Honeycombe® sorptionshjul: konstruktion, funktionsprincip og ingeniørmæssige fordele

Forfatter: Myconds tekniske afdeling.

Moderne luftaffugtningssystemer har gennemgået en betydelig udvikling, og blandt de mange teknologiske løsninger indtager adsorptionsaffugtere med roterende sorptionshjul af typen Honeycombe® en særlig plads. Denne teknologi er blevet dominerende sammenlignet med andre konfigurationer af sorptionsaffugtere: fyldte tårne med granulert silicagel, horisontale roterende bakker og vertikale flerlagssystemer med skraldedrev.

Årsagen til denne succes ligger i den vellykkede kombination af fordelene ved alle de tidligere teknologier: kontinuerlig affugtningsproces (som i bakkesystemer), mulighed for at opnå ekstremt lave dugpunkter (som i fyldte tårne) og høj energieffektivitet takket være den lille roterende masse. I industrien kaldes sådanne enheder ofte DEW (Desiccant Wheel) eller sorptionsrotor, hvilket præcist afspejler deres konstruktive natur.

Konstruktionen af Honeycombe®-hjulet

Den centrale egenskab ved Honeycombe®-sorptionsrotorer er deres unikke bølgede halvkeramiske struktur baseret på en glasfibermatrix. Visuelt minder den om bølgepap, der er rullet til en cylindrisk form. Rillerne (flutes), som bølgerne skaber, fungerer som individuelle luftkanaler med en finfordelt adsorbent påført deres overflade — silicagel (over 82 % i en typisk konstruktion).

En nøgleparameter, der bestemmer effektiviteten af en sådan konstruktion, er den kolossale indre overflade af silicagel — 21 000–22 700 m² pr. ounce (228 864–244 121 kvadratfod/ounce). Denne overflade sikrer et meget lavt partielt tryk af vanddamp ved sorptionsmidlets overflade, hvilket skaber ideelle betingelser for adsorption.

Det fysiske funktionsprincip for en adsorptionsaffugter er baseret på grundlæggende termodynamiske love: vanddamp diffunderer fra områder med højere partielt tryk (fugtig luft) til områder med lavere tryk (sorptionsmidlets overflade). Det er vigtigt at bemærke, at takket være de lige, parallelle kanaler i Honeycombe®-hjulet forbliver luftstrømmen overvejende laminær, i modsætning til den turbulente strømning i pakkede senge. Det betyder, at den aerodynamiske modstand kun stiger proportionalt med hjulets dybde og ikke med kvadratet af strømningshastigheden, hvilket væsentligt øger anlæggets energieffektivitet.

Adsorptions-desorptionscyklus

Driften af sorptionsrotoren er organiseret ved at opdele dens areal i to funktionszoner: en affugtningszone (270°, dvs. tre fjerdedele af hjulets areal) og en regenerationszone (90°, en fjerdedel), som er hermetisk adskilt fra hinanden. Den typiske rotationshastighed for aktiv adsorption er 5–30 omdrejninger i timen, hvilket er betydeligt langsommere end for passive entalpihjul (20–60 o/min).

En fuld cyklus for et adsorptionshjul består af tre hovedfaser:

• Fase 1 (adsorption): den kolde, tørre sorptionsmasse med lavt overfladedamptryk adsorberer fugt fra procesluften, bliver gradvist mættet og opvarmes af sorptionsvarmen.
• Fase 2 (regenerering): den fugtmættede sorptionsmasse passerer til regenerationszonen, hvor den opvarmes af varm luft (typisk op til 120°C / 248°F fra en PTC-varmer). Overfladedamptrykket stiger kraftigt, og fugten frigives til regenerationsstrømmen.
• Fase 3 (nedkøling): den varme og tørre sorptionsmasse vender tilbage til affugtningszonen, hvor den nedkøles af en del af procesluften og genskaber et lavt overfladedamptryk til en ny adsorptionscyklus.

Det er vigtigt at bemærke, at regenerationsluftflowet normalt udgør cirka 1/3 af procesflowet (flowforhold 3:1) og bevæger sig i modstrøm for maksimal effektivitet. Ved fjernelse af fugt frigives der betydelig sorptionsvarme (2510–3050 kJ/kg eller 1080–1312 BTU/pund fjernet fugt), hvilket opvarmer procesluften proportionalt med den fjernede mængde vand.

Typer af sorptionsmidler og deres sorptionsegenskaber

Affugterens effektivitet afhænger i høj grad af typen af anvendt sorptionsmiddel og dets sorptionskapacitet. Ved en temperatur på 25°C (77°F) og en relativ luftfugtighed på 20 % viser forskellige typer sorptionsmidler følgende karakteristika:

• Silicagel Type 5 — tilbageholder 2,5 % vand af egen masse
• Silicagel Type 1 — tilbageholder 15 % vand
• Molekylsier — tilbageholder 20 % vand
• Lithiumchlorid — tilbageholder 35 % vand

Det betyder, at for at fjerne 22,7 kg (50 pund) vanddamp fra luften ved 20 % relativ luftfugtighed kræves teoretisk: 907 kg (2000 pund) silicagel Type 5, eller 151 kg (333 pund) silicagel Type 1, eller 113 kg (250 pund) molekylsier, eller 65 kg (143 pund) lithiumchlorid.

I praksis anvendes ofte en strategi med at kombinere sorptionsmidler. Silicagel Type 1 giver høj kapacitet i de lavere fugtighedsområder, mens Type 5 effektivt adsorberer store mængder vand ved over 90 % RH. Denne kombination gør det muligt at opnå to indbyrdes modstridende mål samtidig: et lavt dugpunkt og høj ydelse.

Særlig opmærksomhed bør rettes mod molekylsier, som udviser den højeste sorptionskapacitet ved affugtning til ekstremt lave dugpunkter (under 10 % RH eller −40°C dugpunkt). Det gør dem uundværlige til specifikke industrielle anvendelser, hvor pålidelig fugtkontrol er påkrævet.

Fordele ved Honeycombe®-konstruktionen

Sammenlignet med alternative konfigurationer af adsorptionsaffugtere har de roterende Honeycombe®-hjul en række væsentlige fordele:

1. Lav roterende masse ved høj fugtfjernelseskapacitet. Da energien til opvarmning og afkøling er proportional med sorptionsmassen, giver den lette hjulkonstruktion høj energieffektivitet.
2. Lav aerodynamisk modstand. Takket være laminær strømning gennem lige kanaler, i modsætning til turbulent strømning i pakkede senge, hvor modstanden stiger som kvadratet af hastigheden.
3. Mulighed for at opnå ultralave dugpunkter — ned til −68°C (−90°F) ved brug af passende sorptionsmidler.
4. Simpel konstruktion med et minimum af bevægelige dele (kun hjul og drivværk), hvilket reducerer vedligeholdelsesomkostningerne.
5. Fleksibilitet til at indlæsse både faste og flydende sorptionsmidler til specifikke anvendelser.
6. Fravær af “savtakseffekt” i udgående fugtighed, som er karakteristisk for fyldte tårne med periodisk regenerering.

Den eneste væsentlige ulempe er de højere fremstillingsomkostninger for hjulet sammenlignet med brug af tørre sorptionsgranulater. Denne forskel opvejes dog af driftsfordelene over en typisk levetid på 15–30 år.

Faktorer, der påvirker hjulets ydeevne

Ydelsen af sorptionsrotoren afhænger af flere nøglefaktorer:

• Hjulets dybde: øget dybde øger kontaktarealet mellem sorptionsmidlet og luften samt den fjernede fugtmængde, men den aerodynamiske modstand stiger proportionalt og øger ventilatorens energiforbrug.
• Rotationshastighed: hurtigere rotation (inden for 5–30 o/t) øger mængden af sorptionsmiddel, som cyklisk kommer i kontakt med luften, hvilket øger kapaciteten, men øger også varmeoverførsel fra regenerationszonen til affugtningszonen.
• Regenerationstemperatur: højere temperatur giver mere fuldstændig desorption af fugt, men for at fjerne de sidste, stærkt bundne vandmolekyler kræves uforholdsmæssigt meget energi. En optimal reaktiveringstemperatur på 120°C giver balance mellem effektivitet og energiforbrug.
• Tæthed mellem zoner: selv små lækager af fugtig regenerationsluft ind i den tørre processtrøm kan markant forringe systemets ydeevne.
• Forurenende stoffer i luftstrømmen: støv tilstopper gradvist sorptionsmidlets porer og reducerer dets kapacitet; organiske dampe kan polymerisere ved høje regenerationstemperaturer; korrosive gasser kan kemisk nedbryde visse typer sorptionsmidler.

Praktisk anbefaling: Installer altid kvalitetsluftfiltre ved affugterens indløb for at beskytte sorptionsrotoren mod forurening og forlænge dens levetid.

Konklusion

Honeycombe®-teknologien er blevet standarden for adsorptionsaffugtning takket være den optimale balance mellem ydeevne, energieffektivitet og pålidelighed. I modsætning til andre affugtningsteknologier leverer sorptionshjul et stabilt lavt dugpunkt selv under de mest krævende driftsforhold.

For projekterende ingeniører kan tre nøgleanbefalinger formuleres:

1. Vælg typen af sorptionsmiddel i forhold til mål-dugpunkt — silicagel til typiske anvendelser, molekylsier til ultradyb affugtning.
2. Udnyt genvundet varme maksimalt til regenerering som den vigtigste faktor for at reducere driftsomkostninger.
3. Sørg for passende filtrering af indtagsluften for at beskytte hjulet og forlænge dets levetid.

Ved valg mellem forskellige typer affugtere er sorptionshjul af typen Honeycombe® den optimale løsning i tilfælde, hvor der kræves et dugpunkt under 7–10°C, hvor der er høj latent belastning, lave driftstemperaturer, eller hvor der er adgang til en billig varmekilde til regenerering.