Autor: Technische Abteilung Mycond
Die Auslegung von Entfeuchtungssystemen für klimatische Prüfkammern stellt eine komplexe ingenieurtechnische Aufgabe dar, die ein tiefes Verständnis psychrometrischer Prozesse, der Thermodynamik und der technischen Grenzen verschiedener Entfeuchtungstechnologien erfordert. Besonders kritisch wird die Auswahl und Auslegung solcher Systeme für Anwendungen, die in dynamischen Betriebsarten mit einem weiten Temperaturbereich arbeiten, wobei die vorgegebene Luftfeuchte bei raschen Änderungen der Umgebungsparameter präzise einzuhalten ist.
Besonderheiten von Klimaprüfkammern als Objekt der Feuchteregelung
Klimaprüfkammern sind spezialisierte Geräte, die mit hoher Genauigkeit definierte Luftzustände erzeugen und aufrechterhalten. Je nach Kammertyp und Prüfnormen können die Betriebstemperaturen von -70°C bis +180°C variieren, die relative Luftfeuchte von 10% bis 98%. Solch extreme Werte erfordern besondere Ansätze bei der Auslegung der Feuchteregelung.
Die Regelgenauigkeit liegt bei den meisten industriellen Kammern bei ±2–3% relativer Feuchte. Oft verlangen die Prüfnormen nicht nur stabile Bedingungen, sondern auch schnelle Wechsel zwischen Betriebszuständen – Temperaturänderungen von bis zu 5–10°C pro Minute und die entsprechende Änderung der relativen Feuchte.
Ein weiteres Merkmal ist das vergleichsweise kleine Volumen (ca. 0,5 bis 20 m³), was zu einer geringen Trägheit des Luftvolumens führt und vom Entfeuchtungssystem hohe Dynamik und genaue Regelung verlangt. Alle genannten Zahlenbereiche sind Richtwerte und je nach Kammertyp und Prüfnormen zu präzisieren.
Physik des Prozesses: Zusammenhang zwischen Temperatur, relativer und absoluter Feuchte in dynamischen Betriebsarten
Für das korrekte Verständnis der Entfeuchtungsprozesse in Klimaprüfkammern ist es entscheidend, den Zusammenhang zwischen Temperatur sowie relativer und absoluter Luftfeuchte zu kennen – insbesondere unter dynamisch wechselnden Bedingungen.
Die relative Luftfeuchte (φ) wird als Verhältnis des Partialdrucks des Wasserdampfs in der Luft zum Sättigungsdampfdruck bei der jeweiligen Temperatur definiert:
$$varphi = frac{P_п}{P_{н.п}} cdot 100%$$
Dabei bleibt die absolute Feuchte (d), angegeben in g/kg trockener Luft, bei reinem Erwärmen oder Kühlen ohne Feuchtezugabe oder -entzug konstant. Gemäss der Gleichung von Mendelejew–Clapeyron steigt der Sättigungsdampfdruck mit der Temperatur exponentiell, was zum charakteristischen Effekt führt: Beim Erwärmen sinkt die relative Feuchte, selbst wenn der absolute Feuchtegehalt unverändert bleibt.
Dieser Effekt lässt sich mit folgender Formel für die Änderung der relativen Feuchte bei isobarem Erwärmen veranschaulichen:
$$varphi_2 = varphi_1 cdot frac{P_{н.п1}}{P_{н.п2}}$$
wobei φ₁, φ₂ die relative Feuchte vor und nach dem Erwärmen sind und Pн.п1, Pн.п2 der Sättigungsdampfdruck bei der Anfangs- bzw. Endtemperatur ist.
Für die Analyse psychrometrischer Prozesse unter dynamischen Bedingungen ist das h–d-Mollier-Diagramm äusserst hilfreich; es ermöglicht, Zustandsänderungen der Luft bei verschiedenen Prozessen: Erwärmen, Kühlen, Entfeuchten und Befeuchten zu verfolgen. Besonders wichtig ist das Verständnis des Verhaltens des Taupunkts bei Temperatursprüngen, da er die Grenzen der kondensativen Entfeuchtung bestimmt.
Technische Grenzen der kondensativen Entfeuchtung in Klimaprüfkammern
Die kondensative Entfeuchtung basiert darauf, die Luft unter ihren Taupunkt abzukühlen, wodurch ein Teil des Wasserdampfs kondensiert; anschliessend wird die gekühlte Luft wieder erwärmt. Dieses Verfahren hat mehrere wesentliche technische Einschränkungen, die bei der Auslegung für Klimaprüfkammern zu berücksichtigen sind.
Die zentrale Einschränkung ist der Betrieb unterhalb der Gefriertemperatur des Kondensats (typisch unter 0…+3°C). Versucht man unter solchen Bedingungen zu entfeuchten, friert das Kondensat am Verdampfer ein, was den Wärmeübergang stark verschlechtert und den Luftstrom blockieren kann.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Trägheit der Leistungsänderung aufgrund der thermischen Trägheit des Verdampfers. Die Reaktionszeit solcher Systeme liegt je nach Wärmetauschermasse zwischen etwa 5 und 15 Minuten und kann bei Anforderungen an schnelle Zustandswechsel kritisch sein.
Die meisten kondensativen Systeme sind zudem hinsichtlich des erreichbaren Taupunkts begrenzt – in der Regel nicht tiefer als +3…+5°C. Grund sind thermodynamische Grenzen des Kältekreislaufs und das Vereisungsrisiko des Verdampfers.
Die Entfeuchtungsleistung eines kondensativen Geräts hängt stark von der Verdampfertemperatur ab: Je tiefer die Temperatur, desto mehr Feuchte kann kondensiert werden, allerdings sinkt dabei die Energieeffizienz des Kältekreislaufs. Alle angegebenen Temperaturgrenzen und Zeitspannen sind typische Praxisrichtwerte und bei der Auslegung für konkrete Geräte zu verifizieren.
Adsorptive Entfeuchtung: Vorteile und technische Herausforderungen für dynamische Betriebsarten
Adsorptive Entfeuchtungssysteme bieten im Vergleich zu kondensativen einen deutlich breiteren Arbeitsbereich. Sie können bei Temperaturen von -70°C bis +80°C effizient arbeiten und sind damit für Tieftemperatur‑Prüfkammern unverzichtbar.
Der Hauptvorteil der Adsorption ist die Möglichkeit, extrem tiefe Taupunkte zu erreichen — bis -70°C bei auf Silikagel basierenden Systemen —, was mit kondensativen Technologien nicht erreichbar ist. So lässt sich auch bei niedrigen Prüftemperaturen eine geringe relative Feuchte aufrechterhalten.
Allerdings weisen Adsorptionssysteme eigene technische Herausforderungen auf, insbesondere bei dynamischen Betriebsarten. Ein Schlüsselelement ist die Regenerationszeit des Desiccants (Adsorbens), die je nach Adsorbens‑Typ, Beladungsgrad und Regenerationstemperatur etwa 20 bis 180 Minuten beträgt. Dies erzeugt eine gewisse Trägheit, die bei der Auslegung für häufige Zustandswechsel zu berücksichtigen ist.
Die Effizienz der adsorptiven Entfeuchtung hängt von den Eigenschaften des eingesetzten Desiccants ab, die üblicherweise als Adsorptionsisothermen — Kurven der Sorptionskapazität in Abhängigkeit von der relativen Feuchte bei gegebener Temperatur — dargestellt werden. Verschiedene Adsorbentien (Silikagel, Zeolith, Molekularsiebe) haben unterschiedliche Kennlinien und optimale Einsatzbereiche.
Ein wichtiger Faktor ist zudem die Abhängigkeit der Sorptionskapazität von der Regenerationstemperatur. Sie nimmt in der Regel bei einer Erhöhung der Temperatur von 120°C bis 180°C zu; konkrete Werte für Kapazität und Regenerationszeit sind hersteller- und anwendungsabhängig.
Methodik zur Auslegung der Entfeuchtungsleistung für Klimaprüfkammern
Die korrekte Bestimmung der erforderlichen Entfeuchtungsleistung ist entscheidend, um auch in dynamischen Betriebsarten eine präzise Feuchteregelung sicherzustellen. Die Berechnungsmethodik umfasst folgende Schritte.
Erstens ist die Feuchtelast beim Wechsel der Betriebszustände über die Differenz des absoluten Feuchtegehalts zu bestimmen:
$$Delta W = (d_1 - d_2) cdot V cdot rho$$
wobei ΔW die zu entfernende Feuchtigkeitsmenge (g) ist; d₁, d₂ der absolute Feuchtegehalt des Anfangs‑ und Zielzustands (g/kg); V das Kammervolumen (m³); ρ die Luftdichte (kg/m³).
Die erforderliche Feuchteabfuhrgeschwindigkeit (g/h) ergibt sich zu:
$$G_в = frac{Delta W}{Delta t} cdot 60$$
wobei Δt die vorgegebene Umschaltzeit (min) ist.
Ein wichtiger Schritt ist die Auswahl der Entfeuchtungsart anhand des folgenden Algorithmus:
- Wenn die Temperatur > +5°C UND der Taupunkt > 0°C ist, ist kondensative Entfeuchtung möglich;
- Wenn die Temperatur +5°C ODER der Taupunkt -10°C ist, ist adsorptive Entfeuchtung erforderlich;
- In allen anderen Fällen wird ein kombiniertes System empfohlen.
Für dynamische Betriebsarten ist zudem ein Sicherheitsfaktor (Kз) zu berücksichtigen, der je nach Änderungsgeschwindigkeit der Parameter zwischen 1,3 und 1,8 liegt:
$$G_{в.р} = G_в cdot K_з$$
wobei Gв.р die berechnete Entfeuchtungsleistung (g/h) ist.
Reaktionszeit des Entfeuchtungssystems und Trägheitsfaktoren
Das Verständnis der Reaktionszeit des Entfeuchtungssystems ist entscheidend für eine präzise Feuchteregelung, insbesondere unter dynamischen Bedingungen. Die Gesamtreaktionszeit setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen.
Die thermische Trägheit des kondensativen Verdampfers hängt von seiner Masse und der Wärmekapazität des Materials ab. Die Zeit, die zur Änderung der Verdampfertemperatur (und damit der Entfeuchtungsleistung) benötigt wird, beträgt typischerweise 5 bis 15 Minuten und beeinflusst die Reaktionsgeschwindigkeit des Systems deutlich.
Bei Adsorptionssystemen ist die Regenerationszeit des Adsorptionsrotors bzw. der Kassetten der bestimmende Faktor für den Mindestarbeitszyklus. Je nach Systemtyp liegt sie bei etwa 20 bis 180 Minuten und erfordert besondere Massnahmen, um eine unterbrechungsfreie Entfeuchtung sicherzustellen.
Ein zusätzlicher Faktor ist die Transportverzögerung in den Luftleitungen, die sich wie folgt berechnen lässt:
$$t_{тр} = frac{V_{пв}}{Q}$$
wobei tтр die Transportverzögerung (s) ist; Vпв das Luftleitungsvolumen (m³); Q der Luftvolumenstrom (m³/s).
Nicht minder wichtig ist die Trägheit der Feuchtesensoren, die je nach Sensortyp und Luftgeschwindigkeit zwischen etwa 30 Sekunden und 3 Minuten liegt. Dies wird bei sehr schnellen Zustandsänderungen oft zum begrenzenden Faktor.
Die gesamte Einschwingzeit des Systems kann als Summe aller Trägheitsanteile bestimmt werden:
$$t_{заг} = t_{тепл} + t_{рег} + t_{тр} + t_{датч}$$
wobei tзаг die Gesamtreaktionszeit des Systems ist; tтепл die thermische Trägheitszeit; tрег die Regenerationszeit; tтр die Transportverzögerung; tдатч die Sensorreaktionszeit.
Kombinierte Entfeuchtungssysteme und Pufferung
Um einen stabilen Betrieb über einen weiten Temperaturbereich und schnelle Zustandswechsel zu gewährleisten, sind kombinierte Entfeuchtungssysteme oft die optimale Lösung. Sie vereinen die Vorteile verschiedener Technologien und kompensieren deren individuelle Grenzen.
Am verbreitetsten ist der serielle Einsatz von kondensativer und adsorptiver Entfeuchtung. Das kondensative System arbeitet bei positiven Temperaturen effizient und senkt die Feuchte bis auf ein bestimmtes Niveau, anschliessend trocknet das Adsorptionssystem die Luft bis zum erforderlichen Taupunkt nach. Diese Kombination ermöglicht maximale Energieeffizienz bei gleichzeitig grossem Arbeitsbereich.
Ein wichtiges Element solcher Systeme ist die automatische Umschaltung zwischen den Modi anhand von Temperatur oder gefordertem Taupunkt. Die Steuerung muss einen sanften Übergang gewährleisten und Schwankungen der Umfeldparameter minimieren.
Zur Glättung von Übergangsprozessen ist der Einsatz von Pufferspeichern für aufbereitete Luft ein wirkungsvolles Mittel. Sie akkumulieren trockene Luft, die bei einem Zustandswechsel rasch in die Kammer geleitet werden kann, um die Trägheit des Hauptsystems zu kompensieren.
Eine zusätzliche Methode der Feinregelung ist der Einsatz von Bypass‑Systemen, die eine präzise Dosierung der Feuchte durch Mischen von getrockneter und unbehandelter Luft erlauben. Dies ist besonders effektiv, wenn ein sanftes Parametertuning erforderlich ist.
Typische Ingenieurfehler und Irrtümer
Bei der Auslegung von Entfeuchtungssystemen für Klimaprüfkammern treten häufig typische Fehler auf, die Effizienz und Genauigkeit deutlich beeinträchtigen können.
Einer der häufigsten ist die Auswahl des Entfeuchters allein anhand des Kammervolumens ohne Berücksichtigung der Änderungsgeschwindigkeit der Betriebsparameter. Das führt zu unzureichender Leistung in Übergangszuständen, wenn das System auf schnelle Feuchteänderungen nicht rechtzeitig reagieren kann.
Ein weiterer typischer Fehler ist der Einsatz kondensativer Entfeuchtung in Tieftemperatur‑Kammern mit Temperaturen unter 0°C. Unter solchen Bedingungen friert das Kondensat am Verdampfer ein, was den Luftstrom blockiert und die Entfeuchtungsleistung reduziert.
Ebenfalls verbreitet ist die Ignoranz gegenüber der Änderung der relativen Feuchte bei Temperaturänderungen, selbst bei konstantem absolutem Feuchtegehalt. Dies beruht auf mangelndem Verständnis der Psychrometrie und führt zu falschen Leistungsberechnungen bei variablen Temperaturprofilen.
Die Leistungsbemessung ohne Berücksichtigung der Systemreaktionszeit ist ein weiterer häufiger Fehler, der zu Überschwingen und Parameteroszillationen führt. Das System kann in seiner Reaktion «nachhinken», was für präzise Prüfungen besonders kritisch ist.
Ein Irrtum ist auch die Annahme, die Genauigkeit von ±2% relativer Feuchte sei bei jeder Temperaturänderungsgeschwindigkeit erreichbar. In Wirklichkeit hängt dies von der Trägheit des Gesamtsystems ab; bei sehr schnellen Wechseln ist eine hohe Genauigkeit ohne spezielle Massnahmen praktisch nicht erreichbar.
Fazit
Die Auswahl und Auslegung von Entfeuchtungssystemen für Klimaprüfkammern ist eine komplexe ingenieurtechnische Aufgabe, die zahlreiche miteinander verknüpfte Faktoren berücksichtigt. Entscheidende Parameter für die Technologieauswahl sind der Arbeitstemperaturbereich, der geforderte Taupunkt und die Geschwindigkeit der Zustandsänderungen.
Für eine präzise Feuchteregelung ist das Verständnis psychrometrischer Prozesse von zentraler Bedeutung, insbesondere der Änderung der relativen Feuchte beim Erwärmen/Kühlen ohne Änderung des absoluten Feuchtegehalts. Dies ermöglicht eine korrekte Bewertung der Feuchtelast bei Betriebswechseln.
Bei der Auslegung für dynamische Betriebsarten ist die Reaktionszeit des Systems als Summe aus thermischer Trägheit, Transportverzögerung und Regenerationszeit sorgfältig zu berechnen. Gerade dieser Parameter begrenzt oft die erreichbare Regelgenauigkeit.
Für Prüfkammern mit breitem Temperaturbereich sind in der Regel kombinierte Systeme mit Umschaltmöglichkeit zwischen kondensativer und adsorptiver Betriebsart optimal, ergänzt durch eine Pufferung der aufbereiteten Luft zur Glättung der Übergangsprozesse.
Planungsingenieurinnen und -ingenieuren wird empfohlen, für jede Anwendung eine individuelle Auslegung unter Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen der Prüfnormen vorzunehmen, statt sich auf Standardlösungen zu verlassen, die in speziellen Einsatzbedingungen die erforderliche Genauigkeit möglicherweise nicht gewährleisten.
