EP3441687B1 - Membranelement und membran zur luftbefeuchtung - Google Patents

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EP3441687B1
EP3441687B1 EP18184196.6A EP18184196A EP3441687B1 EP 3441687 B1 EP3441687 B1 EP 3441687B1 EP 18184196 A EP18184196 A EP 18184196A EP 3441687 B1 EP3441687 B1 EP 3441687B1
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EP
European Patent Office
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membrane
water
frame
bridges
membrane element
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EP18184196.6A
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EP3441687A3 (de
EP3441687A2 (de
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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
Original Assignee
Condair Group AG
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of EP3441687A3 publication Critical patent/EP3441687A3/de
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Definitions

  • the invention relates to a membrane element for an air humidification device and a membrane formed from such membrane elements.
  • Air humidification devices using a membrane impermeable to water and permeable to water vapor are known. So explained DE 10 2008 038 557 A1 the disadvantages of the known humidifiers and proposes a humidifier with a separating membrane, in particular with a separating membrane made of a hydrophobic material such as polypropylene (PP) or poly-tetrafluoroethylene (PTFE). It is proposed to regulate the humidification performance by the temperature of the water acting on the membrane on one side. The range from 10 to 60 ° C., in particular 15 to 35 ° C., is suggested as the water temperature.
  • Other air humidification devices with a membrane are in US 2005/0252982 A1 and WO 88/06912 shown.
  • DE 10 2012 008 197 A1 shows a special membrane structure with pockets made of membrane material. It can be seen that the membrane undergoes a strong cooling of the water due to the energy required for evaporation, which makes the operation of such air humidification devices with low water temperatures inefficient. In practice, therefore, a relatively high water temperature is required in order to achieve a good humidification performance and to prevent the water from cooling down into an area that is too deep.
  • DE 10 2014 006 465 A1 shows a humidification device in which a folded membrane is acted upon by two different humid air streams. A plate-shaped spacer element projects into every second fold of the membrane, which spacer elements on a common one Base plate are attached.
  • WO 01/67533 A2 discloses a membrane element having the features of the preamble of claim 1.
  • the object of the invention is to create membrane elements for providing a membrane for an air humidification device. This object is achieved by a membrane element according to claim 1 and is achieved by the membrane formed from such elements. Preferred embodiments are defined in the dependent claims.
  • the membrane of the air humidification device is preferably 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 in each case arranged flat on this frame at least on one side and is preferably arranged flat on both sides, front and back.
  • the membrane material is attached to the respective frame surfaces of the front and back of the frame in a watertight manner, so that a watertight space defined by the frame and the membrane surfaces is formed within the frame, or a space defined by a membrane surface and a non-membrane surface is possibly formed, if a surface made of membrane material is provided on only one side of the frame, from which space only the water vapor can escape through the membrane.
  • the frame has 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 on the side walls. Furthermore, the frame has at least one web, preferably a plurality of webs, which connect inner side walls of the frame, which webs have essentially the same thickness D as a first section the frame webs and over a second section of their length have a smaller thickness D1 than the frame webs. The sections of reduced 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 appropriate, a non-membrane surface is connected to the webs in a watertight manner if only a membrane surface is arranged on one side of the frame and the other side of the frame is closed by a non-membrane surface in order to provide the watertight space to build.
  • This configuration of the membrane elements results in a very good possibility of attachment and stability of the respective membrane surface on the frame, in that it is also attached to the webs.
  • the watertight fastening can be carried out, for example, by plastic welding of the membrane and the webs formed from a plastic, or can be carried out by lamination or gluing.
  • the stable attachment enables operation with a large water mass flow even with sensitive membranes. Due to the special arrangement of the webs and the water passages in the frame, a desired flow pattern for the water can be achieved in a simple manner. It is preferred that at least one web is provided, but in particular that several webs are provided, the first sections of which are alternately arranged starting from opposite side walls of the frame. In this way, a cross-countercurrent arrangement can easily be achieved, since the water flow inside the frame is effected accordingly. There is also a higher average flow velocity, the avoidance or reduction of dead zones and good heat and mass transfer.
  • a further stabilization of the membrane elements or of the membrane composed of these results if at least some of the webs, in particular all of the webs, are essentially at right angles to the Web-extending support webs are connected to one another or to a side wall, the support webs having the smaller thickness D1 or having an even smaller thickness in order not to disrupt the water flow.
  • the respective end of the first section is rounded in each case in the case of the membrane elements in at least one of the webs, in particular in all webs.
  • the respective end of the first section can be designed to point away from at least one of the webs or at all webs 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 form 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 front and rear of the frame.
  • channels are provided in the membrane elements in the webs in the area of their connection to the side walls, the cross-section of which the flow-through area is many times smaller than the cross-section for the water provided by the respective water passages.
  • the membrane elements are preferably provided with positioning means arranged on the frame in order to connect a plurality of 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 water-flowing, vertically running membrane channels are arranged one behind the other in the direction of flow of the air. In cross-section across the channel width, this arrangement is repeated, separated by an air gap.
  • the warm water flows from the water guide arrangement from the bottom up, i.e. counter to gravity, into an upper header tank and from there it flows further down the drain in the front membrane channel or preferably back into a recirculation circuit.
  • the procedure described above not only diffuses water vapor for moistening through the membrane wall as the primarily desired effect, but it also simultaneously cools the water gradually through the evaporation of a small part of the water to water vapor within the membrane channels and at the same time, heat is also transported through the membrane wall.
  • a flat membrane Since a flat membrane has little 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 laminating, the membrane with part of its water-side surface to an inner support structure.
  • an inner support structure is provided in the water flow area of the membrane and is designed to inhibit the water flow as little as possible.
  • an outer 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 rest loosely or be pressed by the water pressure. The advantages of the flat membrane are easier cleaning and less pressure loss in the air duct.
  • FIG 1 shows schematically and as an example an air humidification device 10, wherein the parts belonging to the device are shown within the area delimited by the broken line.
  • the air humidification device 10 is arranged, for example, in a technical room 11 and serves to humidify the air that is supplied to a room, for example the living room 22, which is only indicated.
  • HVAC air conditioning technology
  • air which is discharged from the living space 22 is fed from a fan 24 via a line 23 to an air-air heat exchanger 25 in the technical room 11 and from there via 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 via 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 air flow rate also affects 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 not under the control of the air humidification device 10. The (rather slight) influence of the fans is therefore not considered here.
  • the air humidification device 10 comprises a membrane 1, only shown schematically, by means of which water vapor of the amount M1 per hour (kg / h) is supplied to the air to be humidified.
  • 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 taken up by the air that is passed as an air stream on the other side of the membrane. This is generally known 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, as has also already been explained.
  • the membrane elements forming the membrane 1 are arranged and designed such 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 due to the required evaporation energy has a lower temperature than that at inlet 4 in water entering the container.
  • the inlets and outlets for the air and the inlets and outlets for the water are only indicated in the figure, it is known to the person skilled in the art how such inlets and outlets or connections be designed for air and water pipes.
  • the air humidification device has a water routing arrangement, by which the entirety of the lines, water tanks, valve and pumping means is intended, which serve to guide the water used for humidification into the tank 2 and thus to the membrane 1 and that which emerges from the tank 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.
  • the water emerging from the container 2 at the outlet 4 ′ passes via a line 4 ′′ and elements 30 and 31, which are optional and will be explained later, by means of the line 5 into a water container or tank 6 and from there a pump 7 into the line 8, which feeds the water back to the container 2 and thus to the membrane 1.
  • a sensor 33 is preferably provided which emits an output signal which gives a measure of the concentration of the substances dissolved in the water the tank 6 and the pump 8, a conductivity sensor as sensor 33 can be introduced in the line, which outputs the measured value as the conductivity of the water, which is a measure of the concentration of the dissolved substances in the water, which measured value is transmitted to the control arrangement 35 a high conductivity value, which is above a suitable, predetermined limit value, gives the control unit a control signal for blowdown of water with a high concentration of solutes to the drain valve 34.
  • the tank 6 is preferably provided in order to be able to provide a sufficient amount of water in a simple manner.
  • the tank allows it to be simple Way to determine the amount of water in the system and to keep the system depressurized. Furthermore, as mentioned, a tank allows the minerals that accumulate in the water to be removed by draining water with a comparatively high concentration of dissolved substances and replacing it with fresh water with a lower concentration of dissolved substances. This process is often referred to as "blowdown". If a sufficiently large line length is accepted, the tank can be dispensed with, and the amount of water for operating the device is then present in the line lines of the water guide 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 steam generation 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 was 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 value 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 using 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 elsewhere in the water guide arrangement. This heater can be operated electrically or in other known ways.
  • the heating device can comprise a fluid-fluid heat exchanger and in particular a water-water heat exchanger 31, this instead of or in addition to the water heater 32. 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 routing arrangement of the air humidification device 10.
  • a means is preferably provided to supply the water guide arrangement with water continuously or discontinuously from a water source external to the device 10.
  • a water source external to the device 10.
  • the valve 9 ' is actuated by the control arrangement 35 of the air humidification device, which will be explained later.
  • 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 control.
  • This is preferably a schematically represented float whose position serves as a level control and this float can be connected to the control arrangement, so that the control arrangement provides an indication of the float level can derive from the amount of water in the water guide arrangement.
  • the tank 6 is provided with a drain, in particular for so-called blowdown. Mineralization of the water in the tank, or, in extreme cases, sludge formation on the tank bottom, can take place in particular when using tap water in the water circuit, and such substance concentrations can be removed via an openable outlet, after which the outlet is closed again.
  • the drain can also be activated via a controllable valve if maintenance or cleaning work necessitates emptying the tank and, if necessary, the entire water supply arrangement.
  • the control arrangement can be implemented by means of a computer or an industrial control in a manner known to the person skilled in the art.
  • the control receives, for example, via a signal line 36 and a sensor 37 information that 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. You 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. Simply specifying the target humidity can also suffice, since it is generally known for a given room size 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 into 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 via the Control the control of fans 24 and 24 '. This is not explained further here.
  • the control arrangement adjusts the water mass flow through the container 2 per time in such a way that the water mass flow (which, for example, is also determined in kg / h) 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 can control the pump 7 accordingly.
  • the factor is preferably greater than 10 and especially the factor is greater than 20 and especially the factor is greater than 50.
  • the factor is set in the range from 20 to 250.
  • the factor can be used to ensure that even with a little warm water, for example at a temperature of only 25 degrees Celsius and particularly preferably in the range from 20 degrees Celsius to 60 degrees Celsius and in particular in the range from 25 degrees Celsius to 45 degrees Celsius safe operation of the air humidification device is possible.
  • the control arrangement 35 is connected to the water supply arrangement by means of a control line 38 and can, as mentioned, in particular control the pump 7, which conveys the amount of water per time which 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 (partly not shown sensors) are in the Figure 1 summarized in the control line 38 to simplify them.
  • the container 2 can - unlike in the schematic Figure 1 shown, vertical or arranged so that the water flows from the bottom up or against gravity through the container, which facilitates control of 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 is rectangular in the example shown 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, opposite webs 61 and 63 or 62 and 64 have the same length.
  • two membrane surfaces M are provided, which are spaced apart from one another by the web thickness D.
  • the respective membrane surface M is attached 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 attached to the outer side.
  • the material of the webs of the frame 65 is a plastic material, which allows the membrane surfaces M to be fastened in a watertight and integral manner along the frame webs by plastic welding to the frame or by laminating the membrane material onto the frame webs to attach to the frame.
  • an adhesive could also be provided, for example by means of a hot glue.
  • 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 or the inlet 4 of Figure 1 in connection and the opening 71 is connected to 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 frame 65 which are connected to the common line via distributors.
  • the frame has at least one web 67 in its interior.
  • the frame preferably has a plurality of webs 67; in the example shown, eight webs 67 are provided.
  • the web connects, or connects these webs, inner side walls of the frame, in the example shown the inner side walls 62 "and 64", since the webs 67 connect the frame webs 62 and 64 in this example.
  • the webs 67 each have a substantially 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 whose first sections 68 can be attached. This is usually done in the same way as the attachment to the frame webs, i.e.
  • the membrane is also attached in a watertight manner to the webs 67, so that the water does not flow between the membrane and the web at these points or in the region 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. At these sections 69, which face the outside the frame webs and in relation to the sections 68 in the direction of the interior of the frame, the membrane material M is not fastened.
  • the recessed sections form passages for the water in comparison with the sections 68 which block the flow, through which the water can flow on its way from the water inlet 70 to the water outlet 71.
  • a path for the water inside 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 past 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 arranged alternately starting from opposite side walls 62 ", 64" of the frame in order to provide a meandering path for the water or a cross-counterflow arrangement for the water and the air flow to form like this in Figure 2 is indicated by the arrows F for the water directions, while the arrow L indicates the direction of the 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 reduced thickness D1 of the webs within the water passages formed by them formations 56 are provided on the webs, which also provide a surface for fastening the membrane material 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 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 the pressure and the flow can withstand the water in the membrane element.
  • a formation 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 extend essentially transverse 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 only slightly obstruct the water flow.
  • the end 58 of the first section 68 can be rounded in at least one of the webs 67, as shown in FIGS Figures 2 and 3rd is shown for all the bridges.
  • the end 58 of the first section 68 is bent away from the first opening 71, as shown in FIGS Figures 2 and 3rd is shown for all webs.
  • a formation can also be provided on the inner side wall adjacent to the opening forming the water inlet, as in Figure 2 and Figure 3 shown.
  • channels 55 can be provided in the webs 67 in the region of their connection to the side walls (not all of which are denoted by 55 in the figure), the cross-section through which the flow can pass is many times smaller than the cross-section for the water provided by the respective water passages .
  • These channels facilitate the drainage of the membrane elements or the membrane when the hydraulic system of the air humidification device is switched off or when the latter is out of operation and therefore allow undesired residual water to be avoided under the hygiene aspect.
  • positioning means 73 arranged on the frame are further preferred, which also facilitates the formation of a membrane in which uniform air passages are formed between the membrane elements.
  • FIG. 4 roughly schematically shown a horizontal section through a vertically arranged container 2, the container wall is only indicated by 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 below in the container are shown, in which the water introduced into the container (via the inlet 4 of Figure 1 ) flows upwards in the container and membrane elements 41 shown at the top of the container, in which the water flows downwards again to the outlet of the container (outlet 4 'in Figure 1 ).
  • the air is guided through the spaces 45 between the membrane elements, which is indicated by the arrow L, and which absorbs the water vapor emerging from the membrane elements 41.
  • Figure 5 shows a schematic horizontal section through a container 2, the container wall is indicated only by broken lines, in which container the membrane not according to the invention 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 is clamped from the aforementioned membrane material.
  • Such an element 41 ′ forms a membrane element with a second such element or with a closed rear wall, in which a space for the water delimited by the membrane element is formed.
  • a support structure (not shown here) for the membrane surface, on which the water-side membrane surface is attached with a part of its surface, in particular welded or laminated on.
  • the support structure is designed so that it enables the water flow 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 laminating or gluing.
  • a membrane element for an air humidification device is preferably formed such 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 can be arranged in a flat manner and fastened with its edge 44 in a tensioning frame 42, for example in a square or rectangular tensioning frame 42, the frame webs being at least partially formed from an injection-molded plastic over their cross section and the membrane material attached to the webs is by using its edge areas are surrounded by the plastic.
  • Figure 7, which is a section through the frame and the membrane material along the 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, as viewed in cross-section, the membrane being fastened in the webs by the edge regions 44 being cast into the frame webs directly 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 mounting in the web, in particular by welding or gluing to the web.
  • the membrane surface is reinforced by an outer support structure made of a material different from the membrane material, or that the membrane surface is reinforced by an outer 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 bring about a turbulent air flow over the membrane. A distinction must be made between the already mentioned inner support structure on the water river side.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Membranelement für eine Luftbefeuchtungsvorrichtung und eine aus solchen Membranelementen gebildete Membran.
    • 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 Poly-tetrafluorethylen (PTFE). 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. DE 10 2012 008 197 A1 zeigt einen speziellen Membranaufbau mit Taschen aus Membranmaterial. 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. DE 10 2014 006 465 A1 zeigt eine Befeuchtungsvorrichtung, bei welcher eine gefaltete Membran von zwei verschieden feuchten Luftströmen beaufschlagt wird. In jede zweite Falte der Membran ragt ein plattenförmiges Abstandselement hinein, welche Abstandselemente an einer gemeinsamen Grundplatte befestigt sind. WO 01/67533 A2 offenbart ein Membranelement mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Membranelemente zur Bereitstellung einer Membran für eine Luftbefeuchtungsvorrichtung zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch ein Membranelement nach Anspruch 1 gelöst und wird durch die aus solchen Elementen gebildete Membran gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Bevorzugt 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 mindestens 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 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 einem 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 verlaufenden 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 Wasserdurchlässe 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 bereitgestellte 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 sie 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.
    • 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 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 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 Rechners 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 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 kann sichergestellt werden, dass auch mit wenig warmem 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 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 sein (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 bereitgestellte 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 nicht erfindungsgemässe 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.
  • Bevorzugt 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, und insbesondere mit einem Porendurchmesser im Bereich von 0.1 bis 0.2 Mikrometern. 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 kann flächig angeordnet und mit seinem Rand 44 in einem Spannrahmen 42 befestigt sein, 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 im Steg, insbesondere durch 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 (12)

  1. Membranelement (60) für eine Luftbefeuchtungsvorrichtung, wobei das Membranmaterial des Membranelements ein mikroporöses Material ist, welches bevorzugt hydrophob ist, wobei 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 den Seitenwänden mindestens eine erste Öffnung (70) als Wasserzulauf und mindesten eine zweite Öffnung (71) als Wasserauslass aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass 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.
  2. Membranelement nach Anspruch 1, wobei mehrere Stege (67) vorgesehen sind, deren erste Abschnitte (68) abwechselnd von gegenüberliegenden Seitenwänden (62" und 64") des Rahmens ausgehend angeordnet sind.
  3. Membranelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Steg oder die 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 eine noch geringere Dicke aufweisen.
  4. Membranelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei dem Steg oder mindestens einem der Stege (67) das Ende (58) des ersten Abschnittes (68) abgerundet ausgebildet ist.
  5. Membranelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei bei dem Steg oder mindestens einem der Stege (67) das Ende (58) des ersten Abschnittes (68) von der ersten Öffnung (71) wegweisend abgebogen ausgebildet ist.
  6. Membranelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei an der inneren Seitenwand benachbart zur der den Wassereinlass bildenden Öffnung eine Ausformung vorgesehen ist.
  7. Membranelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Membranelement an zweiten Abschnitten (69) geringerer Dicke (D1) innerhalb der von diesen Abschnitten geringerer Dicke gebildeten Wasserdurchlässen Ausformungen (56) aufweist, welche eine Fläche zur Befestigung des Membranmaterials innerhalb der Wasserdurchlässe bereitstellen, und insbesondere, dass jeweils beidseits eines jeweiligen zweiten Abschnitts eine Ausformung (56) vorgesehen ist.
  8. Membranelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in den Stegen (67) im Bereich ihrer Verbindung mit den Seitenwänden Kanäle (55) vorgesehen sind, deren durchströmbarer Querschnitt um ein Vielfaches kleiner ist, als der von den jeweiligen Wasserdurchlässen bereitgestellte Querschnitt für den Wasserdurchfluss.
  9. Membranelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Membranelement am Rahmen angeordnete Positionierungsmittel (73) aufweist, um mehrere Membranelemente zu einer Membran zu verbinden, bei welcher Membran zwischen den Membranelementen Luftdurchlässe gebildet sind.
  10. Membranelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Membranmaterial (M) ein Material mit einem nominellen Porendurchmesser im Bereich von 0.05 bis 0.5 Mikrometern ist, insbesondere im Bereich von 0.05 bis 0.25 Mikrometern ist, und insbesondere ein Membranmaterial mit einem nominellen Porendurchmesser von 0.1 bis 0.2 Mikrometern ist, wobei das Membranmaterial ein Polymer ist, und wobei das Membranmaterial bevorzugt ein hydrophobes Polymer ist, und wobei das Membranmaterial insbesondere aus Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polypropylen (PP) oder Polyurethan (PU) gebildet ist.
  11. Membranelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei 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 das Membranmaterial verstärkt sind.
  12. Membran, gebildet aus mehreren Membranelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
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