Luft-Wärmestrom

Das Funktionsprinzip des Luftenergiezählers

Das Messsystem „Luftenergiezähler“, erfunden von Jens Amberg und mit mehreren Patenten geschützt, löst die Messaufgabe der Durchfluss- und Wärmestrom-Erfassung in Luft oder Rauchgas. Dabei erfüllt es alle Anforderungen an die Produktnorm DIN 94701 („Luftenergiezähler“). Die Besonderheit besteht darin, dass mit dem Luftenergiezähler ein kompaktes, in über 700 Projekten praxiserprobtes und mit den erforderlichen Schnittstellen und Software-Funktionen entwickeltes Messsystem vorliegt.

Eine Hauptfunktion ist dabei wie gesagt die Durchflusserfassung. An den Luftenergiezähler können beliebige Wirkdruckgeber (Staudrucksonden, Blenden, Venturi etc.) angeschlossen werden – gerne natürlich die hauseigenen Sonden wie „Luftmeister Freiburg“ oder „Luftmeister Kassel“. Wie Luftmeister mit dem meist asymmetrischen Strömungsprofil und anderen Anwendungs-Herausforderungen umgeht, wird im Menü „Luft-Volumenstrom“ beschrieben. Die Auswertung des Wirkdrucks erfolgt mit einer Kaskade zweier Differenzdrucksensoren, so dass neben den hohen Durchflüssen auch die niedrigen Durchflüsse sauber erfasst werden. In den meisten Anwendungen kommt es zudem darauf an, einen dichtekompensierten Wert auszugeben (Norm-Volumenstrom, Massenstrom trocken oder feucht etc.). Die Dichte wird über ihre drei Komponenten Temperatur (°C), Feuchte (%rF) und Absolutdruck (hPa) erfasst, wobei der Absolutdruck-Sensor Teil des Luftenergiezählers ist, während Temperatur und Feuchte als externe Sensoren angeschlossen werden – mit optimaler Flexibilität bezüglich der Anwendungen.

Darüberhinaus erfasst der Luftenergiezähler die Enthalpie (kWh/kg), also die Fragestellung, welche Wärmemenge 1 kg Luft transportiert. Auch hier erfolgt die Ermittlung über Temperatur, Feuchte und Absolutdruck. Auf der Basis des Massenstroms und der Enthalpie wird sodann die thermische Leistung bestimmt (kW) – eine ganz zentrale Regel- und Monitoringgröße für die thermische Effizienz!

Zudem verfügt der Luftenergiezähler über drei Zählerregister. Neben dem Luftvolumen (m3) wird der „luftseitige Wärmemengenzähler“ (kWh „rot“) immer dann hochgezählt, wenn die thermische Leistung größer als Null ist. In Zeiträumen, wo die thermische Leistung kleiner Null ist, wird dagegen der (gesonderte und vom Wärmemengenzähler unabhängige) „luftseitige Kältemengenzähler“ (kWh „blau“) hochgezählt.

Das Messsystem kann bequem über die leistungsfähige „Luftmeister-Tool“-Software parametriert werden. Auch die neun Logger-Kanäle des Luftenergiezählers werden auf diesem Weg ausgelesen, Sensorjustagen werden ebenso unterstützt wie Logbuch-Auslesungen.

Um der Vielfalt an Anwendungen gerecht zu werden, verfügt der Luftenergiezähler über zahlreiche Schnittstellen. So kann er bis zu 11 Analogsignale ausgeben, bis zu 10 Schalt- oder Impulssignale sowie die digitalen Bussignale „M-Bus“ oder „Modbus-RTU“. Abgerundet wird das Konzept durch ein leistungsfähiges Touch-Display mit umfangreichem Bedienmenü.

Abschließend sei zum Messsystem „Luftenergiezähler“ noch die Besonderheit erwähnt, dass er den Zusammenschluss mehrerer Geräte (über den digitalen EZ-Bus) unterstützt. Dadurch können sich mehrere Messstellen dieselbe Enthalpie-Messstelle „teilen“ (so das z.B. nur einmal eine Außenluft-Enthalpie zu erfassen ist), zudem sind Additionen und Subtraktionen von Massenströmen möglich, um Verzweigungen abzubilden.

Präzise Erfassung Dichte, Enthalpie und Feuchte

Luftdichte und Enthalpie sind zentrale Parameter für eine präzise Durchfluss- und Wärmestrom-Messung. Beide Größen werden über die Temperatur, die Feuchte und den Absolutdruck bestimmt. Während die Temperatur für Dichte und Enthalpie jeweils eine ganz zentrale Rolle spielt, bestimmt der Absolutdruck maßgeblich die Dichte (kaum aber die Enthalpie) und umgekehrt die Feuchte maßgeblich die Enthalpie (nicht aber die Dichte).

Die größte messtechnische Komplexität unter diesen Parametern weist dabei die Feuchtemessung auf – wie gesagt ein zentraler Parameter für die Enthalpie und damit für die Wärmestrom-Erfassung. Da die Feuchte zudem ein zentrales Qualitätskriterium von Luft ist (hochtrockene Luft etwa in der Batterieherstellung, Komfortzonen-Belüftung in der Klimaluft, Wassergehalts-Regelung in der Trocknung etc.), setzt Luftmeister insgesamt vier verschiedene Feuchte-Messsysteme ein, die jeweils in ihrem typischen Anwendungsbereich eine hohe Präzision und auch Robustheit garantieren. So kann das Luftenergiezähler-Messsystem Restfeuchten bis -120 Grad Taupunkt ebenso erfassen wie Hochfeuchte bei z.B. 30 Grad, 170 Grad oder 380 Grad. Um zudem im industriellen Prozess mit seiner Luftbelastung und teils sehr hohen Strömungen Bestand zu haben, schützt Luftmeister die Feuchtesensorik mit speziellen Schutzschilden und Ausblasvorrichtungen. Um zudem die ganze Bandbreite an Anwendungen abdecken zu können, gestattet der Luftenergiezähler sowohl die Eingangs-Aufschaltung als auch die Signal-Ausgabe in Form unterschiedlichster Feuchtegrößen, von der relativen Feuchte (%rF) über den Taupunkt (°Ctd), die Absolutfeuchte (g H2O / m3 Luft) und den Sättigungsgrad (g H2O/ kg Luft) bis hin zum Taupunktabstand (K).

Erfassung von Zustandsänderungen

Klimaluft und Prozessluft verändern schrittweise ihre Konditionen, die jeweils in der Regel über ihre Temperatur- und Feuchtewerte definiert sind. So wird Außenluft meist über eine WRG (Wärmerückgewinnung) geführt, um anschließend Erhitzer, Kühler, ggf. auch Befeuchter- oder Entfeuchterstufen zu durchlaufen. Und natürlich verändern sich im Prozess die Konditionen, die Abluft hat nur selten ähnliche Zustände wie die Zuluft. All diese (oder einzelne dieser) Zustandsänderungen kann das Luftenergiezähler-Messsystem erfassen. Die Besonderheit ist, dass es sich um eine Dauermessung handelt und somit zum Beispiel bekannt wird, welchen thermischen Leistungsbeitrag eine WRG zu jedem Zeitpunkt über das Jahr wirklich liefert. Oder welche „Raumlasten“ tatsächlich in den verschiedenen Jahreszeiten entstehen – ein optimales Kriterium, wenn es gilt, eine „Altanlage“ durch eine besser angepasste „Neuanlage“ zu ersetzen.

Einen besonders großen Effizienzhebel kann diese Messlösung natürlich bei kostspieliger Prozessluft entfalten. Gelingt es, dank dieser Erfassung die Kriterien zu finden und dann kontinuierlich einzuregeln, die eine optimale WRG-Ausbeute erbringen, so werden regelmäßig hohe Einsparungen erzielt.

Zudem steht oft die Erfassung der Fortluft-Wärme im Mittelpunkt, wenn es nämlich gilt, fehlende oder unterdimensionierte WRG-Systeme zu ergänzen. Auf Basis der Luftmeister-Wärmestrom-Erfassung wird dann das neue System passend dimensioniert.

Wärmestrom-Erfassung in Prozessluft

Neben den oben beschriebenen Zustandsänderungen liegt bei der Prozessluft bzw. dem Medium Rauchgas oft ein hohes Interesse darin, die durch ausgewählte Luftleitungen strömende Wärme zu erfassen. Welche Wärme strömt von einer Ofenanlage zu einer Trockneranlage? Welche Wärme wird über einen Kamin oder ein Fortluftrohr ausgestoßen? Und allgemein: Welche Wärmeströme nimmt ein verfahrenstechnischer Prozess auf, welche verteilt er intern mit welcher Ausprägung um, und welche emittiert er?

Physikalisch gesprochen, wird hier nicht auf die Enthalpie-Änderung geschaut, die für die Zustands-Betrachtungen relevant ist (zum Beispiel die Enthalpie vor und nach einem Wärmetauscher), sondern die gemessene Prozess-Enthalpie wird hier auf einen „Enthalpie-Nullpunkt“ bezogen, etwa die Enthalpie bei 0°C, die praktischerweise 0 kWh/kg beträgt. Der Luftenergiezähler unterstützt auch diese Messaufgaben professionell und gestattet dadurch, verfahrenstechnische Anlagen zu monitoren, zu steuern und auch optimierend zu regeln.  

Effizienzoptimierung durch Qualitätsmessreihen

Im Bereich der Prozessluft und der Verfahrenstechnik stellt sich oftmals die Aufgabe, die Anlage nicht nur bei Volllast effizient zu fahren. So werden Keramiköfen nicht nur mit dem Hauptprodukt bei 100% Auslastung beschickt, sondern werden auch für Nebenprodukte und Teillast-Situationen eingesetzt.

Hier hat sich der Luftenergiezähler besonders bewährt, denn diese (über die Jahre meist immer häufiger auftretenden) Nutzungsfälle bergen große Effizienzpotenziale. Das Vorgehen ist wie folgt: Die relevanten Luftleitungen werden mit Luftenergiezähler-Messstellen ausgestattet. Dann werden sogenannte „Qualitätsmessreihen“ gefahren. Darunter ist zu verstehen, dass für alle relevanten Produkt- und Teillastkombinationen (z.B. „Produkt B bei 100 / 80 / 60 % Auslastung“ etc.) Variationen des Wärmestroms gefahren werden – natürlich immer unter dem Augenmerk, dass die Produktqualität einwandfrei bleibt. So nähert man sich schrittweise den jeweils sparsamsten Fahrweisen an und kann zuletzt deren Parameter zur automatisierten Regelung im übergeordneten Prozessleitsystem hinterlegen.

Trockneroptimierung mit dem Luftenergiezähler

Die meisten Trockneranlagen basieren auf der Fähigkeit von Luft, Feuchte aufzunehmen. Unabhängig davon, ob die Luft dabei über die Oberfläche des Trocknungsguts streicht (Heißlufttrockner), durch das Schüttgut strömt (Bandtrockner) oder rotierendes Schüttgut umströmt (Trommeltrockner) – immer soll die Abluft den Überschuss an Feuchtigkeit abtransportieren.  Auch verfahrenstechnisch aufwändigere Trockner wie die Sprühtrockner (Flüssigkeit wird zerstäubt und mit Heißluft getrocknet) oder Wirbelschicht- und Strahltrockner basieren letztlich auf der Wasseraufnahmefähigkeit von Luft.

Der Luftenergiezähler unterstützt die Effizienzregelung von Trocknern in zweierlei Weise. Zum einen zeigt er den Verlauf der thermischen Leistung auf (Massenstrom Abluft mal Enthalpiedifferenz von Abluft und Zuluft) – so können optimale Zeitprofile gefunden werden (s.o. Qualitätsmessreihen) und als Regelvorgabe hinterlegt werden. Zum anderen kann der Luftenergiezähler den Massenstrom der Luft und zugleich den Sättigungsgrad der Luft (g H2O pro kg Luft) messen. Multipliziert man diese Größen, so ergibt sich unmittelbar der tatsächliche Wasserentzug (Liter pro Stunde). Somit wird sichtbar, welche thermische Leistung jeweils pro Liter Wasserentzug aufzubringen ist – die effizienteste Fahrweise kann auch hier ermittelt und als Regelvorgabe hinterlegt werden.