Honeycombe® десикантни колела: конструкция, принцип на работа и инженерни предимства

Автор: технически отдел на Mycond

Сред множеството технологии за изсушаване на въздуха адсорбционното колело Honeycombe® се превърна в доминиращото решение в индустрията. Тази иновативна конструкция измести предишните поколения изсушители, включително насипни кули с гранулиран силикагел, хоризонтални въртящи се тави и вертикални многоетажни системи с храпов механизъм. Популярността на десикантния ротор се дължи на уникалната комбинация от предимства: непрекъснат процес на изсушаване (както при лотковите системи), способност да достига ниски точки на оросяване (както при насипните кули) и изключителна енергийна ефективност благодарение на малката маса. В професионалната литература тази конструкция често се нарича DEW (Desiccant Wheel) – десикантно колело.

Конструкция на колелото Honeycombe®

Десикантното колело Honeycombe® има уникална полукерамична структура на основата на стъкловлакнеста матрица, която визуално напомня на гофриран картон, навит в цилиндрична форма. Гофрираната полукерамична структура на ротора формира хиляди паралелни канавки (flutes), които функционират като индивидуални въздушни канали. Вътрешната повърхност на тези канали е покрита с фино дисперсен адсорбент – предимно силикагел в изсушителите (над 82% в типичната конструкция).

Ключово предимство на тази конструкция е изключително развитата вътрешна площ на повърхността на силикагела, която възлиза на 21 000–22 700 m² на унция (228 864–244 121 кв. фута/унция). Тази огромна контактна площ осигурява изключително ниско парциално налягане на водната пара в близост до повърхността на адсорбента.

Физическият принцип на работа се основава на законите на термодинамиката: водната пара естествено дифундира от области с по-високо парциално налягане (влажен въздух) към области с по-ниско налягане (повърхността на адсорбента). Благодарение на правите канали през колелото въздушният поток остава ламинарен, а не турбулентен както в насипните слоеве. Това означава, че ламинарният поток в колелото създава аеродинамично съпротивление, което нараства само пропорционално на дълбочината на колелото, а не като квадрат на скоростта, както е при насипните слоеве.

Цикъл на адсорбция-десорбция с числови параметри

Адсорбционното колело е физически разделено на две изолирани зони: зона на изсушаване 270° (три четвърти от площта на колелото) и зона на регенерация 90° (една четвърт от колелото). Типичната скорост на въртене на колелото е 5–30 об/час за активна адсорбция, което съществено се различава от скоростта на въртене на пасивните енталпийни колела (20–60 об/мин).

Работният цикъл на адсорбционния изсушител се състои от три основни фази:

• Фаза 1 (точка 1→2): сух, студен десикант с ниско повърхностно парциално налягане адсорбира влага от процесния въздух, като постепенно се насища и загрява от топлината на сорбцията.
• Фаза 2 (точка 2→3): наситеният десикант преминава в зоната на регенерация, където се загрява с горещ въздух (типично до 120°C / 248°F от PTC нагревателя за регенерация). При това повърхностното парциално налягане рязко нараства и влагата се отделя в регенерационния поток.
• Фаза 3 (точка 3→1): горещият сух десикант се връща в зоната на изсушаване, където се охлажда от част от процесния въздух, възстановявайки ниското повърхностно налягане за нов цикъл на адсорбция.

Важно е да се отбележи, че съотношението на потоците 3:1 е типично – потокът на регенерационния въздух е приблизително 1/3 от процесния и се движи срещупоточнo. По време на адсорбцията на влага се отделя топлина на сорбцията 2500–3050 kJ на kg влага (1080–1312 BTU на фунт), което води до повишаване на температурата на процесния въздух пропорционално на количеството отстранена влага.

Видове десиканти и техните сорбционни характеристики

Сорбционният капацитет на десиканта варира значително в зависимост от типа му. При температура 25°C (77°F) и относителна влажност 20% различните десиканти показват следните показатели за задържане на влага (в проценти от сухата маса):

• Силикагел Тип 5: 2,5%
• Силикагел Тип 1: 15%
• Молекулярни сита: 20%
• Литиев хлорид: 35%

На практика това означава, че за отстраняване на 22,7 kg (50 фунта) водна пара от въздуха при 20% RH теоретично са необходими: 907 kg (2000 фунта) силикагел Тип 5, или 151 kg (333 фунта) силикагел Тип 1, или 113 kg (250 фунта) молекулярни сита, или 65 kg (143 фунта) литиев хлорид.

Професионални инженери често прилагат стратегия за комбиниране на десиканти: Тип 1 осигурява висок капацитет в ниските диапазони на влажност, а Тип 5 ефективно адсорбира значителни количества вода при влажност над 90% RH. Това съчетание позволява едновременно да се постигне ниска точка на оросяване на въздуха и висока производителност.

Молекулярните сита за ниски точки на оросяване са оптималният избор при изсушаване до изключително ниски нива на влажност (под 10% RH или −40°C точка на оросяване), където демонстрират най-висок капацитет сред всички адсорбенти, благодарение на изотермата на адсорбция при 25°C.

Предимства на конструкцията Honeycombe®

В сравнение с алтернативни конфигурации технологията Honeycombe® предлага редица съществени предимства:

1. Малка въртяща маса при висок капацитет – енергията за нагряване и охлаждане е право пропорционална на масата на десиканта, затова леката конструкция осигурява изключителна енергийна ефективност.
2. Ниско аеродинамично съпротивление – благодарение на ламинарния поток през правите канали, за разлика от турбулентния поток в насипните слоеве, където съпротивлението нараства като квадрат на скоростта.
3. Възможност за достигане на ниска точка на оросяване до минус 68°C (−90°F) при използване на подходящи десиканти.
4. Простота на конструкцията с минимум движещи се части (само колелото и задвижването), което намалява разходите за поддръжка.
5. Гъвкавост на приложение – възможност за зареждане както на твърди, така и на течни десиканти според конкретните изисквания.
6. Липса на „трионообразен“ ефект на изменения на изходната влажност, характерен за насипните кули с периодична регенерация.

Единственият недостатък е по-високата себестойност на изработката на колелото в сравнение с гранули сух десикант, но тази разлика се компенсира от експлоатационните предимства през типичния срок на служба 15–30 години.

Фактори, влияещи върху производителността на колелото

Ефективността на адсорбционния изсушител зависи от няколко ключови параметъра:

1. Дълбочина на колелото: Увеличаването на дълбочината повишава контактната площ на десиканта с въздуха и количеството отстранена влага, но аеродинамичното съпротивление нараства пропорционално, увеличавайки енергийните разходи на вентилатора.

2. Скорост на въртене: Скорост на въртене 5–30 об/час увеличава количеството десикант, който циклично контактува с въздуха, повишавайки производителността. Въпреки това това увеличава и преноса на топлина при регенерация от горещата зона към зоната на изсушаване, което често изисква допълнително охлаждане на процесния въздух.

3. Температура на регенерация: По-високата температура на реактивация 120°C осигурява по-пълна десорбция на влагата, но за отстраняване на последните порции здраво свързана вода е необходима значително по-висока енергия. Поради това някои производители прилагат двустепенна регенерация, при която 70–80% от влагата се отстранява с нископотенциална топлина, а финалното изсушаване – с високотемпературна.

4. Херметичност между зоните: От какво зависи ниската точка на оросяване? Наред с други фактори – от качеството на изолацията между зоните. Всякакъв теч на влажен регенерационен въздух към сухия процесен поток съществено влошава производителността.

5. Замърсители на въздушния поток: Какво влияе върху дълготрайността на ротора? Прахът постепенно запушва порите на адсорбента, намалявайки капацитета с годините. Органични пари могат да полимеризират при високи температури на регенерация, запушвайки порите. Практическа препоръка – винаги осигурявайте филтрация на входа на изсушителя.

Изводи

Технологията Honeycombe® заслужено се превърна в стандарт за адсорбционно изсушаване благодарение на оптималния баланс между производителност, енергийна ефективност и надеждност. За проектант-инженерите е важно да помнят три ключови препоръки:

• Избирайте типа десикант според целевата точка на оросяване (силикагел за типични приложения, молекулярни сита за свръхдълбоко изсушаване).
• Максимално използвайте оползотворената топлина за регенерация – това е главният фактор за намаляване на експлоатационните разходи.
• Осигурявайте адекватна филтрация на входящия въздух за защита на колелото и максимизиране на неговия срок на служба.

При избора на тип изсушител е важно да се помни, че десикантните колела са оптимални при необходимост от точки на оросяване под 7–10°C, високо латентно натоварване, ниски работни температури или наличност на евтина топлина за регенерация.

Благодарение на своята ефективност и надеждност адсорбционните изсушители с технология Honeycombe® остават незаменими в отрасли, където трябва да се поддържа ниско ниво на влажност – от фармацевтично производство до складове за съхранение на ценни материали и архиви.