Honeycombe® desikantni kotači: konstrukcija, princip rada i inženjerske prednosti

Autor: tehnički odjel Mycond

Među različitim konfiguracijama desikantnih odvlaživača zraka upravo su rotirajući desikantni kotači tipa Honeycombe® postali dominantno rješenje na suvremenom tržištu adsorpcijskog odvlaživanja. Tehnologija DEW (Desiccant Wheel) s valovitom polukeramičkom strukturom kombinira prednosti svih ranijih tipova odvlaživača: neprekinutost procesa, karakterističnu za ladicašte sustave, iznimno niske točke rosišta, svojstvene nasipnim kulama s granuliranim silikagelom, te visoku energetsku učinkovitost zahvaljujući maloj masi rotirajućeg elementa.

Za razliku od vertikalnih višerazinskih slojeva s čegrtaljnim pogonom ili nasipnih kula, adsorpcijski kotač osigurava stabilnu kvalitetu odvlaživanja bez pulsacija vlage na izlaznom toku. Desikantni rotor Honeycombe® zahvaljujući svojoj jedinstvenoj konstrukciji postao je standard za industrijske primjene u kojima je kritično važna niska točka rosišta zraka.

Konstrukcija kotača Honeycombe®

Osnovu desikantnog rotora čini polukeramička struktura na bazi staklenovlaknaste matrice, koja vizualno podsjeća na valoviti karton smotan u oblik kotača. Valovita struktura stvara tisuće paralelnih žljebova (flutes) koji funkcioniraju kao pojedinačni zračni kanali. Unutarnja površina tih kanala prekrivena je sitnodisperznim adsorbensom – silikagelom, koji u tipičnoj konstrukciji čini više od 82% aktivnog materijala.

Ključni parametar učinkovitosti takve konstrukcije jest iznimno velika unutarnja površina silikagela u odvlaživačima, koja doseže 21 000–22 700 m² po unci (228 864–244 121 kvadratnih stopa po unci). To osigurava izuzetno nizak parcijalni tlak vodene pare uz površinu adsorbensa, što pojačava učinkovitost upijanja vlage.

Fizičko načelo rada temelji se na zakonima termodinamike – vodena para difundira iz područja višeg parcijalnog tlaka (vlažan zrak) prema području nižeg tlaka (površina adsorbensa). Zahvaljujući ravnim kanalima strujanje zraka kroz kotač je laminarno, a ne turbulentno kao u nasipnim slojevima. Posljedično, aerodinamički otpor raste samo proporcionalno dubini kotača, a ne kao kvadrat brzine strujanja, što Honeycombe tehnologiju čini energetski učinkovitijom.

Ciklus adsorpcije–desorpcije s numeričkim parametrima

Konstrukcija desikantnog kotača predviđa podjelu na dva funkcionalna dijela: zonu odvlaživanja 270° (tri četvrtine površine) te zonu regeneracije 90° (jedna četvrtina), koje su međusobno izolirane posebnim brtvama. Tipična brzina okretanja kotača iznosi 5–30 okr/h za aktivnu adsorpciju, što je znatno sporije u usporedbi s pasivnim entalpijskim kotačima (20–60 okr/min).

Rad adsorpcijskog odvlaživača može se podijeliti u tri uzastopne faze:

• Faza 1 (točka 1→2): suhi hladni desikant s niskim površinskim tlakom pare adsorbira vlagu iz procesnog zraka, postupno se zasićuje i zagrijava zbog topline sorpcije;
• Faza 2 (točka 2→3): zasićeni desikant prelazi u zonu regeneracije, gdje se zagrijava vrućim zrakom (tipično do 120°C / 248°F od PTC grijača regeneracije), kao rezultat površinski tlak pare naglo raste i vlaga se otpušta u regeneracijski tok;
• Faza 3 (točka 3→1): vrući suhi desikant vraća se u zonu odvlaživanja, gdje se hladi dijelom procesnog zraka, obnavljajući nizak površinski tlak za novi ciklus adsorpcije.

Važno je napomenuti da protok regeneracijskog zraka iznosi približno 1/3 procesnog protoka (omjer protoka 3:1) i kreće se protustrujno radi maksimalne učinkovitosti. Pri uklanjanju vlage oslobađa se toplina sorpcije od 2510–3050 kJ/kg (1080–1312 BTU po funti) uklonjene vlage, što dovodi do zagrijavanja procesnog zraka proporcionalno količini uklonjene vlage.

Na primjer, zrak s parametrima 21°C i 50% RH nakon dubokog odvlaživanja do točke rosišta 7°C može se zagrijati do 49°C zbog prijenosa topline pri regeneraciji, pa je često potrebno dodatno hlađenje.

Vrste desikanata i njihove sorpcijske karakteristike

Učinkovitost adsorpcijskog odvlaživača uvelike je određena sorpcijskim kapacitetom desikanta. Pogledajmo izotermu adsorpcije pri 25°C za različite materijale:

Praktično značenje ovih podataka može se ilustrirati ovako: za uklanjanje 22,7 kg (50 funti) vodene pare iz zraka pri 20% RH teoretski je potrebno:

• 907 kg (2000 funti) silikagela Tip 5
• 151 kg (333 funte) silikagela Tip 1
• 113 kg (250 funti) molekularnih sita
• 65 kg (143 funte) litijeva klorida

U praksi će stvarne količine desikanata biti znatno veće zbog dinamike procesa. Učinkovita strategija je kombiniranje različitih tipova desikanata – Tip 1 osigurava visok kapacitet u nižim rasponima vlažnosti, a Tip 5 adsorbira velike količine vode pri visokoj vlažnosti (iznad 90% RH). Takva kombinacija omogućuje postizanje naizgled suprotstavljenih ciljeva: niska točka rosišta i visoka ukupna produktivnost.

Posebno se ističu molekularna sita za niske točke rosišta. Pri odvlaživanju do iznimno niskih razina (ispod 10% RH ili −40°C točke rosišta) pokazuju najveći kapacitet među svim adsorbensima, što ih čini idealnima za specijalne primjene.

Sistematizirane prednosti konstrukcije Honeycombe®

U usporedbi s alternativnim konfiguracijama desikantnih odvlaživača, tehnologija Honeycombe® ima niz značajnih prednosti:

1. Mala rotirajuća masa uz visok kapacitet uklanjanja vlage. Budući da je energija grijanja i hlađenja izravno proporcionalna masi desikanta, lagana valovita polukeramička struktura rotora osigurava višu energetsku učinkovitost.
2. Nizak aerodinamički otpor. Zahvaljujući laminarnom strujanju u kotaču kroz ravne kanale, za razliku od turbulentnog strujanja u nasipnim slojevima, otpor raste samo proporcionalno dubini kotača, a ne kao kvadrat brzine.
3. Postizanje ultraniskih točaka rosišta. Uz odgovarajuće desikante moguće je postići nisku točku rosišta do −68°C (−90°F), što je nedostižno za većinu drugih tehnologija.
4. Jednostavnost konstrukcije. Minimum pokretnih dijelova (samo kotač i pogon) osigurava niske troškove održavanja.
5. Fleksibilnost primjene. Mogućnost punjenja i čvrstim i tekućim desikantima za specifične zadatke.
6. Stabilnost pokazatelja. Izostanak «pilastog» efekta promjene izlazne vlage, karakterističnog za nasipne kule s periodičnom regeneracijom.

Jedini značajan nedostatak je viši trošak izrade kotača u usporedbi s granulama suhog desikanta. Ipak, ta se razlika u potpunosti kompenzira operativnim prednostima tijekom tipičnog vijeka trajanja od 15–30 godina.

Faktori koji utječu na učinkovitost kotača

Učinkovitost desikantnog rotora ovisi o nekoliko ključnih čimbenika:

Dubina kotača

Povećanje dubine povećava kontaktnu površinu desikanta sa zrakom i količinu uklonjene vlage. Međutim, aerodinamički otpor raste proporcionalno, što povećava potrošnju energije ventilatora. Postignuta točka rosišta ovisi izravno o dubini rotora i tipu desikanta.

Brzina okretanja (5–30 okr/h)

Brže okretanje povećava količinu desikanta koji ciklički dolazi u kontakt sa zrakom, čime se podiže produktivnost. No to također povećava prijenos topline iz zone regeneracije u zonu odvlaživanja, što često zahtijeva dodatno hlađenje procesnog zraka.

Temperatura regeneracije (tipično 120°C)

Viša temperatura reaktivacije 120°C osigurava potpuniju desorpciju vlage. Međutim, za uklanjanje posljednjih porcija čvrsto vezane vode potrebna je neproporcionalno visoka energija. Stoga neki proizvođači primjenjuju dvostupanjsku regeneraciju — 70–80% vlage uklanja se niskopotencijalnom toplinom, a završno odvlaživanje visokotemperaturnim zagrijavanjem.

Brtvljenje između zona

Svako propuštanje vlažnog regeneracijskog zraka u suhi procesni tok znatno pogoršava učinkovitost. Primjerice, curenje 20 kub. stopa/min zraka s vlagom 120 graina/funtu u tok 500 kub. stopa/min s vlagom 1 grain/funtu povisit će izlaznu vlagu na 5,5 graina/funtu.

Utjecaj onečišćivača

Na dugovječnost rotora ponajprije utječu onečišćivači. Prašina postupno začepljuje pore adsorbensa, smanjujući kapacitet s godinama. Organske pare mogu se polimerizirati pri visokim temperaturama regeneracije. Trioksid sumpora tijekom nekoliko godina može pretvoriti litijev klorid u litijev sulfat. Preporuka — uvijek osigurati filtraciju zraka na ulazu u odvlaživač.

Područja primjene

Adsorpcijski odvlaživači s tehnologijom Honeycombe® koriste se u raznim industrijama:

• Farmaceutska proizvodnja — čiste sobe za tabletiranje i pakiranje s kontrolom vlažnosti do 10% RH i točnošću ±2% RH, tipična točka rosišta −11°C (13°F) pri temperaturi 21°C (70°F).
• Prehrambena industrija — pakiranje higroskopnih proizvoda, raspršivačko sušenje, gdje je zagrijavanje zraka pri odvlaživanju korisno za proces.
• Proizvodnja poluvodiča — kontrola vlažnosti za higroskopne fotoreziste, gdje mikroskopska apsorpcija vlage može dovesti do defekata mikročipova.
• Arhivsko skladištenje — muzeji, knjižnice, spremišta dokumenata s kontrolom 35% RH radi sprječavanja korozije i razvoja plijesni.
• Industrijska skladišta — skladištenje opreme pri 30–35% RH radi smanjenja korozije metalnih komponenti.

Inženjerski odgovori na česta pitanja

Koja je razlika između pasivne i aktivne adsorpcije?

Pasivna koristi razliku vlažnosti između tokova bez dovođenja topline (entalpijski kotači rade pri 20–60 okr/min), aktivna primjenjuje zagrijavanje regeneracijskog zraka za dubinsko odvlaživanje (5–30 okr/h). Samo aktivna može osušiti zrak ispod razine vlažnosti u prostoru.

Zašto je Honeycombe® učinkovitiji od nasipnih slojeva?

Zahvaljujući laminarnom strujanju kroz ravne kanale, maloj masi uz veliku površinu, neprekidnom radu bez kolebanja vlage, mogućnosti kombiniranja desikanata.

Koju točku rosišta je moguće postići?

Sa silikagelom se može postići niska točka rosišta do −68°C (−90°F), s molekularnim sitima — još niže vrijednosti. Za većinu industrijskih primjena dovoljno je −40°C.

Koliki je vijek trajanja adsorpcijskog kotača?

Tipično 15–30 godina uz odgovarajuću filtraciju zraka. Uočava se postupna degradacija zbog onečišćenja pora prašinom i organskim tvarima.

Zaključci

Tehnologija Honeycombe® postala je standard adsorpcijskog odvlaživanja zahvaljujući optimalnoj ravnoteži između produktivnosti, energetske učinkovitosti i pouzdanosti. Za projektante inženjere mogu se dati sljedeće preporuke:

1. Birajte tip desikanta u skladu s ciljanom točkom rosišta — silikagel za tipične primjene, molekularna sita za vrlo duboko odvlaživanje.
2. Maksimalno iskoristite rekuperiranu toplinu za regeneraciju kao glavni čimbenik smanjenja operativnih troškova.
3. Osigurajte odgovarajuću filtraciju ulaznog zraka radi zaštite adsorpcijskog kotača od onečišćenja.

Pri izboru između tipova odvlaživača, desikantni kotači optimalni su kada su potrebne točke rosišta ispod 7–10°C, visoko latentno opterećenje, niske radne temperature ili dostupnost jeftine topline za regeneraciju. Zahvaljujući valovitoj polukeramičkoj strukturi rotora i aktivnoj regeneraciji, ti sustavi osiguravaju stabilno odvlaživanje u najzahtjevnijim uvjetima rada.