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Der vorliegende Artikel beleuchtet die Merkmale der verschiedenen Dampfverteilungssysteme zur Befeuchtung der Luft in RLT-Anlagen und gibt Hinweise zu Planung und Installation. Zudem werden mögliche Auswirkungen einer unzureichenden Bemessung der Befeuchtungsstrecke auf die Betriebs- und Hygienesicherheit der RLT-Anlage aufgezeigt.
Kompakt zusammengefasst
■ Bei der Befeuchtung von Luft in RLT-Anlagen mit Dampf muss eine effiziente und homogene Verteilung sichergestellt werden.
■ Neben der korrekten Dimensionierung des Dampfbefeuchters müssen dafür die Berechnung der erforderlichen Befeuchtungsstrecke, die Auswahl eines optimal geeigneten Dampfverteilungssystems und der Einbauort frühzeitig in die Planung einfließen.
■ Die berechnete Befeuchtungsstrecke BN bildet zwar die Basis für den einzuhaltenden Mindestabstand zu nachfolgenden Anlagenkomponenten, darf aber nicht mit diesem Wert verwechselt werden.
■ Für eine schnelle Bewertung der Homogenität der Dampfverteilung bei Dampfverteilsystemen ist der Homogenitätsindex HINX sehr gut geeignet.
Dampfluftbefeuchter, seien sie elektrisch betrieben oder gasbefeuert, sind im HLK-Bereich seit langer Zeit als besonders hygienische Methode zur Befeuchtung der Luft etabliert. Das gilt auch für zur Luftbefeuchtung genutzten Dampf aus bestehenden Druckdampfsystemen. Durch das zur Verdampfung des Wassers benötigte hohe Temperaturniveau, liefern die Systeme selbst bei kritischer Qualität des Zulaufwassers stets keimfreien, sterilen Dampf.
Mit der Produktion hygienisch einwandfreien Dampfes alleine ist es jedoch noch nicht getan, auch dessen effiziente und homogene Verteilung im RLT-Gerät oder im Lüftungskanal muss sichergestellt werden. Eine falsche Platzierung des Dampfverteilers oder eine nicht korrekt bemessene Befeuchtungsstecke können im Betrieb der Anlage zu Problemen führen, die über ein Nicht-Erreichen der erforderlichen bzw. vertraglich vereinbarten Raumluftqualität, über erhöhte Betriebskosten durch zusätzlichen Wartungsaufwand, bis hin zu einer vollständigen Außerbetriebsetzung der Anlage aus hygienischen Gründen mit allen sich daraus ergebenden, negativen Konsequenzen reichen.
Neben der korrekten Dimensionierung des Dampfbefeuchters an sich, sollte deshalb der Berechnung der erforderlichen Befeuchtungsstrecke und der sich daraus ergebenden Auswahl eines optimal geeigneten Dampfverteilungssystems bereits früh in der Planungsphase entsprechende Aufmerksamkeit geschenkt werden. Sonst kann die seit Jahren andauernde Tendenz zu stetig geringer werdendem Platz, welcher der Raumlufttechnik in modernen Gebäuden eingeräumt wird, schnell den Handlungsspielraum stark einschränken.
Dampfverteilungssysteme
Die verfügbaren Dampfverteilungssysteme können grundsätzlich unterschieden werden in Einfach-und Mehrfach-Dampfverteiler. Die Systeme unterscheiden sich in erster Linie nach der Art der Installation und dem Grad der erreichbaren Homogenität der Dampfverteilung.
Die Homogenität der Dampfverteilung bestimmt die Geschwindigkeit, in der eine vollständige Durchmischung des Luft- mit dem injizierten Dampfmassenstrom erfolgt. Hieraus ergibt sich wiederrum die Länge der notwendigen Befeuchtungsstrecke. Richtig geplant und eingesetzt, gewährleisten beide Systeme eine sichere und hygienische Verteilung des Dampfes in der RLT-Anlage.
Einfach-Dampfverteiler
Einfach-Dampfverteiler bestehen aus einem, in Edelstahl ausgeführten Dampfrohr mit großem Durchmesser (Bild 2). Das Injizieren des Dampfes in den Luftmassenstrom erfolgt direkt über Öffnungen im Dampfrohr. Weitere, vertikale Verteilungsrohre sind auf dem Dampfrohr nicht aufgebracht. Die spezielle Konstruktion des Dampfanschlussstutzens am Übergang zum Dampfverteilrohr ermöglicht die Abführung des anfallenden Kondensats.
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Neben einer einzelnen Verbindung zum Dampfluftbefeuchter können mehrere Einfach-Dampfverteiler in Gruppen zusammengefasst und über einen einzelnen Dampfluftbefeuchter betrieben werden. Bei großen Dampfleistungen ist es ebenso möglich, einen Einfach-Dampfverteiler über mehrere Dampfluftbefeuchter zu speisen.
Einfach-Dampfverteiler sind relativ günstig in der Beschaffung sowie unkompliziert und flexibel zu installieren. Bauartbedingt ist mit ihnen jedoch keine schnelle Durchmischung der Anlagenluft erzielbar, d. h. sie weisen im Vergleich zu Mehrfach-Dampfverteilsystemen einen geringeren Homogenitätsindex auf.
Darum wird zum Erreichen einer homogenen Dampfverteilung im Kanal und zur vollständigen Absorption des Wasserdampfs durch den Luftstrom eine entsprechend lange Befeuchtungsstrecke BN benötigt. Der dafür erforderliche Platz ist in heutigen Anlagen jedoch oft nicht vorhanden. Auch die maximale Dampfkapazität ist bei Einfach-Dampfverteilern systembedingt begrenzt. Der Einbau des Systems erfolgt stets quer zum Luftstrom. Bild 3 stellt beispielhaft verschiedene Installationsmöglichkeiten für Einfach-Dampfverteiler dar.
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Mehrfach-Dampfverteiler für drucklose Dampfsysteme
Mehrfach-Dampfverteilungssysteme für „drucklosen“ Dampf aus elektrisch betriebene oder gasbefeuerte Dampfbefeuchter bestehen im Wesentlichen aus zwei horizontalen Kollektorrohren, die durch mehrere vertikale Dampfverteilrohre verbunden sind. Diese vertikalen Verteilrohre sind mit Dampfdüsen zur Einbringung des Dampfes in die Anlagenluft versehen. Anfallendes Kondensat wird im Kollektor vom eintretenden Dampf getrennt, welcher dann über die Dampfdüsen der Verteilrohre gleichmäßig und tropfenfrei in den Luftstrom eingebracht wird (Bild 4).
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Bild 4 Mehrfach-Dampfverteilsystem für drucklose Dampfsysteme (Condair Optisorp).
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Mehrfach-Dampfverteiler für Druckdampfsysteme
Daneben gibt es Dampfverteilsysteme für die Einbringung von Druckdampf aus bestehenden Dampfnetzen. Diese unterscheiden sich systembedingt in der Konstruktion von den drucklosen Systemen und verfügen über nur einen Dampfkollektor, jedoch ebenso über vertikale Düsenstöcke, welche anwendungsspezifisch mit einer Vielzahl von Dampfdüsen versehen werden (Bild 5). Auf diese Systeme wird an dieser Stelle nicht im Speziellen eingegangen. Sämtliche dargestellten Sachverhalte hinsichtlich der Dampfverteilung, Befeuchtungsstrecke BN und Homogenitätsindex HINX gelten für diese Systeme ebenso wie für die drucklosen Dampfverteilsysteme.
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Bei sehr kurzen Befeuchtungsstrecken sind Mehrfach-Dampfverteilsysteme das Mittel der Wahl. Wegen der schnelleren Durchmischung der Anlagenluft durch die homogene Dampfverteilung über den gesamten Kanalquerschnitt hinweg wird eine erhebliche Verkürzung der Befeuchtungsstrecke erreicht. Bei optimaler Planung und Auslegung kann die Befeuchtungsstrecke auf bis zu ein Viertel gegenüber der für ein Einfach-Dampfverteilsystem notwendigen Distanz verkürzt werden.
Auch die Installation eines Mehrfach-Dampfverteilsystems erfolgt immer quer zur Richtung des Luftstroms. Bei vertikalem Luftstrom werden die Düsenstöcke mit einer Neigung von 20 bis 30° eingebaut (Bild 6), damit das Kondensat einwandfrei abfließen kann.
Die maximale Befeuchtungsleistung wird durch Kollektorlänge, Kollektorabstand und durch die mögliche Anzahl der Dampfanschlüsse definiert. Abhängig von der verfügbaren Breite und Höhe des Lüftungskanals werden die jeweils größtmögliche Kollektorlänge sowie der maximal mögliche Kollektorabstand gewählt:
Die Befeuchtungsstrecke BN
Der Einbauort der Dampfverteiler sollte bereits frühzeitig bei der Auslegung der Klimaanlage bestimmt werden. Nachträgliche Anpassungen sind oft nicht ohne Weiteres möglich, und eine falsche Platzierung des Dampfverteilers im RLT-Gerät oder im Kanal beeinträchtigt eine hygienisch einwandfreie und effiziente Befeuchtung der Anlagenluft. Die Bestimmung der Befeuchtungsstrecke sollte daher mit größter Sorgfalt erfolgen.
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Damit der aus dem Dampfverteiler austretende Wasserdampf von der durchströmenden Anlagenluft soweit absorbiert wird, dass er nicht mehr als Nebel sichtbar ist, wird eine bestimmte Strömungsdistanz benötigt. Diese erforderliche Distanz wird als Befeuchtungsstrecke BN bezeichnet und bezieht sich auf ein hindernisfreies, gerades Kanalstück unmittelbar hinter dem Dampfverteilungssystem. Mit ihrer Hilfe wird die benötigte Strecke für eine vollständige Expansion des Wasserdampfs und dessen Vermischung mit der Anlagenluft bestimmt. Die berechnete Befeuchtungsstrecke BN bildet zwar die Basis für den einzuhaltenden Mindestabstand zu nachfolgenden Anlagenkomponenten, darf aber nicht mit diesem Wert verwechselt werden.
Die generelle Vorgehensweise zur Bestimmung der Befeuchtungsstrecke BN ist zunächst einmal unabhängig davon, ob es sich um ein einfach- oder mehrfach-Dampfverteilsystem handelt. Die Länge der Befeuchtungsstrecke BN ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Zur ihrer Bestimmung können herstellerspezifische Tabellen und Nomogramme verwendet werden, in aller Regel erfolgt die Berechnung heute jedoch per Software.
Der einzuhaltende Mindestabstand zu nachgeschalteten Anlagekomponenten, z. B. Filter, Kanalreduzierungen, Erweiterungen, Bögen und Abzweigungen ergibt sich aus einem Vielfachen der Befeuchtungsstrecke. Angaben hierzu finden sich in den technischen Dokumentationen der Dampfverteilsysteme. Moderne Auslegungssoftware berechnet neben der Befeuchtungsstrecke BN automatisch auch die notwendigen Mindestabstände zu nachfolgenden Anagenkomponenten.
Die Einhaltung der Mindestabstände zu nachgeschalteten Anlagenkomponenten ist einerseits wichtig für eine vollständige Expansion des Wasserdampfs und dessen Vermischung mit der Anlagenluft, dient also der Gewährleistung eines hygienischen und effizienten Anlagenbetriebs. Andererseits wird durch eine ausreichend große Distanz zwischen Dampf-Verteiler und nachfolgendem Bauteil dessen Funktionalität sichergestellt.
Beispielsweise kann ein als Sicherheitshygrostat eingesetzter Feuchtesensor seine Funktion nur dann einwandfrei erfüllen, wenn der Wasserdampf bis zum Messort vollständig expandiert ist und eine vollständige Vermischung mit dem Luftstrom stattgefunden hat. Sonst können falsche Feuchtewerte gemessen und dadurch für den Anlagenbetrieb unerwünschte Aktionen ausgelöst werden. Ebenso ist eine Kondensatbildung auf Filtern deren Funktion nicht zuträglich und begünstigt Keimwachstum.
Beispiel
Anhand vorgegebener Daten (Luftzustand vor Befeuchtung, Soll-Luftzustand nach Befeuchtung, Kanalmaße etc.) wurde für ein passendes Mehrfach-Dampfverteilsystem eine Befeuchtungsstrecke BN = 800 mm berechnet.
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Bei Überschreiten eines, vom Betreiber vorgegebenen Feuchtewertes soll die Befeuchtung zum Schutz der Anlage vor Überfeuchtung abgeschaltet werden. Hierzu ist in der Zuluft ein Sicherheitshygrostat vorgesehen. Anhand der in der Auslegungssoftware hinterlegten Daten errechnet diese als Mindestabstand zwischen Dampfverteilsystem und Sicherheitshygrostat einen Wert von 5 × BN = 4000 mm.
Das Beispiel verdeutlicht gut den Unterschied zwischen der eigentlichen Befeuchtungsstrecke BN und dem sich daraus ergebenden Mindestabstand zu nachfolgenden Komponenten (Bild 8).
Die Multiplikatoren zur Berechnung der Mindestabstände auf Basis der Befeuchtungsstrecke BN wurden empirisch ermittelt und haben sich in der Praxis seit vielen Jahren als sehr zuverlässig bewährt. Bild 9 zeigt einige Multiplikatoren zur Bestimmung des Mindestabstands für nachfolgende Anlagenkomponenten.
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Der Homogenitätsindex HINX
Eine homogene Dampfverteilung ist ausschlaggebend zur Vermeidung von Feuchteschichtungen in nachfolgenden luftführenden Bauteilen und gewährleistet möglichst kurze Befeuchtungsstrecken.
Bei Kenntnis der grundlegenden Zusammenhänge kann eine Bewertung der Homogenität des zur Dampfeinbringung gewählten Systems anhand weniger Daten leicht erfolgen. Grundsätzlich gilt, dass die Dampfeinbringung umso effizienter und gleichmäßiger erfolgt, je feiner der Dampf dosiert und je großflächiger er auf den vorhandenen Luftquerschnitt verteilt wird. Hierbei spielen die Anzahl und Anordnung der Dampfverteiler sowie Art, Anzahl und Verteilung der Dampfdüsen eine entscheidende Rolle.
Gemäß VDI 6022 Blatt 1 sind Dampf-Luftbefeuchter so zu betreiben, dass eine Kondensatbildung in den Lüftungskanälen auszuschließen ist. „Deshalb muss u. a. die Befeuchtungsstrecke ausreichend dimensioniert und eine homogene Verteilung der Feuchte über den gesamten Kanalquerschnitt sichergestellt sein.“
Für eine schnelle und anschauliche Bewertung der Homogenität der Dampfverteilung bei Dampfverteilsystemen ist der Homogenitätsindex HINX sehr gut geeignet.
Der Homogenitätsindex HINX ist eine dimensionslose Kennzahl, zu deren Berechnung nur wenige Daten der Anlage sowie des vorgesehenen Dampf-Verteilsystems benötigt werden. Die entsprechenden Daten ergeben sich aus der Auslegung. Wenn alle Daten vorhanden sind, kann der Homogenitätsindex HINX mit Gleichung 1 berechnet werden.
GV
Beispiel
Zur Einbringung von 100 kg/h Dampf in eine RLT-Anlage bei 4 m2 Lüftungskanalquerschnitt wurden zwei verschiedene Dampfverteilsysteme ausgelegt, welche diese Anforderung grundsätzlich erfüllen.
Das Dampfverteilsystem 1 wurde mit 5 Düsenstöcken, Dampfaustritt 2-seitig und insgesamt 100 Düsen ausgelegt:
GV
Das Dampfverteilsystem 2 wurde mit 2 Düsenstöcken, Dampfaustritt 1-seitig und insgesamt 90 Düsen ausgelegt:
GV
Demnach ist bei gleicher Leistungsanforderung die Homogenität der Dampfeinbringung bei System 1, bedingt durch die größere Anzahl an Düsenstöcken und Dampfdüsen erheblich höher als bei System 2, was sich in einer deutlich kürzeren Befeuchtungsstrecke niederschlägt. Somit ergibt sich bei System 1 auch eine erheblich geringere einzuhaltende Distanz zu nachfolgenden Komponenten im Lüftungskanal, da diese ja auf der berechneten Befeuchtungsstrecke BN basiert.
Insbesondere bei beengten Platzverhältnissen für die RLT-Anlage und die Installation des Kanalsystems ist dies von größter Wichtigkeit. Eine möglichst homogene Dampfeinbringung gewährleistet nicht nur bestmögliche Hygiene und Sicherheit im Anlagenbetrieb. Ebenso stehen gegebenenfalls höheren Beschaffungskosten für ein, auf bestmögliche Homogenität ausgelegtes Dampfverteilsystem, hohe Einsparungen, z. B. durch eine kürzer dimensionierte Befeuchtersektion im RLT-Gerät oder verringerten Material- und Montageaufwand für das Kanalsystem gegenüber.
Fazit
Zur Einbringung von Wasserdampf zur Luftbefeuchtung in die RLT-Anlage stehen verschiedene Dampfverteilsysteme zur Verfügung. Einfach-Dampfverteilsysteme sind günstig in der Beschaffung sowie flexibel und einfach zu montieren, sofern in der RLT-Anlage genügend Platz für eine ausreichend lange Befeuchtungsstrecke BN verfügbar ist und ein entsprechend großer Abstand zu nachfolgenden Anlagenkomponenten gewährleistet werden kann.
Bei den heutzutage zumeist beengten Platzverhältnissen für die RLT und bei hohen erforderlichen Befeuchterleistungen führt kein Weg am Einsatz von Mehrfach-Dampfverteilsystemen vorbei. Die Einbringung von Druckdampf ist grundsätzlich nur über entsprechende Mehrfach-Verteilsysteme möglich. Auch wenn die Beschaffungskosten für Mehrfach-Dampfverteilsysteme zunächst höher sind, gewährleisten sie eine maximal effiziente und homogene Luftbefeuchtung bei erheblich kürzeren Befeuchtungstrecken.
Über den Homogenitätsindex HINX lassen sich verschiedene Systeme leicht hinsichtlich gleichmäßiger Dampfverteilung und erforderlicher Befeuchtungsstrecke BN vergleichen.
Im Hinblick auf die gravierenden Folgen einer nicht ausreichend dimensionierten Befeuchtungsstrecke und in der Folge zu geringen Abständen zu nachfolgenden Anlagenbauteilen, sollte die Auswahl eines dem Gesamtkonzept der Anlage entsprechenden Dampfverteilsystems mit größter Sorgfalt erfolgen. Zur Auswahl des technisch wie wirtschaftlich optimalen Dampfverteilsystems sollte bereits früh in der Planungsphase ein Fachmann hinzugezogen werden.
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