Honeycombe®-Sorptionsräder: Aufbau, Funktionsprinzip und ingenieurtechnische Vorteile

Autor: Technische Abteilung von Mycond

Unter den verschiedenen Konfigurationen von Sorptionsentfeuchtern hat sich das rotierende Rad mit gewellter halbkeramischer Struktur, bekannt als Honeycombe®, in der Ingenieurpraxis als dominierende Lösung etabliert. Diese Technologie vereint die Vorteile aller früheren Entfeuchtertypen: die Kontinuität des Prozesses wie bei Traysystemen, aussergewöhnlich tiefe Taupunkte wie bei Schüttbett-Türmen und Energieeffizienz dank geringer Adsorbensmasse. In der Fachliteratur wird dieser Aufbau oft als DEW (Desiccant Wheel) oder Sorptionsrotor bezeichnet.

Fortschrittliche Ingenieurinnen und Ingenieure in der Schweiz erkennen, dass das Honeycombe®-Adsorptionsrad für die Schweizer Industrie den optimalen Kompromiss zwischen Entfeuchtungsleistung und Energieeffizienz bietet, wo eine präzise Feuchteregelung sowohl in hochalpinen Bedingungen der Alpen als auch in den Industriezentren Zürich, Basel und Genf kritisch ist.

Aufbau des Honeycombe®-Rads

Ein zentrales Merkmal des Sorptionsrotors ist seine halbkeramische Struktur auf Basis einer Glasfasermatrix, die optisch an zu einer Zylinderform gerollten Wellkarton erinnert. Die gewellte halbkeramische Struktur des Rotors bildet zahlreiche Rillen (Flutes), die als einzelne Luftkanäle fungieren. Die innere Oberfläche dieser Kanäle ist mit feindispersem Adsorbens beschichtet — üblicherweise Silikagel in Entfeuchtern (über 82 % in der typischen Ausführung).

Der wichtigste technische Parameter, der die Effizienz der Rotoren bestimmt, ist die innere Oberfläche des Silikagels, die 21 000–22 700 m² pro Unze (228 864–244 121 ft²/Unze) beträgt. Gerade diese enorme Fläche sorgt für einen ausserordentlich niedrigen Partialdruck des Wasserdampfes an der Oberfläche des Adsorbens.

Das physikalische Funktionsprinzip basiert auf den Gesetzen der Thermodynamik: Wasserdampf diffundiert von Bereichen höheren Partialdrucks (feuchte Luft) zu Bereichen niedrigeren Drucks (Oberfläche des Adsorbens). Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass dank geradliniger Kanäle der Luftstrom im Rad laminar bleibt und nicht turbulent wie in Schüttschichten. Daher steigt der aerodynamische Widerstand nur proportional zur Radtiefe an und nicht quadratisch mit der Geschwindigkeit, wie es für Schüttschichten typisch ist.

Adsorptions-Desorptions-Zyklus

Der Betrieb eines Adsorptionstrockners basiert auf einem kontinuierlichen Zyklus, bei dem das Rad in zwei isolierte Zonen unterteilt ist: eine 270°-Entfeuchtungszone (drei Viertel der Fläche) und eine 90°-Regenerationszone (ein Viertel). Das Rad dreht sich mit einer typischen Geschwindigkeit von 5–30 U/h zur aktiven Adsorption, deutlich langsamer als Enthalpieräder (20–60 U/min).

Der Adsorptions-Desorptions-Zyklus besteht aus drei Schlüsselphasen:

• Phase 1 (Punkt 1→2): Trockenes, kühles Trocknungsmittel mit niedrigem Oberflächendampfdruck adsorbiert Feuchtigkeit aus der Prozessluft. Dabei sättigt sich das Trocknungsmittel schrittweise und erwärmt sich durch Sorptionswärme.
• Phase 2 (Punkt 2→3): Gesättigtes Trocknungsmittel gelangt in die Regenerationszone, wo es mit heisser Luft erwärmt wird (typisch bis 120°C / 248°F durch einen PTC-Regenerationsheizer). Dies führt zu einem starken Anstieg des Oberflächendampfdrucks und zur Freisetzung der Feuchtigkeit in den Regenerationsstrom.
• Phase 3 (Punkt 3→1): Heisses, trockenes Trocknungsmittel kehrt in die Entfeuchtungszone zurück, wo es durch einen Teil der Prozessluft abkühlt und so den niedrigen Oberflächendampfdruck für den nächsten Zyklus wiederherstellt.

Wichtig ist, dass der Regenerationsluftstrom etwa 1/3 des Prozessluftstroms beträgt (Stromverhältnis 3:1) und als Gegenstrom geführt wird. Beim Austrag der Feuchtigkeit wird Sorptionswärme frei (Kondensationswärme plus chemische Bindungswärme) in Höhe von 2510–3050 kJ pro kg Feuchte (1080–1312 BTU pro Pfund), was die Prozessluft proportional zur entfernten Feuchtigkeitsmenge aufheizt.

In der Praxis bedeutet dies, dass Luft mit 21°C und 50% RH nach tiefer Entfeuchtung auf einen Taupunkt von 7°C sich bis auf 49°C erwärmen kann, weshalb in vielen Anwendungen zusätzliche Kühlung erforderlich ist.

Arten von Trocknungsmitteln und ihre Sorptionseigenschaften

Die Sorptionskapazität des Trocknungsmittels ist der Schlüsselparameter, der die Entfeuchtungsleistung bestimmt. Bei 25°C (77°F) und 20% relativer Feuchte zeigen verschiedene Trocknungsmittel folgende Kapazitäten (als Prozentsatz der Wasseraufnahme bezogen auf die Trockenmasse des Materials):

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

Die praktische Bedeutung dieser Werte besteht darin, dass zur Entfernung von 22,7 kg (50 Pfund) Wasserdampf aus der Luft bei 20% RH theoretisch benötigt werden: 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.

In der industriellen Praxis wird eine Kombination von Trocknungsmitteln verwendet. Silikagel Typ 1 bietet hohe Kapazität in niedrigeren Feuchtebereichen, während Typ 5 grosse Wassermengen bei >90% RH effizient adsorbiert. Die Kombination dieser Trocknungsmittel ermöglicht die Erreichung zweier scheinbar widersprüchlicher Ziele: niedriger Taupunkt und hohe Gesamtleistung.

Molekularsiebe für tiefe Taupunkte sind unverzichtbar bei der Entfeuchtung auf extrem niedrige Feuchten (unter 10% RH oder −40°C Taupunkt), wo sie dank ihrer einzigartigen kristallinen Struktur die höchste Kapazität unter allen Adsorbentien aufweisen.

Vorteile der Honeycombe®-Konstruktion

Im Vergleich zu alternativen Konfigurationen bietet die Honeycombe®-Technologie eine Reihe wesentlicher Vorteile:

1. Geringe rotierende Masse bei hoher Entfeuchtungsleistung. Da die Heiz- und Kühlenergie direkt proportional zur Masse des Trocknungsmittels ist, ermöglicht die leichte Konstruktion eine höhere Energieeffizienz.
2. Niedriger aerodynamischer Widerstand dank laminarer Strömung im Rad durch gerade Kanäle, im Gegensatz zur turbulenten Strömung in Schüttschichten, wo der Widerstand quadratisch mit der Geschwindigkeit zunimmt.
3. Möglichkeit, aussergewöhnlich tiefe Taupunkte bis −68°C (−90°F) bei Verwendung geeigneter Trocknungsmittel zu erreichen.
4. Einfache Konstruktion mit minimalen beweglichen Teilen (nur Rad und Antrieb) reduziert die Wartungskosten.
5. Flexibilität beim Laden verschiedener Adsorbentien für spezifische Anwendungen.
6. Kein „Sägezahn“-Effekt der Ausgangsfeuchte, der für periodisch regenerierte Schütttürme typisch ist.

Der einzige Nachteil sind etwas höhere Herstellkosten des Rads im Vergleich zum Einsatz von Granulat-Trocknungsmitteln, doch dieser Unterschied wird durch die Betriebsvorteile über die typische Lebensdauer von 15–30 Jahren kompensiert.

Leistungsbestimmende Faktoren des Rads

Eine ingenieurtechnische Analyse zeigt, dass die Leistung des Adsorptionsrads von mehreren Schlüsselfaktoren bestimmt wird:

• Radtiefe: Eine grössere Tiefe erhöht die Kontaktfläche des Trocknungsmittels mit der Luft und die Menge der entfernten Feuchte, jedoch steigt der aerodynamische Widerstand proportional an, was den Ventilatorenergiebedarf erhöht.
• Drehzahl: Eine Drehzahl von 5–30 U/h gewährleistet ein optimales Gleichgewicht zwischen Regenerationseffizienz und Wärmeübertrag. Eine höhere Drehzahl erhöht die Menge des Trocknungsmittels, die zyklisch mit der Luft in Kontakt kommt, steigert jedoch auch den Wärmetransfer von der Regenerations- in die Entfeuchtungszone.
• Reaktivierungstemperatur 120°C: Ist ein Standardparameter für die meisten Anwendungen. Eine höhere Temperatur ermöglicht eine vollständigere Desorption der Feuchte, erfordert jedoch mehr Energie.
• Dichtheit zwischen den Zonen: Das Austreten feuchter Regenerationsluft in den trockenen Prozessstrom verschlechtert die Entfeuchtungseffizienz erheblich.
• Verschmutzung: Staub verstopft nach und nach die Poren des Adsorbens und reduziert die Kapazität im Laufe der Zeit. Organische Dämpfe können bei hohen Regenerationstemperaturen polymerisieren und die Oberflächeneigenschaften verändern.

Anwendungsbereiche

Honeycombe®-Sorptionsrotoren werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt:

• Pharmaindustrie: Feuchtekontrolle bis 10% RH mit ±2% RH Genauigkeit in Reinräumen für Tablettierung und Verpackung.
• Lebensmittelindustrie: Verpackung hygroskopischer Produkte, bei der der Taupunkt der Luft kontrolliert werden muss, um Feuchteaufnahme durch die Produkte zu verhindern.
• Halbleiterfertigung: Ultraniedrige Feuchte für Prozesse, bei denen selbst mikroskopische Feuchteaufnahme zu Defekten führen kann.
• Archivlagerung: Museen, Bibliotheken und Dokumentenlager mit Kontrolle auf 35% RH, um Korrosion und Schimmelbildung vorzubeugen.
• Industrielle Ausrüstung: Schutz von Elektronik und Präzisionsinstrumenten bei 30–35% RH, was die Kontaktkorrosion reduziert.
• Kühlhäuser: Verhinderung von Vereisung an Verdampfern und Steigerung der Energieeffizienz.

FAQ — Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen passiver und aktiver Adsorption?

Passive Adsorption nutzt lediglich den Feuchteunterschied zwischen den Strömen ohne Wärmeeintrag (Enthalpieräder mit 20–60 U/min). Aktive Adsorption erwärmt die Regenerationsluft für tiefe Entfeuchtung (5–30 U/h). Nur aktive Systeme können die Luft unter die Feuchte im Raum absenken.

Warum ist das rotierende Rad effizienter als ein Schüttbett?

Dank laminarer Strömung durch gerade Kanäle, geringer Masse bei grosser Kontaktoberfläche, kontinuierlichem Betrieb ohne sägezahnartige Feuchteschwankungen und der Möglichkeit, verschiedene Trocknungsmittel zu kombinieren.

Welchen Taupunkt kann man erreichen?

Mit Silikagel bis −68°C (−90°F), mit Molekularsieben noch tiefer. Für die meisten industriellen Anwendungen genügt ein Taupunkt von −40°C.

Wie lange hält ein Adsorptionsrad?

Typisch 15–30 Jahre bei angemessener Luftfiltration. Es tritt eine allmähliche Degradation durch Verunreinigung der Poren mit Staub und organischen Substanzen auf.

Fazit

Die Honeycombe®-Sorptionsrotoren sind zum Industriestandard der Adsorptionsentfeuchtung geworden, dank des optimalen Gleichgewichts aus Leistung, Energieeffizienz und Zuverlässigkeit. Für Planungsingenieurinnen und -ingenieure in der Schweiz sind drei zentrale Empfehlungen wichtig:

1. Den Typ des Trocknungsmittels entsprechend dem Ziel-Taupunkt wählen (Silikagel für typische Anwendungen, Molekularsiebe für ultratiefe Entfeuchtung).
2. Rückgewonnene Wärme maximal für die Regeneration nutzen, da dies der wichtigste Hebel zur Reduktion der Betriebskosten ist.
3. Angemessene Filtration der Zuluft sicherstellen, um das Rad zu schützen und seine Lebensdauer zu verlängern.

Sorptionsräder sind optimal, wenn Taupunkte unter 7–10°C gefordert sind, bei hoher latenter Last, niedrigen Betriebstemperaturen oder verfügbarer preiswerter Wärme für die Regeneration. Deshalb finden sie breite Anwendung unter den anspruchsvollen Bedingungen von Schweizer Klima und Industrie.