Honeycombe®-Desiccant-Räder: Aufbau, Funktionsprinzip und ingenieurtechnische Vorteile

Autor: Technische Abteilung von Mycond

Unter den unterschiedlichen Konfigurationen von Desiccant-Luftentfeuchtern hat sich das Adsorptionsrad mit gewellter halbkeramischer Struktur als dominierende ingenieurtechnische Lösung in der Branche etabliert. Traditionelle Schütttürme mit granuliertem Silikagel, horizontale rotierende Schalen und vertikale mehrlagige Betten mit Ratschenantrieb haben rotierenden Rotoren vom Typ Honeycombe® Platz gemacht, die häufig als DEW (Desiccant Wheel) bezeichnet werden.

Diese Bauweise wurde dank der einzigartigen Kombination der Vorteile früherer Systeme populär: Kontinuität des Prozesses wie bei Schalenanlagen, die Fähigkeit, niedrige Taupunkte wie bei Schütttürmen zu erreichen, sowie Energieeffizienz dank der geringen Masse der rotierenden Elemente. Genau diese Universalität macht den Desiccant-Rotor unverzichtbar für vielfältige industrielle Anwendungen, in denen eine effiziente Feuchteentfernung aus der Luft gefordert ist.

Aufbau des Honeycombe®-Rades: ein ingenieurtechnisches Meisterwerk der Effizienz

Die Basis des Honeycombe®-Rades bildet eine halbkeramische Struktur auf Glasfasermatrix, die optisch an Wellpappe erinnert und zu einem Rad aufgerollt ist. Die durch die Wellen entstehenden Rillen (Flutes) fungieren als individuelle Luftkanäle, deren Innenflächen mit einem feindispersen Adsorbens beschichtet sind – in der typischen Ausführung über 82 % Silikagel.

Der Schlüsselparameter für die Effizienz ist die innere Oberfläche des Silikagels in den Trocknern, die 21 000–22 700 m² pro Unze (228 864–244 121 Quadratfuß/Unze) beträgt. Diese enorme Fläche sorgt für einen außerordentlich niedrigen Wasserdampf-Partialdruck an der Oberfläche des Adsorbens, der die treibende Kraft des Prozesses darstellt.

Das physikalische Funktionsprinzip basiert auf den fundamentalen Gesetzen der Thermodynamik: Wasserdampf diffundiert von Bereichen höheren Partialdrucks (feuchte Luft) zu Bereichen niedrigeren Drucks (Oberfläche des Adsorbens). Dank der geradlinigen Kanäle der gewellten Struktur ist der Luftstrom durch das Rad laminar und nicht turbulent wie in Schüttbetten; daher steigt der aerodynamische Widerstand lediglich proportional zur Radtiefe und nicht wie das Quadrat der Geschwindigkeit.

Adsorptions-Desorptionszyklus: drei Phasen der effizienten Trocknung

Die ingenieurtechnische Genialität des rotierenden Desiccant-Rades liegt in der Aufteilung in zwei klar definierte Zonen: Trocknungszone (270°, drei Viertel der Fläche) und Regenerationszone (90°, ein Viertel), die voneinander isoliert sind. Die Drehzahl beträgt typischerweise 5–30 U/h für die aktive Adsorption, deutlich langsamer im Vergleich zu 20–60 U/min bei passiven Enthalpierädern.

Der Arbeitszyklus eines Adsorptionstrockners besteht aus drei Kernphasen:

• Phase 1 (Punkt 1→2) – trockenes, kaltes Adsorbens mit niedrigem Oberflächen-Partialdruck nimmt Feuchte aus der Prozessluft auf, sättigt sich allmählich und erwärmt sich durch Sorptionswärme.
• Phase 2 (Punkt 2→3) – gesättigtes Adsorbens gelangt in die Regenerationszone, wird durch Heißluft (typisch bis 120°C / 248°F vom PTC-Regenerationsheizer) aufgeheizt, der Oberflächen-Partialdruck steigt stark an und die Feuchte wird in den Regenerationsstrom abgegeben.
• Phase 3 (Punkt 3→1) – heißes, trockenes Adsorbens kehrt in die Trocknungszone zurück, kühlt durch einen Teil der Prozessluft ab und stellt den niedrigen Oberflächen-Partialdruck für den neuen Adsorptionszyklus wieder her.

Wichtig ist, dass ein Strömungsverhältnis von 3:1 typisch ist: Der Regenerationsluftstrom beträgt etwa 1/3 des Prozessstroms und bewegt sich im Gegenstrom. Bei der Feuchteentfernung wird Sorptionswärme (Kondensationswärme plus chemische Bindungswärme) frei, die 2510–3050 kJ/kg entfernter Feuchte (1080–1312 BTU pro Pfund) beträgt und zur Erwärmung der Prozessluft führt.

Praxisbeispiel: Luft mit 21°C und 50 % rF kann sich nach einer Tiefentfeuchtung auf einen Taupunkt von 7°C auf bis zu 49°C erwärmen; daher ist oft eine zusätzliche Nachkühlung erforderlich.

Arten von Desiccants und ihre Sorptionseigenschaften

Die Sorptionskapazität des Desiccants ist ein kritischer Parameter, der die Systemleistung bestimmt. Bei 25°C (77°F) zeigen unterschiedliche Desiccants unterschiedliche Adsorptionsisothermen:

• Silikagel Typ 5: 2,5 % (bei 20 % rF)
• Silikagel Typ 1: 15 % (bei 20 % rF)
• Molekularsiebe: 20 % (bei 20 % rF)
• Lithiumchlorid: 35 % (bei 20 % rF)

Diese Zahlen bedeuten, dass zur Entfernung von 22,7 kg Wasserdampf aus Luft bei 20 % rF theoretisch erforderlich sind: 907 kg Silikagel Typ 5, 151 kg Silikagel Typ 1, 113 kg Molekularsiebe oder 65 kg Lithiumchlorid. Die realen Mengen werden aufgrund der Prozessdynamik deutlich höher liegen.

Die ingenieurtechnische Strategie der Kombination von Desiccants besteht darin, dass Typ 1 Kapazität in den unteren Feuchtebereichen bereitstellt, während Typ 5 große Wassermengen bei relativer Feuchte über 90 % effizient adsorbiert. Molekularsiebe für niedrige Taupunkte sind besonders effektiv bei der Entfeuchtung auf extrem niedrige Niveaus (unter 10 % rF oder −40°C Taupunkt), wo sie die größte Kapazität unter allen Adsorbentien haben.

Systematisierte Vorteile der Honeycombe®-Konstruktion

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

1. Geringe rotierende Masse bei hoher Entfeuchtungsleistung. Die Energie zum Erwärmen und Abkühlen ist direkt proportional zur Masse des Desiccants; die leichte Konstruktion sorgt daher für Energieeffizienz.
2. Niedriger aerodynamischer Widerstand. Der laminare Strömungszustand im Rad durch die geraden Kanäle unterscheidet sich deutlich von der turbulenten Strömung in Schüttbetten, wo der Widerstand wie das Quadrat der Geschwindigkeit wächst.
3. Erreichung extrem niedriger Taupunkte. Mit geeigneten Desiccants sind Taupunkte bis minus 68°C (−90°F) möglich.
4. Einfache Konstruktion. Ein Minimum an beweglichen Teilen (nur Rad und Antrieb) reduziert die Wartungskosten.
5. Flexibilität bei der Bestückung unterschiedlicher Desiccants für spezifische Anwendungen.
6. Kein sägezahnartiger Effekt der Ausgangsfeuchte, wie er für Schütttürme mit periodischer Regeneration typisch ist.

Der einzige wesentliche Nachteil sind höhere Herstellungskosten des Rades im Vergleich zu Granulaten aus trockenem Desiccant, doch wird dieser Unterschied durch Betriebsvorteile über die typische Lebensdauer von 15–30 Jahren kompensiert.

Faktoren, die die Leistung des Rades beeinflussen

Die Effizienz des Desiccant-Rotors wird durch mehrere Schlüsselfaktoren bestimmt:

1. Radtiefe: Eine größere Tiefe erhöht die Kontaktfläche des Desiccants mit der Luft und die entfernte Feuchtemenge, doch der aerodynamische Widerstand steigt proportional an und erhöht den Ventilatorenergiebedarf.

2. Drehzahl 5–30 U/h: Schnellere Rotation vergrößert die Menge an Desiccant, die zyklisch mit der Luft in Kontakt kommt, und erhöht die Leistung, steigert aber auch den Wärmetransport aus der Regenerations- in die Trocknungszone.

3. Reaktivierungstemperatur 120°C: Höhere Temperaturen ermöglichen eine vollständigere Desorption, doch erfordert die Entfernung der letzten, fest gebundenen Wasseranteile hohe Energie. Deshalb setzen einige Hersteller eine zweistufige Regeneration ein – 70–80 % der Feuchte werden mit Niedertemperaturwärme entfernt, die finale Trocknung erfolgt mit Hochtemperaturwärme.

4. Dichtigkeit zwischen den Zonen: Jegliches Leck von feuchter Regenerationsluft in den trockenen Prozessstrom verschlechtert die Leistung deutlich, da der Taupunkt der Abluft des Trockners ansteigt.

5. Einfluss von Verunreinigungen: Dies ist der Hauptfaktor, der Taupunkttiefe und Langlebigkeit des Rotors bestimmt. Staub verstopft nach und nach die Poren des Adsorbens; organische Dämpfe können bei hohen Regenerationstemperaturen polymerisieren; alle Desiccants können im Laufe der Zeit Feinpartikel freisetzen.

Fazit: die optimale Lösung für die industrielle Entfeuchtung

Die Honeycombe®-Technologie ist zum Standard der Adsorptionstrocknung geworden, dank des optimalen Gleichgewichts aus Leistung, Energieeffizienz und Zuverlässigkeit. Für Planungsingenieure sind drei Kernempfehlungen besonders relevant:

• Wählen Sie das Desiccant entsprechend dem Ziel-Taupunkt: Silikagel für typische Anwendungen, Molekularsiebe für Tiefstentfeuchtung.
• Nutzen Sie rückgewonnene Wärme für die Regeneration des Desiccants maximal aus – der wichtigste Hebel zur Senkung der Betriebskosten.
• Sorgen Sie für eine angemessene Zuluftfiltration zum Schutz des Rades und zur Verlängerung seiner Lebensdauer.

Desiccant-Räder sind optimal, wenn Taupunkte unter 7–10°C gefordert sind, bei hoher latenter Last, niedrigen Betriebstemperaturen oder verfügbarer kostengünstiger Wärme. Genau diese Faktoren haben die gewellte halbkeramische Rotorstruktur Honeycombe® zur dominierenden Technologie in der industriellen Luftentfeuchtung gemacht.