Magazin Luftfeuchte	❮ 2021 JUL 01 ❯

Effiziente und hygienische Dampfverteilung in RLT-Anlagen

Sehr geehrte Leserinnen und Leser,

Dampf-Luftbefeuchter, seien sie elektrisch betrieben oder gasbefeuert, sind im HLK-Bereich seit langer Zeit als besonders hygienische Methode zur Befeuchtung der Luft etabliert. Dergleichen gilt für zur Luftbefeuchtung genutzten Dampf von bestehenden Druckdampfsystemen. Bedingt 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 Dampfs 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, welche über ein Nicht-Erreichen der geforderten und vertraglich vereinbarten Raumluftqualität, über erhöhte Betriebskosten durch einen zusätzlich erforderlichen 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 der Berechnung der erforderlichen Befeuchtungsstrecke und der sich daraus ergebenden Auswahl eines optimal geeigneten Dampfverteilungssystems daher bereits früh in der Planungsphase entsprechende Aufmerksamkeit geschenkt werden, insbesondere im Hinblick auf die seit Jahren andauernde Tendenz zu stetig geringer werdendem Platz, welcher der Raumlufttechnik in den modernen Gebäuden eingeräumt wird.

Dampfverteilungssysteme

Verfügbare Dampfverteilungssysteme können grundsätzlich unterschieden werden in Einfach- und Mehrfach-Dampfverteiler. Die Systeme unterscheiden sich in erster Linie nach Art der Installation und Grad der erreichbaren Homogenität der Dampfverteilung. Die Homogenität der Dampfverteilung bestimmt hierbei 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 Dampfs in der RLT-Anlage. Der vorliegende Artikel beleuchtet die Merkmale der verschiedenen Dampfverteilungssysteme 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.

Einfach-Dampfverteiler
Einfach-Dampfverteiler bestehen aus einem Dampfrohr aus Edelstahl mit großem Durchmesser. Die Injizierung des Dampfes in den Luftmassenstrom erfolgt direkt über Öffnungen im Dampfrohr. Weitere, vertikale Verteilungsrohre sind nicht auf dem Dampfrohr aufgebracht. Die spezielle Konstruktion des Dampfanschlussstutzens am Übergang zum Dampfverteilrohr ermöglicht die Abführung des anfallenden Kondensats. 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, was bedeutet, dass sie im Vergleich zu Mehrfach-Dampfverteilsystemen einen geringeren Homogenitätsindex aufweisen. Daher wird zum Erreichen einer homogenen Dampfverteilung im Kanal und zur vollständigen Absorption des Wasserdampfes durch die Anlagenluft eine entsprechend lange Befeuchtungsstrecke B_N 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. Die folgende Abbildung stellt beispielhaft verschiedene Installationsmöglichkeiten für Einfach-Dampfverteiler dar:



Mehrfach-Dampfverteiler für drucklose Dampfsysteme
Mehrfach-Dampfverteilungssysteme für drucklosen, durch elektrisch betriebene oder gasbefeuerte Dampfbefeuchter hervorgebrachten, Dampf bestehen im Wesentlichen aus zwei horizontalen Kollektorrohren, welche 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. Mehrfach-Dampfverteiler für Druckdampfsysteme
Daneben exitistieren 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. Auf diese Systeme wird an dieser Stelle nicht im Speziellen eingegangen. Sämtliche dargestellten Sachverhalte hinsichtlich der Dampfverteilung, Befeuchtungsstrecke B_N und Homogenitätsidex HINX gelten für diese Systeme ebenso wie für die drucklosen Dampfverteilsysteme. Bei sehr kurzen, vorhandenen 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 Reduzierung 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, damit das Kondensat einwandfrei abfließen kann:



Die maximale Befeuchtungsleistung wird durch die Kollektorlänge, den 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 B_N

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 beeinträchtigen eine hygienisch einwandfreie und effiziente Befeuchtung der Anlagenluft. Die Bestimmung der Befeuchtungsstrecke sollte daher unter größter Sorgfalt erfolgen.

Bestimmung der Befeuchtungsstrecke B_N
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 B_N 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 Wasserdampfes und dessen Vermischung mit der Anlagenluft bestimmt. Die berechnete Befeuchtungsstrecke B_N bildet zwar die Basis für den Abstand, ist aber auf keinen Fall zu verwechseln mit dem erforderlichen, einzuhaltenden Mindestabstand zu nachfolgenden Anlagenkomponenten.

Die generelle Vorgehensweise zur Bestimmung der Befeuchtungsstrecke B_N ist zunächst unabhängig davon, ob es sich um ein einfach- oder mehrfach-Dampfverteilsystem handelt. Die Länge der Befeuchtungsstrecke B_N ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Zur ihrer Bestimmung können herstellerspezifische Tabellen und Nomogramme verwendet werden, in aller Regel erfolgt die Berechnung heute jedoch mittels Software. Der einzuhaltende Mindestabstand zu nachgeschalteten Anlagekomponenten, wie z. B. zu Filtern, Kanalreduzierungen, Erweiterungen, Bögen und Abzweigungen, ergibt sich demnach aus einem Vielfachen der Befeuchtungsstrecke. Angaben hierzu finden sich in den technischen Dokumentationen der Dampfverteilsysteme. Moderne Auslegungssoftware berechnet neben der Befeuchtungsstrecke B_N 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 somit der Gewährleistung eines hygienischen und effizienten Anlagenbetriebs. Andererseits wird durch eine ausreichend große Distanz zwischen Dampf-Verteiler und nachfolgendem Bauteil die Funktionalität der entsprechenden Komponente sichergestellt. So kann z. B. 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 der Anlagenluft stattgefunden hat, da ansonsten ggf. falsche Feuchtewerte gemessen und dadurch für den Anlagenbetrieb unerwünschte Aktionen ausgelöst werden. Ebenso ist eine Kondensatbildung auf Filtern zu 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 von 800 mm berechnet. 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 x B_N, also 4.000 mm.

Das Beispiel verdeutlicht den Unterschied zwischen der eigentlichen Befeuchtungsstrecke B_N und dem sich daraus ergebenden Mindestabstand zu nachfolgenden Komponenten. Die Multiplikatoren zur Berechnung der Mindestabstände auf Basis der Befeuchtungsstrecke B_N wurden empirisch ermittelt und haben sich in der täglichen Praxis seit vielen Jahren als sehr zuverlässig bewährt. Die nachfolgenden Abbildungen stellen einige Multiplikatoren der B_N zur Bestimmung der Mindestabstände für verschiedene, nachfolgende Anlagenkomponenten dar:

Der Homogenitätsindex H_INX

Eine homogene Dampfverteilung ist ausschlaggebend zur Vermeidung von Feuchteschichtungen in nachfolgenden 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 daher sehr gut geeignet.

Berechnung des Homogenitätsindex HINX
Der Homogenitätsindex HINX selbst 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 wie folgt berechnet werden:

Formel des Homogenitätsindex Beispiel
Zur Einbringung von 100 kg Dampf pro Stunde in eine RLT-Anlage wurden zwei verschiedene Dampfverteilsysteme ausgelegt, welche diese Anforderung grundsätzlich erfüllen.

Allgemeine Anlagendaten:
Erforderliche Dampfleistung: 100 kg/h
Querschnitt Lüftungskanal: 4 m²

Daten Dampfverteilsystem 1 aus Auslegung:
5 Düsenstöcke
Dampfaustritt 2-seitig
Düsenanzahl insgesamt 100 Stück


Daten Dampfverteilsystem 2 aus Auslegung:
2 Düsenstöcke
Dampfaustritt 1-seitig
Düsenanzahl insgesamt 90 Stück


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 wie zuvor beschrieben auf der berechneten Befeuchtungsstrecke 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 ggf. höhere Beschaffungskosten für ein auf bestmögliche Homogenität ausgelegtes Dampfverteilsystem hohen Einsparungen, z. B. durch eine kürzer dimensionierte Befeuchtersektion im RLT-Gerät oder verringerten Material- und Montageaufwand für das Kanalsystem, gegenüber.

Fazit

Zur Einbringung von, durch Dampferzeuger verschiedener Bauart produzierten, 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 B_N verfügbar ist und ein entsprechend großer Abstand zu nachfolgenden Anlagenkomponenten gewährleistet werden kann.

Bei den heutzutage zumeist vorherrschenden beengten Platzverhältnissen für die Raumlufttechnik, bei hohen erforderlichen Befeuchterleistungen sowie zur Einbringung von Druckdampf führt kein Weg am Einsatz von Mehrfach-Dampfverteilsystemen vorbei. Auch wenn die Beschaffungskosten für diese Systeme zunächst höher sind, gewährleisten sie eine maximal effiziente und homogene Luftbefeuchtung bei erheblich kürzeren Befeuchtungstrecken.

Die Einbringung von Druckdampf ist nur über entsprechende Mehrfach-Verteilsysteme möglich.

Durch den einfach zu berechnenden Homogenitätsindex HINX lassen sich verschiedene Systeme leicht hinsichtlich gleichmäßiger Dampfverteilung und erforderlicher Befeuchtungsstrecke 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.


Mit freundlichen Grüßen

Klaus Achenbach
Market Development Manager Central Europe