Cooling-based vs Desiccant: mikä kuivausmenetelmä valita projektiisi

Kirjoittaja: Mycondin tekninen osasto

Oikean ilman kuivausmenetelmän valinta on perustavanlaatuinen insinööriratkaisu, joka vaikuttaa paitsi sisäilmaston tehokkuuteen myös käyttökustannuksiin ja järjestelmän kokonaisluotettavuuteen. Pohjoisissa olosuhteissa, kuten Suomessa, missä vuotuiset lämpötila- ja kosteusvaihtelut asettavat erityisiä haasteita, erilaisten kuivaustekniikoiden ymmärtäminen on kriittisen tärkeää.

Tänä päivänä on kaksi perustavanlaatuisesti erilaista ilman kuivausmenetelmää: jäähdytykseen perustuva (cooling-based dehumidification) ja adsorptioon perustuva (desiccant dehumidification). Nämä menetelmät perustuvat eri fysikaalisiin periaatteisiin ja niillä on erilaiset käyttökohteet, edut ja rajoitukset.

Jäähdytyspohjainen kuivausmenetelmä: prosessin fysiikka

Kondensaatiotyyppinen ilmankuivain (cooling-based dehumidification) toimii yksinkertaisella periaatteella: ilma jäähdytetään kastepisteeseen (dew point temperature). Kastepiste on lämpötila, jossa ilman vesihöyry alkaa tiivistyä. Kun ilmaa jäähdytetään tähän lämpötilaan, kosteus muuttuu kaasumaisesta olomuodosta nesteeksi, kerääntyy ja johdetaan pois.

Jäähdytykseen perustuva kuivausprosessi voidaan jakaa useisiin peräkkäisiin vaiheisiin:

1. Kostea ilma johdetaan jäähdyttävään lämmönvaihtimeen (höyrystimeen)
2. Ilma jäähdytetään kastepisteen alapuolelle
3. Ylimääräinen kosteus tiivistyy kylmille pinnoille
4. Kondensaatti kerätään ja johdetaan pois viemäröintijärjestelmän kautta
5. Jäähdytetty ja kuivattu ilma usein esilämmitetään mukavan lämpötilan saavuttamiseksi ja suhteellisen kosteuden alentamiseksi

Jäähdytyspohjaisten kuivausjärjestelmien tyypit

Jäähdytykseen perustuvia ilman kuivausjärjestelmiä on kolme päätyyppiä:

• Suoran paisunnan järjestelmät (DX) — hyödyntävät kylmäainetta suoraan ilman jäähdyttämiseen; yleisimpiä yksinkertaisuutensa ja suhteellisen alhaisen hinnan vuoksi. Tässä kylmäkierron höyrystin on suorassa kosketuksessa kuivattavan ilman kanssa.
• Jäähdytetyn nesteen järjestelmät — käyttävät kylmää vettä tai glykoliliuosta välillisenä lämmönsiirtoaineena. Jäähdytetty neste kiertää lämmönvaihtimen läpi ja on kosketuksissa ilman kanssa.
• Dehumidification-reheat -järjestelmät — yhdistävät kuivauksen ja sitä seuraavan ilman lämmityksen; usein käytetään saman kylmäjärjestelmän lauhduttimen lämpöä jäähdytetyn ilman lämmittämiseen, mikä parantaa energiatehokkuutta merkittävästi.

Cooling-järjestelmien edut kuivauksessa

Kondensaatiokuivaimilla on useita merkittäviä etuja, minkä vuoksi ne ovat suosittuja useimmissa tavanomaisissa käyttökohteissa:

• Korkea energiatehokkuus korkealla kosteudella (COP 2.0–4.5)
• Samanaikainen ilman jäähdytys ja kuivaus
• Ajassa koeteltu teknologia ja laaja tuki
• Suhteellisen alhainen alkuhinta
• Helppo ohjaus ja integrointi ilmastointijärjestelmiin

Jäähdytysmenetelmän rajoitukset

Eduista huolimatta jäähdytykseen perustuvalla kuivausmenetelmällä on perusrajoituksia, jotka on tärkeää huomioida suunnittelussa:

• Saavutettavissa oleva minimikastepiste vain +4...+7°C jäätymisriskin vuoksi lämmönvaihtimessa
• Merkittävä tehokkuuden lasku matalissa ulkolämpötiloissa
• Lähtevä ilma on kosteudella kyllästettyä (noin 100% RH), mikä usein vaatii jälkilämmitystä
• Alhainen energiatehokkuus osakuormilla
• Jäähdytysaineisiin liittyvät ympäristöhaasteet

Adsorptioon perustuva kuivaus: miten desiccant-ilmankuivain toimii

Adsorptiotyyppinen ilmankuivain (desiccant dehumidifier) perustuu täysin erilaiseen fysikaaliseen prosessiin. Ilman jäähdyttämisen sijaan nämä järjestelmät käyttävät erityisiä materiaaleja — desikantteja, joilla on korkea affiniteetti vesimolekyyleihin.

Veden adsorptiofysiikka desikanttien avulla

Adsorptioprosessi tapahtuu höyrynpaine-eron ansiosta. Desikanttien pinnalla veden höyrynpaine on erittäin alhainen, joten veden molekyylit ilmasta (missä höyrynpaine on korkeampi) siirtyvät luonnollisesti desikantin pinnalle. Prosessi ei riipu jäähdytyksestä ja toimii tehokkaasti kaikissa lämpötiloissa.

Pyörivän kuivaimen toimintasykli

Useimmissa nykyaikaisissa desiccant-ilmankuivaimissa käytetään roottoritekniikkaa, jossa adsorptiomateriaali on sijoitettu hitaasti pyörivälle kiekolle, joka vuorottelee kahden ilmavirran välillä:

1. Prosessivirta — kostea ilma kulkee suurimman osan kiekosta läpi (yleensä 75% pinta-alasta), missä desikantti adsorboi kosteuden. Tällöin vapautuu lämpöä ja ulostuloilma on kuivempaa mutta lämpimämpää.
2. Reaktivointivirta — kuuma ilma (120–250°C) kulkee pienemmän osan kiekosta läpi (25% pinta-alasta), poistaa kertynyttä kosteutta ja regeneroi desikantin seuraavaa adsorptiovaihetta varten.

Näin silikageelin tai muiden desikanttien avulla tapahtuva adsorptiokuivaus on jatkuvaa.

Ilman kuivaukseen käytettävät desikanttityypit

Teollisessa kuivauksessa käytetään kolmea päätyyppiä desikantteja:

• Silicageeli — yleisin tyyppi; adsorptiokapasiteetti 10–40% omasta painosta. Tehokkain suhteellisella kosteudella 20–70% RH.
• Molekyyliseulat — mahdollistavat erittäin alhaisten kastepisteiden saavuttamisen (jopa −40°C ja alle). Erityisen tehokkaita alhaisella suhteellisella kosteudella.
• Litiumkloridi — poikkeuksellisen suuri kapasiteetti jopa 1000% omasta painosta. Tehokas korkealla suhteellisella kosteudella, mutta on korrosoiva.

Desiccant-järjestelmien edut ja haitat

Adsorptioilmankuivainten edut:

• Saavutettavien kastepisteiden alue käytännössä rajoittamaton, myös hyvin alhaiset (jopa −70°C)
• Toimii tehokkaasti kaikissa lämpötiloissa, myös pakkasella
• Erittäin kuiva ulostuloilma (mahdollista saavuttaa RH 1-2%)
• Mahdollisuus käyttää erilaisia energialähteitä regenerointiin (kaasu, höyry, hukkalämpö)
• Kuivauksen yhdistyminen lämmitykseen (hyödyllistä talvella)
• Korkea luotettavuus ja pitkä käyttöikä (15–25 vuotta)

Adsorptioilmankuivainten haitat:

• Suuri lämmitysenergian tarve desikantin regenerointiin
• Kohonnut ulostuloilman lämpötila, joka usein vaatii lisäjäähdytystä
• Monimutkaisempi ohjaus ja ylläpito
• Riski desikantin kontaminoitumisesta öljyllä, pölyllä tai kemikaaleilla
• Korkeampi alkuhinta verrattuna cooling-järjestelmiin

Kuivausmenetelmien vertailutaulukko

Yhdistetyt kuivausjärjestelmät

Tehokkuuden parantamiseksi ja molempien menetelmien rajoitusten voittamiseksi käytetään usein yhdistelmäkuivausjärjestelmiä, jotka yhdistävät cooling-based- ja desiccant-teknologioiden edut.

Esijäähdytys desikantin edellä

Suosituin yhdistelmäkaavio perustuu kaksivaiheiseen prosessiin:

1. Kondensaatiokuivain (cooling-based) alentaa kosteuspitoisuuden kastepisteeseen +4°C, hoitaen pääasiallisen kuivauksen minimoiduilla kustannuksilla.
2. Adsorptioilmankuivain (desiccant) kuivaa ilman edelleen haluttuun alhaiseen kastepisteeseen.

Tällä ratkaisulla voidaan säästää 30–50% desikantin regenerointienergiasta, koska merkittävä osa kosteudesta poistetaan jo ensimmäisessä vaiheessa.

Kausittainen vaihtaminen

Alueilla, joilla vuodenaikojen vaihtelu on selkeää, kuten Suomessa, tehokas strategia on vaihtaa kuivausmenetelmää kausittain:

• Kesällä: käytetään cooling-based -järjestelmiä, jotka tarjoavat samanaikaisen jäähdytyksen ja kuivauksen korkeiden lämpötilojen ja kosteuden aikana.
• Talvella: siirrytään desiccant-järjestelmiin, joilla ei ole jäätymisongelmia ja jotka samalla lämmittävät ilmaa.

Hukkalämmön hyödyntäminen

Kolmas integrointimalli on kylmälaitosten hukkalämmön käyttö desikantin regenerointiin. Tämä on erityisen tehokasta kohteissa, joissa on jatkuvaa jäähdytystä (supermarketit, konesalit, teolliset jäähdyttimet): lauhdutuksessa syntyvä lämpö ohjataan adsorptiomateriaalin regenerointiin sen sijaan, että se päästetään ulkoilmaan. Näin voidaan saavuttaa jopa 40%:n energiansäästö kuivauskustannuksissa.

Kuivausmenetelmän valinnan taloudelliset näkökohdat

Havainnollistaaksemme kuivausmenetelmän valinnan taloudellista puolta tarkastellaan kahta tyypillistä tapausta.

Tapaus 1: Asuinkiinteistön kellari, jossa korkea kosteus

Tyypillinen tilanne: asuinrakennuksen kellari Helsingissä, jossa suhteellinen kosteus on 70-80% RH ja se on alennettava miellyttävään 50% RH:iin (kastepiste noin +10°C).

• Optimaalinen ratkaisu: kondensaatiokuivain (cooling-based)
• Valinnan syyt: tavoitekastepiste on selvästi yli kriittisen +4°C rajan, keskisuuri kuormitus, alhaisten käyttökustannusten tärkeys, riittävä tehokkuus huonelämpötiloissa, alhainen alkuhinta.

Tapaus 2: Farmaseuttinen laboratorio

Tyypillinen tilanne: Tampereella sijaitseva farmaseuttinen laboratorio tarvitsee erittäin matalan kosteuden, kastepisteen −20°C, hygroskooppisten materiaalien suojaamiseksi ja kemiallisten prosessien vakauden varmistamiseksi.

• Optimaalinen ratkaisu: adsorptioilmankuivain (desiccant) tai yhdistelmäjärjestelmä
• Valinnan syyt: tavoitekastepiste on selvästi alle +4°C, mikä tekee cooling-järjestelmistä fyysisesti kykenemättömiä saavuttamaan tällaiset olosuhteet kondensaatin jäätymisen vuoksi. Luotettavuuden korkea tärkeys suhteessa käyttökustannuksiin.

Päätöksentekokaavio kuivausmenetelmän valintaan

Kuivausmenetelmän valintaa voi yksinkertaistaa seuraavalla päätöksentekologiikalla:

• Jos tavoitekastepiste on yli +5°C ja ulkoinen kosteus on korkea — paras valinta on cooling-based -järjestelmä.
• Jos kastepiste on alle +5°C ja edullista lämpöenergiaa on saatavilla — paras valinta on desiccant.
• Jos tarvitaan alhaisia kastepisteitä korkealla tehokkuudella — paras valinta on yhdistelmäjärjestelmä.
• Jos toiminta laajalla lämpötila-alueella (erityisesti matalissa) on tärkeää — paras valinta on desiccant.

FAQ: Usein kysytyt tekniset kysymykset ilman kuivausmenetelmistä

Miksi kondensaatiokuivain on tehoton talvella?

Talvella, erityisesti Suomen kylmässä ilmastossa, ilman absoluuttinen kosteuspitoisuus laskee huomattavasti. Alhaisissa lämpötiloissa ilma voi tuntua kuivalta (alhainen absoluuttinen kosteus) mutta sen suhteellinen kosteus voi olla korkea. Kondensaatiokuivaimet toimivat tiivistämällä kosteutta jäähdytyksen avulla, mutta jos ilma on jo kylmää ja sisältää vähän kosteutta, prosessista tulee energiatehottomaa — kuivaimen on jäähdytettävä ilmaa hyvin alhaisiin lämpötiloihin.

Mikä on cooling-järjestelmien pienin mahdollinen kastepiste?

Kondensaatiokuivaimien perusrajoitus on pienin saavutettava kastepiste noin +4...+7°C. Tämä johtuu siitä, että kun lämmönvaihdin jäähdytetään alle 0°C:n, sen pinnalle muodostuva kondensaatti alkaa jäätyä, synnyttäen jääkerroksen, joka estää lämmönsiirron ja ilmavirran. Vaikka on olemassa erikoisjärjestelmiä sulatussykleillä, ne monimutkaistavat rakennetta ja heikentävät tehokkuutta merkittävästi.

Milloin desiccant-ilmankuivain on taloudellisesti edullisempi?

Adsorptioilmankuivain on taloudellisesti edullisempi seuraavissa tapauksissa:

• Kun tarvitaan kastepisteitä alle +5°C
• Kun toimitaan matalissa lämpötiloissa (alle +10°C)
• Kun edullisia lämpöenergian lähteitä on saatavilla (kaasu, höyry, hukkalämpö)
• Kun ilman lisälämmitys on etu
• Kun luotettavuus ja pitkä käyttöikä ovat kriittisen tärkeitä

Voidaanko molemmat kuivausmenetelmät yhdistää?

Kyllä, yhdistelmäjärjestelmät ovat usein kaikkein tehokkain ratkaisu. Tyypillinen kaavio sisältää ilman esikuivauksen kondensaatiomenetelmällä kastepisteeseen +4...+7°C, minkä jälkeen adsorptiojärjestelmä kuivaa ilman haluttuun alhaiseen kastepisteeseen. Näin suurin osa kosteudesta poistetaan energiatehokkaasti, ja kalliimpaa adsorptiovaihetta käytetään vain viimeistelykuivaukseen.

Miten lämpötila vaikuttaa kuivausmenetelmän valintaan?

Lämpötila on yksi avaintekijöistä kuivausmenetelmän valinnassa:

• Korkeissa lämpötiloissa (yli +20°C) ja korkealla kosteudella kondensaatiomenetelmät ovat yleensä tehokkaampia korkean COP:n ansiosta.
• Matalissa lämpötiloissa (alle +10°C) kondensaatiokuivaimet menettävät tehokkuutta, kun taas adsorptiojärjestelmät säilyttävät suorituskykynsä.
• Pakkaslämpötiloissa kondensaatiomenetelmiä on käytännössä mahdotonta käyttää ilman esilämmitystä, kun taas adsorptiojärjestelmät toimivat tehokkaasti missä tahansa lämpötila-alueessa.

Mitkä toimialat tarvitsevat desiccant-kuivausta?

Adsorptiokuivaus on kriittisen tärkeää seuraaville toimialoille:

• Lääketeollisuus (hygroskooppisten materiaalien suojaamiseen)
• Mikroelektroniikka ja puolijohteiden valmistus
• Elintarviketeollisuus (kuivaus, varastointi)
• Kosteusherkkien materiaalien ja esineiden säilytys (museot, arkistot)
• Sotilasteknologia (korroosiosuojaus)
• Ilmailu- ja avaruusteollisuus
• Vedenkäsittelylaitokset (kondensaation estämiseksi)

Johtopäätökset: mikä kuivausmenetelmä valita projektiisi

Valinta cooling-based- ja desiccant-järjestelmien välillä riippuu useista tekijöistä. Mikään menetelmä ei ole universaalisti paras — jokaisella on omat etunsa ja rajoituksensa.

Kondensaatiokuivaimet (cooling-based) ovat edelleen optimaalinen valinta useimpiin tavanomaisiin käyttökohteisiin, joissa halutaan ylläpitää mukava kosteus kohtuullisissa lämpötiloissa ja energiatehokkuus on tärkeää. Ne ovat taloudellinen ratkaisu asuintiloihin, toimistoihin, uima-altaisiin ja vastaaviin kohteisiin, erityisesti lämpimänä vuodenaikana.

Adsorptioilmankuivaimet (desiccant) ovat korvaamattomia, kun tarvitaan erittäin alhaisia kosteustasoja, toimintaa matalissa lämpötiloissa tai erittäin korkeaa luotettavuutta. Ne ovat standardi teollisissa prosesseissa, tuotannoissa, joilla on erityiset mikroilmastovaatimukset, sekä kohteissa, joissa on saatavilla vaihtoehtoisia lämpöenergian lähteitä.

Suomen ankarissa ilmasto-olosuhteissa, joissa vuotuiset lämpötila- ja kosteusvaihtelut ovat erityisen voimakkaita, tehokkain ratkaisu on usein käyttää yhdistelmäjärjestelmiä tai vaihtaa menetelmää kausittain.

Kuivausjärjestelmää suunniteltaessa huomioi aina paitsi laitteiston alkuhinta myös koko elinkaarikustannus, mukaan lukien energiankulutus, ylläpito ja käyttöikä. Oikein valittu kuivausjärjestelmä on investointi tilojen, laitteiden ja ihmisten mukavuuden suojaamiseen.