Honeycombe®-Desikant-Räder: Aufbau, Funktionsprinzip und technische Vorteile

Autor: Technische Abteilung Mycond

Unter den verschiedenen Technologien der Luftentfeuchtung haben Adsorptionsentfeuchter mit einem rotierenden Desikant-Rad Honeycombe® sich als Industriestandard für Anwendungen etabliert, die eine Tiefentfeuchtung bei Atmosphärendruck erfordern. Diese Technologie, die mitunter als DEW (Desiccant Wheel) bezeichnet wird, vereint die besten Eigenschaften früherer Konfigurationen — Schütttürme mit granuliertem Silikagel, horizontal rotierende Schalen sowie vertikale, mehrstöckige Schichten. Das rotierende Rad gewährleistet einen kontinuierlichen Prozess, die Fähigkeit, niedrige Taupunkte zu erreichen, und Energieeffizienz dank der geringen Masse der rotierenden Elemente.

Aufbau des Honeycombe®-Rads

Die gewellte, halbkeramische Struktur des Honeycombe®-Rotors basiert auf einer Glasfasermatrix, die optisch an gewellten Karton erinnert, der zu einer zylindrischen Form gerollt ist. Die durch die Wellen entstehenden Rillen (flutes) fungieren als einzelne Luftkanäle, deren Innenflächen mit einem feindispersen Adsorbens — Silikagel — beschichtet sind (in der typischen Ausführung über 82%).

Ein Schlüsselparameter dieser Konstruktion ist die enorme innere Oberfläche des Silikagels, die 21 000–22 700 m² pro Unze (228 864–244 121 Quadratfuß pro Unze) beträgt. Eine derart ausgeprägte Oberfläche sorgt für einen äußerst niedrigen Dampfteildruck des Wassers an der Adsorbensoberfläche, was einen starken Gradienten für die Diffusion der Feuchte aus dem Luftstrom erzeugt.

Das physikalische Funktionsprinzip des Desikant-Rotors basiert auf grundlegenden Gesetzen der Thermodynamik — Wasserdampf diffundiert von Bereichen höheren Partialdrucks (feuchte Luft) zu Bereichen niedrigeren Drucks (Adsorbensoberfläche). Ein wichtiger Vorteil der Konstruktion ist, dass der Luftstrom dank der geraden Kanäle im Rad laminar bleibt, im Gegensatz zur turbulenten Strömung in Schüttbetten. Das bedeutet, dass der aerodynamische Widerstand nur proportional zur Radtiefe zunimmt und nicht wie das Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit, was den Energieverbrauch der Ventilatoren erheblich reduziert.

Adsorptions-Desorptions-Zyklus

Das Adsorptionsrad ist konstruktiv in zwei Hauptzonen unterteilt: die Entfeuchtungszone (270°, drei Viertel der Fläche) und die Regenerationszone (90°, ein Viertel), die hermetisch voneinander abgedichtet sind. Bei einer typischen Drehzahl von 5–30 U/h (zum Vergleich: passive Enthalpieräder drehen mit 20–60 U/min) durchläuft das Desikant einen vollständigen Adsorptions-Regenerations-Zyklus.

Der Arbeitszyklus des Desikant-Rotors lässt sich in drei Phasen gliedern:

• Phase 1 (Punkt 1→2): Trockenes, kühles Desikant mit niedrigem Oberflächendampfdruck adsorbiert Feuchtigkeit aus der Prozessluft, sättigt sich allmählich und erwärmt sich durch die Sorptionswärme.
• Phase 2 (Punkt 2→3): Gesättigtes Desikant gelangt in die Regenerationszone, wo es durch Heißluft (typisch bis 120°C / 248°F von einem PTC-Regenerationsheizer) erwärmt wird, was zu einem starken Anstieg des Oberflächendampfdrucks führt und die Feuchte in den Regenerationsstrom freisetzt.
• Phase 3 (Punkt 3→1): Heißes, trockenes Desikant kehrt in die Entfeuchtungszone zurück, wo es durch einen Teil der Prozessluft abgekühlt wird und den niedrigen Oberflächendampfdruck für einen neuen Adsorptionszyklus wiederherstellt.

Wichtig ist, dass beim Entfernen von Feuchtigkeit Sorptionswärme (Kondensationswärme plus chemische Bindungswärme) freigesetzt wird, die 2510–3050 kJ/kg (1080–1312 BTU pro Pfund) der entfernten Feuchte beträgt. Dies führt zu einer Erwärmung der Prozessluft proportional zur entfernten Wassermenge. Beispielsweise kann sich Luft mit 21°C und 50% RH nach Tiefentfeuchtung auf einen Taupunkt von 7°C auf bis zu 49°C erwärmen, was häufig eine zusätzliche Kühlung erfordert.

Für die Regeneration wird ein Luftstrom verwendet, der etwa 1/3 des Prozessstroms beträgt (Strömungsverhältnis 3:1) und im Gegenstrom geführt wird, um die Prozesseffizienz zu maximieren.

Arten von Desikanten und ihre Sorptionseigenschaften

Die Sorptionskapazität des Desikants hängt wesentlich vom Adsorbens-Typ und den Einsatzbedingungen ab. Bei 25°C (77°F) zeigt die Adsorptionsisotherme eine unterschiedliche Kapazität für die wichtigsten Desikantarten:

• Silikagel Typ 5: 2,5% bei 20% RH
• Silikagel Typ 1: 15% bei 20% RH
• Molekularsiebe: 20% bei 20% RH
• Lithiumchlorid: 35% bei 20% RH

Zur praktischen Einordnung: Um 22,7 kg (50 Pfund) Wasserdampf aus Luft bei 20% RH zu entfernen, werden theoretisch benötigt: 907 kg (2000 Pfund) Silikagel Typ 5 oder 151 kg (333 Pfund) Silikagel Typ 1 oder 113 kg (250 Pfund) Molekularsiebe oder 65 kg (143 Pfund) Lithiumchlorid.

Eine ingenieurtechnische Strategie sieht oft die Kombination verschiedener Desikanten vor: Typ 1 bietet eine hohe Kapazität bei niedrigen Feuchteniveaus, während Typ 5 große Wassermengen bei Feuchten über 90% RH effektiv adsorbiert. Diese Kombination ermöglicht zugleich niedrige Taupunkte und hohe Gesamtleistung.

Molekularsiebe für niedrige Taupunkte besitzen einen einzigartigen Vorteil bei der Entfeuchtung auf extrem niedrige Feuchteniveaus (unter 10% RH oder −40°C Taupunkt), wo sie die höchste Kapazität unter allen verfügbaren Adsorbentien zeigen.

Vorteile der Honeycombe®-Konstruktion

Der Honeycombe®-Desikantrotor bietet eine Reihe wesentlicher Vorteile gegenüber alternativen Konfigurationen:

1. Energieeffizienz: geringe rotierende Masse bei hoher Entfeuchtungsleistung. Da die Heiz- und Kühlenergie direkt proportional zur Masse des Desikants ist, sorgt die Leichtbauweise für erhebliche Energieeinsparungen.
2. Niedriger aerodynamischer Widerstand: laminare Strömung im Rad durch gerade Kanäle bewirkt deutlich geringeren Widerstand im Vergleich zur turbulenten Strömung in Schüttbetten.
3. Extrem niedrige Taupunkte: die Technologie ermöglicht Taupunkte bis −68°C (−90°F) bei Verwendung geeigneter Desikanten.
4. Einfache Konstruktion: minimierte bewegliche Teile (nur Rad und Antrieb) gewährleisten hohe Zuverlässigkeit und geringe Betriebskosten.
5. Flexibilität: Möglichkeit, verschiedene Desikanttypen für spezifische Anforderungen einzusetzen.
6. Stabile Parameter: kein „Sägezahn“-Effekt schwankender Austrittsfeuchte, wie er für Schütttürme mit periodischer Regeneration typisch ist.

Der einzige Nachteil ist die höhere Anfangsherstellungskosten des Rades im Vergleich zu Schüttbetten mit granuliertem Silikagel. Diese Differenz wird jedoch durch die Betriebsvorteile über die typische Lebensdauer von 15–30 Jahren kompensiert.

Einflussfaktoren auf die Leistung des Rades

Die Effizienz eines Adsorptionsentfeuchters wird von einer Reihe von Faktoren beeinflusst:

Radtiefe

Eine größere Tiefe erhöht die Kontaktfläche des Desikants mit der Luft und die entfernte Feuchtemenge, steigert jedoch proportional den aerodynamischen Widerstand, was einen höheren Ventilatorenergiebedarf erfordert.

Drehzahl

Die Drehzahl von 5–30 U/h bestimmt die Verweilzeit des Desikants in der Entfeuchtungs- und Regenerationszone. Eine höhere Drehzahl erhöht die Menge an Desikant, die zyklisch mit der Luft in Kontakt kommt, verstärkt aber auch den Wärmeübertrag von der Regenerations- in die Entfeuchtungszone, was häufig zusätzliche Kühlung erfordert.

Reaktivierungstemperatur 120°C

Eine höhere Regenerationstemperatur sorgt für eine vollständigere Feuchteentfernung, erhöht jedoch den Energieaufwand. Zur Optimierung der Energieeffizienz setzen einige Hersteller eine zweistufige Regeneration ein — 70–80% der Feuchte werden mit Niedertemperaturwärme entfernt, die finale Entfeuchtung erfolgt bei höheren Temperaturen.

Dichtheit zwischen den Zonen

Schon eine geringe Leckage von feuchter Regenerationsluft in den trockenen Prozessstrom kann die Gesamteffizienz deutlich verschlechtern. Beispiel: Eine Leckage von 20 Kubikfuß/Min Luft mit 120 Grain/Pfund Feuchte in einen Strom von 500 Kubikfuß/Min mit 1 Grain/Pfund erhöht die Austrittsfeuchte auf 5,5 Grain/Pfund.

Einfluss von Verunreinigungen

Staub verstopft nach und nach die Poren des Adsorbens, organische Dämpfe können bei hohen Temperaturen polymerisieren, und korrosive Gase (z. B. Schwefeltrioxid) können die Struktur des Desikants chemisch verändern. Eine obligatorische Filterung der Zuluft verlängert die Lebensdauer des Rotors erheblich.

Anwendungsbereiche

Adsorptionsentfeuchter mit Desikantrotoren finden Anwendung in zahlreichen Branchen:

• Pharmazeutische Produktion: Reinräume mit Feuchteregelung bis 10% RH und einer Genauigkeit von ±2% RH, typischer Taupunkt −11°C (13°F) bei 21°C (70°F).
• Lebensmittelindustrie: Verpackung hygroskopischer Produkte, Sprühtrocknung, bei der die Lufterwärmung während der Entfeuchtung die Prozesseffizienz erhöht.
• Halbleiterfertigung: Feuchtekontrolle für Photoresists, bei denen mikroskopische Feuchteaufnahme zu Chipdefekten führen kann.
• Archivlagerung: Museen und Bibliotheken mit 35% RH zur Vermeidung von Korrosion und Schimmelbildung.
• Schutz von militärischer und industrieller Ausrüstung: Lagerung von Elektronik und Präzisionsinstrumenten bei 30–35% RH zur Reduzierung der Korrosion von Kupferkontakten.
• Kühlhäuser und Supermärkte: Vermeidung von Vereisung an Verdampfern und Reduzierung der latenten Last.
• Industrielle Prozesse: Laminierung von Sicherheitsglas, Herstellung von Verbundwerkstoffen, Feinguss im Wachsausschmelzverfahren.

FAQ (Häufige Fragen)

Worin besteht der Unterschied zwischen passiver und aktiver Adsorption?

Passive Adsorption nutzt natürliche Feuchteunterschiede zwischen den Strömen ohne externe Wärmezufuhr (Enthalpieräder arbeiten mit 20–60 U/min). Aktive Adsorption erwärmt die Regenerationsluft zur Tiefentfeuchtung (5–30 U/h). Nur aktive Systeme können die Luft unter das Feuchteniveau der Umgebung trocknen.

Warum ist Honeycombe® effizienter als Schüttbetten?

Dank laminarer Strömung durch gerade Kanäle, geringer Masse bei hoher Kontaktoberfläche, kontinuierlichem Betrieb ohne Schwankungen der Austrittsfeuchte und der Möglichkeit, Desikanten zu kombinieren.

Welchen Taupunkt kann man erreichen?

Mit Silikagel sind Taupunkte bis −68°C (−90°F) erreichbar, mit Molekularsieben noch niedriger. Für die meisten industriellen Anwendungen genügt −40°C.

Wie lange ist die Lebensdauer eines Adsorptionsrades?

Die typische Lebensdauer beträgt 15–30 Jahre bei angemessener Luftfilterung. Mit der Zeit kommt es zu einer schrittweisen Degradation durch Verunreinigung der Poren mit Staub und organischen Stoffen.

Kann Abwärme zur Regeneration genutzt werden?

Ja, das ist die wirtschaftlichste Variante: Es kann Abwärme von Kesseln, KWK-Anlagen, Kondensatoren von Kältemaschinen oder warme Abluft genutzt werden. Eine zweistufige Regeneration ermöglicht es, 70–80% der Feuchte mit Niedrigpotenzialwärme zu entfernen.

Schlussfolgerungen

Die Honeycombe®-Technologie ist dank des optimalen Gleichgewichts zwischen Leistung, Energieeffizienz und Zuverlässigkeit zum Industriestandard in der Adsorptionstrocknung geworden. Für planende Ingenieurinnen und Ingenieure lassen sich folgende praktische Empfehlungen geben:

1. Wählen Sie den Desikanttyp entsprechend dem angestrebten Taupunkt — Silikagel für Standardanwendungen, Molekularsiebe für Ultratiefentfeuchtung.
2. Nützen Sie Abwärme maximal für die Regeneration — der wichtigste Faktor zur Senkung der Betriebskosten.
3. Sorgen Sie für eine angemessene Filterung der Zuluft zum Schutz des Rotors und zur Verlängerung seiner Lebensdauer.

Honeycombe®-Desikantrotoren sind optimal, wenn Taupunkte unter 7–10°C gefordert sind, bei hoher latenter Last, niedrigen Betriebstemperaturen oder verfügbarer günstiger Wärme für die Regeneration.