DE10059910C2 - Vorrichtung zur kontinuierlichen Befeuchtung und Entfeuchtung der Zuluft von Fertigungsprozessen oder Raumlufttechnik-Anlagen - Google Patents

Vorrichtung zur kontinuierlichen Befeuchtung und Entfeuchtung der Zuluft von Fertigungsprozessen oder Raumlufttechnik-Anlagen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontiuierlichen Befeuchtung und Ent­ feuchtung der Zuluft von Fertigungsprozessen oder Raumlufttechnik-Anlagen mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Die als Zuluft für Fertigungsprozesse oder Raumlufttechnik-Anlagen verwendete Druckluft wird üblicherweise über eine Festbettadsorption oder Gaspermeation ge­ trocknet. Dagegen wird bei der Erdgasaufbereitung oder Gastrocknung in der chemi­ schen Industrie die Entfeuchtung mittels Absorptionsprozessen durchgeführt. Hier werden Absorptionskolonnen eingesetzt, die vorwiegend mit hygroskopischen Glykol- Lösungen, z. B. Polyethylenglykol oder Triethylenglykol als Absorbermedium betrie­ ben werden. In besonderen Anwendungen kommen Lösungen aus Lithiumchlorid (Kathabar-Verfahren) oder anderen anorganischen Salzgemischen als Absorberme­ dium zum Einsatz. Aufgrund der aseptischen Wirkung der Salzlösung werden diese Medien bevorzugt zur Luftkonditionierung in hygienisch sensiblen Bereichen (z. B. Krankenhaus, Pharmaindustrie, Nahrungsmittelindustrie) eingesetzt. Bei den Anwen­ dungen sind häufig niedrige Taupunkte als Ziel und hohe Volumenströme charakteri­ stisch.
In der Klimatechnik für die Komfortklimatisierung und für die meisten industriellen Fertigungsprozesse wird ein höherer absoluter Feuchtengehalt toleriert. Hier ist die thermische Aufbereitung - Kühlung und Kondensation - die am meisten verbreitete Technik zur Einstellung der gewünschten Luftfeuchte. Die bei der Kühlung und Kon­ densation frei werdende Wärme wird über einen Kälteprozess abgeführt. Die abgekühlte und entfeuchtete Luft muss oft anschließend auf die gewünschte Zulufttempe­ ratur erwärmt werden. Neben dem hohen Energiebedarf für die Kühlung und Heizung, ist die Bildung von freiem Wasser auf der Wärmetauscheroberfläche von Nachteil. Sie kann erhebliche Fouling-Probleme in Klimatisierungssystemen verursa­ chen. Bei einem erhöhten Schließungsgrad des Luftkreislaufes werden diese Probleme noch verstärkt.
Bei industriellen Fertigungsprozessen, die eine hohe Feuchtenbeladung der Luft be­ dingen (z. B. Lackierungsanlagen mit Wasserbasislack), ist die Entfeuchtung mit Absorbern hinsichtlich der Aspekte der Energieeinsparung und mikrobiologischen Verunreinigungen von Vorteil.
Ein wesentlicher Nachteil der Verwendung von Absorberkolonnen ist jedoch der enge Arbeitsbereich, in dem sie sicher und effizient betrieben werden können. Es muss beispielsweise sichergestellt sein, dass eine gleichmäßige Kontaktierung der Luft mit dem Absorbermedium über die gesamte Austauschfläche gewährleistet ist. Außer­ dem müssen Kurzschlussströmungen vermieden werden. Darüber hinaus muss verhindert werden, dass Flüssigkeitströpfchen aus der Kolonne ausgetragen werden und mit der Zuluft in den Fertigungsbereich gelangen.
In herkömmlichen Systemen zur Befeuchtung von Gasströmen werden z. B. Sprüh­ türme eingesetzt. Hierbei wird der Gasstrom zunächst vorgeheizt, anschließend wird der zu befeuchtende Gasstrom durch den Sprühturm geleitet, wobei das Wasser im Gegenstrom verdüst wird. Nachteilig erweist sich hierbei, dass Flüssigkeitströpfchen aus dem Sprühturm ausgetragen werden und mit der Zuluft in den Fertigungsbereich gelangen können. Weiterhin ist ein Betriebswechsel der Anlage zwischen Befeuch­ tung und Entfeuchtung nicht möglich.
Insbesondere ist aus der Druckschrift DE 695 14 564 T2 ein Wasserdampfaustau­ scher zur Regelung des Feuchtigkeitsgehaltes der Luft mittels Absorption und Desorption bekannt. Zum Austausch dient eine Membran, wobei entlang der einen Seite der Membran die Zuluft und entlang der anderen Seite der Membran eine was­ serhaltige hygroskopische Lösung geführt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Befeuchtung und Entfeuchtung der Zuluft von Fertigungsprozessen oder Raumlufttechnik-Anlagen zu schaffen, mit welcher ein Umschalten zwischen Befeuchtung und Entfeuchtung bei niedrigem Energieaufwand und kompakter Bauweise möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteil­ hafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung folgende Komponenten:
  • - einen Membrankontaktor mit einer Membran, wobei entlang der einen Seite der Membran die Zuluft und entlang der anderen Seite der Membran eine hygroskopische Flüssigkeit geführt werden kann;
  • - eine Dosiervorrichtung zur Zugabe von Wasser zur Erhöhung des Wasser­ gehalts der hygroskopischen Flüssigkeit;
  • - einen Regenerator zur Erniedrigung des Wassergehalts der hygroskopischen Flüssigkeit;
  • - eine mit der Dosiervorrichtung und dem Regenerator verbundene Steuervor­ richtung zur Steuerung des Wassergehalts der hygroskopischen Flüssigkeit, so dass abhängig von der Partialdruckdifferenz des Wasserdampfs zwischen Zuluft und hygroskopischer Flüssigkeit zwischen einer Befeuchtung und einer Entfeuchtung der Zuluft geschaltet werden kann.
Mittels des Membrankontaktors, der mit dem Regenerator in Strömungsverbindung steht, kann eine kontinuierliche Befeuchtung und Entfeuchtung der Zuluft erreicht werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ohne Austausch der Kompo­ nenten einerseits möglich, einen kontinuierlichen Betrieb zur Befeuchtung von Zuluft und andererseits einen kontinuierlichen Betrieb zur Entfeuchtung von Zuluft aufrecht­ zuerhalten und zwischen beiden Betriebsmoden umzuschalten.
Je nach Temperatur und Wassergehalt der hygroskopischen Flüssigkeit und der Zu­ luft ergibt sich zwischen der hygroskopischen Flüssigkeit und der Zuluft eine Partial­ druckdifferenz für den Wassergehalt. Über die Steuervorrichtung kann die Tempera­ tur und der Wassergehalt der hygroskopischen Flüssigkeit eingestellt werden. Ist der Partialdruck des Wassers in der hygroskopischen Flüssigkeit höher als der in der Zuluft, kommt es zu einem Austrag von Wasser aus der hygroskopischen Flüssigkeit und damit zu einer Befeuchtung der Zuluft. Ist andererseits der Partialdruck des Wassers in der hygroskopischen Flüssigkeit kleiner als der in der Zuluft, kommt es zu einer Entfeuchtung der Zuluft. Somit kann mittels einer Steuervorrichtung zur Tempe­ ratur- und Feuchtenregelung der hygroskopischen Flüssigkeit zwischen einer Be­ feuchtung und einer Entfeuchtung der Zuluft umgeschaltet werden.
Im Fall der Befeuchtung kann der Regenerator abgeschaltet werden, da hierbei keine Regeneration der hygroskopischen Flüssigkeit erforderlich ist. Damit wird ein geringer Energieverbrauch der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind der Membrankontaktor, die Do­ siervorrichtung zur Zugabe von Wasser und der Regenerator in einen Kreislauf für die hygroskopische Flüssigkeit geschaltet. Vorteilhaft ist ein Wärmetauscher in den Kreislauf geschaltet, durch den die hygroskopische Flüssigkeit geleitet wird. Der Wärmetauscher kann die hygroskopische Flüssigkeit temperieren. Der Wärmetau­ scher kühlt die dem Membrankontaktor zugeführte hygroskopische Flüssigkeit und heizt parallel dazu die dem Regenerator zugeführte hygroskopische Flüssigkeit auf.
Die hygroskopische Flüssigkeit wird vorteilhaft innerhalb eines Kreislaufs mittels einer Pumpe durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gefördert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind zwei Kreisläufe für die hygroskopische Flüssigkeit vorhanden. Der Membrankontaktor sowie die Dosiervor­ richtung zur Zugabe von Wasser sind in den ersten Kreislauf geschaltet. Der Rege­ nerator ist in den zweiten Kreislauf geschaltet. Somit kann im Fall der Befeuchtung der Zuluft der zweite Kreislauf, in den der Regenerator geschaltet ist, abgekoppelt werden, da in diesem Fall eine Regeneration der hygroskopischen Flüssigkeit nicht erforderlich ist.
Im ersten Kreislauf ist mindestens eine Zuleitung vorhanden, mit welcher aus dem ersten Kreislauf ein Teilstrom aus der hygroskopischen Flüssigkeit abgezweigt und dem zweiten Kreislauf zuführt werden kann. Zusätzlich ist im zweiten Kreislauf min­ destens eine weitere Zuleitung vorhanden, mit welcher aus dem zweiten Kreislauf ein Teilstrom aus der hygroskopischen Flüssigkeit abgezweigt und dem ersten Kreislauf zugeführt werden kann. Durch diese Zuleitungen kann somit ein Teil der hygroskopi­ schen Flüssigkeit von einem Kreislauf in den anderen Kreislauf geleitet werden.
Vorteilhaft werden diese Zuleitungen durch einen Wärmetauscher geführt. Dieser Wärmetauscher heizt den von dem ersten in den zweiten Kreislauf geführten Teil­ strom der hygroskopischen Flüssigkeit auf. Parallel hierzu kühlt der Wärmetauscher den von dem zweiten in den ersten Kreislauf geführten Teilstrom der hygroskopi­ schen Flüssigkeit ab.
Stromaufwärts vor dem Membrankontaktor und/oder vor dem Regenerator ist zweckmäßig ein weiterer Wärmetauscher zur Temperierung der hygroskopischen Flüssigkeit geschaltet.
Der Membrankontaktor ist vorteilhaft mit einer mikroporösen (Porenweite 0,1 µm-­ 0,2 µm) hydrophoben Membran, z. B. Polytetraflourethylen, Polypropylen, Polyvinyl­ diflourid oder Polysulfon bestückt. Die Poren der Membran werden von der hygro­ skopischen Flüssigkeit nicht benetzt und bleiben weitestgehend luftgefüllt. Aufgrund der wesentlich schnelleren Diffusion in luftgefüllten Poren ergibt sich ein geringerer Transportwiderstand für hydrophobe Membranmaterialien als für hydrophile.
Die Membran innerhalb des Membrankontaktors definiert eine kontrollierte Aus­ tauschfläche zwischen der hygroskopischen Flüssigkeit und der zu konditionierenden Zuluft. Dadurch wird eine Phasendispersion der hygroskopischen Flüssigkeit und der Zuluft verhindert, was eine Phasentrennung ohne Schwerkrafteffekt ermöglicht.
Die Membran innerhalb des Membrankontaktors ist vorteilhaft als Hohlfaser ausge­ bildet und wird von der hygroskopischen Flüssigkeit durchströmt. Dadurch wird eine hohe spezifische volumenbezogene Austauschfläche, insbesondere von 100 m2/m3 bis 500 m2/m3 erzielt. Ferner kann durch die Ausbildung der Membran als Hohlfaser eine kompakte Bauart realisiert werden.
Die hygroskopische Flüssigkeit ist vorteilhaft eine hochkonzentrierte wässrige Lösung mehrwertiger Alkohole, z. B. Ethylenglykol oder Glyzerin, oder eine hochkonzentrierte wässrige Salzlösung aus biozid wirkenden hygroskopischen Salzen, z. B. Lithiumchlo­ rid oder Kathene. Dadurch wird verhindert, dass während der Befeuchtung oder Ent­ feuchtung pathogene Keime in die Zuluft des Fertigungsprozesses oder der Raum­ lufttechnik-Anlage gelangen.
In einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Lüftungska­ nälen für die Zuluft von Fertigungsprozessen oder Raumlufttechnik-Anlagen, insbe­ sondere Lackieranlagen, kann der Membrankontaktor eine Vielzahl von Hohlfasern umfassen. Die Hohlfasern sind innerhalb des Lüftungskanals derart angeordnet, dass die Strömung im Lüftungskanal unter einem Winkel kleiner 90°, insbesondere zwi­ schen 30° und 60°, auf die Hohlfasern trifft.
Durch diese günstige strömungstechnische Anordnung der Hohlfasermodule inner­ halb des Lüftungskanals durchströmt die Zuluft eine große Fläche der Hohlfasern. Dadurch wird der Druckverlust der Strömung im Lüftungskanal wesentlich reduziert.
In einer vorteilhaften Ausführung überdecken die Hohlfasern im wesentlichen den gesamten Querschnitt des Lüftungskanals.
Zweckmäßig können die Hohlfasern in Hohlfasermodule zusammengefasst werden, wodurch sich eine einfache Handhabbarkeit ergibt.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind:
  • - der nachträgliche Einbau in bereits vorhandene Lüftungskanäle ist möglich,
  • - die hohe Flexibilität im betrieblichen Produktionsablauf von Fertigungsprozessen oder Raumlufttechnik-Anlagen unter Vermeidung des Flutens oder Austrags von Absorberlösung mit dem Luftstrom,
  • - die keimfreie Befeuchtung und Entfeuchtung der Zuluft,
  • - der Wegfall der Demister, die bei der konventionellen Befeuchtung mit Sprühre­ gistern (z. B. Sprühturm) die in der Zuluft vorhandenen Tröpfchen ausfiltern,
  • - die Reinigung des Wäschers entfällt,
  • - die Feuchten- und Temperaturregelung in einem System wird möglich,
  • - die bei einer Kondensationsentfeuchtung erforderliche Nachheizung der Zuluft entfällt,
  • - eine kompakte Bauart,
  • - die Verhinderung von Fouling-Problemen,
  • - geringer Energieaufwand.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft in Lüftungskanälen von z. B. La­ ckieranlagen, Krankenhäusern, Produktionsräumen der Pharma- oder Lebensmittel­ industrie eingesetzt werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindungen werden im folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Be­ feuchtung und Entfeuchtung mit einem Kreislauf für die hygroskopische Flüs­ sigkeit,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Befeuchtung und Entfeuchtung mit zwei Kreisläufen für die hygroskopische Flüssigkeit,
Fig. 3 die Strömungsverhältnisse in einem als Hohlfasermodul ausgebildeten Membrankontaktor in Kreuzstromführung,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die in einen Lüftungskanal integriert ist,
Fig. 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Energieeinsparung der Membranab­ sorption im Vergleich zur Kondensation für eine beispielhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Lackierprozess.
Fig. 1 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Befeuchtung und Entfeuchtung von Zuluft, wobei der Membrankontaktor 1 und der Regenerator 7 in einen gemeinsamen Kreislauf geschaltet sind. Der Regenerator 7 kann z. B. ein Membrankontaktor, eine Füllkörperkolonne, ein Verdampfer oder als Desorber ausgebildet sein.
Im Membrankontaktor 1 wird die zu konditionierende Zuluft mit der hygroskopischen Flüssigkeit kontaktiert. Dabei wird die Zuluft, z. B. Frischluft oder Umluft, mittels eines Gebläses durch den Membrankontaktor 1 über eine Membranseite geführt. Die Zuluft und die hygroskopische Flüssigkeit sind dabei durch die Membran getrennt. Ein Ge­ bläse 14 transportiert die konditionierte Zuluft schließlich aus dem Membrankontaktor 1.
Stromabwärts nach dem Membrankontaktor 1 ist ein Puffertank 3 zur Bevorratung und Speicherung der hygroskopischen Flüssigkeit geschaltet. Eine Pumpe 4 trans­ portiert die hygroskopische Flüssigkeit aus dem Puffertank 3 durch einen internen Wärmetauscher 5 und eine Heizung 6 zu dem Regenerator 7. Der interne Wärme­ tauscher 5 und die Heizung 6 heizen die hygroskopische Flüssigkeit auf die im Rege­ nerator 7 zur Regenerierung erforderliche Temperatur auf. Als Heizmedium kann hierbei z. B. die Abwärme von Heizkraftwerken verwendet werden. Die hygroskopi­ sche Flüssigkeit wird üblicherweise auf eine Temperatur von ca. 50°C-70°C aufge­ heizt.
Die erwärmte hygroskopische Flüssigkeit wird im Regenerator 7 in einer Kolonne, z. B. Füllkörperkolonne, verdüst und mit der im Gegenstrom durch den Regenerator 7 geleiteten Regenerierluft in Kontakt gebracht. Die Regenerierluft nimmt das Wasser aus der verdüsten hygroskopischen Flüssigkeit auf und wird mittels eines Gebläses 15 aus den Regenerator 7 als Abluft transportiert.
Alternativ kann die Regeneration der hygroskopischen Flüssigkeit in einem Ver­ dampfer erfolgen, in dem der Wasserdampf aus der hygroskopischen Flüssigkeit ausgetrieben wird. Dies stellt eine brauchbare Alternative dar, wenn aufgrund der betriebsspezifischen Randbedingungen preiswerter Heißdampf zur Verfügung steht.
Das durch die Regeneration konzentrierte hygroskopische Flüssigkeit gelangt im Re­ generatorablauf 8 in einen weiteren Puffertank 9. Eine Pumpe 10 transportiert die hy­ groskopische Flüssigkeit im Absorbervorlauf 11 von dem Puffertank 9 durch den in­ ternen Wärmetauscher 5 und einen weiteren Wärmetauscher 12 in den Membran­ kontaktor 1, wodurch der Kreislauf geschlossen wird.
Im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Befeuchtung der Zuluft wird der hygroskopischen Flüssigkeit Wasser zugegeben. Hierzu ist eine Dosiervorrichtung 22 vorhanden, welche Wasser in den Puffertank 9 zudosiert. Das Wasser kann aus­ schließlich in den Puffertank 9 oder alternativ in beide Puffertanks 3, 9 zudosiert wer­ den. Weiterhin ist es aber auch möglich, dass das Wasser anstatt in einen Puffertank direkt in den Kreislauf geleitet wird.
Je nach Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient der Wärmetau­ scher 12 und der interne Wärmetauscher 5 als Kühlung oder Heizung. Im Fall der Befeuchtung der Zuluft wird die hygroskopische Flüssigkeit in dem internen Wärme­ tauscher 5 vorgeheizt und im Wärmetauscher 12 auf die entsprechende Eingang­ stemperatur im Membrankontaktor 1 aufgeheizt. Im Fall der Entfeuchtung kühlt der interne Wärmetauscher 5 die hygroskopische Flüssigkeit vor und der dem Membran­ kontaktor 1 stromaufwärts vorgeschaltete Wärmetauscher 12 kühlt die hygroskopi­ sche Flüssigkeit auf die entsprechende Eingangstemperatur im Membrankontaktor 1 ab. Dabei ist unter einer entsprechenden Eingangstemperatur im Membrankontaktor 1 diejenige Temperatur zu verstehen, bei der sich in der Zuluft und der hygroskopi­ schen Flüssigkeit eine Partialdruckdifferenz für den Wassergehalt derart einstellt, dass je nach Anwendungsfall eine Befeuchtung oder Entfeuchtung der Zuluft möglich ist.
Der Wärmetauscher 12 kann z. B. mit Kühlturmwasser, Oberflächen- oder Brunnen­ wasser energetisch optimiert betrieben werden.
Diese Verfahrensvariante zur Online-Regeneration ist besonders vorteilhaft bei einer hohen Feuchtenbeladung der dem Membrankontaktor 1 zugeführten Frischluft oder Umluft.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführung eines Verfahrenaufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Befeuchtung und Entfeuchtung von Zuluft, wobei der Membrankon­ taktor 1 und der Regenerator 7 in zwei getrennte Kreisläufe, einen Absorberkreislauf 16 und einen Regeneratorkreislauf 17 geschaltet wird. Die beiden getrennten Kreis­ läufe sind durch einen internen Wärmetauscher 5 miteinander verbunden. Mit Hilfe der Mess-Steuer-Regeltechnik ist es möglich, die Temperatur, den Volumenstrom sowie die Konzentration des Wassergehalts in de hygroskopischen Flüssigkeit im Absorberkreislauf 16 und im Regeneratorkreislauf 17 getrennt voneinander einzu­ stellen.
Die zu konditionierende Luft, z. B. Frischluft oder Umluft, wird wie in dem ersten Aus­ führungsbeispiel beschrieben durch den Membrankontaktor 1 geleitet.
Die hygroskopische Flüssigkeit wird in dem Absorberkreislauf 16 mittels einer Pumpe 4 durch den Membrankontaktor 1 gepumpt. Stromabwärts nach dem Membrankon­ taktor 1 ist ein Puffertank 3 sowie ein Wärmetauscher 12 geschaltet.
Im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Entfeuchtung muss die hygrosko­ pische Flüssigkeit regeneriert werden. Hierzu ist im Absorberkreislauf 16 eine Zulei­ tung 18 vorhanden, welche einen Teilstrom der hygroskopischen Flüssigkeit aus dem Absorberkreislauf 16 durch einen internen Wärmetauscher 5 in den Puffertank 9 des Regeneratorkreislaufs 17 leitet. Gleichzeitig ist eine weitere Zuleitung 19 vorhanden, welche einen Teilstrom der regenerierten hygroskopischen Flüssigkeit aus dem Re­ generatorkreislauf 17 durch den internen Wärmetauscher 5 in den Puffertank 3 des Absorberkreislaufs 16 leitet.
Der interne Wärmetauscher 5 dient zum einen der Vorheizung der dem Regenerator­ kreislauf 17 zugeführten hygroskopische Flüssigkeit. Zum anderen kühlt der Wärmetauscher 5 die hygroskopische Flüssigkeit, die aus dem Regeneratorkreislauf 17 in dem Absorberkreislauf 16 geleitet wird.
Im Regeneratorkreislauf 17 transportiert eine Pumpe 10 die hygroskopische Flüssig­ keit aus dem Puffertank 9 durch eine Heizung 6 in den Regenerator 7. Im Regene­ rator 7 wird die hygroskopische Flüssigkeit, wie in Fig. 1 beschrieben, verdüst. Die konzentrierte hygroskopische Flüssigkeit strömt anschließend in den Puffertank 9, wodurch der Regeneratorkreislauf 17 geschlossen wird. Die flüssigkeitsbeladene Re­ generierluft wird mittels eines Gebläses 15 als Abluft aus dem Regenerator 7 abge­ führt.
Im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Befeuchtung der Zuluft, wird der hygroskopischen Flüssigkeit im Puffertank 3 über eine Dosiervorrichtung 22 Wasser zugegeben. Die mit Wasser verdünnte hygroskopische Flüssigkeit wird in dem Wär­ metauscher 12 auf eine entsprechende Eingangstemperatur des Membrankontaktor 1 aufgeheizt und in den Membrankontaktor 1 transportiert. Im Membrankontaktor 1 wird das Wasser aus der hygroskopischen Flüssigkeit nahezu vollständig an die Zu­ luft abgegeben. Da während des Befeuchtungsbetriebes eine Regeneration der hy­ groskopischen Flüssigkeit nicht erforderlich ist, kann der Regenerator 7 abgeschaltet werden.
Fig. 3 zeigt beispielhaft die Strömungsverhältnisse in einem als Hohlfasermodul 21 ausgebildeten Membrankontaktor in Kreuzstromführung. Das Hohlfasermodul 21 zeichnet sich dadurch aus, dass die mikroporöse hydrophobe Membran als Hohlfaser ausgebildet ist. In einem Hohlfasermodul 21 sind somit eine Vielzahl von einzelnen Hohlfasern zusammengefasst, wobei die Hohlfasern lumenseitig (im Innern der Hohlfaser) von der hygroskopischen Flüssigkeit durchströmt werden. An der Mem­ branaußenseite wird die zu konditionierende Luft vorbeigeführt. In der dargestellten Kreuzstromführung trifft die zu konditionierende Luft senkrecht auf die Hohlfasern auf.
In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Lüftungskanal dargestellt. Hierbei füllt der Membrankontaktor 1 flächenhaft den gesamten Querschnitt des Lüftungskanals 20 aus. Der Membrankontaktor 1 umfasst eine Vielzahl von einzelnen Hohlfasermodulen 21, die eine Vielzahl von Hohlfasern umfassen. Diese Hohlfasermodule 21 sind ihrerseits miteinander verbun­ den, so dass die hygroskopische Flüssigkeit in den Hohlfasern auf den ganzen Quer­ schnitt des Lüftungskanals 20 verteilt wird.
Zur Reduzierung des Strömungswiderstandes im Lüftungskanal 20, werden die Hohlfasermodule 21 im Lüftungskanal 20 strömungstechnisch günstig angeordnet. Die Strömung im Lüftungskanal 20 trifft hierbei unter einem Winkel α kleiner 90°, ins­ besondere zwischen 30° und 60° auf die Hohlfasermodule 21 auf. Mit dieser Anord­ nung wird im Gegensatz zu einer senkrecht angeströmten Fläche der Hohlfasermo­ dule 21 eine größere durchströmte Fläche gewährleistet. Dadurch kann zum einen ein besserer Austausch zwischen der Zuluft und der hygroskopischen Flüssigkeit stattfinden. Zum anderen wird durch diese Anordnung der Druckverlust der Strömung bei Durchströmen der Hohlfasermodule 21 reduziert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders geeignet für die Anwendung bei der Konditionierung der Zuluft in einem Lackierprozess im Fahrzeugbau. Hierbei ist es erforderlich, ein vorgegebenes Lackierbetriebsfenster in bezug auf Temperatur und relativer Luftfeuchte einzuhalten. Dies hat zur Folge, dass im Winterbetrieb die dem Prozess zugeführte Außenluft aufgeheizt und befeuchtet, bei sommerlichen Bedin­ gungen jedoch gekühlt und entfeuchtet werden muss. Dieser Vorgang kann mittels der oben dargestellten Entfeuchtung durch Membranabsorption in Kombination mit einer Lufttemperierung erfolgen.
In Fig. 5 ist der Prozess der Entfeuchtung mittels Kondensation und der Prozess der Entfeuchtung mittels Membranabsorption, für einen bestimmten Außenluftzustand A und einen vorgegebenen Zielwert Z der Zuluft im Mollier-hx-Diagramm dargestellt. Außenluftzustand A und Zielwert Z sind im Mollier-hx-Diagramm für eine bestimmte Temperatur bei entsprechender Feuchte angegeben. Im Mollier-hx-Diagramm gibt h die Enthalpie in kJ pro kg trockene Luft und x den Wassergehalt in g pro kg trockene Luft an. ϕ gibt die relative Feuchte der Luft in Prozent an.
Anhand von zwei Beispielen wird die Energieersparnis, die sich aus der Entfeuchtung mittels Membranabsorption gegenüber der Entfeuchtung mittels Kondensation ergibt, erläutert.
Beispiel 1
Außenluftwert A1
bei T = 27°C:
xAußen
= 20.6 g H2
O/kg tr. Luft (ϕ = 90%)
hAußen
= 79.5 kJ/kg
Zielwert Z1
Zuluft bei T = 27°C:
xZiel
= 14.7 g H2
O/kg tr. Luft (ϕ = 65%)
hZiel
= 63.6 kJ/kg
geforderte Luftmenge L: 150000 kg/h
Bei der Membranabsorption muss zur Entfeuchtung der Außenluft die Enthalpiediffe­ renz zwischen der Enthalpie hAußen des Außenluftwertes A1 und der Enthalpie des Zielwertes Z1 der Zuluft hZiel aufgewendet werden. Diese Enthalpiedifferenz ΔhAbs be­ trägt mit den angegebenen Werten 15,9 kJ/kg. Mit der geforderten Luftmenge L er­ gibt sich eine Energie von 662,5 kW, die erforderlich ist, um die Außenluft auf den vorgegebenen Zielwert Z1 der Zuluft zu entfeuchten.
Bei der Entfeuchtung durch Kondensation muss die Außenluft zunächst auf die Tem­ peratur Ttau der Taupunktsunterschreitung abgekühlt werden. Dies entspricht einer Temperatur von 20°C bei der Enthalpie htau = 57.9 kJ/kg. Die Enthalpiedifferenz ΔhKond zwischen der Enthalpie der Außenluft und der Enthalpie bei Taupunktsunterschrei­ tung beträgt somit 21,6 kJ/kg. Mit der geforderten Luftmenge L ergibt sich somit eine Energie von 900,0 kW, die erforderlich ist, um die Außenluft auf den vorgegebenen Zielwert Z1 der Zuluft mittels Kondensation zu entfeuchten.
Das bedeutet eine Energieeinsparung von ca. 26%. Diese Energieeinsparung wird umso größer je niedriger die Zielfeuchte ist.
Beispiel 2
Außenluftwert A1
bei T = 27°C:
xAußen
= 20.6 g H2
O/kg tr. Luft (ϕ = 90%)
hAußen
= 79.5 kJ/kg
Zielwert Z2
Zuluft bei T = 27°C:
xZiel
= 4.47 g H2
O/kg tr. Luft (ϕ = 20%)
hZiel
= 38.4 kJ/kg
geforderte Luftmenge L: 150000 kg/h
Bei der Entfeuchtung mittels Kondensation muss die Außenluft zunächst auf Ttau = 2°C abgekühlt werden, was einer Enthalpie hTau von 13,3 kJ/kg entspricht. Hieraus ergibt sich bei der geforderten Luftmenge L und der Enthalpiedifferenz ΔhAbs von 66,2 kJ/kg zwischen hAußen und hTau eine erforderliche Kühlenergie von 2758,3 kW.
Bei der Entfeuchtung mittels Membranabsorption reduziert sich diese Kühlenergie auf 1712,5 kW, wodurch sich gegenüber der Entfeuchtung mittels Kondensation eine E­ nergieeinsparung von ca. 38% ergibt.
Bezugszeichenliste
1
Membrankontaktor
3
,
9
Puffertank
4
,
10
Pumpe
14
,
15
Gebläse
5
interner Wärmetauscher
6
Heizung
7
Regenerator
8
Regeneratorablauf
11
Absorbervorlauf
12
Wärmetauscher
16
Absorberkreislauf
17
Regeneratorkreislauf
18
Zuleitung von Absorberkreislauf in Regeneratorkreislauf
19
Zuleitung von Regeneratorkreislauf in Absorberkreislauf
20
Lüftungskanal
21
Hohlfasermodul
22
Dosiervorrichtung für Wasser
A Außenluftzustand
Z Zielwert
L Luftmenge
α Winkel

Claims (11)

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Befeuchtung und Entfeuchtung der Zuluft von Fertigungsprozessen oder Raumlufttechnik-Anlagen, bestehend aus
einem Membrankontaktor (1) mit einer Membran, wobei entlang der einen Seite der Membran die Zuluft und entlang der anderen Seite der Membran eine hygroskopische Flüssigkeit geführt werden kann;
einem Regenerator (7) zur Erniedrigung des Wassergehalts der hygroskopi­ schen Flüssigkeit;
gekennzeichnet durch
eine Dosiervorrichtung (22) zur Zugabe von Wasser zur Erhöhung des Was­ sergehalts der hygroskopischen Flüssigkeit;
eine mit der Dosiervorrichtung (22) und dem Regenerator (7) verbundene Steuervorrichtung zur Steuerung des Wassergehalts der hygroskopischen Flüssigkeit, so dass abhängig von der Partialdruckdifferenz des Wasser­ dampfs zwischen Zuluft und hygroskopischer Flüssigkeit zwischen einer Befeuchtung und einer Entfeuchtung der Zuluft geschaltet werden kann.
einen Kreislauf für die hygroskopische Flüssigkeit, in den der Membrankon­ taktor (1), die Dosiervorrichtung (22) zur Zugabe von Wasser und der Rege­ nerator (7) geschaltet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kreislauf ein Wärmetauscher (5) geschaltet ist, welcher die vom Regenerator (7) zum Membrankontaktor (1) geführte hygroskopische Flüssigkeit kühlt und gleichzei­ tig die vom Membrankontaktor (1) zum Regenerator (7) geführte hygroskopi­ sche Flüssigkeit aufheizt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kreisläufe für die hygroskopische Flüssigkeit vorhanden sind, wobei im ersten Kreislauf (Absoberkreislauf 16) der Membrankontaktor (1) und die Dosiervorrichtung (22) zur Zugabe von Wasser geschaltet sind, und im zweiten Kreislauf (Regenera­ torkreislauf 17) der Regenerator (7) geschaltet ist, wobei mindestens eine Zu­ leitung (18) vorhanden ist, mit welcher ein Teilstrom aus der hygroskopischen Flüssigkeit im ersten Kreislauf abgezweigt und in den zweiten Kreislauf einge­ speist werden kann, und mindestens eine weitere Zuleitung (19) vorhanden ist, mit welcher ein Teilstrom aus der hygroskopischen Flüssigkeit im zweiten Kreislauf abgezweigt und in den ersten Kreislauf zurückgeführt werden kann.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetau­ scher (5) vorhanden ist, durch welchen die Zuleitungen (18, 19) geführt werden.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass die Membran innerhalb des Membrankontaktors (1) eine mikroporöse, hydrophobe Membran ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass die Membran als Hohlfaser ausgebildet ist, welche von der hygrosko­ pischen Flüssigkeit durchströmt wird.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass der Regenerator (7) ein Membrankontaktor, eine Füllkörperkolonne oder ein Verdampfer ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass die hygroskopische Flüssigkeit eine hochkonzentrierte wässrige Lö­ sung mehrwertiger Alkohole, z. B. Ethylenglykol oder Glyzerin, oder eine hoch­ konzentrierte wässrige Salzlösung aus biozid wirkenden hygroskopischen Sal­ zen, z. B. Lithiumchlorid oder Kathene, ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass stromaufwärts vor dem Membranabsorber (1) und/oder vor dem Regenerator (7) ein Wärmetauscher (6, 12) zur Temperierung der hygroskopischen Flüssigkeit vorhanden ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass der Membrankontaktor (1) eine Vielzahl von Hohlfaser umfasst, die innerhalb eines Lüftungskanals (20) für die Zuluft angeordnet sind, wobei die Strömung im Lüftungskanal (20) unter einem Winkel kleiner 90°, insbesondere zwischen 30° und 60°, auf die Hohlfasern trifft.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Membran­ kontaktor (1) im wesentlichen den gesamten Querschnitt des Lüftungskanals (20) überdeckt.
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