Autor: Technische Abteilung Mycond
Prüfklimakammern sind entscheidende Anlagen für Tests von Produkten in verschiedenen Industriezweigen. Ihre Schlüsselaufgabe besteht in der Erzeugung und Aufrechterhaltung genau definierter Klimabedingungen, die nicht nur den Temperaturbereich, sondern auch die präzise Feuchteregelung umfassen. Besonders herausfordernd ist die Gewährleistung stabiler Parameter über einen weiten Temperaturbereich bei raschen Wechseln der Prüfmodi.
Besonderheiten von Prüfklimakammern als Objekt der Feuchteregelung
Moderne Prüfklimakammern arbeiten in äußerst weiten Temperaturbereichen: von -70°C bis +180°C, abhängig von Typ und Zweck. Die Anforderungen an die Feuchteregelung beeindrucken ebenfalls – von 10% bis 98% relativer Luftfeuchtigkeit. Diese Parameter werden durch verschiedene branchenübliche Prüfstandards (IEC, ISO, MIL-STD usw.) geregelt, die sowohl statische als auch dynamische Betriebsweisen definieren.
Eine der zentralen Herausforderungen ist die Sicherstellung einer hohen Genauigkeit der Sollwerthaltung. Eine typische Anforderung an die Genauigkeit der relativen Luftfeuchtigkeit beträgt ±2–3%, was besonders bei schnellen Temperaturwechseln äußerst anspruchsvoll ist. Die Änderungsrate der Betriebsmodi ist eine kritische technische Kenngröße, die die Wahl der Entfeuchtungstechnik direkt beeinflusst.
Eine Besonderheit von Prüfkammern ist das relativ kleine Innenvolumen (häufig 0,5 bis 10 m³), was zu einer geringen Trägheit des Mediums führt. Das bedeutet, dass selbst geringe Änderungen des Feuchtegehalts der Luft die relative Feuchte schnell beeinflussen und ihre stabile Regelung erschweren.
Physik des Prozesses: Zusammenhang zwischen Temperatur, relativer und absoluter Feuchte in dynamischen Betriebsweisen
Zum Verständnis der Arbeitsweise von Entfeuchtungssystemen in Klimakammern ist der Zusammenhang der wesentlichen Zustandsgrößen der Luft klar zu erfassen. Bei der Auslegung von Feuchteregelungen verwenden Ingenieurinnen und Ingenieure das psychrometrische h–d-Diagramm nach Mollier, das den Zusammenhang zwischen Temperatur, Enthalpie, Feuchtegehalt und relativer Feuchte der Luft grafisch darstellt.
Ein entscheidender Punkt ist, dass beim Erwärmen der Luft ihre relative Feuchte sinkt, selbst wenn der absolute Feuchtegehalt unverändert bleibt. Das ist durch die mit steigender Temperatur zunehmende maximale Feuchteaufnahmefähigkeit der Luft bedingt. Die Änderung der relativen Feuchte bei isobarem Erwärmen kann nach folgender Formel berechnet werden:
$$varphi_2 = varphi_1 cdot frac{P_{s1}}{P_{s2}}$$
wobei $varphi_1$ und $varphi_2$ die relative Feuchte vor und nach dem Erwärmen sind und $P_{s1}$ sowie $P_{s2}$ den Sättigungsdampfdruck bei Anfangs- bzw. Endtemperatur bezeichnen.
Der Taupunkt ist ein weiterer kritischer Parameter, der bei der Auslegung von Entfeuchtungssystemen eine Schlüsselrolle spielt. Bei abrupten Temperaturänderungen beeinflusst das Verhalten des Taupunkts unmittelbar die Effizienz des Systems. Beim Abkühlen der Luft unter den Taupunkt beginnt die Kondensation von Feuchte – die Grundlage der kondensativen Entfeuchtung.
Technische Grenzen der kondensativen Entfeuchtung in Klimakammern
Die kondensative Entfeuchtung ist die am weitesten verbreitete Methode für Systeme mit moderaten Temperaturen, weist jedoch in Klimakammern erhebliche Einschränkungen auf. Die wesentliche technische Grenze ist der Betrieb bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt des Kondensats (in der Regel unter 0°C bis +3°C). Das liegt daran, dass das am Verdampfer kondensierte Wasser gefriert, die Wärmeübertragerfläche blockiert und die Effizienz des Systems reduziert.
Die Trägheit der Leistungsänderung ist eine weitere wichtige Einschränkung kondensativer Systeme. Aufgrund der thermischen Trägheit des Verdampfers beträgt die Reaktionszeit auf eine Betriebsänderung je nach Masse des Wärmeübertragers und der Wärmeübertragungsintensität 5 bis 15 Minuten. Das erschwert die rasche Umstellung der Betriebsmodi in Prüfklimakammern erheblich.
Außerdem ist zu beachten, dass die meisten kondensativen Systeme nicht in der Lage sind, einen Taupunkt unter +3°C bis +5°C zu halten. Das ist auf thermodynamische Grenzen des Kältekreislaufs und auf Vereisungsprobleme des Verdampfers bei niedrigen Temperaturen zurückzuführen.
Adsorptionstrocknung: Vorteile und technische Herausforderungen für dynamische Betriebsweisen
Im Gegensatz zu kondensativen Systemen können Adsorptionsentfeuchter in einem deutlich breiteren Temperaturbereich arbeiten – von -70°C bis +80°C. Das macht sie für niedrigtemperierte Prüfkammern unentbehrlich. Adsorptionssysteme können Taupunkte bis -70°C bei Systemen mit Kieselgel erreichen – ein Wert, der mit kondensativen Methoden nicht möglich ist.
Allerdings bringen Adsorptionssysteme eigene technische Herausforderungen mit sich, insbesondere in Bezug auf die Regenerationszeit des Adsorbens. Abhängig vom Typ des Desikants und vom Sättigungsgrad kann diese Zeit 20 bis 180 Minuten betragen, was für dynamische Prüfmodi ein kritischer limitierender Faktor sein kann.
Die Effizienz von Adsorptionssystemen hängt stark vom Typ des Adsorbens ab. Unterschiedliche Desikanttypen (Kieselgel, Zeolith, Molekularsiebe) weisen unterschiedliche Adsorptionsisothermen auf – also Abhängigkeiten der Adsorptionskapazität von der relativen Feuchte bei gegebener Temperatur. Wichtig ist, dass die Adsorptionskapazität von der Regenerationstemperatur abhängt, die je nach Adsorbens üblicherweise zwischen 120°C und 180°C liegt.
Methodik zur Berechnung der Entfeuchtungsleistung für Klimakammern
Die Grundlage der Leistungsberechnung eines Entfeuchtungssystems ist die Bestimmung der Feuchtelast bei Betriebswechseln. Diese kann nach folgender Formel berechnet werden:
$$W = Delta d cdot V cdot rho cdot k_{зап}$$
wobei $W$ die erforderliche Feuchteabfuhrgeschwindigkeit (g/h), $Delta d$ die Differenz des absoluten Feuchtegehalts zwischen Anfangs- und Endzustand der Luft (g/kg), $V$ das Kammervolumen (m³), $rho$ die Luftdichte (kg/m³) und $k_{зап}$ der Sicherheitsfaktor (1,3–1,8) ist.
Der Algorithmus zur Auswahl der Entfeuchtungsart lässt sich wie folgt darstellen:
- Wenn die Temperatur > +5°C UND der Taupunkt > 0°C, ist kondensative Entfeuchtung möglich.
- Wenn die Temperatur < +5°C ODER der Taupunkt < -10°C, ist Adsorptionsentfeuchtung erforderlich.
- In anderen Fällen wird ein kombiniertes System empfohlen.
Der Sicherheitsfaktor für dynamische Betriebsweisen liegt üblicherweise zwischen 1,3 und 1,8 – je schneller die Wechsel der Betriebsmodi, desto größer muss der Sicherheitsfaktor gewählt werden.
Reaktionszeit des Entfeuchtungssystems und Trägheitsfaktoren
Die gesamte Reaktionszeit eines Entfeuchtungssystems setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen:
1. Thermische Trägheit des kondensativen Verdampfers, abhängig von seiner Masse und der Wärmekapazität des Materials.
2. Regenerationszeit des Adsorptionsrotors oder der Kassetten, welche den minimalen Arbeitszyklus bestimmt.
3. Transportverzögerung in den Luftkanälen, berechnet als Verhältnis des Kanalvolumens zum Luftvolumenstrom.
4. Trägheit der Feuchtesensoren, die je nach Sensortyp und Luftgeschwindigkeit zwischen 30 Sekunden und 3 Minuten liegt.
Die Gesamtanfahrzeit bis zum Erreichen des Sollbetriebs kann als Summe all dieser Trägheitsanteile bestimmt werden. Bei der Auslegung von Entfeuchtungssystemen für Klimakammern mit dynamischen Betriebsweisen ist es äußerst wichtig, alle diese Faktoren zu berücksichtigen.
Kombinierte Entfeuchtungssysteme und Pufferung
Um einen weiten Temperaturbereich und schnelle Moduswechsel zu ermöglichen, sind kombinierte Entfeuchtungssysteme am wirkungsvollsten. Sie vereinen die Vorteile der kondensativen und der Adsorptionsmethode und erlauben je nach konkreten Bedingungen das Umschalten zwischen den Verfahren.
Die serielle Anwendung von kondensativer und Adsorptionsentfeuchtung ermöglicht den maximalen Bereich an Betriebsparametern. Dabei entfernt die kondensative Stufe den Großteil der Feuchte bei moderaten Temperaturen, während die Adsorptionsstufe für Tiefentfeuchtung oder den Betrieb bei niedrigen Temperaturen sorgt.
Ein wichtiger Bestandteil kombinierter Systeme sind Pufferspeicher für aufbereitete Luft, die Übergangsprozesse glätten. Bypass-Systeme ermöglichen eine präzise Dosierung der Feuchte durch Mischung von entfeuchteter und nicht entfeuchteter Luft – besonders wichtig für die Einhaltung hoher Genauigkeitsanforderungen.
Typische Ingenieurfehler und Fehlannahmen
Bei der Auslegung von Entfeuchtungssystemen für Klimakammern treten häufig folgende typische Fehler auf:
1. Auswahl des Entfeuchters ausschließlich nach Kammervolumen ohne Berücksichtigung der Änderungsrate der Parameter. Das führt zu unzureichender Leistung in Übergangsbetrieben und zur Unfähigkeit, die geforderte Genauigkeit einzuhalten.
2. Einsatz kondensativer Entfeuchtung für Niedertemperaturkammern, die unter 0°C arbeiten. Unter solchen Bedingungen friert das Kondensat auf der Verdampferoberfläche, blockiert den Wärmeübertrager und stoppt den Entfeuchtungsprozess.
3. Ignorieren der Änderung der relativen Feuchte bei Temperaturänderungen selbst bei konstantem absolutem Feuchtegehalt. Dieses grundlegende Missverständnis führt oft zu einer falschen Auslegung der Systemleistung.
4. Die Fehlannahme, dass eine Genauigkeit von ±2% relativer Feuchte bei jeder Geschwindigkeit der Temperaturänderung erreichbar sei, obwohl sie in Wirklichkeit stark von der Systemträgheit abhängt.
Fazit
Die Auswahl des Entfeuchtungssystems für Prüfklimakammern ist eine komplexe Ingenieuraufgabe, die durch den Temperaturbereich, den erforderlichen Taupunkt und – besonders wichtig – die Geschwindigkeit der Moduswechsel bestimmt wird. Für eine korrekte Auslegung ist ein tiefes Verständnis psychrometrischer Prozesse notwendig, insbesondere der Änderung der relativen Feuchte beim Erwärmen und Abkühlen.
Kritisch ist die Berücksichtigung der Reaktionszeit des Systems, die sich aus thermischer Trägheit, Transportverzögerung und Regenerationszeit der Adsorbentien zusammensetzt. Um maximale Flexibilität und Zuverlässigkeit sicherzustellen, sind kombinierte Systeme mit Umschaltmöglichkeit zwischen kondensativem und Adsorptionsbetrieb die optimale Lösung für weite Temperaturbereiche.
Bei der Auslegung des Entfeuchtungssystems für eine konkrete Klimakammer ist eine individuelle Berechnung unter Berücksichtigung aller Betriebsbesonderheiten und der Anforderungen der einschlägigen Prüfstandards erforderlich. Nur ein solcher Ansatz gewährleistet die Genauigkeit und Stabilität der Parameter – die zentrale Anforderung an Prüfgeräte.
