Nízká bod rosného bodu

Lithium-iontová baterie

Klimaregulierter Trockenraum

Patentovaný PowerPurge

Obvodová deska lithium-ionové baterie

Dietmar Müller, jednatel společnosti Munters GmbH

Poměrně speciální typ klimatické techniky se zabývá zajištěním extrémně suchého vzduchu pro speciální výrobní procesy. V odborném jazyce se jedná o aplikace s nízkou rosou bodu. Již mnoho let se společnost Munters zabývá vývojem, projektováním a dodávkami takových speciálních odvlhčovačů vzduchu. Sortiment dodávek sahá od odvlhčovačů vzduchu až po kompletní dodávky včetně suché komory, až po komplexní balíček bez starostí s nepřetržitým servisem 24/7.

Co se rozumí pod pojmem Low Dew Point?

Jako Low Dew Point řešení se rozumí aplikace v rozsahu tříd vzduchu mezi rosou bodem - 40 °C a - 65 °C. Rosný bod - 40 °C odpovídá absolutnímu obsahu vody 0,0793 g/kg, zatímco u rosného bodu - 60 °C je již řeč o absolutním obsahu vody ve vzduchu 0,0066 g/kg.

Jiné speciální případy vyžadují dokonce rosné body - 85 °C, 0,0017 g/kg.

Uplatnění

Uplatnění pro suchý vzduch s rosnými body mezi - 20 a - 40 °C je rozmanité a sahá od automobilového průmyslu, chemického průmyslu až po aplikace v farmaceutickém odvětví.

Když se pak jedná o opravdu suchý vzduch, najdeme hlavně uplatnění v oblasti baterií nebo akumulátorů či v technologiích plochých obrazovek. Obecně mají být v takových výrobních oblastech reakce použitých chemikálií s vlhkostí vzduchu zabráněny. Lithium reaguje velmi silně exotermicky s vlhkostí a je extrémně hydroskopický. Díky této vlastnosti byl lithium dříve používán jako sušicí prostředek mimo jiné v sorpčních rotorech. Bohužel je lithium vedle těchto vlastností také velmi agresivní a v různých sloučeninách i silně korozivní.

Použití lithium-iontových baterií v mobilních telefonech, kardiostimulátorech nebo jiných medicínských aplikacích se již několik let rozšiřuje i do oblasti přepravy, například v letectví a velmi intenzivně v automobilovém průmyslu. Tyto baterie vyžadují podstatně větší výrobní zařízení a tím i výrazně větší množství vzduchu k spolehlivému zvlhčení suchých prostor.

Procesní technika

Nejprve je třeba pro návrh komponent zařízení znát informace o tepelné zátěži, počtu výrobních pracovníků a případných zdrojích vlhkosti v suché komoře.

Poté je nutné při návrhu suché komory kromě výrobní plochy přesně naplánovat i rozvod vzduchu. Může se buď přímo u pracovního místa instalovat suché vzduchové výstupy, nebo celý pracovní prostor zásobovat laminárním prouděním, nebo samozřejmě kombinovat obě techniky.

Rozhodujícím faktorem pro vlhkostní zátěž je druh vykonávané činnosti. Pro pracovní vlhkostní zátěž, způsobenou pocením a dýcháním, se běžně předpokládá mezi 160 – 200 g H2O/cp/h. Zaměstnanci společnosti Munters GmbH jsou při stanovení této hodnoty ochotni pomoci a mají dlouholeté zkušenosti.

Vzhledem k tomu, že vlhkostní zátěž na zaměstnance při uvedených podmínkách se jeví jako velmi nízká, představuje však velkou výzvu pro techniku zařízení při dosažení požadované zbytkové vlhkosti v místnosti. Pouze odvod vlhkostní zátěže na zaměstnance při výše uvedených podmínkách vyžaduje množství vzduchu 1 700 m³/h.

Výrobní prostory pro baterie jsou obvykle provozovány v polootevřeném režimu. To znamená, že se odstraňuje odpadní vzduch a zároveň se přivádí tolik čerstvého vzduchu, kolik je buď záměrně odváděno jako škodlivý odpadní proud, nebo alespoň pro zajištění čerstvého vzduchu pro výrobní pracovníky.

Odebraný recirkulační vzduch z místnosti bude pravděpodobně velmi suchý, odpovídající dohodnutému minimálnímu rosému bodu v místnosti. Například při přívodu vzduchu s rosým bodem - 60 °C může být zpětný vzduch s vlhkostí kolem - 40 °C.

Tento recirkulační vzduch musí být smíchán s čerstvým vzduchem a znovu vysušen na - 60 °C. To vyžaduje velké množství energie. Odvlhčení na této úrovni totiž spotřebuje podstatně více energie než aplikace na atmosférické úrovni, například z běžných 7 g/kg na 1 g/kg v běžných farmaceutických aplikacích. Zde hraje hlavní roli procesní návrh a řídicí koncept.

Nejprve k hlavní části procesního zařízení, desikantnímu rotoru. Zde společnost Munters používá podle případu různé rotory, například 400 mm hluboký jednolodní rotor stabilizovaný titaniovým silikagem nebo hybridní rotor složený ze silikagem a molekularního síta. Oba typy rotoru jsou důkladně testovány a certifikovány, například jako nevytvářející prach a požárně odolné.

Odvlhčovače s rotorem pracují na principu adsorpce. To znamená, že procesní vzduch ukládá své vodní složky uvnitř rotoru bez změny fáze. Molekuly vodní páry jsou přitahovány van der Waalsovými nebo elektrostatickými silami do pórů rotoru. Adsorpční rotor se otáčí kolem své osy a následně je v tzv. regeneračním sektoru vysušen nebo desorpován.

Z pohledu energetiky jsou důležité jak napojení či propojení rotoru v systému, tak pečlivé plánování zpětného získávání tepla. Tato pečlivost při návrhu je stále důležitější, protože výrobní prostory se v posledních letech rozrostly od rukavicových boxů až po celé výrobní haly.

Pro optimalizaci napojení rotoru Munters používá patentované obvody Power Purge® a Green Purge. Pro pochopení těchto technologií je nutné se podrobně zabývat fyzikou technologie rotorů, což přesahuje rámec tohoto článku. Podstatné je v krátkosti provozovat rotor tak, aby jeho vlhkostní absorpční plocha byla co nejvíce s optimální teplotou a otáčkovou rychlostí k dispozici pro adsorpční proces.

Zpětné získávání tepla může být vícestupňové. Nejprve, jak již bylo zmíněno, pomocí interní optimalizace energie prostřednictvím Power Purge®, dále zpětným získáváním tepla z odpadního vzduchu regeneračního proudění, nebo využitím uvolněné evaporační entalpie při adsorpčním procesu. Navíc lze energetickou optimalizaci provádět v závislosti na požadovaných podmínkách suché komory, například využitím odpadního tepla chladicího systému.

Pro snížení nákladů je dokonce možné přímo v regeneraci rotoru použít spalovací plynové hořáky na zemní plyn. Jak je známo, spalováním zemního plynu vzniká oxid uhličitý CO₂ a vodní pára H₂O. Obsah vodní páry v regenerovaném vzduchu samozřejmě ztěžuje proces sušení, avšak v praxi se to neukázalo jako nevýhoda.

Obecně při návrhu nebo přepracování konceptu suché komory lze postupovat dvěma způsoby. Motto „všechno z jednoho zdroje“ se doporučuje u laboratoří nebo výzkumných zařízení, stejně jako při extrémních požadavcích na rosý bod, protože zde je třeba velmi důkladného předběžného plánování. Zkušení systémoví partneři umožňují spolehlivá a energeticky optimalizovaná řešení pro výrobní prostory a modulární řešení u standardních konceptů.

Klíčovým kritériem je správný návrh a posouzení počátečních zatížení. Společnost Munters si v této oblasti vybudovala rozsáhlé znalosti na základě mnoha projektů a zakázek.