Flashvap

Flash Boiling Vaporisation

Wasser und damit Feuchte ist ein natürlicher Inhaltsstoff der Luft. Für unser körperliches Wohlbefinden ist eine relative Feuchte von 40-55% bei einer Raumtemperatur von 20-23°C ideal. Für eine ganzjährige Einhaltung dieser Feuchtebedingungen ist die Luftbefeuchtung ein unerlässlicher Verfahrensschritt innerhalb moderner RLT-Anlagen.

Ebenso ist bei einer Vielzahl industrieller Fertigungsprozesse die Einhaltung exakter Feuchtebedingungen von elementarer Bedeutung. Neben Luftwäschern sowie Hoch- und Mitteldruckbefeuchtern werden insbesondere in kleineren RLT-Anlagen Dampfbefeuchter eingesetzt. Dabei wird das Wasser in einem Druckbehälter verdampft und über Dampflanzen in die Luft eingedüst. Dabei kondensiert ein Großteil des Wasserdampfes aus und bildet einen feinen Tropfennebel der im weiteren Strömungsverlauf sukzessive verdunstet.

Das von SUPART entwickelte Verfahren verzichtet hingegen auf eine vollständige Verdampfung des Wassers. Statt dessen wird aus dem eingespritzten Wasser und der Luft ein Aerosol erzeugt. Physikalisch betrachtet handelt es sich hierbei um ein Mehrkomponentensystem, in dem das Wasser (disperse Phase) innerhalb der Luft (Dispersionsmittel) verteilt ist. Charakteristisch für disperse Systeme sind die Partikelgröße der dispersen Phase sowie die Aggregatzustände von dispergiertem Stoff und Dispersionsmittel.

Nach diesen Unterscheidungsmerkmalen liegt bei einem klassischen Dampfbefeuchter im Idealfall eine molekulardisperse, homogene Wasserverteilung vor. Bei einem herkömmlichen Hochdruck- oder Mitteldruckbefeuchter, der aufgrund der gebildeten Tropfenspektren (dT>20μm) auch als Spraybefeuchter bezeichnet wird, handelt es sich dagegen um ein heterogenes System. Das Wasser liegt in Form von makroskopisch erkennbaren Tropfen in der Luft vor und ist damit grobdispers verteilt. Eine Zwischenstellung nehmen Aerosole ein. Hier sind die einzelnen Moleküle des Wassers zu so ausgedehnten Tropfen aggregiert, dass diese durch eine Phasengrenze gegen die Gasphase abgegrenzt sind. Allerdings sind die Tropfen so klein (dT<1μm), dass sie in ihrem Verhalten weitgehend gelösten Molekülen entsprechen. Die Wassertröpfchen sind in der Luft sozusagen „quasi homogen verteilt“.

Da die Lufttemperatur unter normalen Bedingungen unterhalb der Sättigungstemperatur des Dampfes liegt, bildet sich auch bei einem Dampfbefeuchter durch Kondensation des Wasserdampfes unmittelbar ein solches „quasi homogenes Aerosol“ aus.

Die Bildung eines solchen Aerosols erfolgt entweder durch Tropfenkondensation aus der Dampfphase oder unmittelbar durch Zerstäuben der Flüssigkeit. Bei diesem Vorgang muß gegen die Kraft der Oberflächenspannung und gegen die viskosen Kräfte der Flüssigkeit Arbeit verrichtet werden. Die mechanische Energie zur Überwindung dieser Kräfte stammt aus dem Energieinhalt des Einspritzstrahls. Je nach Herkunft der Zerstäubungsenergie wird zwischen kinetischer und thermischer Fragmentierung unterschieden. Herkömmliche Hoch- und Mitteldruckbefeuchter nutzen ausschließlich die kinetische Energie des Einspritzstrahls; bei dem hier entwickelten Ansatz wird zusätzlich die thermische Energie herangezogen.

Vor Einspritzbeginn wird das Wasser hierzu über die Siedetemperatur bei Umgebungsdruck erhöht. Durch die schnelle Druckabsenkung am Düsenaustritt befindet sich die eingespritzte Flüssigkeit im Zustand der Überhitzung. Kann die Temperatur im Inneren der Flüssigkeit durch den Wärmetransport an die Umgebung unter das Niveau der Siedetemperatur ausgeglichen werden, verdampft die Flüssigkeit lediglich an der Oberfläche des Einspritzstrahls. Wird im Gegensatz hierzu die Temperatur im Kern des Einspritzstrahls nicht schnell genug durch den Wärmetransport nach außen abgesenkt, kommt es zur Aktivierung von Siedekeimen. Aus den Siedekeimen gehen Dampfblasen hervor, die bei ihrem Wachstum die flüssige Phase durchstoßen und hierdurch den Einspritzstrahl zerteilen. Dieser Vorgang des Abbaus der thermischen Energie des Einspritzstrahls wird als Entspannungsverdampfung (Flash-Boiling-Effect) bezeichnet. Dabei wird eine ähnlich feine Tropfenverteilung wie beim Dampfbefeuchter erreicht. Da jedoch auf eine vollständige Verdampfung des Wassers verzichtet wird, liegt der Energiebedarf zur Erzeugung des Aerosol nur bei einem Bruchteil eines Dampfbefeuchters. Ebenso vorteilhaft ist thermische Entkeimung des Wassers durch Anordnung des Heizelementes unmittelbar vor der Düse.