Honeycombe®-desikanttipyörät: rakenne, toimintaperiaate ja tekniset edut

Kirjoittaja: Mycondin tekninen osasto

Monien syväkuivausteknologioiden joukossa laajimmin ovat yleistyneet adsorptioilmankuivaimet, joissa on Honeycombe®-tyyppiset desikanttiroottorit. Tämä hallitseva asema ei ole sattumaa: pyörivät, poimutetun puolikeraamisen rakenteen omaavat pyörät yhdistävät kaikki aiempien desikantti-ilmankuivainkonfiguraatioiden edut. Toisin kuin irtotäytetyt tornit rakeistetulla piigeelillä, horisontaaliset pyörivät kaukalot ja pystysuuntaiset monitasoiset kerrokset räikkäkäytöllä, DEW-teknologia (Desiccant Wheel) tarjoaa jatkuvan kuivatusprosessin, erittäin matalat kastepisteet ja korkean energiatehokkuuden pienen pyörivän massan ansiosta.

Juuri nämä tekijät tekevät Honeycombe®-teknologiasta optimaalisen valinnan teollisiin ja kaupallisiin sovelluksiin Pohjois-Euroopan vaativissa ilmasto-olosuhteissa, missä tehokas ilman kuivaus on kriittistä monilla aloilla — lääketeollisuudesta elintarviketeollisuuteen, datakeskuksista museoihin.

Honeycombe®-pyörän rakenne: kuivatuksen insinööritaidonnäyte

Adsorptioilmankuivaimen ydin on Honeycombe®-teknologialla valmistettu pyörivä desikanttipyörä. Rakenteellisesti se on lasikuitumatriisiin perustuva puolikeraaminen rakenne, joka näyttää visuaalisesti aaltopahvilta, rullattuna sylinterin muotoon. Poimut muodostavat uurteita (flutes), jotka toimivat yksittäisinä ilmakanavina, halkaisijaltaan 1,5–3 mm, ja ne on tasaisesti päällystetty hienojakoisella adsorbentilla — tyypillisessä rakenteessa yli 82 % piigeeliä.

Tehokkuutta määrittävä avainparametri on piigeelin sisäinen pinta-ala, joka on 21 000–22 700 m² per unssi (228 864–244 121 neliöjalkaa/unssi). Tämä valtava kosketuspinta-ala varmistaa erittäin matalan vesihöyryn osapaineen adsorbentin pinnalla, mikä on kuivausprosessin fysikaalinen perusta.

Toimintaperiaate perustuu termodynamiikan peruslakeihin — vesihöyry diffundoituu alueilta, joilla osapaine on suurempi (kostea ilma), kohti pienempää osapainetta (adsorbentin pinta). Pyörän erityispiirre on, että suorien kanavien ansiosta ilmavirtaus sen läpi on laminaarinen eikä turbulenttinen, kuten irtotäytteisissä kerroksissa. Tämän ansiosta aerodynaaminen vastus kasvaa vain suhteessa pyörän syvyyteen eikä nopeuden neliönä, mikä on tyypillistä turbulenttisille virtauksille.

Adsorptio–desorptiosykli: prosessin termodynamiikka

Desikanttipyörän toimintasykli perustuu sen pinta-alan jakamiseen kahteen toiminnalliseen vyöhykkeeseen: kuivausvyöhyke (270°, kolme neljäsosaa pinta-alasta) ja regenerointivyöhyke (90°, yksi neljäsosa), jotka on fyysisesti eristetty toisistaan erityistiivisteillä. Tyypillinen pyörimisnopeus on 5–30 kierrosta/h aktiivisessa adsorptiossa, mikä on huomattavasti hitaampaa kuin passiivisilla entalpiapyörillä, jotka pyörivät nopeudella 20–60 kierrosta/min.

Kokonainen desikanttipyörän toimintasykli sisältää kolme vaihetta:

Vaihe 1 (adsorptio): Kuiva, kylmä desikantti, jonka pinnan höyryn osapaine on matala, adsorboi kosteutta prosessi-ilmasta, kyllästyen vähitellen ja lämmeten sorption lämmön vaikutuksesta. Tässä vaiheessa ilman kastepiste alenee ja sen lämpötila nousee.

Vaihe 2 (regenerointi): Pyörimisen myötä kyllästynyt desikantti siirtyy regenerointivyöhykkeelle, jossa sitä kuumennetaan kuumalla ilmalla, tyypillisesti 120 °C:een (248 °F), PTC-lämmittimen avulla. Tällöin pinnan höyryn osapaine kasvaa jyrkästi ja kosteus vapautuu regenerointivirtaan.

Vaihe 3 (jäähdytys): Kuuma kuiva desikantti palaa kuivausvyöhykkeelle, missä se jäähtyy osalla prosessi-ilmaa, palauttaen matalan pintahöyryn osapaineen uutta adsorptiosykliä varten.

On tärkeää huomata, että regenerointi-ilmavirta on noin 1/3 prosessi-ilmavirrasta ja kulkee vastavirtaan, mikä varmistaa optimaalisen 3:1-suhteen. Kun kosteutta poistetaan, vapautuu sorption lämpöä (kondensaation lämpö plus kemiallinen sitoutumislämpö), määrältään 2510–3050 kJ/kg (1080–1312 BTU/pauna) poistettua vettä kohti. Tämä johtaa prosessi-ilman lämpenemiseen suhteessa poistettuun kosteuteen.

Esimerkiksi ilma, jonka parametrit ovat 21 °C ja 50 % RH, voi syväkuivauksen (kastepisteeseen 7 °C) jälkeen lämmetä 49 °C:een, minkä vuoksi monissa sovelluksissa tarvitaan lisäjäähdytystä kuivauksen jälkeen.

Desikanttityypit ja niiden sorptio-ominaisuudet

Adsorptioilmankuivaimen tehokkuus määräytyy suurelta osin käytetyn desikantin tyypin ja sen sorptio-ominaisuuksien mukaan. Yleisimmät desikantit roottoreissa ovat erilaiset piigeelit, molekyyliseulat ja litiumkloridi. Niiden sorptiokapasiteetti lämpötilassa 25 °C (77 °F) eroaa merkittävästi:

• Piigeeli, tyyppi 5: 2,5 % kosteudessa 20 % RH
• Piigeeli, tyyppi 1: 15 % kosteudessa 20 % RH
• Molekyyliseulat: 20 % kosteudessa 20 % RH
• Litiumkloridi: 35 % kosteudessa 20 % RH

Käytännössä tämä tarkoittaa, että 22,7 kg (50 paunaa) vesihöyryä poistamiseen ilmasta kosteudessa 20 % RH tarvitaan teoreettisesti: 907 kg (2000 paunaa) piigeeliä tyyppi 5, tai 151 kg (333 paunaa) piigeeliä tyyppi 1, tai 113 kg (250 paunaa) molekyyliseuloja, tai 65 kg (143 paunaa) litiumkloridia. Todelliset desikanttimäärät järjestelmissä ovat huomattavasti suurempia prosessin dynamiikan ja pitkän syklin tarpeen vuoksi.

Insinöörit yhdistävät usein eri desikanttityyppejä optimaalisten ominaisuuksien saavuttamiseksi. Esimerkiksi piigeeli tyyppi 1 tarjoaa korkean kapasiteetin matalilla kosteustasoilla, kun taas tyyppi 5 adsorboi tehokkaasti suuria määriä vettä yli 90 % RH -olosuhteissa. Tällainen yhdistelmä mahdollistaa kahden näennäisesti ristiriitaisen tavoitteen saavuttamisen yhtä aikaa: matala kastepiste ja korkea tuottavuus.

Molekyyliseuloilla on erityinen rooli erittäin matalien kastepisteiden saavuttamisessa (alle 10 % RH tai −40 °C kastepiste), missä ne osoittavat suurimman kapasiteetin kaikista adsorbenteista ainutlaatuisen kiteisen rakenteensa ja tarkasti kalibroidun huokoskoon ansiosta.

Honeycombe®-rakenteen edut jäsennellysti

Verrattuna vaihtoehtoisiin desikantti-ilmankuivainkonfiguraatioihin Honeycombe®-teknologialla on useita merkittäviä etuja:

1. Pieni pyörivä massa ja suuri kosteudenpoistokyky. Koska lämmitys- ja jäähdytysenergia on suoraan verrannollinen desikantin massaan, kevyt rakenne tarjoaa korkean energiatehokkuuden.
2. Alhainen aerodynaaminen vastus. Laminaarinen virtaus suorien kanavien läpi, toisin kuin turbulenttinen virtaus irtotäytteisissä kerroksissa, joissa vastus kasvaa nopeuden neliönä.
3. Erittäin matalat kastepisteet. Mahdollisuus saavuttaa kastepisteitä jopa −68 °C (−90 °F) sopivilla desikanteilla.
4. Yksinkertainen rakenne. Vähäinen määrä liikkuvia osia (vain pyörä ja käyttö) alentaa huoltokustannuksia.
5. Joustavuus erilaisten desikanttien käyttöön. Mahdollisuus käyttää sekä kiinteitä että nestemäisiä desikantteja sovelluksen mukaan.
6. Jatkuva toiminta. Ei sahalaitamaista ulostulokosteuden vaihtelua, joka on tyypillistä irtotäytteisille torneille, joissa regenerointi on jaksottaista.

Ainoana haittana voidaan pitää pyörän korkeampia valmistuskustannuksia verrattuna kuivaan rakeiseen desikanttiin, mutta tämä ero kompensoituu täysin käyttöetuilla tyypillisen 15–30 vuoden eliniän aikana.

Tekijät, jotka vaikuttavat pyörän suorituskykyyn

Desikanttiroottorin suorituskykyyn vaikuttaa useita avaintekijöitä, joista jokainen edustaa insinöörikompromissia:

Pyörän syvyys: Syvyyden kasvattaminen lisää desikantin ja ilman kontaktipinta-alaa ja poistettavan kosteuden määrää, mutta aerodynaaminen vastus kasvaa suhteessa, lisäten puhaltimen energiankulutusta. Optimaalinen pyörän syvyys on yleensä 100–400 mm sovelluksesta riippuen.

Pyörimisnopeus: Suurempi pyörimisnopeus (5–30 kierrosta/h) kasvattaa desikantin määrää, joka koskettaa ilmaa syklisesti, nostaen tuottavuutta. Samalla kuitenkin lämmön siirtyminen regenerointivyöhykkeeltä kuivausvyöhykkeelle kasvaa, mikä usein edellyttää prosessi-ilman lisäjäähdytystä.

Regenerointilämpötila: Tyypillinen reaktivointilämpötila 120 °C mahdollistaa kosteuden tehokkaan desorption. Viimeisten tiukasti sitoutuneiden vesimäärien poistamiseen tarvitaan kuitenkin selvästi enemmän energiaa. Siksi jotkut valmistajat käyttävät kaksivaiheista regenerointia — 70–80 % kosteudesta poistetaan matalapotentiaalisella lämmöllä ja loppukuivaus suoritetaan korkeammalla lämpötilalla.

Tiiviys vyöhykkeiden välillä: Kaikki vuoto kosteasta regenerointi-ilmasta kuivaan prosessivirtaan heikentää merkittävästi suorituskykyä. Esimerkiksi vuoto 20 kuutiojalkaa/min ilmassa, jonka kosteus on 120 grainia/pauna, virtaan 500 kuutiojalkaa/min, jonka kosteus on 1 grain/pauna, nostaa ulostulon kosteuden 5,5 grainiin/pauna.

Epäpuhtauksien vaikutus: Pöly tukkii vähitellen adsorbentin huokosia, alentaen kapasiteettia vuosien saatossa. Orgaaniset höyryt voivat polymeroitua korkeissa regenerointilämpötiloissa. Korrosoivat kaasut (esim. rikkitrioksidi) voivat muutamassa vuodessa muuttaa desikantin rakennetta kemiallisesti. Siksi ilman suodatus kuivaimen tulossa on aina suositeltavaa.

Honeycombe®-teknologialla varustettujen adsorptioilmankuivaimien käyttökohteet

Honeycombe®-desikanttiroottoreilla varustetut adsorptioilmankuivaimet soveltuvat laajasti monille aloille, erityisesti Pohjois-Euroopan vaativissa ilmastoissa:

Lääkevalmistus: Puhdastilat tablettien puristukseen ja pakkaamiseen, kosteuden hallinta jopa 10 % RH:iin tarkkuudella ±2 % RH. Tyypillinen ilman kastepiste on −11 °C (13 °F) lämpötilassa 21 °C (70 °F).

Elintarviketeollisuus: Hygroskooppisten tuotteiden, kuten maissisiirappikaramellien, pikakahvin ja kuiva-ainesten pakkaus. Erityisen tehokasta suihkukuivausprosesseissa, joissa ilman lämpeneminen kuivauksen yhteydessä on prosessille hyödyllistä.

Puolijohdeteollisuus: Kosteuden hallinta hygroskooppisten valoresistien kanssa työskentelyyn, joissa mikroskooppinen kosteuden imeytyminen aiheuttaa piirivikoja.

Arkistointi: Museot, kirjastot ja asiakirjavarastot, joissa kosteus pidetään 35 % RH:ssä metallisten esineiden korroosion ja homeen kasvun estämiseksi.

Kylmävarastot ja supermarketit: Estetään kylmäkalusteiden jäätämistä ja parannetaan kylmäjärjestelmien tehokkuutta latenttikuorman alenemisen ansiosta.

Teolliset prosessit: Turvalasin laminointi, komposiittimateriaalien valmistus, tarkkuusvalu vahamuoteilla — prosessit, joissa kosteudenhallinta vaikuttaa ratkaisevasti lopputuotteen laatuun.

Usein kysyttyä Honeycombe®-tyyppisistä desikanttiroottoreista

Mikä ero on passiivisen ja aktiivisen adsorption välillä?

Passiivinen adsorptio käyttää virtausten välistä kosteuseroa ilman lämmöntuontia (entalpiapyörät pyörivät nopeudella 20–60 kierrosta/min). Aktiivinen adsorptio käyttää regenerointi-ilman lämmitystä syväkuivaukseen (pyörimisnopeus 5–30 kierrosta/h). Vain aktiivinen adsorptio voi kuivata ilman rakennuksen sisäistä kosteutta alemmalle tasolle.

Miksi Honeycombe® on tehokkaampi kuin irtotäytteiset kerrokset?

Laminaarisen virtauksen suorien kanavien läpi, pienen massan ja suuren kosketuspinta-alan, jatkuvan toiminnan ilman sahalaitamaisia ulostulokosteuden vaihteluita sekä mahdollisuuden yhdistää erilaisia desikantteja samaan rakenteeseen ansiosta.

Mihin kastepisteeseen voidaan päästä?

Piigeelillä voidaan saavuttaa kastepisteitä jopa −68 °C (−90 °F), molekyyliseuloilla vielä alempia. Useimmissa teollisissa sovelluksissa −40 °C riittää.

Mikä on desikanttipyörän käyttöikä?

Tyypillinen käyttöikä on 15–30 vuotta, kun ilman suodatus on asianmukainen. Ajan myötä tapahtuu asteittaista heikkenemistä huokosten pöly- ja orgaaniskertymien vuoksi.

Voidaanko regenerointiin käyttää hyödynnettyä lämpöä?

Kyllä, ja se on taloudellisin vaihtoehto. Voidaan hyödyntää kattiloiden, CHP-laitosten, kylmäkoneiden lauhduttimien poistolämpöä tai lämmintä poistoilmaa. Kaksivaiheinen regenerointi mahdollistaa 70–80 % kosteuden poistamisen matalapotentiaalisella lämmöllä.

Milloin valita molekyyliseulat piigeelin sijaan?

Kun tarvitaan kastepisteitä alle −40 °C tai suhteellista kosteutta alle 10 % RH, missä molekyyliseuloilla on suurin sorptiokapasiteetti kaikista adsorbenteista.

Miten epäpuhtaudet vaikuttavat roottorin kestävyyteen?

Pöly tukkii vähitellen huokoset ja alentaa sorptiokapasiteettia vuosien mittaan. Orgaaniset aineet voivat polymeroitua kuumennettaessa. Korrosoivat kaasut voivat hajottaa joitakin desikantteja kemiallisesti. Siksi tuloilman suodatus kuivaimen edessä on pakollinen.

Johtopäätökset

Honeycombe®-desikanttiroottoreiden teknologia on muodostunut adsorptiokuivauksen teollisuusstandardiksi optimaalisen suorituskyvyn, energiatehokkuuden ja luotettavuuden tasapainon ansiosta. Roottorin poimutettu puolikeraaminen rakenne tarjoaa poikkeuksellisen suuren kosketuspinta-alan minimaalisella aerodynaamisella vastuksella, mikä mahdollistaa erittäin matalien kastepisteiden saavuttamisen pienin energiakustannuksin.

Kuivausjärjestelmiä suunnitteleville insinööreille voidaan esittää kolme keskeistä suositusta:

1. Valitse desikanttityyppi tavoitekastepisteen mukaan — piigeeli tavanomaisiin sovelluksiin, molekyyliseulat syväkuivaukseen.
2. Hyödynnä mahdollisimman paljon hukkalämpöä regenerointiin käyttökustannusten alentamiseksi.
3. Varmista riittävä tuloilman suodatus pyörän suojaamiseksi ja sen käyttöiän pidentämiseksi.

Pyörivällä desikanttiroottorilla varustetut ilmankuivaimet ovat optimaalisia tapauksissa, joissa tarvitaan kastepisteitä alle 7–10 °C, kun latenttikuorma on korkea, käyttölämpötilat ovat matalat tai regenerointiin on saatavilla edullista lämpöä. Tällaisissa olosuhteissa Honeycombe®-adsorptiopyörä ainutlaatuisella rakenteellaan ja laminaarisella ilmavirtauksellaan tarjoaa parhaat teknis-taloudelliset tulokset kaikista tunnetuista kuivausteknologioista.