Autor: Technische Abteilung Mycond
Klimaprüfkammern werden eingesetzt, um Ausrüstung unter vielfältigen Bedingungen zu testen, was eine präzise Kontrolle sowohl der Temperatur als auch der Feuchte erfordert. Eine besonders anspruchsvolle ingenieurtechnische Aufgabe besteht darin, eine zuverlässige Luftentfeuchtung bei schnellen Änderungen der Umgebungsparameter und über einen weiten Bereich von Betriebstemperaturen zu gewährleisten. In diesem Artikel beleuchten wir die zentralen Aspekte der Auslegung und Planung von Entfeuchtungssystemen für Klimaprüfkammern unter Berücksichtigung ihrer Arbeitsweise in dynamischen Betriebsarten.
Besonderheiten von Klimaprüfkammern als Objekt der Feuchtekontrolle
Moderne Klimaprüfkammern arbeiten in einem äußerst weiten Temperaturbereich – von -70°C bis +180°C, je nach Typ und Verwendungszweck. Die Anforderungen an die relative Luftfeuchte variieren ebenfalls erheblich: von 10% bis 98% gemäß den unterschiedlichen Prüfnormen. Die Genauigkeit der Regelung liegt dabei üblicherweise bei ±2–3% relativer Feuchte, was eine sehr strenge Anforderung darstellt.
Ein zentrales Merkmal von Klimaprüfkammern ist die Notwendigkeit, nicht nur stationäre, sondern auch dynamische Betriebsarten mit schnellen Parameteränderungen zu realisieren. Die Temperaturänderungsrate kann bei modernen Modellen bis zu 10°C pro Minute erreichen, was zusätzliche Herausforderungen für die Feuchteregelungssysteme schafft. Das kleine Nutzvolumen der Kammern (typischerweise 0,5 bis 20 m³) beeinflusst die Systemträgheit deutlich – kleine Luftvolumina reagieren schneller auf Parameteränderungen, erfordern jedoch zugleich präzisere und schneller reagierende Regelungssysteme.
Es ist zu beachten, dass alle genannten Zahlenbereiche Richtwerte sind und vom konkreten Kammertyp und der Prüfnorm abhängen. So werden beispielsweise Automobilkomponenten häufig nach ISO 16750 geprüft, elektronische Komponenten nach IEC 60068 und pharmazeutische Produkte nach ICH Q1A.
Physik des Prozesses: Zusammenhang zwischen Temperatur, relativer und absoluter Feuchte
Zum Verständnis der in Klimaprüfkammern ablaufenden Prozesse muss der Zusammenhang zwischen den verschiedenen Parametern feuchter Luft klar verstanden werden. Besonders wichtig ist die Beziehung zwischen Temperatur, relativer und absoluter Luftfeuchte in dynamischen Betriebsarten.
Die relative Luftfeuchte (φ) ist das Verhältnis des Partialdrucks des Wasserdampfes in der Luft (pп) zum Sättigungsdampfdruck (pн) bei derselben Temperatur:
$$varphi = frac{p_{п}}{p_{н}} cdot 100%$$
Ein entscheidender Punkt ist, dass sich bei Erwärmung der Luft die relative Feuchte auch ohne Feuchteentzug verringert, da der Sättigungsdampfdruck (pн) mit steigender Temperatur stark ansteigt. Dieses Prinzip lässt sich mit dem h–d-Mollier-Diagramm veranschaulichen, einem wichtigen Werkzeug zur Analyse psychrometrischer Prozesse.
Die absolute Feuchte der Luft (d), gemessen in Gramm Wasser pro Kilogramm trockener Luft, steht über folgende Beziehung mit der relativen Feuchte in Zusammenhang:
$$d = 622 cdot frac{varphi cdot p_{н}}{p_{б} - varphi cdot p_{н}}$$
wobei pб der barometrische Druck ist (in der Regel 101,325 kPa).
Bei Temperaturänderungen ändert sich der Sättigungsdampfdruck, was sich mit der Zustandsgleichung von Mendelejew–Clapeyron oder mit der empirischen Magnus-Formel berechnen lässt:
$$p_{н} = 611,2 cdot exp left( frac{17,62 cdot t}{243,12 + t} right)$$
wobei t die Temperatur in °C ist und pн in Pa angegeben wird.
Das Verständnis dieser Zusammenhänge ist für die Arbeit mit Klimaprüfkammern, insbesondere im dynamischen Betrieb, von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise sinkt bei Erwärmung von Luft mit 20°C und 50% relativer Feuchte auf 60°C ohne Zu- oder Abfuhr von Feuchte (d. h. bei konstantem absolutem Feuchtegehalt) die relative Feuchte auf etwa 10%.
Technische Grenzen der Kondensationstrocknung in Klimaprüfkammern
Die Kondensationstrocknung ist eine der am weitesten verbreiteten Methoden zur Reduzierung der Luftfeuchte, weist jedoch für Klimaprüfkammern wesentliche Einschränkungen auf, die bei der Systemauslegung zu berücksichtigen sind.
Die Hauptbegrenzung besteht in der Unmöglichkeit des Betriebs unterhalb des Gefrierpunkts des Kondensats, also unter 0...+3°C. Sinkt die Verdampfertemperatur darunter, friert das Kondensat auf der Wärmetauscheroberfläche ein; dies führt zu verminderter Wärmeübertragung und Entfeuchtungsleistung und im schlimmsten Fall zur vollständigen Blockierung des Luftstroms.
Ein weiteres Problem ist die Trägheit der Leistungsänderung von Kondensationsentfeuchtern aufgrund der thermischen Trägheit des Verdampfers. Abhängig von der Masse des Wärmetauschers kann die Reaktionszeit des Systems 5 bis 15 Minuten betragen – kritisch für Kammern mit Anforderungen an schnelle Zustandswechsel.
Kondensationssysteme sind zudem limitiert, was das Erreichen niedriger Taupunkte betrifft. Die meisten Standard-Kondensationsentfeuchter können Taupunkte unter +3...+5°C nicht halten, was für viele Prüfmodi unzureichend ist.
Die Leistungsfähigkeit der Kondensationstrocknung hängt stark von der Verdampfertemperatur ab. Eine Absenkung der Verdampfertemperatur erhöht die Effizienz der Feuchteabfuhr, verringert jedoch gleichzeitig den Wirkungsgrad des Kältekreislaufs. Dieser Zusammenhang lässt sich durch folgende Gleichung beschreiben:
$$W = k cdot S cdot (p_{н}(t_{пов}) - p_{н}(t_{вип}))$$
wobei W die Menge der entfernten Feuchte ist, k der Stoffübergangskoeffizient, S die Oberfläche des Verdampfers, tпов die Lufttemperatur und tвип die Verdampfertemperatur.
Es ist anzumerken, dass alle genannten Temperaturgrenzen und Zeitintervalle typische Richtwerte aus der Ingenieurpraxis sind und je nach konkreter Ausrüstung variieren können.
Adsorptionstrocknung: Vorteile und technische Herausforderungen für dynamische Betriebsarten
Die Adsorptionstrocknung ist für Klimaprüfkammern, die in einem weiten Temperaturbereich arbeiten, unverzichtbar. Diese Methode funktioniert effektiv im Bereich von -70°C bis +80°C und erfüllt damit die Anforderungen der meisten Prüfnormen.
Ein zentraler Vorteil von Adsorptionssystemen ist die Möglichkeit, äußerst niedrige Taupunkte zu erreichen – bis zu -70°C bei modernen Systemen mit Silicagel. Dadurch lässt sich der geforderte relative Feuchtegehalt auch bei sehr niedrigen Prüftemperaturen aufrechterhalten.
Allerdings haben Adsorptionssysteme ihre Grenzen, vor allem im Zusammenhang mit der Regeneration des Adsorbens. Die Regenerationszeit des Desiccants beträgt je nach Adsorbensart und Sättigungsgrad 20 bis 180 Minuten, was bei Prüfungen mit schnellen Parameterwechseln kritisch sein kann.
Für die richtige Auswahl des Adsorbens müssen die Adsorptionsisothermen berücksichtigt werden – Diagramme der Abhängigkeit der Adsorptionskapazität von der relativen Feuchte bei gegebener Temperatur. Verschiedene Adsorbentien (Silicagel, Zeolith, Molekularsiebe) weisen unterschiedliche Adsorptionscharakteristika auf:
- Silicagel hat eine hohe Kapazität bei hoher relativer Feuchte, jedoch eine geringere Wirksamkeit bei niedriger Feuchte;
- Zeolith zeigt eine gute Adsorptionsfähigkeit bei niedriger relativer Feuchte;
- Molekularsiebe ermöglichen die tiefste Entfeuchtung, besitzen jedoch eine geringere Gesamtkapazität.
Die Adsorptionskapazität hängt stark von der Regenerationstemperatur ab. Eine Erhöhung der Regenerationstemperatur von 120°C auf 180°C kann die Adsorptionskapazität je nach Adsorbens um 20–40% steigern. Zu beachten ist jedoch, dass zu hohe Regenerationstemperaturen die Lebensdauer des Desiccants verkürzen können.
Konkrete Werte der Adsorptionskapazität und der Regenerationszeit hängen vom Hersteller und den Betriebsbedingungen ab; daher sollten bei der Auslegung von Entfeuchtungssystemen die vom jeweiligen Adsorbenshersteller bereitgestellten Daten zugrunde gelegt werden.
Fazit
Die Auslegung von Luftentfeuchtungssystemen für Klimaprüfkammern erfordert ein tiefes Verständnis der physikalischen Prozesse sowie die Berücksichtigung zahlreicher technischer Faktoren. Die Wahl des optimalen Entfeuchtungssystems wird in erster Linie durch den Arbeits-Temperaturbereich, den erforderlichen Taupunkt und die Änderungsrate der Betriebszustände bestimmt.
Um eine präzise Feuchteregelung im dynamischen Betrieb zu gewährleisten, ist Folgendes erforderlich:
1. Psychrometrische Prozesse bei veränderlicher Temperatur berücksichtigen, insbesondere die Änderung der relativen Feuchte beim Erwärmen und Abkühlen der Luft;
2. Die Reaktionszeit des Systems sorgfältig berechnen, einschließlich thermischer Trägheit, Transportverzögerungen und Regenerationszeiten der Adsorbentien;
3. Für einen weiten Temperaturbereich kombinierte Systeme einsetzen, die zwischen Kondensations- und Adsorptionsbetrieb umschalten können;
4. Für jede Anwendung eine individuelle Auslegung unter Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen der Prüfnormen durchführen.
Planungsingenieuren wird empfohlen, je nach Änderungsrate der Parameter stets eine Leistungsreserve des Entfeuchtungssystems von 30–80% vorzusehen, um die erforderliche Feuchtegenauigkeit in allen Betriebsarten der Klimaprüfkammer sicherzustellen.
