Honeycombe® desikanta riteņi: uzbūve, darbības princips un inženiertehniskās priekšrocības

Autors: Mycond tehniskā nodaļa

Starp daudzajām desikanta osusinātāju konfigurācijām tieši rotējošais ritenis ar gofrētu puskeramisku struktūru ir kļuvis par dominējošo risinājumu mūsdienu industrijā. Honeycombe® tipa adsorbcijas riteņi apvieno visu iepriekšējo tehnoloģiju priekšrocības: procesa nepārtrauktību kā paplāšu sistēmās, zemas rasas temperatūras kā beramās torņos ar granulētu silikagelu, kā arī energoefektivitāti, pateicoties nelielai masai. Šī inovatīvā konstrukcija, ko dažkārt dēvē par DEW (Desiccant Wheel), ir radikāli izmainījusi dziļās gaisa osusināšanas tehnoloģiju.

Salīdzinot ar tradicionālajiem beramajiem torņiem, vertikālajiem daudzslāņu laidumiem ar sprūdrata piedziņu vai horizontālajām rotējošajām paplātēm, Honeycombe® desikanta rotori nodrošina visefektīvāko mitruma izvadīšanu ar minimāliem enerģijas tēriņiem. Šī priekšrocība ir īpaši nozīmīga mūsdienu ražotnēm Rīgā, Daugavpilī un citos Latvijas rūpniecības centros, kur energoefektivitāte ir pirmajā vietā.

Honeycombe® riteņa uzbūve

Adsorbcijas osusinātāja sirds ir desikanta ritenis ar gofrētu puskeramisku struktūru, kas vizuāli atgādina gofrētu kartonu, sarullētu riteņa formā. Konstrukcijas pamatā ir stikla šķiedras matrica, kurā ar gofrām veidotās rievas (flutes) darbojas kā individuāli gaisa kanāli. Šo kanālu iekšējās virsmas ir pārklātas ar smalkdispersu adsorbentu — tipiskā konstrukcija satur vairāk nekā 82% silikagela vai citu aktīvu desikantu.

Galvenais parametrs, kas nodrošina Honeycombe tehnoloģijas efektivitāti, ir ārkārtīgi lielā silikagela iekšējā virsmas platība — 21 000–22 700 m² uz unci (228 864–244 121 kvadrātpēdas uz unci). Šāda liela saskares platība nodrošina ļoti zemu ūdens tvaika daļējo spiedienu adsorbenta virsmā, maksimizējot adsorbcijas procesa dzinējspēku.

Darbības fiziskais princips balstās uz termodinamikas pamata likumiem — ūdens tvaiks difundē no apgabaliem ar augstāku daļējo spiedienu (mitrs gaiss) uz apgabaliem ar zemāku spiedienu (adsorbenta virsma). Konstrukcijas unikāla iezīme ir tā, ka caur taisnajiem kanāliem gaisa plūsma cauri ritenim ir lamināra, nevis turbulenta kā beramajos slāņos. Tas nozīmē, ka aerodinamiskā pretestība pieaug tikai proporcionāli riteņa dziļumam, nevis kā ātruma kvadrāts, kas būtiski samazina ventilatoru enerģijas patēriņu.

Adsorbcijas–desorbcijas cikls

Adsorbcijas osusinātāja darbība balstās uz nepārtrauktu mitruma adsorbcijas un desorbcijas ciklu. Šim nolūkam ritenis ir sadalīts divās izolētās zonās: osusināšanas zonā, kas aizņem 270° (trīs ceturtdaļas laukuma), un reģenerācijas zonā — 90° (viena ceturtdaļa). Šīs zonas savstarpēji hermētiski nodalītas ar speciāliem blīvējumiem.

Ritenis griežas ar tipisku ātrumu 5–30 apgr./h aktīvai adsorbcijai, kas ir būtiski lēnāk salīdzinājumā ar pasīvajiem entalpijas riteņiem (20–60 apgr./min). Šāds mazs griešanās ātrums nodrošina optimālu desikanta saskares ilgumu ar procesa gaisu.

Adsorbcijas–desorbcijas cikls ietver trīs galvenās fāzes:

• Fāze 1 (punkts 1→2): Auksts, sauss desikants ar zemu virsmas tvaika spiedienu adsorbē mitrumu no procesa gaisa. Šajā laikā desikants pakāpeniski piesātinās un sasilst no sorbcijas siltuma.
• Fāze 2 (punkts 2→3): Piesātinātais desikants nonāk reģenerācijas zonā, kur to uzsilda karsts gaiss (parasti līdz 120°C / 248°F) no PTC sildītāja. Uzkarsējot virsmas tvaika spiediens strauji pieaug, un mitrums tiek atbrīvots reģenerācijas plūsmā.
• Fāze 3 (punkts 3→1): Karsts, sauss desikants atgriežas osusināšanas zonā, kur tiek atdzesēts ar daļu procesa gaisa, atjaunojot zemu virsmas spiedienu jaunam adsorbcijas ciklam.

Svarīgi atzīmēt, ka reģenerācijas gaisa plūsma ir aptuveni 1/3 no procesa plūsmas un pārvietojas pretplūsmā, nodrošinot optimālu plūsmu attiecību 3:1. Mitruma izvadīšanas laikā izdalās sorbcijas siltums (kondensācijas siltums plus ķīmiskās saistīšanās siltums), kas ir 2510–3050 kJ/kg izvadītā mitruma (1080–1312 BTU uz mārciņu). Tas izraisa procesa gaisa uzsildīšanos proporcionāli izvadītā mitruma daudzumam — piemēram, gaiss ar parametriem 21°C un 50% RH pēc dziļas osusināšanas līdz rasas punktam 7°C var sasilt līdz 49°C, tādēļ daudzos pielietojumos nepieciešama priekšdzesēšana.

Desikantu tipi un to sorbcijas raksturlielumi

Efektivitāte, ar kādu darbojas adsorbcijas osusinātājs, lielā mērā ir atkarīga no izmantotā desikanta tipa. Dažādi adsorbenti pie vienādiem apstākļiem atšķiras pēc desikanta sorbcijas ietilpības. Zemāk sniegta galveno desikantu salīdzinošā raksturojuma tabula pie 25°C (77°F) un relatīvā mitruma 20%:

• Silikagels 5. tips: satur 2,5% ūdens no savas masas
• Silikagels 1. tips: satur 15% ūdens
• Molekulārie sieti: satur 20% ūdens
• Litija hlorīds: satur 35% ūdens

Šie dati ir svarīgi praksē. Piemēram, lai izvadītu 22,7 kg (50 mārciņas) ūdens tvaika no gaisa pie 20% RH, teorētiski nepieciešami: 907 kg (2000 mārciņas) 5. tipa silikagela, vai 151 kg (333 mārciņas) 1. tipa silikagela, vai 113 kg (250 mārciņas) molekulāro sietu, vai 65 kg (143 mārciņas) litija hlorīda. Reālie daudzumi ir ievērojami lielāki, ņemot vērā procesa dinamiku un nepilnīgu adsorbentu ietilpības izmantošanu.

Mūsdienu ražotāji bieži izmanto desikantu kombinēšanas stratēģiju — 1. tips nodrošina ietilpību zemākos mitruma diapazonos, bet 5. tips efektīvi adsorbē lielus ūdens daudzumus pie mitruma virs 90% RH. Šāds salikums ļauj sasniegt divus šķietami pretrunīgus mērķus: vienlaikus zemu gaisa rasas punktu un augstu produktivitāti.

Īpašas uzmanības vērti ir molekulārie sieti ļoti zemiem rasas punktiem (zem 10% RH vai −40°C rasas punkts). Šajā diapazonā tiem ir lielākā ietilpība starp visiem adsorbentiem, padarot tos neaizstajamus pielietojumos, kuros nepieciešams ekstremāli sauss gaiss.

Honeycombe® konstrukcijas sistematizētās priekšrocības

Salīdzinot ar alternatīvajām desikanta osusinātāju konfigurācijām, Honeycombe® tehnoloģijai ir virkne būtisku priekšrocību:

1. Neliela rotējošā masa pie augstas mitruma izvadīšanas ietilpības — tā kā sildīšanas un dzesēšanas enerģija ir tieši proporcionāla desikanta masei, vieglā konstrukcija nodrošina augstāku energoefektivitāti.
2. Zema aerodinamiskā pretestība — pateicoties laminārai plūsmai caur taisnajiem kanāliem, atšķirībā no turbulentās plūsmas beramajos slāņos, kur pretestība aug kā ātruma kvadrāts.
3. Īpaši zemi rasas punkti — iespēja sasniegt rasas punktu līdz −68°C (−90°F), izmantojot atbilstošus desikantus.
4. Vienkārša konstrukcija — minimums kustīgo detaļu (tikai ritenis un piedziņa) būtiski samazina apkopes izmaksas.
5. Elastīga desikantu ielāde — iespēja izmantot gan cietus, gan šķidrus adsorbentus konkrētiem pielietojumiem.
6. Nav “zāģveida” efekta — nav izteiktu izejas mitruma svārstību, kas raksturīgas beramajiem torņiem ar periodisku reģenerāciju.

Vienīgais trūkums varētu būt augstākas riteņa izgatavošanas pašizmaksas salīdzinājumā ar sausā desikanta granulām. Tomēr šo atšķirību vairāk nekā kompensē ekspluatācijas priekšrocības tipiskā 15–30 gadu kalpošanas laikā.

Faktori, kas ietekmē riteņa veiktspēju

Desikanta rotora veiktspēju nosaka vairāki galvenie faktori, kuru izvērtēšanai nepieciešama inženiertehniska kompromisu analīze:

Riteņa dziļums: Dziļuma palielināšana palielina desikanta saskares platību ar gaisu un izvadītā mitruma daudzumu, taču aerodinamiskā pretestība pieaug proporcionāli, palielinot ventilatora enerģijas patēriņu. No kā ir atkarīgs rasas punkta dziļums — tieši riteņa dziļums ir viens no galvenajiem faktoriem.

Rotācijas ātrums: Rotācijas ātrums 5–30 apgr./h palielina desikanta daudzumu, kas cikliski nonāk saskarē ar gaisu, tādējādi paaugstinot veiktspēju. Tomēr ātrāka griešanās palielina arī siltuma pārnesi no reģenerācijas zonas uz osusināšanas zonu (siltums ir tieši proporcionāls desikanta masai un temperatūras starpībai), kas bieži prasa papildu procesa gaisa dzesēšanu.

Reaktivācijas temperatūra: Reaktivācijas temperatūra 120°C nodrošina pilnīgāku mitruma desorbciju. Tomēr, lai izvadītu pēdējās cieši saistītās ūdens porcijas, nepieciešama augsta enerģija, tāpēc daži ražotāji izmanto divpakāpju desikanta reģenerāciju — 70–80% mitruma tiek izvadīts ar zema potenciāla siltumu, bet galīgā osusināšana — ar augsttemperatūras siltumu.

Hermētiskums starp zonām: Jebkura mitrā reģenerācijas gaisa noplūde sausajā procesa plūsmā būtiski pasliktina veiktspēju. Piemēram, 20 kubikpēdu/min noplūde ar mitrumu 120 graudi uz mārciņu plūsmā 500 kubikpēdas/min ar mitrumu 1 grauds uz mārciņu paaugstinās izejas mitrumu līdz 5,5 graudiem uz mārciņu.

Piesārņotāju ietekme: Kas ietekmē rotora ilgmūžību — pirmkārt, piesārņojums. Putekļi pakāpeniski aizsprosto adsorbenta poras, samazinot ietilpību gadu gaitā. Organiskie tvaiki var polimerizēties pie augstām reģenerācijas temperatūrām, aizdambējot poras vai mainot virsmas īpašības. Sēra trioksīds dažu gadu laikā var pārvērst litija hlorīdu par litija sulfātu, kas nav efektīvs desikants.

Pielietojuma jomas

Adsorbcijas osusinātāji ar desikanta riteņiem tiek plaši izmantoti dažādās nozarēs:

• Farmaceitiskā ražošana — tīrtelpas tabletēšanai un iepakošanai ar mitruma kontroli līdz 10% RH un precizitāti ±2% RH (pretstatā ±10% kondensācijas tipa osusinātājiem). Tipisks rasas punkts −11°C (13°F) pie 21°C (70°F).
• Pārtikas rūpniecība — higroskopisku produktu (konfektes ar kukurūzas sīrupu, šķīstošā kafija, sausie dzērieni) iepakošana, kur mitruma kontrole ir kritiski svarīga, lai saglabātu produkcijas kvalitāti.
• Pusvadītāju ražošana — mitruma kontrole higroskopiskiem fotoresistiem, kur mikroskopiska mitruma uzsūkšanās var radīt dārgu komponentu brāķi.
• Arhīvu uzglabāšana — muzeji, bibliotēkas Rīgā un Jūrmalā izmanto osusinātājus, lai uzturētu 35% RH, kas novērš pelējuma un korozijas attīstību.
• Saliedētavas un lielveikali — stikla vitrīnu apledojuma novēršana un dzesēšanas sistēmu efektivitātes paaugstināšana, pateicoties latentās slodzes samazināšanai.

FAQ: bieži uzdotie jautājumi

1. Kāda ir atšķirība starp pasīvo un aktīvo adsorbciju?

Pasīvā adsorbcija izmanto vienīgi mitruma starpību starp plūsmām bez siltuma pievadīšanas (entalpijas riteņi griežas ar 20–60 apgr./min). Aktīvā adsorbcija izmanto reģenerācijas gaisa uzsildīšanu dziļai osusināšanai (griešanās ātrums 5–30 apgr./h). Tikai aktīvā spēj osusināt gaisu zem telpas mitruma līmeņa.

2. Kāpēc Honeycombe® ir efektīvāks par beramajiem slāņiem?

Kāpēc rotējošais ritenis ir efektīvāks par beramo slāni — pateicoties laminārai plūsmai caur taisnajiem kanāliem, nelielai masei pie lielas virsmas, nepārtrauktai darbībai bez zāģveida mitruma svārstībām un iespējai kombinēt desikantus dažādiem uzdevumiem.

3. Kādu rasas punktu var sasniegt?

Ar silikagelu iespējams sasniegt rasas punktu līdz −68°C (−90°F), ar molekulārajiem sietiem — vēl zemāku. Lielākajai daļai rūpniecisko pielietojumu Latvijā pietiek ar −40°C rasas punktu.

4. Kāds ir adsorbcijas riteņa kalpošanas laiks?

Tipiskais kalpošanas laiks ir 15–30 gadi, ja tiek nodrošināta pienācīga gaisa filtrācija. Pakāpeniska degradācija notiek poru piesārņojuma ar putekļiem un organiskajiem savienojumiem dēļ.

5. Vai var izmantot atgūto siltumu?

Jā, tas ir visekonomiskākais variants: katlu, dzesēšanas iekārtu kondensatoru vai silts nosūces gaiss. Divpakāpju reģenerācija ļauj 70–80% mitruma izvadīt ar zema potenciāla siltumu.

Secinājumi

Honeycombe® tehnoloģija ir kļuvusi par adsorbcijas osusināšanas standartu, pateicoties optimālam līdzsvaram starp veiktspēju, energoefektivitāti un uzticamību. Latvijas projektēšanas inženieriem var formulēt trīs praktiskas rekomendācijas:

1. Izvēlieties desikanta tipu atbilstoši mērķa rasas punktam — silikagelu tipiskiem pielietojumiem, molekulāros sietus superdziļai osusināšanai.
2. Maksimāli izmantojiet atgūto siltumu reģenerācijai kā galveno ekspluatācijas izmaksu samazināšanas faktoru.
3. Nodrošiniet pienācīgu ieplūstošā gaisa filtrāciju, lai aizsargātu riteni un pagarinātu tā kalpošanas laiku.

Desikanta riteņi ir optimāli pielietojumos, kur nepieciešami rasas punkti zem 7–10°C, ir augsta latentā slodze, zemas ekspluatācijas temperatūras vai pieejams lēts siltums. Tāpēc Latvijas apstākļos ar mitru klimatu, īpaši piekrastes reģionos Jūrmalā, Liepājā un Ventspilī, uz Honeycombe® tehnoloģijas balstītie adsorbcijas osusinātāji kļūst par optimālo izvēli daudziem rūpnieciskiem un komerciāliem pielietojumiem.