DE19503937A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Luftaufbereitung in geschlossenen Räumen - Google Patents

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die Aufbereitung von Luft (Reinigung, Befeuchtung und Ionisierung) in geschlossenen Räumen durch eine nicht stationärgebundene kompakte Vorrichtung mit hoher Fernwirkung bei geringem Wartungs­ aufwand zu realisieren und das Einmischen von Frischluft zu ermöglichen.

Bei der Luftaufbereitung, vor allem für Wohnräume, ist es nicht nur notwendig, diese von Feststoffen, Aerosolen und Gasen zu befreien, auch die Elektroklimatisierung und die Befeuchtung sind wesentliche Merkmale für eine gesunde Atemluft.

Die den Menschen umgebende Atemluft kann durch eine Vielzahl verschiedener Stoffe wie zum Beispiel Blütenpollen, Staub, Ruß, Aerosolen aus Reinigungssprays, Zigaretten­ rauch, Formaldehyd und Ozon verunreinigt sein.

Diese Verunreinigungen können zu Befindlichkeitsstörungen (wie z. B. Kopf­ schmerzen, Konzentrationsstörungen) bzw. zu Erkrankungen (wie z. B. Allergien). Stoffe wie Formaldehyd steht zusätzlich im Verdacht, Krebs zu erzeugen; Benzole gehören zu den Krebsauslösern.

Doch nicht nur die verschiedenen Stoffe in der Luft, auch ihre Ladung steht in Wechselwirkung mit dem menschlichem Organismus.

In der den Menschen umgebenden Atmosphäre ist stets eine Mischung von positiven und negativen Ionen vorhanden. Allgemein überwiegen in geschlossenen Räumen, infolge der Raumausstattung, die positiven Ionen. Treten hier nun in der Luft Feldstärkeschwankungen der Ladung auf, können bei anfälligen und labilen Menschen dadurch Beeinträchtigungen des vegetativen Nervensystems auftreten. Bei großen Schwankungen des elektrischen Feldes in der Luft treten Beschwerden auf.

Es ist aber nicht nur sinnvoll die Luft auf einem konstanten Ionisierungspotential zu halten, es ist auch erwiesen, daß es sich sehr positiv auf Menschen auswirkt, wenn sie sich in einer Umgebung mit negativ ionisierter Luft befinden.

Negativ ionisierte Luft besteht zum großen Teil aus negativ geladenen Sauerstoffatomen. Sauerstoff, der nicht ionisiert ist, ist biologisch inaktiv. Ionisierter Sauerstoff wirkt sich unter anderem positiv dadurch aus, daß er einen Dispersionseffekt (Antikoagulanseffekt) auf die im Blut auftretenden Elemente (rote Blutkörperchen, Leukozyten und Thrombozyten) hat und diese daran hindert, sich an den Wänden der Gefäße festzusetzen.

Das Einatmen eines zu großen Anteils positiver Ionen führt dagegen zu einer Herabsetzung des Sauerstoffpegels im Blut und zu einer Erhöhung der Serotoninansammlung (HT-5), eines Nerven­ hormons, das Schläfrigkeit, Depressionen, Reizbarkeit, Atembeschwerden und Kopf­ schmerzen auslöst. Die Einatmung negativer Ionen verstärkt die Fähigkeit des Körpers, Sauerstoff aufzunehmen und setzt den Serotoinpegel herab. Es ist bekannt, daß eine derartige Einatmung das allgemeine Wohlbefinden verbessert.

Gesundes Raumklima ist weiterhin charakterisiert durch eine konstante, genügend hohe Luftfeuchtigkeit.

Es ist weiter bekannt, daß eine zu geringe relative Luftfeuchtigkeit, etwa unter 40%, die Schleimhäute austrocknet. Diese verlieren dann ihre Filter- und Abwehrfunktion gegenüber Viren und Bakterien. Hierdurch werden Infektionen, die über den Nasen- Rachenraum in den Körper gelangen begünstigt.

Es sind mobile, kompakte Vorrichtungen zum Filtern von Luft, zum Befeuchten und zum Ionisieren bekannt. Keine der bekannten Vorrichtungen erfüllt jedoch die in der Aufgabenstellung geforderten Funktionen vollständig und in dem von den Betreibern erwarteten Umfang. (Siehe hierzu auch: Stiftung Warentest; test 9/90 lfd.S.910).

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Waschen der Luft mit Wasser unter Nutzung mechanischer und vor allem auch der elektrostatischen Abscheidung durch die natürliche Polarisation des Wassers beim Versprühen (Lenard-Effekt).

Es sind Gaswaschanlagen bekannt, die mit Hilfe einer oder mehrerer Sprühdüsen an denen das Gas vorbeigeführt wird eine effektive Gasreinigung erreichen. Hierbei werden, um einen hohen Auswaschungsgrad durch einen intensiven Flüssigkeit/Gas Kontakt zu erreichen, hohe Gas- und Waschflüssigkeitsgeschwindigkeiten in Sprühtürmen mit großen Mindestlängen eingesetzt. Dabei wird eine elektrostatische Abscheidung durch Aufladen des Wasser beim Versprühen nicht berücksichtigt.

Andere Gaswaschanlagen arbeiten zwar mit elektrostatischen Abscheideverfahren, die benötigte Ladung der Waschflüssigkeit wird jedoch aufwendig durch Hochspannungs­ generatoren erzeugt.

Staubteilchen, die aus einem Gemenge unterschiedlicher Teilchen bestehen, vor allem wie sie sich in Wohnräumen befinden sind elektrostatisch nicht neutral. Fast alle feinen Teilchen haben etwas Ladung der einen oder anderen Art. Das kann man damit belegen, daß Staubteilchen, wenn sie gegen eine Wand getrieben werden dort haften bleiben und ein leichter Luftzug nicht genügend Energie hat um sie wieder fortzuwirbeln. Zwei Teilchenarten können sich gegenseitig durch Berührung oder Reibung aufladen. Wenn nun z. B. ein positiv geladenes Staubteilchen langsam gegen die Wand driftet, dann werden auf der Oberfläche der Wand negative Ladungen influenziert; es ist ein elektrisches Feld entstanden, das Teilchen wird zur Wand gezogen und bleibt dort elektrostatisch haften.

Man nimmt heute an, daß an den Oberflächen fester und flüssiger Medien elektrische Doppelschichten vorhanden sind. Der äußere Teil einer solchen Schicht besteht zum Beispiel aus Elektronen, welche von festen, an die Materie gebundenen Ladungsträgern in einem Gleichgewichts­ zustand gehalten werden, der den Körper nach außen hin neutral erscheinen läßt.

Schon bei der Berührung zweier Oberflächen können Elektronen aus der einen Oberfläche der Anderen angelagert werden, so daß nach der Trennung die erste durch einen Oberschuß an Elektronen negativ und die anderen positiv geladen sind. Die Höhe der Aufladung hängt von einer Reihe Faktoren ab, die noch nicht alle geklärt sind. Auch bei mechanischen Trennvorgängen wie beim Versprühen von Wasser entstehen elektrische Ladungen.

Hierauf basiert auch der Lenard-Effekt der das Entstehen von positiv und negativ geladenen Flüssigkeitstropfen beim Versprühen von Flüssigkeiten beschreibt.

Zusammengefaßt stellt man nun fest, daß sowohl in der Luft vorhandene Staubteilchen wie auch die beim Versprühen entstehenden Wassertropfen elektrisch nicht neutral sind. Nun kann man sich diesen Effekt zunutze machen, wenn es darum geht die Luft durch einen Wasservorhang zu reinigen. Gemäß dem Coulombschen Gesetz ist die elektrostatische Wechselwirkung zwischen zwei geladenen Teilchen proportional ihrer Ladung und umgekehrt proportional dem Quadrat des Abstandes zwischen den Ladungen. Um diesen elektrostatischen Effekt zur Optimierung des Abscheidungsgrades beim Eindüsen von Wasser in einen Luftstrom zu nutzen müssen einige Faktoren berücksichtigt werden die bei vorliegendem Verfahren optimiert wurden.

Zum einen ist es erforderlich für sehr langsame Gas und Flüssigkeits­ geschwindigkeiten zu sorgen um eine möglichst lange Kontaktzeit bei gleichzeitig niedrigem lmpuls der unterschiedlich geladenen Teilchen zu erreichen.

In der Vorrichtung, der dieses Verfahren zugrunde liegt, wird dies erreicht durch einen großen Strömungsquerschnitt, wodurch die Gasgeschwindigkeit bei etwa 0,5 m/s liegt dabei aber noch ein ausreichender Gasdurchsatz erreicht wird. Weiterhin wird einen Pumpe eingesetzt die einen großen Volumenstrom fördert, jedoch nur mit einem kleinen Druck erzeugt. In einer dazu abgestimmten Düse, in der dem Flüssigkeitsstrom eine axiale Drallbewegung aufgezwungen wird, wird eine ausreichend feine Zerstäubung bei geringer Tropfengeschwindigkeit erreicht.

Die feine Zerstäubung ist erforderlich um eine geringe mittlere freie Weglänge zwischen den unterschiedlich geladenen Stoffen zu erreichen und somit gemäß des Columbschen Gesetzes eine möglichst hohe Anziehungskraft zwischen den Stoffen zu erhalten.

Da sich das Wasser hier aber in einem Kreislauf befindet und damit nicht bidestilliert ist, ist jedoch hier einen Grenze gesetzt. Erzeugt man feinste Wassertropfen, wie sie z. B. bei Verneblem entstehen, entstehen infolge des hohen Mineralgehaltes in hohem Maße sogenannte Konzentrationskeime, deren Oberflächenfeuchtigkeit schnell abtrocknet. Der trockene Mineralkern wird dann wieder ausgetragen, die Luft ist wieder staubhaltig, was gegen den gewünschten Effekt geht.

Bei dem hier angewandten Verfahren wird durch die hohe Oberfläche des durch die Düse eingesprühten Wassers eine verstärkte Verdunstung des Wassers und eine Erhöhung der Luftfeuchtigkeit erreicht. In der dem Verfahren zugrunde liegenden Vorrichtung sorgt zusätzlich ein Feuchtigkeitssensor für eine Kontrolle der Luftfeuchtigkeit und schaltet das Gerät bei Erreichen einer zu hohen Luftfeuchtigkeit ab.

Für die Elektroklimatisierung sorgt eine dem Auswaschvorgang vorgeschaltete lonisationsstrecke (Coronaentladung). Sie sorgt für eine Überschuß an negativen Ionen. Diese negativen Ionen bleiben, da die natürliche Aufladung der Wassertropfen beim Versprühen im gleichen Maß positive wie negative Ionen freisetzt, nach dem Auswaschvorgang weitestgehend erhalten. Außerdem kann der Abscheidegrad noch einmal leicht verbessert werden, da die durch die Coronaentladung ionisierten Teilchen eine höhere Ladung tragen als die wie oben beschrieben durch natürliche Effekte ionisierten Teilchen.

In den Waschpausen wird ein Teil der negativen Ionen im geerdeten Waschwasser abgeschieden (Wirkung wie bei bekannten elektrostatischen Naßabscheidern), der Rest dient der Ionisierung der Raumluft.

Neben der Aufgabe die Raumluft auf einem konstanten Ionisierungspotential zu halten werden hier aber auch weitere positive Effekte der negativen Ionisierung der Luft bewußt genutzt.

Weiterhin charakteristisch für das Verfahren ist die Luftführung. Hier wird der Luftstrom entgegen der Lehre nach dem Stand der Technik, von unten nach oben geführt um den Dichteunterschied zwischen der Raumluft und der abgekühlten Luft am Ausgang für die Fernwirkung der Vorrichtung mit zu nutzen. Diese Technik verschlechtert zwar den Wirkungsgrad des Ventilators, da dieser jetzt statt das Dichtegefälle auszunutzen, dagegen anarbeiten muß, erfaßt aber, durch die entstehende Luftströmung, ein größeres Raumvolumen.

Die bei Luftwäschern immer wieder bemängelte Verkeimung des Waschwassers wird durch eine in den Wasserkreislauf integrierte elektronische Entkeimungszelle unterbunden. Ober zwei Elektroden wird dazu atomarer Wasserstoff bzw. Sauerstoff erzeugt, die über Oxydation bzw. Reduktion organische Verbindungen zerstören. Dadurch ist eine Wartung der Vorrichtung nur in großen Zeitintervallen durch einfaches Austauschen des Wassers notwendig um den ausgewaschenen Schmutz und die ausgewaschenen Schadstoffe abzuführen.

Fig. 1 zeigt eine das erfindungsgemäße Verfahren umsetzende Vorrichtung im Schnitt. Neben dem Lufteintritt für die im Raum umgewälzte Luft (1) befindet sich der Frischluftanschluß (2). Das Verhältnis von Umluft zu Frischluft kann über den Schieber (3) eingestellt werden. In Strömungsrichtung folgt der Ventilator (4), der Hochspannungserzeuger mit Entladeelektrode (5), das auf Erdpotential liegende Wasserreservoir (6), der durch die Düse (7) erzeugte polarisierte Wassertropfenvorhang (8) und die Austrittsöffnung (9). Aus dem Wasserreservoir wird mittels einer Pumpe (10) das Wasser über die Entkeimungszelle (11) gepumpt und der Düse zugeführt.

Fig. 2 zeigt eine das erfindungsgemäße Verfahren umsetzende Vorrichtung für eine zentrale Aufstellung im Raum. Die Luft wird in Fußbodennähe angesaugt. Der Zustand der Luft am Lufteintritt entspricht dem des Raumes. In der Vorrichtung wird der Luft beim Waschvorgang die für die Verdunstung des Wassers notwendige Verdampfungsenthalpie entzogen. Die Luft am Austritt ist nahezu gesättigt (97% r.F. typisch) und hat die Temperatur der Waschflüssigkeit angenommen. Bei nicht gekühlter Waschflüssigkeit ist dies minimal die den Bedingungen im Raum zugeordnete Kühlgrenztemperatur. Die Luftdichte am Austritt ist, da der Abkühlungseffekt überwiegt, höher als am Eintritt. Infolge der Austrittsenergie wird die schwerere Luft in einem stabilen Freistrahl zur Raumdecke geblasen, dort umgelenkt und parallel zur Decke in den Raum transportiert. Auf diesem Weg wird ständig Raumluft eingemischt. Für alle Luftzustände der Mischung gilt jedoch, daß die Dicht höher ist, als die der Raumluft. Es existiert ein treibendes Dichtegefälle, das die aufbereitete Luft langsam zum Raumboden bewegt. Durch diese Bewegung werden Schmutzpartikel aus dem Raum zum Fußboden geschleppt (mit Unterstützung durch die Schwerkraft) und der Vorrichtung zugeführt. Der Raum wird ständig mit aufbereiteter Luft "geduscht".

Fig. 3 zeigt eine das erfindungsgemäße Verfahren umsetzende Vorrichtung für Wand­ bzw. Eckaufstellung. Hier erfolgt der vertikale Transport der aufbereiteten Luft zur Decke noch in der Vorrichtung. In der Nähe der Decke wird die aufbereitete Luft dann parallel zur Decke ausgeblasen. Dadurch wird ein wandnaher Kurzschluß von aufbereiteter Luft weitgehend vermieden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Luftaufbereitung in geschlossenen Räumen durch einen nicht stationär gebundenen Luftwäscher, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungs­ verhältnisse in der Auswaschzone sowie die Zerstäubungseigenschaften des als Waschflüssigkeit eingesetzten Wassers so gewählt wurden, daß die durch den Lenard Effekt beschriebene elektrostatische Aufladung des Wassers so genutzt werden kann, daß die Wirkung der elektrostatischen Kräfte die Abscheidewahrscheinlichkeit durch mechanische Effekte um bis zu 30% erhöht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft in Bodennähe angesaugt wird, entgegen dem Dichtegradienten durch den Luftwäscher nach oben transportiert und erst in Deckennähe in den Raum verteilt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft über nahezu die gesamte Raumhöhe im Luftwäscher geführt wird und erst kurz vor der Decke, parallel zu dieser, in den Raum ausgeblasen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft 1 m oder höher über dem Boden aus dem Luftwäscher so ausgeblasen wird, daß der sich bildende Freistrahl stabil die Decke erreicht, dort umgelenkt wird und sich dann in den Raum verteilt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luft vor Eintritt in die Auswaschzone über Coronaentladung negative Ionen aufgeprägt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Auswaschen genutzte Kreislaufwasser über eine Kathode und eine Anode strömt und dabei den dort entstehenden atomaren Sauerstoff bzw. Wasserstoff aufnimmt und damit organische Verunreinigungen (Keime) zerstört.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaug­ stelle in Bodennähe einen Einlaß aus dem Raum und einen Einlaß, der mit der Außenluft verbunden werden kann besitzt, wobei das Verhältnis der angesaugten Volumenströme einstellbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regler bei Erreichen einer eingestellten Luftfeuchtigkeit die Zerstäubung abschaltet und dann die Vorrichtung ähnlich einem elektrostatischen Naßabscheider weiterbetrieben wird.