Wärmerückgewinnung mit Plattenwärmeübertragern - über das Einfrieren des Kondensats

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Die Einfriergrenze, das ist die minimal zulässige Außenluft-
temperatur, bei der das Gefrieren gerade noch nicht eintritt, hängt ab von folgenden Faktoren:
  • den Abluftkonditionen (Temperatur t11 und Feuchte rF11 bzw. x11)
  • der (trockenen) Rückwärmzahl des Wärmerückgewinners RWZ
  • dem Massenstromverhältnis (m2 : m1 = Kaltluft : Warmluft)
  • der Tauscherbauart

Mit der Methode der finiten Elemente lässt sich die Einfriergrenze (annähernd) berechnen. Die Praxis zeigt, dass das tatsächliche Einfrierverhalten neben den physikalischen Randbedingungen von
weiteren Faktoren abhängt.

Kennlinie des Abluftventilators

Bei Beginn des Einfrierens wird durch das Eis in der kalten Ecke der Strömungsquerschnitt der Abluft verengt und der Druckverlust steigt an. Bei Ventilatoren mit flacher Kennlinie wird dadurch der warme Volumenstrom reduziert, was die Eisbildung beschleunigt; der Wärmeaustauscher friert schließlich komplett zu. Bei einem Ventilator mit steiler Kennlinie wird auch bei einem kleineren Strömungsquerschnitt noch annähernd die Nenn-Abluftmenge gefördert. Durch die höhere Strömungsgeschwindigkeit wird die Leistung geringer, so dass sich in Abhängigkeit der Außentemperatur ein Gleichgewichtszustand einstellt und der Wärmeaustauscher in der Regel nicht komplett zufriert. Die Lüftungsfunktion ist – etwas eingeschränkt – gewährleistet.

Einbaulage und Luftführung

Bei der theoretischen Berechnung wird nicht berücksichtigt, dass das Kondensat im Wärmeaustauscher durch Schwerkraft und Strömungskräfte bewegt wird. Das kann grundsätzlich zwei Auswirkungen haben:

  • Das entstehende Kondensat ist warm und energiereich. Bei genügender Menge können damit kältere Teile des Plattenwärmeaustauschers eisfrei gehalten werden.
  • Ist die Kondensatmenge zu klein, dann vereist der Plattenwärmeaustauscher durch die Zufuhr des Kondensats schneller.
Abhängig von Einbaulage und Luftströmung erhält man so unterschiedliche Ergebnisse.

Struktur im Plattenwärmeaustauscher

Grossen Einfluss auf das mögliche Vereisen eines Plattenwärmeübertragers hat die innere Struktur des Tauschers. Entscheidend ist, ob Abluft und Kondensat in alle Richtungen (offener Übertrager) strömen können oder ob sie z. B. in Röhren eindimensional geführt sind (Kanal-Übertrager). Letztere frieren generell schneller ein als offene Übertrager.

Möglichkeiten der Eisvermeidung

Muss sichergestellt sein, dass der Plattenwärmeaustauscher immer voll funktionsfähig ist, so sind folgende Maßnahmen zur Vermeidung des Einfrierens möglich:

  • Vorwärmen der Außenluft
  • Veränderung des Massenstromverhältnisses
  • Abtauschaltungen

Allen Massnahmen ist eigen, dass damit die Gesamteffizienz der Wärmerückgewinnung gemindert wird. Betriebswirtschaftlich ist dies aber kaum von Bedeutung, da die Einfrier-gefahr normalerweise nur während weniger Betriebsstunden im Jahr auftritt.

Achtung: Ist die Abluftfeuchte (bei Standardkonditionen) kleiner als 4 g/kg, so liegt der Taupunkt bei < 0°C, d.h. Kondensation findet nicht statt. Der Wasserdampf geht sofort vom gasförmigen in den festen Zustand über, er sublimiert (es „schneit“). Um Vereisen zu können, muss die Feuchte der Abluft also mehr als 4 g/kg Luft betragen.

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Autor
Thomas Richter