Kondensation und Vereisung in Rotationswärmetauschern

Luft-Luft-Wärmetauscher, die zur Energierückgewinnung in Lüftungsanlagen eingesetzt werden, müssen manchmal bei sehr niedrigen Aussentemperaturen arbeiten. Während des Betriebs werden die Oberflächen im Wärmetauscher von der Aussenluft gekühlt und von der Abluft erwärmt. Dies bedeutet, dass der Wärmetauscher unabhängig von seinem Typ immer eine kalte und eine warme Seite hat. Die Temperaturverteilung in einem Rotationswärmetauscher ist jedoch komplex, und es ist schwierig, Kondensation und Vereisung vorherzusagen. Zum Glück wird William Lawrance, Senior Product Manager, in diesem Blogbeitrag mehr dazu erklären.

Wenn die Aussentemperatur niedrig genug ist, wird die Abluft unter den Taupunkt abgekühlt, und Feuchtigkeit schlägt sich auf den Wärmetauscheroberflächen nieder. Tritt dies bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt auf, kann die Feuchtigkeit in Form von Reif oder als dünne Eisschicht abgelagert werden. Der Reif oder das Eis im Rotor stellen ein Problem dar, da sie den Luftstrom einschränken und den Druckverlust im Wärmetauscher erheblich erhöhen, was zu einem höheren Energieverbrauch der Ventilatoren führt. Zudem wird der Wärmetransfer reduziert, da ein Teil des Wärmetauschers blockiert ist, was die Leistung der Wärmerückgewinnung beeinträchtigt.

In festen Wärmetauschern, wie z. B. Plattenwärmetauschern, beginnt die Reifbildung, sobald die einströmende Aussenluft unter den Gefrierpunkt fällt. In Rotationswärmetauschern beginnt die Reifbildung jedoch bei wesentlich niedrigeren Temperaturen. Dies liegt an der Drehung der Rotor-Matrix zwischen den beiden Luftströmen, wodurch das Kondensat oder der Reif auf der Abluftseite verdampfen kann, wenn es die Zuluftseite erreicht. Bei einer Ablufttemperatur von 21 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von unter 30 % kann das Einfrieren bei Aussentemperaturen unter -12 °C beginnen. Ein kontinuierlicher Aufbau von Kondensat oder Reif erfolgt jedoch nur dann, wenn ein Überschuss an Wasser vorhanden ist, d. h., wenn mehr Wasser auf der Abluftseite kondensiert oder gefriert, als auf der Zuluftseite aufgenommen werden kann.

Hygroskopische Beschichtung oder Sorptionsrotoren

In den meisten Gebäuden sinkt die Luftfeuchtigkeit bei kalten Wetterbedingungen, und Innenraumfeuchtigkeiten von nur 10 % sind nicht ungewöhnlich, es sei denn, es wird befeuchtet. Bei so niedriger Feuchtigkeit in der Abluft ist normalerweise kein überschüssiges Wasser oder Reif auf einem herkömmlichen unbehandelten Aluminiumrotor zu erwarten. Solch niedrige Feuchtigkeitswerte sind jedoch unangenehm und ungesund. Rotore mit hygroskopischer Beschichtung, auch Sorptionsrotoren genannt, sind in diesen Klimazonen vorteilhaft, da die Sorptionsbehandlung Feuchtigkeit aus der Abluft aufnimmt und an die Zuluft abgibt, solange die Abluft weniger Feuchtigkeit enthält als die Aussenluft. Der Feuchtigkeitsübertrag erfolgt, bevor sie in Form von Wasser oder Reif kondensieren kann. Mit anderen Worten, der Taupunkt sinkt kontinuierlich, wenn die Temperatur auf der Abluftseite sinkt. Der Vorteil ist, dass die Vereisung erst bei viel niedrigeren Aussentemperaturen auftritt.

Verglichen mit einem einfachen Aluminiumrotor kann der Feuchtigkeitsübertrag nur dann stattfinden, wenn die Abluft unter den Taupunkt abgekühlt wird, sodass Feuchtigkeit auf der Rotoroberfläche kondensiert oder gefriert.

Lassen Sie das Mollier-Diagramm erklären

Dies ist ein nicht-hygroskopischer Rotor, bei dem die Abluft bei konstantem Feuchtigkeitsgehalt auf eine Temperatur etwa 4 °C über dem Taupunkt abgekühlt wird. Eine Linie wird zwischen diesem Punkt und den Aussenluftbedingungen gezeichnet. Wenn diese Linie die Sättigungslinie schneidet, tritt Kondensation auf, wie in Abbildung 1 zu sehen ist. Diese Methode hat sich in unseren Labortests als gut korrelierend erwiesen. In diesem Diagramm wird die mittlere Bedingung der Abluft für einen Temperaturwirkungsgrad von 80 % gezeigt. Da Kondensation bei einer Temperatur deutlich unter dem Gefrierpunkt auftritt, ist Reif im Rotor zu erwarten.

Für den hygroskopischen Rotor mit einer Feuchtigkeitswirksamkeit ähnlich der Temperaturwirksamkeit bildet sich überschüssiges Wasser im Rotor, wenn eine Linie zwischen den Eintrittsbedingungen der Abluft und der Zuluft die Sättigungslinie schneidet.

Diese Mollier-Diagrammtechnik kann verwendet werden, um ein Diagramm mit der Grenztemperatur für jede Abluftfeuchtigkeit zu erstellen, wenn die anderen Parameter festgelegt sind. Tests in unserer Klimakammer haben gezeigt, dass dieser Ansatz mit der Realität übereinstimmt.

Mit der obigen Methode kann ein Diagramm erstellt werden, das überschüssiges Wasser und Vereisungsgrenzen zeigt. Die Ablufttemperatur variiert normalerweise nicht stark, daher wird sie auf 21 °C festgelegt. Der Temperaturwirkungsgrad des Rotors beträgt 80 %, und die Feuchtigkeitswirksamkeit des hygroskopischen oder Sorptionsrotors liegt bei etwa 80 %. Die relative Luftfeuchtigkeit der Aussenluft beträgt 80 %.

Das Diagramm zeigt, dass überschüssiges Wasser in nicht-hygroskopischen Rotoren ab 0 °C und darunter bei normalen Raumluftbedingungen auftreten kann, aber bei einem Sorptionsrotor nur dann, wenn die Raumluftfeuchtigkeit sehr hoch ist. Das Einfrieren beginnt bei etwa -8 °C, wenn überschüssiges Wasser vorhanden ist. Das Diagramm zeigt auch, dass der Sorptionsrotor bei deutlich niedrigeren Aussentemperaturen und höherer Innenraumfeuchtigkeit ohne Probleme mit überschüssigem Wasser betrieben werden kann, verglichen mit einem einfachen Aluminiumrotor.

Die wichtigsten Faktoren, die sich auf die Kondensation und das Einfrieren auswirken, sind die Abluftfeuchtigkeit und die Außenlufttemperatur, aber auch die Ablufttemperatur und der Wirkungsgrad des Rotors spielen eine wichtige Rolle, weshalb die Bestimmung des Einfrierrisikos komplex ist.

Abtauen

Überschüssiges Wasser in Rotationswärmetauschern ist in den meisten Gebäudeanwendungen normalerweise kein Problem, da die geringe Menge an Wasser, die entsteht, normalerweise verdampft, wenn die Bedingungen wieder über dem Grenzwert liegen. Ausserdem dauert es mehrere Stunden, bis sich in Rotationswärmetauschern Eis und Reif aufbauen. In längeren Kälteperioden gibt es jedoch zwei Möglichkeiten, damit umzugehen: Die Aussenluft kann erhitzt werden, oder die Effizienz des Rotors kann so gesteuert werden, dass kein Reif entsteht. Im letzteren Fall kann der Druckabfall gemessen werden, und der Rotor wird abgetaut, wenn er zu hoch wird, indem die Drehzahl verringert wird. Die Ablufttemperatur steigt dann an und die Durchschnittstemperatur liegt über dem Gefrierpunkt.

In beiden Fällen muss Wärme zugeführt werden, aber die Betriebskosten sind etwa gleich. Wichtig zu beachten ist, dass bei der Vorwärmmethode die Aussenluft nicht unnötig erhitzt werden sollte, um Energieverschwendung zu vermeiden.

Die Temperatureffizienz in Abhängigkeit von der Rotordrehzahl hat in der Regel die im Diagramm links dargestellte Form. Es zeigt sich, dass die Abtausteuerungsfunktionen die Rotordrehzahl in der Regel reduzieren, wenn Frost festgestellt wird. Wenn das Steuerungssystem feststellt, dass der Frost verschwunden ist, wird die Rotordrehzahl wieder erhöht. Es ist jedoch wichtig, dass der Rotor nicht zum Stillstand kommt, denn dann würde nur die Hälfte des Rotors abgetaut.

AHU Design

Wie oben besprochen, hängt das Auftreten von Feuchtigkeit und Reif von mehreren Faktoren ab, und es ist nicht einfach, die genauen Grenzen für einen bestimmten Satz von Bedingungen festzulegen. Glücklicherweise ist unser Auswahlprogramm für GOLD-Einheiten, AHU Design, mit einem leistungsstarken Algorithmus ausgestattet, der auf unseren Forschungen und Tests basiert. Es berechnet die Grenzen automatisch und gibt Warnungen aus, wenn ein Risiko für überschüssige Feuchtigkeit oder Vereisung besteht.

Ein Vorheizer kann mit gutem Effekt eingesetzt werden, vor allem unter extremen Bedingungen mit niedrigen Aussentemperaturen in Verbindung mit feuchter Abluft, dann kann der Rotor mit überschüssigem Wasser überflutet werden. An diesem Punkt kann es schwierig sein, nur mit der Drehzahl des Rotors abzutauen. Der Vorwärmer erhöht die mittlere Temperatur des Rotors, verringert aber auch die relative Luftfeuchtigkeit der Zuluft, so dass diese mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann. Dies bedeutet, dass überschüssiges Wasser und Frost vermieden werden. Dies ist in Abbildung 5 dargestellt.

Aus dem Mollier-Diagramm geht hervor, dass die Luft nicht so stark erwärmt werden muss, um Wasserüberschuss und Frost zu vermeiden. Das bedeutet, dass es möglich ist, eine Niedrigtemperatur-Wärmequelle wie z. B. eine Erdbohrung zu nutzen, mit dem Vorteil, dass sie im Sommer zur Kühlung verwendet werden kann. Natürlich muss die Flüssigkeit vor dem Einfrieren geschützt werden!

Da das Heizgerät nur wenige Stunden im Jahr benutzt wird, könnte ein elektrisches Heizgerät aufgrund der geringeren Installationskosten eine attraktivere Lösung sein. Lassen Sie uns später darauf zurückkommen.