work makes it necessary to empty the tank and possibly the entire water supply system.
  • the control arrangement can be implemented by means of a computer or an industrial controller in a manner known to the person skilled in the art.
  • the controller receives information via a signal line 36 and a sensor 37, for example, which provides information about the amount of water vapor mass flow at the outlet of the container 2, and thus information about the amount of water vapor per time that is supplied to the room 22. She can Compare this with the information about the target humidity in the room and thus determine the requirement for the amount of water vapor per time.
  • the mere specification of the nominal humidity can also suffice, since with a given room size it is basically known how much water vapor is required per unit of time.
  • the setpoint humidity can be set on the control arrangement or via a separate setting element connected to it.
  • the actual humidity in the room is determined by at least one humidity sensor and transmitted to the control arrangement.
  • the control arrangement ensures that sufficient moisture is supplied to the room.
  • the air flow into the room can be controlled by the control arrangement or usually a separate control arrangement of the so-called ventilation device, in particular by controlling the fans 24 and 24 '. This is not explained further here.
  • the control arrangement adjusts the water mass flow through the container 2 per time so that the water mass flow (which is also determined in kg / h, for example) is at least 5 times greater than the water vapor mass flow.
  • the control arrangement can use the information from the flow meter mentioned and control the pump 7 accordingly.
  • the factor is preferably greater than 10 and in particular the factor is greater than 20 and in particular the factor is greater than 50. In particular, the factor is set in the range from 20 to 250.
  • the control arrangement 35 is connected to the water conduction arrangement by means of a control line 38 and can thus, as mentioned, in particular control the pump 7, which conveys the amount of water per time that is required to maintain the factor.
  • the control arrangement also controls the valves explained and receives information about the water level and the water temperature. It also controls the heating of the water. All of these control signals and feedback signals from sensors (some of which are not shown) are in the Figure 1 summarized in the control line 38 for their simplification.
  • the container 2 can - unlike in the schematic Figure 1 shown, vertically or arranged so that the water flows from bottom to top or against gravity through the container, which makes it easier to control the water flow.
  • a preferred membrane element 60 is described. At least one such membrane element and usually several such membrane elements 60 together form the membrane 1 in the container 2.
  • the membrane element according to this preferred embodiment has a frame 65 which, in the example shown, is rectangular and has the frame webs 61, 62, 63 and 64 .
  • the webs have a web width B (which does not have to be the same for all webs), a web thickness D and a length, wherein in the case of a rectangular frame 65 opposing webs 61 and 63 or 62 and 64 have the same length.
  • two membrane surfaces M are provided, which are opposite one another at a distance from one another by the web thickness D.
  • the respective membrane surface M is fastened to the outer sides of the frame webs, which outer sides have the width B or widths B different from one another. On these outer sides, the respective membrane surface is fastened lying on the respective outer side.
  • the material of the webs of the frame 65 is preferably a plastic material which allows the membrane surfaces M along the frame webs to be attached to the frame in a watertight and cohesive manner by plastic welding or to the frame by laminating the membrane material to the frame webs.
  • adhesive bonding could also be provided, for example by means of a hot-melt adhesive.
  • the frame On the side walls, the frame has at least one first opening 70 as a water inlet and at least one second opening 71 as a water outlet.
  • the opening 70 is connected to the line 8 and the inlet 4 of FIG Figure 1 in communication and the opening 71 is with the outlet 4 'of Figure 1 in connection, this being the case for a membrane formed from a plurality of membrane elements for all corresponding openings 70 and 71 of the frames 65, which are connected to the common line via distributors.
  • the frame In its interior, the frame preferably has at least one web 67.
  • the frame preferably has a plurality of webs 67; eight webs 67 are provided in the example shown.
  • the web connects, or these webs connect, inner side walls of the frame, in the example shown the inner side walls 62 ′′ and 64 ′′, since the webs 67 in this example the frame webs 62 and 64 connect.
  • the webs 67 each have essentially the same thickness D over a first section 68 as the frame webs 61 to 64, so that the membrane surface M of the respective membrane element rests both on the frame webs and on the webs 67 and also on the webs 67 the first sections 68 of which can be attached.
  • the membrane is also attached in a watertight manner to the webs 67, so that the water does not flow through between the membrane and the web at these points or in the area of the sections 68.
  • the webs 67 each have a second section 69 of their length in which the webs have a smaller thickness D1 than the frame webs.
  • the membrane material M is not attached to these sections 69, which are set back in relation to the outer sides of the frame webs and in relation to the sections 68 in the direction of the inside of the frame.
  • the recessed sections form passages for the water through which the water can flow on its way from the water inlet 70 to the water outlet 71.
  • a path for the water within the membrane element 60 can thus be predetermined by the arrangement of the webs 67, the water flowing past the inside of the frame or in the interior 66 on the inside of the membrane surfaces M.
  • the webs 67 are preferably arranged in the frame in such a way that their thicker sections are alternately arranged starting from opposite side walls 62 ′′, 64 ′′ of the frame in order to create a meandering path for the water or a cross for the water and the air flow -Create countercurrent arrangement as shown in Figure 2 with the arrows F for the water directions is indicated, while the arrow L the direction of the indicates air flowing through the container 1, which flows past the outer membrane surfaces of the membrane elements or outside the frame.
  • second sections 69 of lesser thickness D1 of the webs within the water passages formed by them formations 56 are provided on the webs, which provide a surface for fastening the membrane material also inside or above the water passages .
  • the surfaces of these formations 56 are preferably arranged again in such a way that the frame thickness D results there again, so that the membrane surfaces M can also be attached to these surfaces 56.
  • the water can flow through the passages in the second sections 69 of the webs.
  • the formations 56 result in a further stabilization of the membrane surface, so that it can withstand the pressure and the flow of the water in the membrane element.
  • a recess 56 is preferably provided on both sides of a respective second section 69. This can also be used to prevent or reduce vortex and dead zones.
  • webs 67 run essentially transversely to the webs or possibly obliquely to the webs
  • Support webs 59 are connected to one another or to a side wall 61 ′′, 63 ′′, the support webs 59 having the smaller thickness D1 or preferably an even smaller thickness in order to impede the flow of water only slightly.
  • the end 58 of the first section 68 in at least one of the webs 67 can be rounded, as shown in FIG Figures 2 and 3rd is shown at all bridges.
  • the end 58 of the first section 68 is bent away from the first opening 71, as is the case in FIG Figures 2 and 3rd is shown at all webs.
  • a molding can also be provided on the inner side wall adjacent to the opening forming the water inlet, as in FIG Figure 2 and Figure 3 shown.
  • channels 55 can be provided in the webs 67 in the area of their connection with the side walls (not all of which are denoted by 55 in the figure), the cross-section of which is many times smaller than the cross-section for the water provided by the respective water passages .
  • These channels facilitate the dewatering of the membrane elements or the membrane when the hydraulic system of the air humidification device is switched off or when it is out of operation and thus make it possible to avoid residual water, which is undesirable from the point of view of hygiene.
  • positioning means 73 arranged on the frame are also preferred, which also facilitates the formation of a membrane in which uniform air passages are formed between the membrane elements.
  • FIG. 4 a roughly schematic horizontal section through a vertically arranged container 2, the container wall of which is only indicated with broken lines.
  • Membrane elements 41 in which the water flows, are arranged in the container. Together, the membrane elements 41 form the entire membrane 1.
  • membrane elements 41 arranged at the bottom of the container are shown in which the water introduced into the container (via the inlet 4 of Figure 1 ) flows up in the container and shown at the top of the container Membrane elements 41 in which the water flows back down to the outlet of the container (outlet 4 'in Figure 1 ).
  • the air which is indicated by the arrow L and which absorbs the water vapor emerging from the membrane elements 41, is guided through the spaces 45 between the membrane elements.
  • Figure 5 shows a schematic horizontal section through a container 2, the container wall of which is only indicated with broken lines, in which container the membrane is formed by a plurality of cylindrical membrane elements 40 arranged in rows, which together form the membrane (only two rows are shown, the other rows are only indicated with dash-dotted lines).
  • the water flows in the cylindrical membrane elements 40 and the air is guided through the spaces 45 according to arrow L in order to humidify the air.
  • FIG 6 shows schematically a frame 42 in which a flat membrane part M made of the aforementioned membrane material is clamped.
  • a flat membrane part M made of the aforementioned membrane material is clamped.
  • Such an element 41 forms, with a second such element or with a closed rear wall, a membrane element in which a space for the water, which is delimited by the membrane element, is formed.
  • the support structure is designed in such a way that it enables the flow of water or inhibits it as little as possible.
  • the membrane can also be attached to the outside of the frame webs, in particular by welding or lamination or gluing.
  • a membrane element for an air humidification device in particular for the above-described air humidification device, is formed in such a way that the membrane material M of the membrane arrangement is a microporous material, and is preferably a hydrophobic microporous material.
  • the membrane material M of the membrane arrangement is a microporous material, and is preferably a hydrophobic microporous material.
  • the microporous material is formed from a, preferably hydrophobic, polymer, for example from polytetrafluoroethylene (PTFE) or polyvinylidene fluoride (PVDF) or polypropylene (PP) or polyurethane (PU).
  • the membrane material M is arranged flat and with its edge 44 fastened in a clamping frame 42, for example in a square or rectangular clamping frame 42, the cross-section of the frame webs being at least partially made of an injection-moldable plastic and the membrane material being fastened to the webs by being surrounded by the plastic with its edge areas.
  • Figure 7 which shows a section through the frame and membrane material along line A - A of Figure 6 shows that the edge of the flat part 40 of the membrane material is embedded in the edge.
  • Such a membrane arrangement is preferably produced in such a way that the frame webs are at least partially injection molded from a plastic, viewed over their cross-section, the membrane being fastened in the webs by being cast with its edge regions 44 directly into the frame webs during the injection molding process.
  • a reinforcement 43 made of a different material than the plastic web material can be provided in the frame webs.
  • a membrane can also be fastened on the outside of the web instead of the shown fastening around the web, in particular welding or gluing to the web.
  • the membrane surface is reinforced by an external support structure made of a material different from the membrane material or that the membrane surface is reinforced by an external support structure made of the same material as the membrane surface.
  • the membrane surface can be laminated onto the support structure, or the membrane surface can rest loosely on such a support structure.
  • the support structure is not shown in the figure. It can also be web-shaped and, for example, form a grid. Such a support structure can also serve to induce a turbulent air flow over the membrane. This must be distinguished from the already mentioned inner support structure on the water flow side.

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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Luftbefeuchtung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung.
    • Hintergrund
  • Luftbefeuchtungsvorrichtungen, welche eine für Wasser undurchlässige und für Wasserdampf durchlässige Membran verwenden, sind bekannt. So erläutert DE 10 2008 038 557 A1 die Nachteile der bekannten Luftbefeuchter und schlägt einen Luftbefeuchter mit einer Trennmembran vor, insbesondere mit einer Trennmembran aus einem hydrophoben Material wie Polypropylen (PP) oder Polytetrafluorethylen (PTFE). Damit offenbart die DE 10 2008 038 557 A1 ein Luftbefeuchtungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Es wird vorgeschlagen, die Befeuchtungsleistung durch die Temperatur des die Membran auf einer Seite beaufschlagenden Wassers zu regulieren. Als Wassertemperatur wird der Bereich von 10 bis 60°C insbesondere 15 bis 35°C vorgeschlagen. Weitere Luftbefeuchtungsvorrichtungen mit einer Membran sind in US 2005/0252982 A1 und WO 88/06912 gezeigt. Es zeigt sich, dass an der Membran eine starke Abkühlung des Wassers durch die zur Verdunstung notwendige Energie erfolgt, die den Betrieb solcher Luftbefeuchtungsvorrichtungen mit niedrigen Wassertemperaturen ineffizient macht. Es wird daher in der Praxis eine relativ hohe Wassertemperatur benötigt, um eine gute Befeuchtungsleistung zu erzielen und eine Abkühlung des Wassers in einen zu tiefen Bereich zu vermeiden. US 2015/0153052 A1 betrifft ein anderes Befeuchtungsprinzip, bei welchem ein Material verwendet wird, das mit Wasser getränkt und durch welches Luft hindurch geblasen werden kann, um diese zu befeuchten.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, die Befeuchtung mittels eines Membranluftbefeuchters mit einer Trennmembran auch mit Wasser von relativ tiefer Temperatur praxistauglich zu machen. Ferner soll ein Betrieb mit normalem Leitungswasser möglich sein, ohne dass eine rasche Verkalkung des Membranluftbefeuchters eintritt. Durch die Lösung dieser Aufgaben sollen die Einsatzgebiete solcher Luftbefeuchter erweitert werden.
  • Die genannten Aufgaben werden mit einer Luftbefeuchtungsvorrichtung gemäss Anspruch 1 und mit einem Verfahren zum Betrieb einer Luftbefeuchtungsvorrichtung gemäss Anspruch 16 gelöst Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Wird eine Luftbefeuchtungsvorrichtung mit einer vorzugsweise hydrophoben Membran, welche wasserundurchlässig aber wasserdampfdurchlässig ist, gemäss der Erfindung so betrieben, dass der an der Membran vorbeiströmende Wassermassenstrom in kg/h um einen Faktor X grösser gewählt wird als der in dem Luftkanal aus der Membran austretende Wasserdampfmassenstrom in kg/h, wobei der Faktor X grösser als 5 ist, zeigt es sich, dass die Abkühlung des Wassers an der Membran so gering gehalten werden kann, dass auch mit zu der Membran strömendem Wasser von vergleichsweise niedriger Temperatur eine gute Befeuchtungsleistung erzielt werden kann. Somit kann mit dem Einsatz einer grossen Menge (Masse) pro Zeit von Wasser im Vergleich zu der Menge (Masse) pro Zeit des an die Luft abgegebenen Wasserdampfs der negative Effekt einer zu grossen Abkühlung des Wassers vermieden werden, was auch den praxistauglichen Einsatz von nur mässig erwärmtem Wasser erlaubt. Es ergibt sich ferner eine gute Wärme- und Stoffübertragung und eine gute Vermeidung von Ablagerungen durch die Scherkräfte, die von der hohen Überströmgeschwindigkeit des Wassers erzeugt werden. Damit ergibt sich auch eine präzise Kontrolle der Aufkonzentration von gelösten Stoffen und ggf. Verunreinigungen pro Durchlauf und auch die Bildung eines sogenannten Biofilms, einer Schleimschicht in der Mikrorganismen wie z.B. Bakterien, Algen und Pilze eingebettet sind, kann so wirksam verhindert werden, was einen hygienischen Betrieb erleichtert. Weiter werden lokale Totzonen der Strömung verringert und damit ergibt sich eine homogene Temperatur- und Konzentrationsverteilung über der Oberfläche der Membran. Dies steigert die Befeuchtungsleistung und vermeidet auch lokale Ausfällungen von gelösten Stoffen und allfälligen Verunreinigungen auf der Membran.
  • Der gewünschte Wasserdampfmassenstrom kann vorgegeben werden, worauf sich die entsprechende Masse an Wasser ergibt. Der Wasserdampfmassenstrom kann auch auf beliebige bekannte Weise über die Luftmasse und deren Feuchte gemessen werden.
  • Die Erfindung kann zum Beispiel den Einsatz von Wasser ermöglichen, welches eine ähnliche Temperatur wie die Flüssigkeit in Bodenheizungen aufweist, was es ermöglicht, die Luftbefeuchtungsvorrichtung mit Energie aus einer Bodenheizung zu betreiben, ohne dass die Temperatur des Wassers zusätzlich erhöht werden muss.
  • Es zeigt sich, dass ein Faktor von grösser als 10 besonders geeignet ist, insbesondere ein Faktor grösser als 20, insbesondere ein Faktor von grösser als 50 und insbesondere ein Faktor von grösser als 50 bis 250. Die Beschränkung der Grösse des Faktors ergibt sich im Wesentlichen aus praktischen Gründen, da bei einem sehr hohen Faktor der Wassermassenstrom in der Luftbefeuchtungseinrichtung sehr gross wird; in der Regel wird daher ein Faktor grösser als 500 keinen technischen Sinn machen.
  • Die Erfindung betrifft somit einerseits den Betrieb eines Luftbefeuchters auf Basis einer vorzugsweise hydrophoben ("wasserabstossenden") Membran, welche wasserundurchlässig aber wasserdampfdurchlässig ist. Solche Membranen sind dem Fachmann bekannt und im Handel erhältlich. Der Luftbefeuchter soll im Zuluftkanal einer raumlufttechnischen Anlage installiert werden können und über die Möglichkeit verfügen, die Zuluft soweit anzufeuchten, dass die resultierende Zuluft sich im sogenannten Komfortbereich einstellt. Bei der industriellen Anwendung von derartigen Luftbefeuchtern kann die Anfeuchtung über oder unter dem sogenannten Komfortbereich für Wohnräume liegen. Gegenüber den üblicherweise eingesetzten Dampfluftbefeuchtern werden potenziell grosse Einsparungen beim Stromverbrauch möglich, da der erfindungsgemäss betriebene Luftbefeuchter mit Membran bereits mit mässig warmem Wasser betrieben werden kann, und somit keine elektrische Energie für die Dampferzeugung aufgewendet werden muss. Die für die Erzeugung des Warmwassers für das erfindungsgemässe Verfahren benötigte Energie kann beispielsweise aus ansonsten ungenutzter Abwärme oder von solarer Wärmeerzeugung bereitgestellt werden.
  • Die Steuerung der Feuchtigkeit kann sowohl nur durch die Wassertemperatur der an der Membran vorbeifliessenden Wassermasse gesteuert werden, als auch nur durch Einstellung des Faktors X bzw. den Wasserumlaufmassenstrom. Bevorzugt erfolgt eine gekoppelte Steuerung, so dass die Menge des Wasserdampfes pro Zeit bzw. die Feuchte in dem zu befeuchtenden Raum sowohl durch Beeinflussung der Wassertemperatur als auch der Wassermenge pro Zeit bzw. des Faktors X erfolgt. Vorzugsweise ist ferner die Steuerung mit diesen zwei Einflussgrössen abhängig vom Wert der Wassertemperatur. Bei niedriger Wassertemperatur (nur knapp über der Temperatur der zugeführten Luft) ist der Einfluss einer Erhöhung des Wasserumlaufmassenstroms recht gering, da hier der Temperaturabfall im Wasser beim Durchströmen der Membranelemente auch recht gering ist und somit auch die Änderung der mittleren Wassertemperatur an der Membran. Insbesondere kann bei einer geringen Wassertemperatur von kleiner als ca. 25°C die Steuerung wesentlich über eine Beeinflussung (Erhöhung bzw. Verminderung) der Wassertemperatur erfolgen, während bei einer höheren Wassereingangstemperatur von ca. grösser als 40°C die Steuerung wesentlich über die Beeinflussung des Faktors X (Erhöhung oder Verminderung desselben) erfolgt. In dem Temperaturbereich zwischen den genannten Werten erfolgt die Steuerung durch Beeinflussung sowohl der Wassertemperatur als auch des Faktors X. Dies kann eine einfache lineare Abhängigkeit der beiden Beeinflussungen in Abhängigkeit der Temperatur sein. Die genannten Temperaturgrenzen sind nur als Beispiel zu verstehen und diese können insbesondere auch von der jeweiligen Art und Dimensionierung der Membran der Luftbefeuchtungsvorrichtung abhängen, sind aber für den Fachmann mittels Versuchen einfach ermittelbar. Bevorzugt ist eine an die Wassereintrittstemperatur (zu der Membran) gekoppelte Erhöhung bzw. Verminderung des Umlaufwassermassenstroms zur Steuerung der Wasserdampfmenge bzw. der Befeuchtungsleistung der Luftbefeuchtungsvorrichtung. Vorzugsweise wird die Wassermenge mit einem Durchflusssensor gemessen, insbesondere zwischen einer Wasserpumpe der Luftbefeuchtungsvorrichtung und dem Einlass in den Behälter, der die Membran enthält. Vorzugsweise wird ferner die Temperatur des Wassers gemessen, insbesondere an derselben Stelle, an welcher auch der Wasserdurchfluss gemessen wird.
  • Ein wichtiger Aspekt bei der Zuluftbefeuchtung ist die Einhaltung eines hohen Hygienestandards. Während dies bei der Dampfluftbefeuchtung durch die hohe Temperatur des Wasserdampfs gewährleistet wird, erfüllt die Membranbefeuchtung die Hygieneanforderungen aufgrund der folgenden beiden Aspekte: Zum einen ist die Membran bevorzugt hydrophob und damit ist davon auszugehen, dass die im Wasser befindlichen Keime und Mikroorganismen, wie z.B. Bakterien, nicht in direkten Kontakt mit den Mikroporen der Membran kommen und damit auch nicht in den Luftstrom übergehen. Zum anderen liegt auch die (mittlere) Porengrösse der Membran mit 0.05 Mikrometern bis 0,25 Mikrometern, allenfalls bis 0,5 Mikrometern und bevorzugt ca. 0.1 - 0.2 Mikrometern in der Regel unterhalb der Grösse der Keime bzw. Mikroorganismen.
  • Als Material der Membran kann ein hydrophobes Polymer verwendet werden, wie zum Beispiel Polytetrafluorethylen (PTFE), aber auch Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polypropylen (PP) oder Polyurethan (PU) kommen in Frage. Auch andere, nicht-hydrophobe Membranen und Membranen mit hydrophober Oberflächenbeschichtung (Mehrschichtmembranen / asymmetrische Membranen) können verwendet werden.
  • Konstruktiv ist sowohl die Verwendung von Flachmembranen (flat screen membranes oder flat sheet membranes), also flächig aufgespannter Membranmaterialien, als auch von Röhrenmembranen (hollow fiber membranes oder capillary membranes) möglich.
  • Für die Luft- und Wasserführung kann eine Ausführung als Gegenstromanordnung oder als Kreuzstromanordnung oder als Gleichstromanordnung vorgesehen werden. Als nachfolgend genauer beschriebene Ausführung ist auch eine Kreuz-Gegenstrom-Anordnung bevorzugt.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Membran der Luftbefeuchtungsvorrichtung aus mehreren Membranelementen gebildet, die jeweils einen aus Rahmenstegen gebildeten Rahmen mit einer Vorderseite und einer Rückseite und Seitenwänden aufweisen. An diesen Rahmen ist das Membranmaterial jeweils mindestens einseitig flächig angeordnet und bevorzugt beidseitig, vorderseitig und rückseitig, flächig angeordnet. Dabei ist das Membranmaterial an den jeweiligen Rahmenflächen der Vorderseite und Rückseite des Rahmens wasserdicht befestigt, so dass innerhalb des Rahmens ein wasserdichter, vom Rahmen und den Membranflächen begrenzter Raum gebildet ist, oder ggf. ein von einer Membranfläche und einer Nichtmembranfläche begrenzter Raum gebildet ist, wenn nur einseitig am Rahmen eine Fläche aus Membranmaterial vorgesehen ist, aus welchem Raum nur der Wasserdampf durch die Membran austreten kann. Der Rahmen weist an Seitenwänden mindestens eine in den Raum führende Öffnung als Wasserzulauf und mindesten eine in den Raum führende Öffnung als Wasserauslass auf. Ferner weist der Rahmen in seinem Inneren mindestens einen Steg, bevorzugt mehrere Stege auf, welche innere Seitenwände des Rahmens verbinden, welche Stege über einen ersten Abschnitt im Wesentlichen dieselbe Dicke D aufweisen wie die Rahmenstege und über einen zweiten Abschnitt ihrer Länge eine geringere Dicke D1 aufweisen als die Rahmenstege. Die Abschnitte mit geringerer Dicke bilden innerhalb des Rahmens Wasserdurchlässe. Die Membranflächen sind an den ersten Abschnitten der Stege wasserdicht befestigt bzw. ggf. ist eine Nichtmembranfläche mit den Stegen wasserdicht verbunden, wenn nur auf einer Seite des Rahmens eine Membranfläche angeordnet und die andere Seite des Rahmens durch eine Nichtmembranfläche verschlossen ist, um den wasserdichten Raum zu bilden.
  • Durch diese bevorzugte Ausgestaltung der Membranelemente ergibt sich eine sehr gute Befestigungsmöglichkeit und Stabilität der jeweiligen Membranfläche auf dem Rahmen, indem diese auch an den Stegen befestigt ist. Die wasserdichte Befestigung kann zum Beispiel durch Kunststoffschweissung der Membran und der aus einem Kunststoff gebildeten Stege erfolgen oder kann durch Laminierung oder Klebung erfolgen.
  • Durch die stabile Befestigung wird der Betrieb mit dem grossen Wassermassenstrom auch bei empfindlichen Membranen möglich. Durch die spezielle Anordnung der Stege und die Wasserdurchlässe im Rahmen kann ein gewünschter Strömungsverlauf für das Wasser auf einfache Weise erzielt werden. Bevorzugt ist dabei, dass mindestens ein Steg vorgesehen ist, insbesondere aber, dass mehrere Stege vorgesehen sind, deren erste Abschnitte abwechselnd von gegenüberliegenden Seitenwänden des Rahmens ausgehend angeordnet sind. Auf diese Weise kann einfach eine Kreuz-Gegenstromanordnung erzielt werden, da der Wasserfluss im Rahmeninneren entsprechend bewirkt wird. Es ergeben sich zudem eine höhere mittlere Strömungsgeschwindigkeit, die Vermeidung oder Verringerung von Totzonen und ein guter Wärme- und Stoffübergang.
  • Eine weitere Stabilisierung der Membranelemente bzw. der aus diesen zusammengesetzten Membran ergibt sich, wenn mindestens einige der Stege, insbesondere alle der Stege, mittels im Wesentlichen quer zu den Stegen verlaufende Stützstegen miteinander oder mit einer Seitenwand verbunden sind, wobei die Stützstege die geringere Dicke D1 aufweisen oder eine noch geringere Dicke aufweisen, um den Wasserfluss nicht zu stören.
  • Weiter ist es für den Wasserfluss bevorzugt, wenn jeweils bei den Membranelementen bei mindestens einem der Stege, insbesondere bei allen Stegen, das jeweilige Ende des ersten Abschnittes abgerundet ausgebildet ist. Ferner kann das jeweilige Ende des ersten Abschnitts bei mindestens einem der Stege oder bei allen Stegen von der ersten Öffnung, und somit vom Wasserzulauf, weg weisend abgebogen ausgebildet sein. Beide Massnahmen, einzeln oder bevorzugt in Kombination, sind für den Wasserfluss im Rahmen vorteilhaft und vermeiden bzw. verringern Totzonen.
  • Bei den Membranelementen können an zweiten Abschnitten geringerer Dicke D1 innerhalb der von diesen gebildeten Wasserdurchlässen Ausformungen vorgesehen sein, welche zusätzliche Flächen zur Befestigung des Membranmaterials oberhalb der Wasserdurchlässe bereitstellen, um die Membranfläche zu stabilisieren. Insbesondere können beidseits eines jeweiligen zweiten Abschnitts solche Ausformungen vorgesehen sein, wenn am Rahmen vorderseitig und rückseitig eine Membranfläche befestigt ist.
  • Weiter ist es bevorzugt, dass bei den Membranelementen in den Stegen im Bereich ihrer Verbindung mit den Seitenwänden Kanäle vorgesehen sind, deren durchströmbarer Querschnitt um ein Vielfaches kleiner ist als der von den jeweiligen Wasserdurchlässen bereitgestellter Querschnitt für das Wasser. Damit werden Kanäle für eine allfällige Entwässerung der Membranelemente bei abgeschalteter Luftbefeuchtungsvorrichtung bzw. deren Wassersystem geschaffen, um stehendes Restwasser aus Hygienegründen vermeiden zu können. Die Kanäle sind aber mit derart geringen Durchmessern ausgeführt, dass im Betrieb den Wasserfluss nicht stören.
  • Die Membranelemente sind bevorzugt mit am Rahmen angeordneten Positionierungsmitteln versehen, um mehrere Membranelemente zur Bildung einer grossen Membran als Summe der jeweiligen Membranflächen der Elemente zu verbinden. Dabei sind zwischen den Membranelementen die Luftdurchlässe für die zu befeuchtende Luft gebildet, welche Luft an den einzelnen Membranflächen vorbeiströmt.
  • Bei einer anderen beispielsweisen Ausführung mit Flachmembran sind in Strömungsrichtung der Luft mindestens zwei wasserdurchflossene, vertikal verlaufende Membrankanäle hintereinander angeordnet. Im Querschnitt über die Kanalbreite wiederholt sich diese Anordnung jeweils getrennt durch einen Luftspalt. In dem in Luftströmungsrichtung betrachtet hinteren Membrankanal fliesst das warme Wasser aus der Wasserführungsanordnung von unten nach oben, d.h. entgegen der Schwerkraft, in einen oberen Verteiltank (header tank) und fliesst von dort weiter in dem vorderen Membrankanal von oben nach unten in den Abfluss oder bevorzugt zurück in einen Rezirkulationskreislauf. Vorteil dieser sich auch bei diesem Beispiel ergebenden sogenannten Kreuz-Gegenstrom-Anordnung ist primär, dass die Differenz des Wasserdampfpartialdruckes zwischen beiden Seiten der Membran (d.h. innerhalb der wasserführenden Seite der Membran zu der Luftseite der Membran) im Mittel grösser ist, als wenn es nur eine Strömungsrichtung auf der wasserführenden Seite gibt, und somit ist auch die gesamte Wasserdampfdiffusion höher. Weiterhin kann es auch als konstruktiver Vorteil gewertet werden, wenn die gesamte Wasserversorgung und die Steuerung auf der Unterseite des Membranbefeuchters angeordnet werden kann.
  • Grundsätzlich wird bei dem oben beschriebenen Vorgehen nicht nur - als primär gewünschter Effekt - Wasserdampf zur Befeuchtung durch die Membranwand diffundiert sondern es wird auch gleichzeitig durch die Verdunstung eines kleinen Teils des Wassers zu Wasserdampf innerhalb der Membrankanäle das Wasser sukzessive abgekühlt und gleichzeitig findet auch über die Membranwandung ein Wärmetransport statt.
  • Da eine Flachmembran nur über eine geringe Eigenstabilität verfügt, wird sie vorzugsweise verstärkt. Dies kann einerseits durch Befestigung, zum Beispiel durch Befestigen, insbesondere mittels Schweissen oder Laminieren, der Membran mit einem Teil ihrer wasserseitigen Fläche an einer inneren Stützstruktur erfolgen. Somit ist eine innere Stützstruktur im Wasserflussbereich der Membran vorgesehen und wird so ausgeführt, um den Wasserfluss möglichst wenig zu hemmen. Ein bevorzugtes Beispiel von derart ausgeführten Membranelementen zur Bildung der Membran ist vorgängig erläutert worden. Ferner kann aber auch eine äussere Stützstruktur für die Membran im Luftflussbereich vorgesehen sein. An der äusseren Stützstruktur kann die Membran befestigt sein oder nur lose aufliegen bzw. durch den Wasserdruck angedrückt werden. Vorteile der Flachmembran sind eine einfachere Reinigung und ein geringerer Druckverlust im Luftkanal.
  • Bei einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens gemäss der Erfindung wird die Wassertemperatur des in den Behälter einströmenden Wassers im Bereich von 20 Grad Celsius bis 60 Grad Celsius eingestellt, insbesondere wird die Wassertemperatur im Bereich von 25 Grad Celsius bis 45 Grad Celsius eingestellt. Bevorzugt ist es weiter, dass der Wasserinhalt der Wasserführungsanordnung kontinuierlich oder diskontinuierlich ergänzt wird, um die durch die Membran verdunstende Wassermenge zu ersetzen.
  • Weiter ist es bevorzugt, dass die Wasserführungsanordnung einen Wasserkreislauf umfasst und ferner, dass der Wasserkreislauf einen Wassertank umfasst. Weiter ist es bevorzugt, dass die Wasserführungsanordnung mindestens eine Heizeinrichtung für das Wasser umfasst und es ist bevorzugt, dass die Heizeinrichtung einen Wasser/Wasser-Wärmetauscher umfasst und/oder dass die Heizeinrichtung eine elektrische Wasserheizung umfasst. Die Heizeinrichtung, insbesondere die elektrische Wasserheizung, ist weiter bevorzugt im Wassertank angeordnet. Weiter ist es bevorzugt, dass mittels eines Sensors die Konzentration von im Wasser gelösten Stoffen gemessen wird, zum Beispiel mittels eines Sensors, mit dem die elektrische Leitfähigkeit des Wassers gemessen wird. Beim Erreichen eines Grenzwertes der Menge gelöster Stoffe kann ein Abführen von Wasser aus dem Wasserkreislauf und eine Ergänzung mit Frischwasser erfolgen. Das Abführen von Wasser wird zum Beispiel vom Grund des erwähnten Wassertanks durchgeführt, womit besonders gut Ablagerungen der Stoffe entfernt werden können. Dieser Vorgang ist in der Fachsprache als "Abschlämmen" bekannt.
  • Vorzugsweise ist die Membran eine hydrophobe, mikroporöse Membran mit einem nominellen Porendurchmesser im Bereich von 0.05 bis 0.25 Mikrometer, oder im Bereich von 0.05 bis 0.5 Mikrometern, und besonders im Bereich von 0.1 Mikrometer bis 0.2 Mikrometern.
  • Das Verfahren kann bevorzugt verbessert werden, wenn die Luftbefeuchtungsvorrichtung Mittel zum Einblasen von Luft in den Wasserstrom vor oder beim Eintritt des Wassers in den Behälter aufweist und dass beim Betrieb kontinuierlich oder diskontinuierlich Luft auf der Wasserseite zugeführt wird. Weiter ist es bevorzugt, dass die Luftbefeuchtungsvorrichtung Mittel zur Erzeugung einer turbulenten Strömung auf der Luftseite aufweist. Und weiter, dass der Behälter mit der Membran derart angeordnet wird, dass das Wasser von unten nach oben entgegen der Schwerkraft an der Membran vorbeiströmt.
  • Die Erfindung betrifft somit andererseits eine Luftbefeuchtungsvorrichtung auf Basis einer Membran, welche wasserundurchlässig aber wasserdampfdurchlässig ist, welche bevorzugt hydrophob (wasserabstossend) ist. Somit betrifft die Erfindung einen sogenannten Membranluftbefeuchter. Membranmaterialien für solche Luftbefeuchter sind dem Fachmann bekannt und im Handel erhältlich. Der Luftbefeuchter soll im Zuluftkanal einer raumluftechnischen Anlage eines Gebäudes installierbar sein, vorzugsweise vor einem Verteiler zu einzelnen Wohnungen eines Gebäudes, und über die Möglichkeit verfügen, die Zuluft soweit aufzufeuchten, dass die resultierende Zuluft sich im sogenannten Komfortbereich einstellt. Gegenüber den üblicherweise eingesetzten Dampfluftbefeuchtern werden potenziell grosse Einsparungen bei der benötigten elektrischen Energie möglich, da die erfindungsgemässe Luftbefeuchtungsvorrichtung mit Membran bereits mit mässig warmem Wasser betreibbar ist, und somit keine elektrische Energie für die Dampferzeugung aufgewendet werden muss. Die für die Erzeugung des Warmwassers benötigte Energie kann beispielsweise aus ansonsten ungenutzter Abwärme oder von solarer Wärmeerzeugung bereitgestellt werden. Es ergibt sich ferner eine gute Wärme- und Stoffübertragung und eine gute Vermeidung von Ablagerungen durch die Scherkräfte, die von der hohen Überströmgeschwindigkeit des Wassers erzeugt werden.
  • Damit wird auch eine präzise Kontrolle der Aufkonzentration von gelösten Stoffen und ggf. Verunreinigungen pro Durchlauf möglich und auch die Bildung eines sogenannten Biofilms, einer Schleimschicht in der Mikrorganismen wie z.B. Bakterien, Algen und Pilze eingebettet sind, kann so wirksam verhindert werden, was eine hygienischen Betrieb erleichtert Weiter werden lokale Totzonen der Strömung verringert und damit ergibt sich eine homogene Temperatur- und Konzentrationsverteilung über der Oberfläche der Membran. Dies steigert die Befeuchtungsleistung und vermeidet auch lokale Ausfällungen von gelösten Stoffen und allfälligen Verunreinigungen, was ebenfalls die kontrollierte Abschlämmung bzw. Entfernung von gelösten Stoffen erleichtern kann
  • Ein wichtiger Aspekt bei der Zuluftbefeuchtung ist die Einhaltung eines hohen Hygienestandards. Während dies bei der Dampfluftbefeuchtung durch die hohe Temperatur des Wasserdampfs gewährleistet wird, erfüllt die Membranbefeuchtung die Hygieneanforderungen aufgrund der folgenden beiden Aspekten: Zum einen ist die Membran bevorzugt hydrophob und damit ist davon auszugehen, dass die im Wasser befindlichen Keime und Mikroorganismen, wie z.B. Bakterien, nicht in direkten Kontakt mit den Mikroporen der Membran kommen und damit auch nicht in den Luftstrom übergehen. Zum anderen liegt auch die (mittlere) Porengrösse der Membran von 0.05 Mikrometern bis 0,5 Mikrometern, insbesondere von 0.05 Mikrometer bis 0,25 Mikrometer, allenfalls und bevorzugt ca. 0.1 bis 0.2 Mikrometern in der Regel unterhalb der Grösse der Keime bzw. Mikroorganismen.
  • Als Material der Membran ist ein Polymer bevorzugt, insbesondere ein hydrophobes Polymer. Zum Beispiel kann Polytetrafluorethylen (PTFE) verwendet werden, aber auch Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polypropylen (PP) oder Polyurethan (PU) kommen in Frage.
  • Bevorzugt weist die Luftbefeuchtungsvorrichtung eine Vielzahl von Membranelementen auf, die zusammen die Membran bilden. Dabei weist das bevorzugte Membranelement einen aus Rahmenstegen gebildeten Rahmen mit einer Vorderseite und einer Rückseite und Seitenwänden auf, an welchem Rahmen das Membranmaterial mindestens einseitig flächig angeordnet ist, und an welchem Rahmen das Membranmaterial bevorzugt beidseitig, vorderseitig und rückseitig, flächig angeordnet ist. Das Membranmaterial ist an den jeweiligen Rahmenflächen der Vorderseite und Rückseite des Rahmens wasserdicht befestigt. Innerhalb des Rahmens ist so ein wasserdichter, vom Rahmen und den Membranflächen begrenzter Raum gebildet, aus welchem nur der Wasserdampf über die Membran austreten kann. Oder es ist ein von einer Membranfläche und einer Nichtmembranfläche begrenzter Raum gebildet. Der Rahmen weist an Seitenwänden mindestens eine Öffnung als Wasserzulauf und mindesten eine Öffnung als Wasserauslass auf.
  • Bevorzugt weist der Rahmen in seinem Inneren mindestens einen Steg auf, bevorzugt weist der Rahmen aber in seinem Inneren mehrere Stege auf, welcher bzw. welche innere Seitenwände des Rahmens verbinden Die jeweiligen Stege weisen über einen ersten Abschnitt im Wesentlichen dieselbe Dicke D auf, wie die Rahmenstege, und die jeweiligen Stege weisen über einen zweiten Abschnitt ihrer Länge eine Dicke D1 auf, die geringer ist als die Dicke der Rahmenstege. Die Abschnitte mit geringerer Dicke bilden innerhalb des Rahmens Wasserdurchlässe. Ist nur ein Steg vorhanden, so ist die Membranfläche, bzw. sind die Membranflächen, an den ersten Abschnitten des Stegs wasserdicht befestigt. Sind mehrere Stege vorhanden, so ist die Membranfläche, bzw. sind die Membranflächen, an den ersten Abschnitten der Stege wasserdicht befestigt. Damit kann auf einfache Weise ein mäanderförmiger Wasserfluss innerhalb des Rahmens bewirkt werden, so dass eine Kreuz-Gegenstrom Anordnung erzielt wird.
  • Weiter können die Stege mittels im Wesentlichen quer zu den Stegen verlaufenden Stützstegen miteinander oder mit einer Seitenwand verbunden sein, um die Stege zu stabilisieren und damit auch die Belastung der an den Stegen befestigten Membranflächen zu reduzieren. Dabei weisen wobei die Stützstege die geringere Dicke oder vorzugsweise eine noch geringere Dicke auf, um die Wasserströmung nicht zu stören.
  • Ferner ist es bevorzugt, dass bei mindestens einem der Stege das Ende des ersten Abschnittes abgerundet ausgebildet ist, was ebenfalls für den Fluss des Wassers in der Mäanderanordnung der Stege vorteilhaft ist. Ferner kann bei mindestens einem der Stege das Ende des ersten Abschnittes von der ersten Öffnung weg weisend abgebogen ausgebildet sein, um ebenfalls die Strömung um die ersten Abschnitte herum zu verbessern und strömungsarme Zonen zu verringern. Dazu kann auch an der inneren Seitenwand benachbart zur der den Wassereinlass bildenden Öffnung eine Ausformung zur Beeinflussung der Strömung vorgesehen ist.
  • Bevorzugt sind zur Stabilisierung der Membranflächen innerhalb der zweiten Abschnitte der Stege, die die geringere Dicke D1 aufweisen und Wasserdurchlässen bilden, Ausformungen vorgesehen, welche eine Fläche zur Befestigung des Membranmaterials auch innerhalb der Wasserdurchlässe bereitstellen. Insbesondere kann beidseits eines jeweiligen zweiten Abschnitts eine Ausformung vorgesehen sein, wenn das Membranelement beidseits mit Membranflächen versehen ist.
  • In den Stegen können im Bereich ihrer Verbindung mit den Seitenwänden Kanäle vorgesehen sein, deren durchströmbarer Querschnitt um ein Vielfaches kleiner ist als der von den jeweiligen Wasserdurchlässen bereitgestellter Querschnitt für das Wasser, welche Kanäle nur im deaktivierten Zustand der Luftbefeuchtungsvorrichtung von Bedeutung sind und die Entfernung von Restwasser erleichtern.
  • Bei den Membranelementen sind vorzugsweise an deren Rahmen angeordnete Positionierungsmittel vorgesehen, um die Verbindung von mehreren Membranelementen zu einer Membran zu erleichtern, bei welcher zwischen den Membranelementen die Luftdurchlässe gebildet sind.
  • Bevorzugt ist auch beim Membranelement das Membranmaterial ein Material mit einem nominellen Porendurchmesser im Bereich von 0.05 bis 0.5 Mikrometern, bevorzugt im Bereich von 0.05 bis 0.25 Mikrometern, insbesondere ein Material mit einem nominellen Porendurchmesser von 0.1 bis 0.2 Mikrometern. Das Membranmaterial ist ein Polymer, vorzugsweise ein hydrophobes Polymer, und zum Beispiel ist das Membranmaterial aus Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polypropylen (PP) oder Polyurethan (PU) gebildet oder es ist ein anderes bekanntes Membranmaterial.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Membranflächen durch eine äussere Stützstruktur aus einem zum Membranmaterial unterschiedlichen Material verstärkt sind, oder dass die Membranflächen durch eine Stützstruktur aus demselben Material wie die Membran verstärkt sind.
  • Konstruktiv ist sowohl die Verwendung von Flachmembranen (flat screen membranes oder flat sheet membranes), also flächig aufgespannten Membranen, als auch von Röhrenmembranen (hollow fiber membranes und capillary membranes) möglich. Als technische Ausführung wird eine Kreuz-Gegenstrom-Anordnung bevorzugt. Auch eine Gegenstromanordnung oder eine Gleichstromanordnung ist möglich.
  • Bei einer weiteren beispielsweisen Ausführung mit Flachmembran sind in Strömungsrichtung der Luft mindestens zwei wasserdurchflossene, vertikal verlaufende Membrankanäle hintereinander angeordnet. Im Querschnitt über die Kanalbreite wiederholt sich diese Anordnung jeweils getrennt durch einen Luftspalt. In dem in Luftströmungsrichtung betrachtet hinteren Membrankanal fliesst das warme Wasser aus der Wasserführungsanordnung von unten nach oben, d.h. entgegen der Schwerkraft, in einen oberen Verteiltank (header tank) und von dort weiter in dem vorderen Membrankanal von oben nach unten in den Abfluss oder bevorzugt zurück in einen Rezirkulationskreislauf. Vorteil dieser sogenannten Kreuz-Gegenstrom-Anordnung ist primär, dass die Differenz des Wasserdampfpartialdruckes zwischen beiden Seiten der Membran (d.h. innerhalb der wasserführenden Seite der Membran zu der Luftseite der Membran) im Mittel grösser ist, als wenn es nur eine Strömungsrichtung auf der wasserführenden Seite gibt, und somit ist auch die gesamte Wasserdampfdiffusion höher. Weiterhin kann es auch als konstruktiver Vorteil gewertet werden, wenn die gesamte Wasserversorgung und die Steuerung auf der Unterseite des Membranbefeuchters angeordnet werden kann.
  • Grundsätzlich wird bei dem oben beschriebenen Vorgehen nicht nur - als primär gewünschter Effekt - Wasserdampf durch die Membranwand diffundiert sondern es wird auch gleichzeitig durch die Verdunstung eines kleinen Teils des Wassers zu Wasserdampf innerhalb der Membrankanäle das Wasser sukzessive abgekühlt und gleichzeitig findet auch über die Membranwandung ein Wärme- und Stofftransport statt.
  • Da eine Flachmembran nur über eine geringe Eigenstabilität verfügt, wird sie vorzugsweise verstärkt, was einerseits durch Auflaminieren der Membran mit einem Teil ihrer wasserseitigen Fläche auf eine dünne, innere Stützstruktur im Wasserflussbereich der Membran erzielt wird, welche Stützstruktur so angeordnet ist, dass sie den Wasserfluss möglichst wenig hindert. Auch eine separate äussere Stützstruktur auf welcher die Membran aufliegen kann oder an welcher die Membran befestigt ist, kann vorgesehen sein. Vorteile der Flachmembran sind eine einfachere Reinigung und ein geringerer Druckverlust im Luftkanal.
  • Bei einer Ausführung der vorliegenden Erfindung mit Kapillarmembranen wird die gesamte Membranfläche aus einer Vielzahl von röhrenförmigen, vertikal im Kanalquerschnitt stehenden Kapillarmembranen gebildet. Die Membranflächen bestehen aus mehreren Spalten von in Luftströmungsrichtung fluchtenden Röhrchen. Pro Spalte sind beispielsweise bei einem Aussendurchmesser von 2 mm der einzelnen Röhrchen mehrere Dutzend dieser Röhrchen jeweils in einer Reihe hintereinander und dabei parallel zur Strömungsrichtung der Luft im Kanal angeordnet. Innerhalb einer Reihe sind die Röhrchen dabei nur mit geringen oder keinen Abstand angeordnet, dies aus Gründen der mechanischen Stabilität, der Packungsdichte (Membranfläche pro Volumen) und auch mit Vorteilen beim Druckverlust im Luftkanal. Pro Reihe wird in der jeweils hinteren Hälfte das wärmere Wasser von der Versorgungsseite unten nach oben in den Verteiltank und von dort über die jeweils vordere Hälfte von oben nach unten in den Abfluss oder in einen Rezirkulationskreislauf zurück fliessen. Damit ist analog dem vorher beschriebenen Membranbefeuchter mit Flachmembran ebenfalls eine Kreuz-Gegenstrom-Anordnung realisiert. Eine solche Anordnung ist grundsätzlich bekannt und zum Beispiel in einer perspektivischen Darstellung einer vergleichbaren Anordnung von Röhrchen in Figur 2 der vorerwähnten US 2005/0252982 gezeigt.
  • Vorteile der Verwendung von Kapillarmembranen gegenüber Flachmembranen liegen neben den oben genannten Punkten der höheren Packungsdichte und der grösseren mechanischen Stabilität auch darin, dass hier die Abdichtung des Wasserkanals zur Luftseite konstruktiv einfacher sein kann und diese kann durch Vergiessen ("potting") erzielt werden. Nachteilig ist die Verwendung der Kapillarmembrane hinsichtlich der Reinigung (luft- und wasserseitig) .
  • Bei einer bevorzugten Ausführung der Luftbefeuchtungsvorrichtung gemäss der Erfindung ist die Wassertemperatur des in den Behälter einströmenden Wassers im Bereich von 20 Grad Celsius bis 60 Grad Celsius einstellbar, insbesondere im Bereich von 25 Grad Celsius bis 45 Grad Celsius.
  • Bevorzugt ist es weiter, dass der Wasserinhalt der Wasserführungsanordnung kontinuierlich oder diskontinuierlich ergänzbar ist, um die durch die Membran verdunstende Wassermenge zu ersetzen. Weiter ist es bevorzugt, dass die Wasserführungsanordnung einen Wasserkreislauf umfasst und ferner, dass der Wasserkreislauf einen Wassertank umfasst. Weiter ist es bevorzugt, dass die Wasserführungsanordnung mindestens eine Heizeinrichtung für das Wasser umfasst und es ist bevorzugt, dass die Heizeinrichtung einen Fluid-Fluid-Wärmetauscher, zum Beispiel einen Wasser-Wasser-Wärmetauscher umfasst und/oder dass die Heizeinrichtung eine elektrische Wasserheizung umfasst. Die Heizeinrichtung, insbesondere die elektrische Wasserheizung, ist weiter bevorzugt im Wassertank angeordnet.
  • Bevorzugt weist die Luftbefeuchtungsvorrichtung mindestens einen signalmässig mit der Steueranordnung verbundenen Wassertemperatursensor auf, insbesondere einen Wassertemperatursensor, der im Wasserfluss zwischen der Wasserpumpe und dem Wassereinlass des Behälters angeordnet ist. Es ist weiter bevorzugt, dass die Luftbefeuchtungsvorrichtung einen signalmässig mit der Steueranordnung verbundenen Wasserdurchflussmesser zur Messung der Wasserdurchflusses aufweist, welcher insbesondere im Wasserfluss zwischen der Wasserpumpe und dem Wassereinlass des Behälters angeordnet ist, und insbesondere ist es bevorzugt, dass der Wassertemperatursensor und der Wasserdurchflussmesser miteinander kombiniert sind.
  • Vorzugsweise ist die Membran eine, insbesondere hydrophobe, mikroporöse Membran mit einem nominellen Porendurchmesser im Bereich von 0.05 bis 0.5 Mikrometern, und insbesondere mit einem nominellen Porendurchmesser im Bereich von 0.05 bis 0.25 Mikrometern, und insbesondere mit einem nominellen Porendurchmesser im Bereich von 0.1 bis 0.2 Mikrometern.
  • Die Luftbefeuchtungsvorrichtung kann Mittel zum Einblasen von Luft in den Wasserstrom vor oder beim Eintritt des Wassers in den Behälter aufweisen und ausgestaltet sein, dass Luft kontinuierlich oder diskontinuierlich auf der Wasserseite zuführbar ist. Weiter ist es bevorzugt, dass die Luftbefeuchtungsvorrichtung Mittel zur Erzeugung einer turbulenten Strömung auf der Luftseite aufweist. Und weiter, dass der Behälter mit der Membran derart angeordnet wird, dass das Wasser von unten nach oben entgegen der Schwerkraft an der Membran vorbeiströmt.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:
    • Figur 1 eine schematische Darstellung von Ausführungsformen einer Luftbefeuchtungsvorrichtung gemäss der Erfindung, zur Erläuterung von deren Aufbau und deren Betrieb;
    • Figur 2 ein Membranelement mit zwei Membranflächen in Draufsicht, wobei die vordere Membranfläche nicht dargestellt ist, so dass das Innere des Membranelements ersichtlich ist;
    • Figur 3 schaubildlich einen Teil des Membranelements von Figur 2;
    • Figur 4 schematisch eine andere Anordnung von Membranelementen bei einer mit Flachmembranflächen ausgeführten Membran eines Luftbefeuchters mit einem horizontalen Schnitt durch den Behälter der Luftbefeuchtungsvorrichtung;
    • Figur 5 eine schematische Darstellung der Membran mit Kapillarmembranflächen anhand eines horizontalen Schnitts durch den Behälter der Luftbefeuchtungsvorrichtung;
    • Figur 6 schematisch ein Membranelement mit einem Rahmen und einer Membranfläche; und
    • Figur 7 schematisch einen Schnitt durch einen der Stege von Figur 6 mit der Einbettung der Membranfläche im Kunststoff des Stegs.
    Weg(e) zur Ausführung der Erfindung
  • Figur 1 zeigt schematisch und als Beispiel eine Luftbefeuchtungsvorrichtung 10, wobei die zu der Vorrichtung gehörenden Teile innerhalb des von der unterbrochenen Linie begrenzten Bereichs dargestellt sind. Die Luftbefeuchtungsvorrichtung 10 ist zum Beispiel in einem Technikraum 11 angeordnet und dient zur Befeuchtung der Luft, die einem Raum zugeführt wird, zum Beispiel dem Wohnraum 22, der nur angedeutet ist. Die Erfindung ist aber generell auf dem Gebiet der Klimatechnik (HVAC) anwendbar.
  • Luft, die aus dem Wohnraum 22 abgeführt wird, wird in diesem Beispiel von einem Lüfter 24 über eine Leitung 23 einem Luft-Luft-Wärmetauscher 25 in dem Technikraum 11 zugeführt und gelangt von dort über die Leitung 27 in die Umgebung ausserhalb des Gebäudes, in dem sich der Technikraum und der Wohnraum befinden. Aus der Umgebung über die Leitung 26 eintretende Luft gelangt über den Wärmetauscher 25 und den Lüfter 24' in die Luftbefeuchtungsvorrichtung 10 und von dieser über die Leitung 28 in den Wohnraum 22. Die Lüfter 24, 24' und damit die Strömungsgeschwindigkeit der Luft hat ebenfalls einen Einfluss auf die Befeuchtungsleistung. Tendenziell erhöht sich die absolute Befeuchtungsleistung in kg/h etwas mit erhöhter Luftgeschwindigkeit. In der Regel sind aber die Lüfter nicht Bestandteil bzw. nicht unter der Kontrolle der Luftbefeuchtungsvorrichtung 10. Der (eher geringe) Einfluss der Lüfter wird daher hier nicht betrachtet.
  • Die Luftbefeuchtungsvorrichtung 10 umfasst eine nur schematisch dargestellte Membran 1 mittels welcher der zu befeuchtenden Luft Wasserdampf der Menge M1 pro Stunde (kg/h) zugeführt wird. Die Membran 1 besteht dabei in der Regel aus mehreren Membranelementen bzw. Membranflächen, welche zusammen die Membran mit einer wirksamen Membrangesamtfläche bilden. Auf einer Seite der Membran wird warmes Wasser zugeführt und verdunstendes Wasser kann in der Form von Wasserdampf durch die Membran zu deren anderen Seite gelangen und wird dort von der als Luftstrom an der anderen Seite der Membran vorbeigeführten Luft aufgenommen. Dies ist grundsätzlich bekannt und wurde eingangs erläutert.
  • Die Membran 1 ist in einem Behälter 2 angeordnet, welcher die Membranelemente bzw. die einzelnen Membranflächen enthält, die zusammen die Membran bilden. Diese können insbesondere flächige Elemente oder zylindrische Elemente sein, wie ebenfalls bereits erläutert. In dem Behälter sind die die Membran 1 bildenden Membranelemente so angeordnet und ausgeführt, dass auf deren einen Seite das Wasser vorbeiströmt und auf deren anderen Seite die zu befeuchtende Luft. Der Behälter weist dazu einen Eingang 3 und einen Ausgang 3' für den Luftstrom auf sowie einen Einlass 4 für das warme Wasser und einen Auslass 4' für das weniger warme Wasser, welches durch die benötigte Verdunstungsenergie eine geringere Temperatur aufweist als das beim Einlass 4 in den Behälter eingetretene Wasser. Die Ein- und Ausgänge für die Luft und die Ein- und Auslässe für das Wasser sind in der Figur nur angedeutet, es ist dem Fachmann bekannt, wie solche Ein- und Ausgänge bzw. Anschlüsse für Luft- und Wasserleitungen ausgestaltet werden.
  • Die Luftbefeuchtungsvorrichtung weist eine Wasserführungsanordnung auf, womit die Gesamtheit der Leitungen, Wasserbehälter, Ventil- und Pumpmittel bezeichnet sein soll, die dazu dienen, das zur Befeuchtung dienende Wasser in den Behälter 2 und somit zur Membran 1 zu führen und das aus dem Behälter 2 austretende Wasser wieder aufzunehmen. Bevorzugt weist die Wasserführungsanordnung einen Wasserkreislauf auf, so dass aus dem Behälter 2 austretendes Wasser erneut in den Behälter eintreten kann. Dazwischen liegt mindestens ein Schritt des Erwärmens des Wassers, damit dieses wieder genug Energie zur Verdunstung eines Teils des Wassers an der Membran enthält.
  • In dem gezeigten Beispiel gelangt das beim Auslass 4' aus dem Behälter 2 austretende Wasser über eine Leitung 4" und Elemente 30 und 31, die fakultativ sind und später erläutert werden, mittels der Leitung 5 in einen Wasserbehälter bzw. Tank 6 und von dort über eine Pumpe 7 in die Leitung 8, die das Wasser wieder dem Behälter 2 und damit der Membran 1 zuführt. Vorzugsweise ist ein Sensor 33 vorgesehen, der ein Ausgangssignal abgibt, das ein Mass für die Konzentration der im Wasser gelösten Stoffe abgibt. So kann zwischen dem Tank 6 und der Pumpe 8 ein Leitfähigkeitssensor als Sensor 33 in der Leitung eingebracht sein, der als Messwert die Leitfähigkeit des Wassers ausgibt, welches ein Mass für die Konzentration der gelösten Stoffe im Wasser darstellt, welcher Messwert an die Steueranordnung 35 übermittelt wird. Bei einem hohen Leitfähigkeitswert, welcher über einem geeigneten, vorher festgelegten Grenzwert liegt, gibt die Steuereinheit ein Steuersignal zum Abschlämmen von Wasser mit hoher Konzentration an gelösten Stoffen an das Abschlämmventil 34. Der Tank 6 ist bevorzugt vorhanden, um eine genügende Wassermenge auf einfache Weise bereitstellen zu können. Ferner erlaubt der Tank es auf einfache Weise die Wassermenge im System festzulegen und das System grundsätzlich drucklos zu halten. Ferner erlaubt ein Tank, wie erwähnt, das Abführen der sich im Wasser anreichernden Mineralien, indem Wasser mit vergleichsweise hoher Konzentration an gelösten Stoffen abgelassen und durch Frischwasser mit geringerer Konzentration an gelösten Stoffen ersetzt wird. Dieser Vorgang wird in der Fachsprache häufig als "Abschlämmung" bezeichnet. Sofern eine hinreichend grosse Leitungslänge in Kauf genommen wird, kann auf den Tank verzichtet werden, die Wassermenge für den Betrieb der Vorrichtung ist dann in den Leitungssträngen der Wasserführungsanordnung vorhanden.
  • Bevorzugt ist mindestens ein Sensor vorgesehen, der die Wassertemperatur in der Wasserführungsanordnung ermittelt. Bevorzugt ist ein Sensor 33', der die Wassertemperatur an einer Stelle zwischen der Pumpe 7 und der Membran ermittelt. Der von diesem Sensor ermittelte Wassertemperaturwert wird bevorzugt zur Steueranordnung übertragen. Die Steueranordnung kann diesen Temperaturwert verwenden, um die Beeinflussung der Wasserdampferzeugung mittels einer Erhöhung oder Verminderung der Wassertemperatur und/oder mittels Erhöhung oder Verminderung des Faktors X durchzuführen, was eingangs als bevorzugtes Vorgehen beschrieben worden ist. Weiter ist bevorzugt ein Sensor vorgesehen, beispielhaft der Sensor 33'', welcher den Wassermassenstrom im Kreislauf ermittelt und welcher bevorzugt den Durchflusswert des Wassers an die Steueranordnung überträgt, was zu einer kontrollierten Einstellung des Faktors X führt. Als bevorzugte Ausführung ist der Sensor ein kombinierter Temperatur- und Durchflusssensor.
  • Die Erwärmung des Wassers erfolgt mit einer Heizeinrichtung, die auf beliebige bekannte Weise das Wasser erwärmen kann. Ein Beispiel ist eine elektrische Wasserheizung 32, die vorzugsweise im Tank 6 angeordnet ist aber auch an anderer Stelle in der Wasserführungsanordnung vorhanden sein könnte. Diese Heizungseinrichtung kann elektrisch oder auf andere bekannte Weise betrieben werden. Die Heizeinrichtung kann als weiteres Mittel einen Fluid-Fluid-Wärmetauscher und insbesondere einen Wasser-Wasser-Wärmetauscher 31 umfassen, dies anstelle der Wasserheizung 32 oder zusätzlich zu dieser. Mit dem Wärmetauscher 31 wird vorzugsweise dem Wasserkreislauf in einer Bodenheizung des Gebäudes und besonders bevorzugt dem Wasserkreislauf der Bodenheizung des Raums 2 Wärme entzogen, um das Wasser in der Wasserführungsanordnung des Luftbefeuchtungsvorrichtung 10 zu erwärmen.
  • Da während der Befeuchtung mittels der Membran 1 Wasser aus der Wasserführungsanordnung entzogen wird, ist vorzugsweise ein Mittel vorgesehen, um der Wasserführungsanordnung kontinuierlich oder diskontinuierlich aus einer zur Vorrichtung 10 externen Wasserquelle Wasser zuzuführen. Dies ist in der schematischen Ansicht von Figur 1 mit dem schematisch gezeigten Wasseranschluss 9 und dem Ventil 9' und der Leitung 9'' gezeigt, womit Wasser von einer externen Wasserquelle über den Sammler 30 zu dem Wasser hinzugefügt werden kann, das über den Auslass 4' und die Leitung 4" aus dem Behälter 2 austritt. Dies ist nur grob schematisch dargestellt, dem Fachmann ist aber bekannt, wie er die beiden Wasserleitungen 4" und 9" zu der Leitung 5 vereinen kann. Das Ventil 9' wird von der Steueranordnung 35 der Luftbefeuchtungsvorrichtung betätigt, was noch erläutert wird. Zu diesem Zweck ist das Ventil 9' ein elektrisch steuerbares Ventil, welches über eine nicht dargestellte elektrische Steuerleitung mit der Steueranordnung 35 verbunden ist.
  • Der Wassertank weist bevorzugt ein Element auf, das den Füllstand des Tanks ermittelt und das vorzugsweise mit der Steuerung verbunden ist. Vorzugsweise ist dies ein schematisch dargestellter Schwimmer dessen Position als Füllstandskontrolle dient und dieser Schwimmer kann mit der Steueranordnung verbunden sein, so dass die Steueranordnung über den Schwimmerstand eine Angabe über die Wassermenge in der Wasserführungsanordnung ableiten kann. Der Tank 6 ist mit einem Ablauf versehen, insbesondere zur sogenannten Abschlämmung. Eine Aufmineralisierung des Wassers im Tank, bzw. im Extremfall eine Schlammbildung am Tankboden, kann insbesondere bei der Verwendung von Leitungswasser im Wasserkreislauf erfolgen und über einen öffenbaren Ablauf können solche Stoffkonzentrationen entfernt werden, worauf der Ablauf wieder geschlossen wird. Der Ablauf kann über ein steuerbares Ventil auch dann aktiviert werden, wenn Wartungs- oder Reinigungsarbeiten ein Entleeren des Tanks und ggf. der ganzen Wasserführungsanordnung nötig machen.
  • Die Steueranordnung kann mittels eines Rechner oder einer industriellen Steuerung auf eine dem Fachmann bekannte Weise ausgeführt werden. Die Steuerung erhält zum Beispiel über eine Signalleitung 36 und einen Sensor 37 eine Information, die über die Menge des Wasserdampfmassenstroms am Ausgang des Behälters 2 Auskunft gibt, und somit eine Information über die Menge Wasserdampf pro Zeit, die dem Raum 22 zugeführt wird. Sie kann dies mit der Information über die Sollfeuchte im Raum vergleichen und damit die Anforderung an die Menge Wasserdampf pro Zeit festlegen. Auch die alleinige Angabe der Sollfeuchte kann genügen, da bei gegebener Raumgrösse grundsätzlich bekannt ist, wieviel Wasserdampf pro Zeiteinheit benötigt wird. Die Sollfeuchte kann an der Steueranordnung oder über ein damit verbundenes separates Einstellglied eingestellt werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Istfeuchte im Raum von mindestens einem Feuchtesensor festgestellt und an die Steueranordnung übermittelt wird. Diese Mittel sind hier nicht dargestellt, sind dem Fachmann aber bekannt und müssen hier nicht weiter erläutert werden. Die Steueranordnung sorgt mit dieser Information für die Zufuhr von genügend Feuchtigkeit in den Raum. Den Luftstrom in den Raum kann die Steueranordnung oder üblicherweise eine separate Steueranordnung des sog. Lüftungsgeräts insbesondere über die Steuerung der Lüfter 24 und 24' steuern. Dies wird hier nicht weiter erläutert.
  • Die Steueranordnung stellt gemäss der Erfindung den Wassermassenstrom durch den Behälter 2 pro Zeit so ein, dass der Wassermassenstrom (der zum Beispiel ebenfalls in kg/h bestimmt ist) mindestens um den Faktor 5 grösser ist als der Wasserdampfmassenstrom. Dazu kann die Steueranordnung die Information aus dem erwähnten Durchflussmesser verwenden und die Pumpe 7 entsprechend steuern.
  • Bevorzugt ist der Faktor grösser als 10 und besonders ist der Faktor grösser als 20 und besonders ist der Faktor grösser als 50. Insbesondere wird der Faktor im Bereich von 20 bis 250 eingestellt.
  • Mit dem Faktor gemäss der Erfindung kann sichergestellt werden, dass auch mit wenig warmen Wasser, zum Beispiel mit einer Temperatur von nur 25 Grad Celsius und insbesondere bevorzugt im Bereich von 20 Grad Celsius bis 60 Grad Celsius und insbesondere im Bereich von 25 Grad Celsius bis 45 Grad Celsius ein sicherer Betrieb der Luftbefeuchtungsvorrichtung möglich ist. Die Steueranordnung 35 ist zu diesem Zweck mittels einer Steuerleitung 38 mit der Wasserführungsanordnung verbunden und kann damit, wie erwähnt, insbesondere die Pumpe 7 steuern, welcher die Menge Wasser pro Zeit fördert, die zur Einhaltung des Faktors benötigt wird. Die Steueranordnung steuert auch die erläuterten Ventile und erhält Information über den Wasserstand und die Wassertemperatur. Sie steuert ebenfalls die Heizung des Wassers. Alle diese Steuersignale und Rückmeldungssignale von (zum Teil nicht dargestellten Sensoren) sind in der Figur 1 zu deren Vereinfachung in der Steuerleitung 38 zusammengefasst.
  • Der Behälter 2 kann - anders als in der schematischen Figur 1 dargestellt, vertikal bzw. so angeordnet, dass das Wasser von unten nach oben bzw. entgegen der Schwerkraft durch den Behälter fliesst, was die Kontrolle über den Wasserfluss erleichtert.
  • Anhand der Figuren 2 und 3 wird ein bevorzugtes Membranelement 60 beschrieben. Mindestens ein solches Membranelement und in der Regel mehrere solche Membranelemente 60 bilden zusammen die Membran 1 im Behälter 2. Das Membranelement gemäss dieser bevorzugten Ausführung weist einen Rahmen 65 auf, der im gezeigten Beispiel rechteckig ist und die Rahmenstege 61, 62, 63 und 64 aufweist. Die Stege weisen eine Stegbreite B (die nicht für alle Stege gleich sein muss), eine Stegdicke D und eine Länge auf, wobei im Falle eines rechteckigen Rahmens 65 jeweils gegenüberliegende Stege 61 und 63 bzw. 62 und 64 dieselbe Länge aufweisen. Bei diesem Membranelement 60 sind zwei Membranflächen M vorgesehen, welche einander durch die Stegdicke D beabstandet gegenüberliegen. In den Figuren 2 und 3 ist jeweils nur die in der Figur hintere Membranfläche M aus dem Membranmaterial gezeigt und die vordere Membranfläche ist nicht dargestellt, damit der Rahmen und das Innere des Membranelements ersichtlich sind. Beide Membranflächen M begrenzen zusammen mit dem Rahmen den Innenraum des Membranelements 60, in welchem das Wasser strömt. Bei einer Ausführungsform kann auch nur eine Seite des Rahmens mit einer Membranfläche versehen sein und auf der anderen Seite des Rahmens ist ein nicht aus Membranmaterial bestehender Deckel vorgesehen.
  • Als Membranmaterial sind die vorgenannt als Beispiel erwähnten Materialien auch bei diesem Ausführungsbeispiel bevorzugt. Die Befestigung der jeweiligen Membranfläche M erfolgt in diesem Beispiel an den Aussenseiten der Rahmenstege, welche Aussenseiten die Breite B oder voneinander verschiedene Breiten B aufweisen. An diesen Aussenseiten ist die jeweilige Membranfläche aufliegend auf der jeweiligen Aussenseite befestigt. Bevorzugt ist das Material der Stege des Rahmens 65 ein Kunststoffmaterial, welches es erlaubt, die Membranflächen M entlang der Rahmenstege wasserdicht und stoffschlüssig durch Kunststoffschweissung am Rahmen zu befestigen bzw. durch Auflaminieren des Membranmaterials auf den Rahmenstegen am Rahmen zu befestigen. Anstelle oder zusätzlich zu einer Schweissung könnte auch eine Klebung vorgesehen werden, zum Beispiel mittels eines Heissklebers.
  • An den Seitenwänden weist der Rahmen mindestens eine erste Öffnung 70 als Wasserzulauf und mindesten eine zweite Öffnung 71 als Wasserauslass auf. Die Öffnung 70 steht mit der Leitung 8 bzw. dem Einlass 4 von Figur 1 in Verbindung und die Öffnung 71 steht mit dem Auslass 4' von Figur 1 in Verbindung, wobei dies für eine aus mehreren Membranelementen gebildete Membran für alle entsprechenden Öffnungen 70 und 71 der Rahmen 65 gilt, welche über Verteiler an die gemeinsame Leitung angeschlossen sind.
  • In seinem Inneren weist der Rahmen bevorzugt mindestens einen Steg 67 auf. Bevorzugt weist der Rahmen mehrere Stege 67 auf, im gezeigten Beispiel sind acht Stege 67 vorgesehen. Der Steg verbindet, bzw. diese Stege verbinden, innere Seitenwände des Rahmens, im gezeigten Beispiel die inneren Seitenwände 62" und 64", da die Stege 67 in diesem Beispiel die Rahmenstege 62 und 64 verbinden. Die Stege 67 weisen jeweils über einen ersten Abschnitt 68 im Wesentlichen dieselbe Dicke D auf, wie die Rahmenstege 61 bis 64, so dass die Membranfläche M des jeweiligen Membranelements sowohl auf den Rahmenstegen als auch auf den Stegen 67 aufliegt und auch an den Stegen 67 an deren ersten Abschnitten 68 befestigt werden kann. Dies erfolgt in der Regel auf dieselbe Weise wie die Befestigung an den Rahmenstegen, also durch Schweissung oder durch Laminieren oder durch Klebung oder durch eine Kombination dieser Befestigungsmöglichkeiten. Auch an den Stegen 67 wird die Membran wasserdicht befestigt, so dass das Wasser an diesen Stellen bzw. im Bereich der Abschnitte 68 nicht zwischen Membran und Steg hindurchströmt. Hingegen weisen die Stege 67 jeweils einen zweiten Abschnitt 69 ihrer Länge auf in welchem die Stege eine geringere Dicke D1 als die Rahmenstege aufweisen. An diesen Abschnitten 69, welche gegenüber den Aussenseiten der Rahmenstege und gegenüber den Abschnitten 68 in Richtung auf das Rahmeninnere zurückversetzt sind, ist das Membranmaterial M nicht befestigt. Die zurückversetzten Abschnitte bilden im Vergleich mit den Abschnitten 68, welche die Strömung blockieren, im Gegenteil Durchlässe für das Wasser, durch welche das Wasser auf seinem Weg vom Wassereinlass 70 zum Wasserauslass 71 hindurchströmen kann. Somit kann durch die Anordnung der Stege 67 ein Pfad für das Wasser innerhalb des Membranelements 60 vorgegeben werden, wobei das Wasser dabei an der Innenseite des Rahmens bzw. im Innenraum 66 an den Innenseiten der Membranflächen M vorbeiströmt.
  • Bevorzugt sind die Stege 67 im Rahmen so angeordnet, dass sie mit ihren dickeren Abschnitten abwechselnd von gegenüberliegenden Seitenwänden 62'', 64'' des Rahmens ausgehend angeordnet sind, um für das Wasser einen mäanderartigen Pfad bzw. für das Wasser und die Luftströmung eine Kreuz-Gegenstromanordnung zu bilden, wie dies in Figur 2 mit den Pfeilen F für die Wasserrichtungen angedeutet ist, während der Pfeil L die Richtung der durch den Behälter 1 strömenden Luft angibt, die an den äusseren Membranflächen der Membranelemente bzw. ausserhalb der Rahmen an diesen vorbeiströmt.
  • Es kann vorgesehen sein und ist im Beispiel so gezeigt, dass an zweiten Abschnitten 69 geringerer Dicke D1 der Stege innerhalb der von diesen gebildeten Wasserdurchlässe Ausformungen 56 an den Stegen vorgesehen sind, welche eine Fläche zur Befestigung des Membranmaterials auch innerhalb bzw. oberhalb der Wasserdurchlässe bereitstellen. Die Flächen dieser Ausformungen 56 sind vorzugsweise wieder so angeordnet, dass sich dort wieder die Rahmendicke D ergibt, so dass die Membranflächen M auch an diesen Flächen 56 befestigt werden können. Trotz diesen Ausformungen kann das Wasser durch die Durchlässe bei den zweiten Abschnitten 69 der Stege strömen. Die Ausformungen 56 ergeben aber eine weitere Stabilisierung der Membranfläche, so dass diese dem Druck und der Strömung des Wassers im Membranelement standhalten kann. Bei beidseits am Rahmen vorhandenen Membranflächen ist vorzugsweise beidseits eines jeweiligen zweiten Abschnitts 69 eine Ausformung 56 vorgesehen. Auch damit können Wirbel- und Totzonen verhindert oder verringert werden.
  • Zur Stabilisierung der Stege 67 und damit zur Verminderung der Belastung der an den Abschnitten 68 und ggf. Flächen 56, der Stege befestigten Membranflächen M, ist es bevorzugt, dass Stege 67 mittels im Wesentlichen quer zu den Stegen oder ggf. schräg zu den Stegen verlaufenden Stützstegen 59 miteinander oder mit einer Seitenwand 61", 63" verbunden sind, wobei die Stützstege 59 die geringere Dicke D1 oder bevorzugt eine noch geringere Dicke aufweisen, um die Wasserströmung nur wenig zu behindern.
  • Zur Beeinflussung der Wasserströmung kann es ferner vorgesehen sein, dass bei mindestens einem der Stege 67 das Ende 58 des ersten Abschnittes 68 abgerundet ausgebildet ist, wie dies in den Figuren 2 und 3 bei allen Stegen gezeigt ist. Zusätzlich oder als alleinige Massnahme kann es vorgesehen sein, dass bei mindestens einem der Stege 67 das Ende 58 des ersten Abschnittes 68 von der ersten Öffnung 71 weg weisend abgebogen ausgebildet ist, wie das in den Figuren 2 und 3 bei allen Stegen dargestellt ist. Zur Beeinflussung der Strömung im Rahmen kann ferner an der inneren Seitenwand benachbart zur der den Wassereinlass bildenden Öffnung eine Ausformung vorgesehen sein, wie in Figur 2 und Figur 3 dargestellt.
  • Weiter können in den Stegen 67 im Bereich ihrer Verbindung mit den Seitenwänden Kanäle 55 vorgesehen sind (von denen nicht alle in der Figur mit 55 bezeichnet sind), deren durchströmbarer Querschnitt um ein Vielfaches kleiner ist als der von den jeweiligen Wasserdurchlässen bereitgestellter Querschnitt für das Wasser. Diese Kanäle erleichtern die Entwässerung der Membranelemente bzw. der Membran bei abgeschaltetem Hydrauliksystem der Luftbefeuchtungsvorrichtung bzw. wenn diese ausser Betrieb ist und erlauben es somit unter dem Hygieneaspekt unerwünschtes Restwasser zu vermeiden.
  • Damit die Vielzahl der Membranelemente auf einfache Weise in definierter Lage verbunden werden können, sind ferner am Rahmen angeordnete Positionierungsmittel 73 bevorzugt, wodurch auch die Bildung einer Membran erleichtert wird, bei welcher zwischen den Membranelementen gleichmässige Luftdurchlässe gebildet sind.
  • Bei einem nur sehr vereinfacht dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel einer Membran mit Membranelementen ist mit Figur 4 grob schematisch ein Horizontalschnitt durch einen vertikal angeordneten Behälter 2 gezeigt, dessen Behälterwand nur mit unterbrochenen Linien angedeutet ist. In dem Behälter sind Membranelemente 41 angeordnet, in denen das Wasser fliesst. Zusammen bilden die Membranelemente 41 die gesamte Membran 1. Es sind in diesem Beispiel unten im Behälter angeordnete Membranelemente 41 dargestellt, in denen das in den Behälter eingeführte Wasser (über den Einlass 4 von Figur 1) im Behälter nach oben fliesst und oben im Behälter dargestellte Membranelemente 41, in denen das Wasser wieder nach unten zum Auslass des Behälters fliesst (Auslass 4' in Figur 1). Durch die Zwischenräume 45 zwischen den Membranelementen wird die Luft geführt, was mit dem Pfeil L angedeutet ist, die den aus den Membranelementen 41 austretenden Wasserdampf aufnimmt.
  • Figur 5 zeigt einen schematischen Horizontalschnitt durch einen Behälter 2, dessen Behälterwand nur mit unterbrochenen Linien angedeutet ist, in welchem Behälter die Membran von einer Vielzahl von in Reihen angeordneten zylindrischen Membranelementen 40 gebildet sind, die zusammen die Membran bilden (es sind nur zwei Reihen dargestellt, die anderen Reihen sind nur mit strichpunktierten Linien angedeutet). In den zylindrischen Membranelementen 40 fliesst das Wasser und die Luft wird gemäss Pfeil L durch die Zwischenräume 45 geführt, um die Luft zu befeuchten.
  • Figur 6 zeigt schematisch einen Rahmen 42 in welchem ein flächiges Membranteil M aus dem vorgenannten Membranmaterial eingespannt ist. Ein solches Element 41' bildet mit einem zweiten derartigen Element oder mit einer geschlossenen Rückwand ein Membranelement, in dem ein von dem Membranelement begrenzter Raum für das Wasser gebildet wird. In diesem Raum befindet sich in der Regel ebenfalls eine - hier nicht dargestellte - Stützstruktur für die Membranfläche, auf welcher die wasserseitige Membranfläche mit einem Teil ihrer Fläche befestigt ist, insbesondere angeschweisst oder auflaminiert ist. Die Stützstruktur ist so ausgebildet, dass sie den Wasserfluss ermöglicht bzw. möglichst wenig hemmt. Anstelle der gezeigten Einspannung im Rahmen kann die Membran auch aussen auf den Rahmenstegen befestigt sein, insbesondere durch Schweissen oder Laminieren oder Kleben.
  • Gemäss einem Aspekt der Erfindung ist ein Membranelement für eine Luftbefeuchtungsvorrichtung, insbesondere für die vorbeschriebene Luftbefeuchtungsvorrichtung so gebildet, das das Membranmaterial M der Membrananordnung ein mikroporöses Material ist und bevorzugt ein hydrophobes mikroporöses Material ist. Insbesondere ein Material mit einem nominellen Porendurchmesser im Bereich von 0.05 bis 0.5 Mikrometern und insbesondere ein Material mit einem nominellen Porendurchmesser von 0.05 bis 0.25 Mikrometern ist, und insbesondere mit einem Porendurchmesser im Bereich von 0.1 bis 0.2 Mikrometern ist. Das mikroporöse Material ist aus einem, vorzugsweise hydrophoben, Polymer gebildet, zum Beispiel aus Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polypropylen (PP) oder Polyurethan (PU). Das Membranmaterial M ist flächig angeordnet und mit seinem Rand 44 in einem Spannrahmen 42 befestigt, zum Beispiel in einem quadratischen oder rechteckigen Spannrahmen 42, wobei die Rahmenstege über ihren Querschnitt gesehen mindestens teilweise aus einem spritzgiessbaren Kunststoff gebildet sind und das Membranmaterial an den Stegen befestigt ist, indem es mit seinen Randbereichen von dem Kunststoff umgeben ist. Figur 7, die einen Schnitt durch den Rahmen und das Membranmaterial entlang der Linie A - A von Figur 6 darstellt, zeigt, dass der Rand des flächigen Teils 40 des Membranmaterials in dem Rand eingebettet ist. Bevorzugt erfolgt die Herstellung einer solchen Membrananordnung derart, dass die Rahmenstege über ihren Querschnitt gesehen mindestens teilweise aus einem Kunststoff spritzgegossen werden, wobei die Membran in den Stegen befestigt wird, indem sie mit ihren Randbereichen 44 direkt beim Spritzgiessprozess in die Rahmenstege eingegossen wird. In den Rahmenstegen kann eine Verstärkung 43 aus einem anderen Material als dem Kunststoffstegmaterial vorgesehen sein. Wie erwähnt, kann eine Membran aber auch aussen auf dem Steg befestigt sein anstelle der gezeigten Befestigung um Steg, insbesondere ein Aufschweissen oder ein Ankleben an dem Steg.
  • Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Membranfläche durch eine äussere Stützstruktur aus einem zum Membranmaterial unterschiedlichen Material verstärkt ist, oder dass die Membranfläche durch eine äussere Stützstruktur aus demselben Material wie die Membranfläche verstärkt ist. Dabei kann die Membranfläche auf die Stützstruktur auflaminiert werden, oder die Membranfläche kann auf einer solchen Stützstruktur lose aufliegen. In der Figur ist die Stützstruktur nicht dargestellt. Sie kann ebenfalls stegförmig sein und zum Beispiel ein Gitter bilden. Eine solche Stützstruktur kann ferner zur Herbeiführung einer turbulenten Luftströmung über der Membran dienen. Davon zu unterscheiden ist die bereits erwähnte innere Stützstruktur auf der Wasserflussseite.
  • Während in der vorliegenden Anmeldung bevorzugte Ausführungen der Erfindung beschrieben sind, ist klar darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist und in auch anderer Weise innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche ausgeführt werden kann.

Claims (21)

  1. Luftbefeuchtungsvorrichtung (10) umfassend eine wasserundurchlässige, wasserdampfdurchlässige, vorzugsweise hydrophobe, Membran (1), welche Membran in einem Behälter (2) der Luftbefeuchtungsvorrichtung derart angeordnet ist, dass die Membran auf ihrer einen Seite von vorbeiströmendem Wasser einer Wasserführungsanordnung der Luftbefeuchtungsvorrichtung beaufschlagbar ist, wobei die Wasserführungsanordnung mindestens eine steuerbare Wasserpumpe (7) aufweist, und wobei die Membran auf ihrer anderen Seite mit einem Luftkanal in dem Behälter in Kontakt ist, derart, dass die andere Seite der Membran von der Luft in dem Luftkanal beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftbefeuchtungsvorrichtung mindestens einen Sensor aufweist, welcher insbesondere ein Sensor am strömungsseitigen Ausgang des Luftkanals ist, welcher Sensor zur Messung der Menge von Wasserdampf in dem Luftstrom ausgestaltet ist, und wobei die Luftbefeuchtungseinrichtung eine Steueranordnung (35) aufweist, welche insbesondere zur Auswertung des Sensorsignals des Sensors zur Ermittlung des den Behälter verlassenden Wasserdampfmassenstroms ausgestaltet ist, welche Steueranordnung (35) zur Steuerung der Wasserpumpe derart ausgestaltet ist, dass der an der Membran vorbeiströmende Wassermassenstrom in kg/h um einen Faktor X grösser einstellbar ist als der in dem Luftkanal aus der Membran austretende Wasserdampfmassenstrom in kg/h, wobei der Faktor X grösser als 5 ist.
  2. Luftbefeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steueranordnung (35) ausgestaltet ist, den Faktor X im Bereich von grösser als 10 einzustellen, insbesondere ausgestaltet ist, den Faktor grösser als 20 einzustellen, insbesondere ausgestaltet ist, den Faktor grösser als 50 einzustellen, und insbesondere ausgestaltet ist, den Faktor im Bereich von 20 bis 250 einzustellen.
  3. Luftbefeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftbefeuchtungsvorrichtung eine durch die Steueranordnung steuerbare Heizeinrichtung für das an der Membran vorbeiströmende Wasser aufweist, und dass die Steueranordnung zur Einstellung einer Wassertemperatur des in den Behälter einströmenden Wassers im Bereich von 20 Grad Celsius bis 60 Grad Celsius ausgestaltet ist, insbesondere zur Einstellung der Wassertemperatur im Bereich von 25 Grad Celsius bis 45 Grad Celsius ausgestaltet ist.
  4. Luftbefeuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftbefeuchtungsvorrichtung mindestens einen signalmässig mit der Steueranordnung verbundenen Wassertemperatursensor aufweist, insbesondere einen Wassertemperatursensor (33'), der im Wasserfluss zwischen der Wasserpumpe (7) und dem Wassereinlass (4) des Behälters (2) angeordnet ist, und insbesondere, dass die Luftbefeuchtungsvorrichtung einen signalmässig mit der Steueranordnung verbundenen Wasserdurchflussmesser (33") aufweist, welcher insbesondere im Wasserfluss zwischen der Wasserpumpe (7) und dem Wassereinlass (4) des Behälters (2) angeordnet ist, und insbesondere, dass der Wassertemperatursensor und der Wasserdurchflussmesser miteinander kombiniert sind.
  5. Luftbefeuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steueranordnung derart ausgestaltet ist, dass durch die Steueranordnung der in dem Luftkanal aus der Membran austretende Wasserdampfmassenstrom durch Beeinflussung des Faktors X steuerbar ist.
  6. Luftbefeuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steueranordnung derart ausgestaltet ist, dass durch die Steueranordnung der in dem Luftkanal aus der Membran austretende Wasserdampfmassenstrom durch Beeinflussung der Temperatur des Wassermassenstroms steuerbar ist.
  7. Luftbefeuchtungsvorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steueranordnung zur Steuerung des in dem Luftkanal aus der Membran austretenden Wasserdampfmassenstroms sowohl durch Beeinflussung der Wassertemperatur als auch durch die Beeinflussung des Faktors X ausgestaltet ist, und ferner dass die Steueranordnung dazu ausgestaltet ist, den Grad der Beeinflussung auf die eine und andere Weise in Abhängigkeit von der Wassertemperatur des zur Membran fliessenden Wassers durchzuführen.
  8. Luftbefeuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Ergänzung des Wasserinhalts der Wasserführungsanordnung ausgestaltet ist, insbesondere, dass die Steueranordnung ausgestaltet ist, um aufgrund eines Signals eines Sensors die durch die Membran verdunstende Wassermenge zu ersetzen, wobei der Sensor insbesondere ausgestaltet ist, um das Vorhandensein von im Wasser gelösten Stoffen zu bestimmen und wobei der Sensor insbesondere zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des Wassers ausgestaltet ist.
  9. Luftbefeuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserführungsanordnung einen Wasserkreislauf umfasst, wobei der Wasserkreislauf einen Wassertank (6) umfasst, insbesondere, dass die Luftbefeuchtungsvorrichtung einen Wassertank mit einer Füllstandserkennung umfasst.
  10. Luftbefeuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung einen Fluid-Fluid-Wärmetauscher umfasst, insbesondere, dass die Heizeinrichtung einen Wasser-Wasser-Wärmetauscher umfasst, und/oder dass die Heizeinrichtung eine elektrische Wasserheizung umfasst, wobei die Heizeinrichtung, insbesondere die elektrische Wasserheizung, mindestens teilweise im Wassertank angeordnet ist.
  11. Luftbefeuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine mikroporöse Membran mit einem nominellen Porendurchmesser im Bereich von 0.05 bis 0.5 Mikrometern ist, insbesondere eine mikroporöse Membran mit einem nominellen Porendurchmesser im Bereich von 0.05 bis 0.25 Mikrometern ist, und insbesondere eine mikroporöse Membran mit einem nominellen Porendurchmesser mit einem nominellen Porendurchmesser von 0.1 Mikrometer bis 0.2 Mikrometer ist, und insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1) aus mehreren Membranelementen (60) gebildet ist.
  12. Luftbefeuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftbefeuchtungsvorrichtung Mittel zum Einblasen von Luft in den Wasserstrom vor oder beim Eintritt des Wassers in den Behälter aufweist und insbesondere, dass die Steueranordnung zur Steuerung der Mittel zum Einblasen von Luft ausgestaltet ist, und insbesondere zur wahlweisen kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Einblasung von Luft auf der Wasserseite ausgestaltet ist.
  13. Luftbefeuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftbefeuchtungsvorrichtung Mittel zur Erzeugung einer turbulenten Strömung auf der Luftseite aufweist, insbesondere, dass das Mittel zur Erzeugung einer turbulenten Strömung auf der Luftseite von einer Struktur zur Verstärkung der Membran gebildet ist.
  14. Luftbefeuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter mit der Membran derart angeordnet ist, dass das Wasser von unten nach oben entgegen der Schwerkraft an der Membran vorbeiströmt.
  15. Luftbefeuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, deren Membran ein Membranelement (60) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranelement einen aus Rahmenstegen (61 bis 64) gebildeten Rahmen (65) mit einer Vorderseite und einer Rückseite und Seitenwänden aufweist, an welchem Rahmen das Membranmaterial mindesten einseitig flächig angeordnet ist, und an welchem Rahmen das Membranmaterial bevorzugt beidseitig, vorderseitig und rückseitig, flächig angeordnet ist, und wobei das Membranmaterial an den jeweiligen Rahmenflächen der Vorderseite und Rückseite des Rahmens wasserdicht befestigt ist, so dass innerhalb des Rahmens ein wasserdichter aber für Wasserdampf durchlässiger, vom Rahmen und den Membranflächen begrenzter Raum gebildet ist, oder ggf. ein von einer Membranfläche und einer Nichtmembranfläche begrenzter Raum gebildet ist, wobei der Rahmen an Seitenwänden mindestens eine erste Öffnung (71) als Wasserzulauf und mindesten eine zweite Öffnung (72) als Wasserauslass aufweist, und wobei der Rahmen in seinem Inneren mindestens einen Steg (67) aufweist, welcher innere Seitenwände des Rahmens verbindet, welcher Steg über einen ersten Abschnitt (68) im Wesentlichen dieselbe Dicke (D) aufweist wie die Rahmenstege und über einen zweiten Abschnitt (69) seiner Länge eine geringere Dicke (D1) als die Rahmenstege aufweist, welcher Abschnitt (69) mit geringerer Dicke innerhalb des Rahmens einen Wasserdurchlass bildet und wobei die Membranflächen an dem ersten Abschnitt des Stegs wasserdicht befestigt sind bzw. ggf. eine Nichtmembranfläche mit dem Steg wasserdicht verbunden ist.
  16. Verfahren zum Betrieb einer Luftbefeuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der an der Membran vorbeiströmende Wassermassenstrom in kg/h um einen Faktor X grösser gewählt wird als der in dem Luftkanal aus der Membran austretende Wasserdampfmassenstrom in kg/h, wobei der Faktor X grösser als 5 ist, insbesondere, wobei der Faktor X grösser als 10 ist, insbesondere, wobei der Faktor grösser als 20 ist, und insbesondere, wobei der Faktor grösser als 50 ist und weiter, wobei der Faktor insbesondere im Bereich von grösser als 20 bis 250 gewählt ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassertemperatur des in den Behälter einströmenden Wassers im Bereich von 20 Grad Celsius bis 60 Grad Celsius eingestellt wird, insbesondere, dass die Wassertemperatur im Bereich von 25 Grad Celsius bis 45 Grad Celsius eingestellt wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Luftkanal aus dem Membran austretende Wasserdampfmassenstrom durch Beeinflussung des Faktors X gesteuert wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Luftkanal aus der Membran austretenden Wasserdampfmassenstrom durch Beeinflussung der Temperatur des Wassermassenstroms gesteuert wird, wobei vorzugsweise die Temperatur des Wassermassenstroms zwischen einer Wasserpumpe der Wasserführungsanordnung und dem Wassereinlass in den Behälter gemessen wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassermassenstrom in der Wasserführungsanordnung durch einen Wasserflusssensor gemessen wird, und dass der Messwert des Wasserflusssensors für die Steuerung des Wassermassenstroms verwendet wird.
  21. Verfahren nach den Ansprüchen 19 und 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des in dem Luftkanal aus der Membran austretenden Wasserdampfmassenstroms sowohl durch Beeinflussung der Wassertemperatur als auch durch Beeinflussung des Faktors X erfolgt und insbesondere ferner, dass der Grad der Beeinflussung auf die eine und andere Weise in Abhängigkeit von der Wassertemperatur des zur Membran fliessenden Wassers erfolgt.
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