Lage dauwpunt

Lithiumbatterij

Klimaregulierter Trockenraum

De gepatenteerde PowerPurge

Lithiumbatterij printplaat

Dietmar Müller, Geschäftsführer der Munters GmbH

Een iets meer gespecialiseerde vorm van klimaattechniek houdt zich bezig met het leveren van extreem droge lucht voor speciale productieprocessen. In vakjargon spreekt men van Low Dew Point toepassingen. Sinds vele jaren houdt het bedrijf Munters zich bezig met de ontwikkeling, projectering en levering van dergelijke speciale luchtontvochtigers. Het leveringsprogramma strekt zich uit van luchtontvochtigers tot complete leveringen inclusief droogruimte tot het all-in zorgeloos pakket met 24/7 servicedekking.

Wat wordt verstaan onder Low Dew Point?

Onder Low Dew Point oplossingen verstaan we toepassingen in de luchtklasse tussen dauwpunt - 40 °C en - 65 °C. Een dauwpunt van - 40 °C komt overeen met een absoluut watergehalte van 0,0793 g/kg en bij een dauwpunt van - 60 °C wordt al gesproken van een absoluut watergehalte in de lucht van 0,0066 g/kg.

Andere speciale toepassingen vereisen zelfs dauwpuntwaarden van - 85 °C, 0,0017 g/kg.

Toepassing

Toepassingen voor droge lucht met dauwpunt tussen - 20 en - 40 °C zijn veelzijdig en reiken van de auto-industrie, de chemische industrie tot toepassingen in de farmaceutische sector.

Wanneer het gaat om echt droge lucht, vindt men vooral toepassingen in de batterij- of accumulatorenbranche of in de vlakbeeldschermtechniek. Over het algemeen moeten in dergelijke productiegebieden reacties van de gebruikte chemicaliën met de luchtvochtigheid worden voorkomen. Lithium reageert zeer sterk exotherm met vocht en is extreem hydrofiel. Vanwege deze eigenschap werd lithium vroeger als droogmiddel onder andere in sorptierotors gebruikt. Helaas is lithium naast deze eigenschappen ook zeer agressief en in verschillende verbindingen ook sterk corrosief.

Het gebruik van lithiumbatterijen in mobiele telefoons, pacemakers of andere medische toepassingen wordt sinds enkele jaren uitgebreid naar het transport, bijvoorbeeld in het vliegtuig- en vooral in de automobielindustrie. Deze batterijen vereisen van nature aanzienlijk grotere productiefaciliteiten en daarmee ook veel grotere hoeveelheden lucht om de droogkamers betrouwbaar te voorzien van droge lucht.

Processtechniek

Allereerst moeten voor de dimensionering van de installatieonderdelen natuurlijk informatie over de warmtebelasting en het aantal productiemedewerkers evenals eventuele vochtbronnen in de droogruimte bekend zijn.

Vervolgens moet voor de dimensionering van de droogruimte, naast de productievloer, ook de luchtverdeling nauwkeurig worden gepland. Daarbij kan men ofwel directe droge luchtuitlaten bij de werkplek voorzien of de gehele werkruimte voorzien via laminaire stromingswanden of natuurlijk combinaties van bovenstaande technieken.

Cruciaal voor de vochtbelasting is het soort werkzaamheden dat wordt uitgevoerd. Voor de arbeidsgerelateerde vochtbelasting, door zweten en ademlucht, gelden gebruikelijke aannames tussen 160 – 200 g H2O/cp/h. Medewerkers van Munters GmbH helpen graag bij de bepaling hiervan en beschikken over jarenlange ervaring.

Een vochtbelasting van 160 g/h per medewerker lijkt op het eerste gezicht zeer gering, maar vormt bij de beoogde restvochtgehaltes in de ruimte een grote uitdaging voor de installatietechniek. Alleen al het afvoeren van de vochtbelasting per medewerker onder de genoemde omstandigheden vereist een luchtstroom van 1.700 m³/h.

Productieruimtes voor batterijen worden gewoonlijk in halfopen bedrijf uitgevoerd. Dat betekent dat afvoerlucht wordt afgevoerd en zoveel verse lucht wordt toegevoerd als nodig is, hetzij bewust als schadelijke luchtstroom, hetzij minimaal voor de verse luchtvoorziening van de productiemedewerkers.

De uit de ruimte genomen recirculatiehoeveelheid zal afhankelijk van de afnamesituatie nog zeer droog zijn, namelijk overeenkomend met het afgesproken minimale dauwpunt in de ruimte. Misschien bij een toevoer dauwpunt van - 60 °C door vochtopname ongeveer - 40 °C in de retourlucht.

Deze recirculatielucht moet nu worden gemengd met de verse lucht en weer worden gedroogd tot - 60 °C. Hiervoor is zeer veel energie nodig. Ontvochtiging op dit niveau vereist namelijk aanzienlijk meer energie dan een toepassing op atmosferisch niveau, bijvoorbeeld van gebruikelijke 7 g/kg tot 1 g/kg in normale farmaceutische toepassingen. Hier krijgt dus de procesmatige dimensionering en het regeltechnische concept een hoofdrol.

Maar eerst het hoofdgedeelte van de procestechniek, de dessicantrotor. Hier zet Munters afhankelijk van de toepassing verschillende rotoren in, namelijk een 400 mm diepe enkelvoudige, met titanium gestabiliseerde silica gel rotor of een hybride rotor uit silica gel en molekularzeef. Naast de prestaties zijn beide rotortypen uitgebreid getest en gecertificeerd, onder andere als stofvrij emissievrij en brandveilig.

Rotorontvochtigers werken volgens het adsorptieprincipe. Dat betekent dat de proceslucht haar waterbestanddelen deponeert binnenin de rotor, zonder dat er een faseovergang plaatsvindt. De waterdampmoleculen worden door van der Waals-krachten, elektrostatische krachten, in de poriën van de rotor vastgehouden. De adsorptierotor draait om zijn eigen as en wordt vervolgens in de zogenaamde regeneratiesectie gedroogd of gedesorbeerd.

Energetisch gezien zijn zowel de aansturing of schakeling van de rotor in het systeem als een zorgvuldige planning van de warmteterugwinning van groot belang. Deze zorgvuldigheid bij de dimensionering wordt steeds belangrijker, omdat de productieruimtes in de afgelopen jaren zijn uitgebreid van glove box tot volledige productiefaciliteiten.

Voor het optimaliseren van de rotoraansturing gebruikt Munters de gepatenteerde schakelingen Power Purge® en Green Purge. Om deze processen te begrijpen, moet men zich grondig verdiepen in de fysica van de rotorttechnologie, wat ver buiten de reikwijdte van dit artikel ligt. Cruciaal is in het kort dat de rotor zo wordt bedreven dat het vochtopnemende oppervlak zo optimaal mogelijk met de juiste temperatuur en draaisnelheid beschikbaar is voor het adsorptieproces.

De warmteterugwinning kan meervoudig plaatsvinden. Eerst, zoals hierboven genoemd, via interne energieoptimalisatie door Power Purge®, vervolgens door warmteterugwinning uit de uitlaatgassen van de regeneratieluchtstroom, maar ook door gebruik te maken van de vrijgekomen verdampingsenthalpie tijdens het adsorptieproces. Daarnaast kan energietechnische optimalisatie worden toegepast afhankelijk van de gewenste droogruimtecondities, onder andere door gebruik te maken van de restwarmte van het koelsysteem.

Voor kostenoptimalisatie is het zelfs mogelijk om direct gestookte aardgasbranders in het regeneratiegebied van de rotor te gebruiken. Zoals bekend ontstaat bij de verbranding van aardgas kooldioxide (CO2) en waterdamp (H2O). Het waterdampgehalte in de regeneratielucht bemoeilijkt natuurlijk het droogproces, maar in de praktijk is dit niet als nadeel ervaren.

Over het algemeen kunnen bij het ontwerpen of herzien van een droogkamerconcept twee wegen worden bewandeld. Het motto alles uit één hand wordt aanbevolen bij laboratoria of onderzoeksinstellingen, evenals bij extreme dauwpunt-eisen, omdat hiervoor intensieve voorplanning vereist is. Ervaren systeempartners bieden betrouwbare en energiegeoptimaliseerde oplossingen voor productieruimtes en modulaire oplossingen bij standaardconcepten.

Het belangrijkste criterium is de juiste dimensionering en beoordeling van de uitgangslasten. Munters heeft zich hierin in vele projecten en opdrachten uitgebreide knowhow verworven.