DE102008045672B4

DE102008045672B4 - Befeuchtungsvorrichtung von Gasen mit integrierter Taupunktkalibrierung

Info

Publication number: DE102008045672B4
Application number: DE102008045672.1A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Falk Heinz; Martin Falk
Original assignee: FALK STEUERUNGSSYSTEME GmbH
Current assignee: FALK STEUERUNGSSYSTEME GmbH
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-08-16
Publication date: 2021-06-24
Anticipated expiration: 2028-08-17
Also published as: DE102008045672A1

Abstract

Befeuchtungsvorrichtung für Gase mit interner Kalibrierung dadurch gekennzeichnet dass, die für die Befeuchtung verwndete Flüssigkeit in einem geschlossenen Verdampfergefäß verdampft und der Dampf gemeinsam mit einem dem Verdamfergefäß zugeführten ersten Tellstrom des zu befeuchtenden Gases über eine Rohrleitung durch ein geschlossenes Kondensationsgefäß hindurchgeführt wird und mit einem zweiten Teilstrom des zu befeuchtenden Gases gemischt wird, wobei die Temperatur des Verdampfergefäßes höher ist als die Temperatur des Kondensationsgefäßes, wobei das Kondensationsgefäß mit einem schalbaren. Element zur Kühlung oder Heizung, insondere auf der Basis von Peltierelementen, ausgestattet ist, die Kühlleistung gemessen, dieser Messwert mit einem Sollwert verglichen und die Abweichung zur Regelung der Heizleistung des Verdampfers benutzt wird.

Description

Stand der Technik
Die Befeuchtung von Luft und anderen Gasen ist für die Klimatisierung aber auch für viele technische Prozesse unabdingbar Während in der Klimatechnik der Feuchteanteil messbar durch die Taupunkt Temperatur der Luft, in recht weiten Grenzen varieren kann, werden für technische Prozesse häufig sehr geringe Tolerazen des Taupunktes des jeweiligen Gases verlangt. Zusätzlich erfordern viele technische Prozesse, dass der Taupunkt des Gases einem vorgegebenen Zeitverlauf folgt. Das ist z.B. bei der Behandlung und Vergütung von Metalloberflächen mittels Tauchbeschichtung der Fall, wobei der Wasserdampf an chemischen Reaktionen während des Beschichtungsprozesses beteiligt ist. Ahnliches gilt auch für andere technische Beschichtungsverfahren. Die zunehmend an Bedeutung gewinnende Brennstoffzellentechnologie erfodert ebenfalls die Einhaltung enger Grezen für den Taupunkt von Reaktionsgasen. Ein Beispiel für eine solche Befeuchtungsvorrichtung für die Prozessgase Luft oder Wasserstoff ist in der Patentschrift Publ.-Nr. KR20040101110 („Apparatus for accurately and promply controlling humidity of fuel cell by controlling Pressure in humidifier“) beschrieben. Dabei wird Wasser im Befeuchter verdampft und dem Gas zugemischt. Der Feuchtegehalt verdampft einem Sensor gemessen und Gasdurchsatz und Verdampfertemperatur derart geregelt, dass ein vorgegebener Taupunkt am Eingang der Bremmstoffzelle eingehalten wird. Nach dem gleichen Prinzip arbeitet eine Vorrichtung entsprechend Patentschrift Publ. Nr. KR20020050534 .
Es gibt eine beträchtliche Anzahl weiterer Varianten für geregelte Befeuchtungsvorrichtungen welche auf der Messung des Wasserdampfdruckes oder des Taupunktes mit Hilfe von Sensoren beruhen.
Die Abhängigkeit der Enhaltung eines gewünschten Taupunktes eines zu befeuchtenden Gases vom Messwert eines Feuchtesensors ist ein Nachteil, da jede Fehlfunktion sich unmittelbar auf den des Taupunkt auswirkt. Deshalb erfordern Feuchtesensoren eine wiederholte Kalibrierung, wobei zwischenzeitlich auftretende Abweichungen nicht bemerkbar sind und entsprechend größere Fehler des Taupunktes des befeuchteten Gases bewirken. Daruber hinaus benotigen Feuchtesensoren eine bestimmte Einstellzeit, wodurch sich der Ubergang zu einem geanderten Taupunkt entsprechend verlangsamt volizieht. Die Einstellzeit von Feuchtesensoren zeigt im Allgemelnen eine Hysterese, das heißt, für anstelgende und abfallende Taupunkte ergeben sich verschledene Einstellzeiten. Schließlich verursacht ein Feuchtesensor erhebliche Kosten für die Anschaffung und die regelmäßige Kalibration. Die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet eine Messung der im Kondensator umgesetzten Kühlleistung zur Ermittlung der kondensierten Dampfmenge. Mit der Kondensatmenge als Fuhrungsgröße kann die Heizielstung des Verdampfers und damit dessen Temperatur derart geregelt werden, dass die Kondensatmenge auf einem vorgegebenen Wert konstant gehalten wird. Durch diese Regelung wird elnerseits der Energieverbrauch des Befeuchters minimiert und gleichzeitig sichergestellt, dass dass der Sättigungsdampfdruck entsprechend der Temperatur des Kondensators erreicht wird.
Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines vorgegebenen Befeuchtungsgrades durch Regelung der Heizleistung eines Verdampfers in einem Luftbefeuchter bekannt ( EP 1796771 , angemeldet am 15.9.2005 „Humidifier including a device for regulating the degree of humidification of the air flow“) Derartige Systeme haben eine große Einstellzeit und ermöglichen nur eine ungenaue Enhaltung vorgegebener Taupunkte, sind somit nicht für tehnische Prozesse mit hohen Anforderungen an die Einhaltung von Zeitverläufen der Feuchte von Gasen geeignet.
Aufgabenstellung
Zur Befeuchtung von Gasen ist eine Vorrichtung Wunschenswert, welche die Einhaltung vorgegebener Feuchtegehalte (Sollwerte), gemessen z.B. durch die Taupunkttemperatur, in engen Grezen gestattet. Auch zeitlich veränderliche Sollwarte müssen mit geringer Verzögerung ohne zuzätzliche Kalibration der Befeuchtungsvorrichtung über lange Zeiträume eingehalten werden. Die wünschenswerte Befeuchtungsvorrichtung soll einen weiten Feuchtebereich von ca. 60℃ bis über 50℃ für geringe und große Durchflussmengen des zu bafeuchtenden Gases gestatten.
Erfindungsbeschreibung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem geschlossenen beheizten Verdamptfer, welcher mit Flussigkeit gefüllt ist und Dampf gegebenenfalls gemeinsam mit einem Trägergas durch ein geschlossenes temperiertes Kondensationsgefäßhindurchführt. Die Temperatur des Kondensationsgefäßes wird auf einem Wert stabilisiert, der niedriger ist als die Temperatur des Verdampfers. Das Kondensationsgefäß besitzt eine große innere Oberfläche, so dass der hindurchströmende Dampf die Temperatur der Gefäßwand annimmt und sich mithin der dieser Temperatur entsprechende Dampfdruck einstellt. Die überschüssige Dampfmenge kondensiert im Kondensationsgefäß und wird in dem Verdampfer zurückgeführt. Die Taupunkt-Temperatur des aus dem Kondensationsgefäß austretenden Dampfes ist dann genau gleich der Gefäßtemperatur. Durch Mischung des austretenden Dampfes mit dem zu befeuchtenden Gas kann jede beliebige Taupunkt-Temperatur unterhalb der Temperatur des Kondensationsgefäßes eingestellt werden.
Ausführungsbeispiel
Die oben beschriebene Vorrichtung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Aus dem Schema in sind die wichtigsten Komponenten einer erfindungsgemäßen Befeuchtungsvorrichtung dargestellt. Die Funktionen der einzeinen Komponenten sind in Stichworten angegen. Die Temperatur und das Flussigkeitsniveau im Verdampfer werden elektronisch geregelt. Ein Teil des zu befeuchtenden Gases wird durch den Durchflussregler MFC1 in den Verdampfer geleitet. Ein Gas-Dampfgemisch mit einen Taupunkt, welcher etwa gleich der Verdampfertemperatur ist, wird über eine Rohrleitung in dem Kondensator geführt. Der Kondensator hat eine deutlich niedrigere Temperatur als der Verdampfer, wodurch ein Teil des Dampfes kondensiert und in den Verdampfer zurückläuft. Die in den Kondensator eingebrachte Kondensationswärme wird durch ein Kühlaggregat (in weggelassen), z.B. mittels Peltierelementen, abgeführt. Das Gas-Dampfgemisch gelangt aus dem Kondensator durch eine Rohrleitung zu einer Verzweigung („Mischpunkt“), in welcher über den Durchflussregler MFC2 genau soviel Gas zufließt, wie zur Erreichung des gewünschten Taupunkes erforderlich ist. Je nach Anwendumgsfall kann das Gas aus MFC2 eine Temperatur oberhalb der Kondensatortemperatur besitzen, und Kondensation von Dampf zu vermelden. Verdampfer und Kondensator sind jeweils aus thermisch gut leitendem Material hergestellt und sind zur Minimierung des Energiebedarfs nach außen thermisch isoliert.
Das obige Ausführungsbeispiel erfüllt alle in der Aufgabenstellung enthaltenen Forderungen und benötigt keinen Feuchtesensor.
Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann darin bestehen, dass mehrere Verdampfer und zugehörige Kondensatoren mit unterschiedlichen Volumina parallel angeordnet einen Befeuchter bilden und jedes Teilsystem separat zuschaltbar ist. Eine solche Anordnung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn ein sehr großer Bereich für die Casdurchflussmenge oder des Feuchtegrades abgedeckt werden soll.
Anhang:
Flussschema Befeuchter mit Taupunkt-Kalibration.

Claims

Befeuchtungsvorrichtung für Gase mit interner Kalibrierung dadurch gekennzeichnet dass, die für die Befeuchtung verwndete Flüssigkeit in einem geschlossenen Verdampfergefäß verdampft und der Dampf gemeinsam mit einem dem Verdamfergefäß zugeführten ersten Tellstrom des zu befeuchtenden Gases über eine Rohrleitung durch ein geschlossenes Kondensationsgefäß hindurchgeführt wird und mit einem zweiten Teilstrom des zu befeuchtenden Gases gemischt wird, wobei die Temperatur des Verdampfergefäßes höher ist als die Temperatur des Kondensationsgefäßes, wobei das Kondensationsgefäß mit einem schalbaren. Element zur Kühlung oder Heizung, insondere auf der Basis von Peltierelementen, ausgestattet ist, die Kühlleistung gemessen, dieser Messwert mit einem Sollwert verglichen und die Abweichung zur Regelung der Heizleistung des Verdampfers benutzt wird.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Kondensationsgefäßes niedriger ist als die Umgebungstemperatur.
Befeuchtungsvorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitsniveau innerhalb des Verdampfers auf konstanter Höhe durch geregelte Zufuhr von Flüssigkeit gehalten wird.
Befeuchtungsvorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das im Kondensatorgefäß gebildete Kondensat mit Hilfe einer gegen die Umgebung abgeschlossenen Rohrleitung in den Verdampfer zurückgeführt wird.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser oder eine andere Flüssigkeit verwendet wird.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus mindestens zwei Vorrichtungen nach Anspruch 1 mit verschledenen Volumina besteht, welche abwechseind oder parallel betrieben werden.