Niski punkt rosy

Akumulator litowy

Klimakontrollierte Trockenraum

Patentierte PowerPurge

Płyta obwodu baterii litowej

Dietmar Müller, dyrektor zarządzający Munters GmbH

Nieco bardziej specjalistyczny rodzaj techniki klimatyzacyjnej zajmuje się dostarczaniem ekstremalnie suchego powietrza do specjalnych procesów produkcyjnych. W fachowym języku mówi się o zastosowaniach Low Dew Point. Od wielu lat firma Munters zajmuje się rozwojem, projektowaniem i dostawą takich specjalistycznych osuszaczy powietrza. Oferta obejmuje osuszacze powietrza aż po kompleksową dostawę, w tym suchy pokój, aż po pełen pakiet bez zmartwień z obsługą 24/7.

Co rozumiemy przez Low Dew Point?

Rozwiązania Low Dew Point to zastosowania w klasie powietrza pomiędzy punktem rosy -40 °C a -65 °C. Punkt rosy -40 °C odpowiada absolutnej zawartości wody 0,0793 g/kg, a przy punkcie rosy -60 °C mówimy już o absolutnej zawartości wody w powietrzu 0,0066 g/kg.

Inne specjalne przypadki wymagają nawet punktów rosy -85 °C, 0,0017 g/kg.

Zastosowania

Zastosowania dla suchego powietrza z punktami rosy pomiędzy -20 a -40°C są różnorodne i obejmują przemysł motoryzacyjny, przemysł chemiczny, aż po zastosowania w branży farmaceutycznej.

Gdy chodzi o naprawdę suche powietrze, głównie występują w obszarze baterii lub akumulatorów albo w technologii ekranów płaskich. W takich procesach produkcyjnych zwykle chodzi o zapobieganie reakcjom używanych chemikaliów z wilgocią powietrza. Lit reaguje bardzo silnie egzotermicznie z wilgocią i jest ekstremalnie hydrofilowy. Ze względu na tę właściwość lit był dawniej używany jako środek osuszający m.in. w rotorach sorpcyjnych. Niestety, oprócz tych właściwości, lit jest również bardzo agresywny i w różnych związkach silnie korozyjny.

Od kilku lat rozszerza się użycie baterii litowych w telefonach komórkowych, rozrusznikach serca czy innych zastosowaniach medycznych, szczególnie w transporcie, np. w samolotach i bardzo mocno w motoryzacji. Te baterie wymagają znacznie większych instalacji produkcyjnych i tym samym znacznie większych ilości powietrza, aby niezawodnie napełniać suchy pokój.

Technologia procesowa

Na początku konieczne jest poznanie informacji o obciążeniu cieplnym, liczbie pracowników produkcji oraz ewentualnych źródłach wilgoci w suchym pokoju, aby właściwie zaprojektować elementy instalacji.

Następnie przy projektowaniu suchych pokoi oprócz powierzchni produkcyjnej konieczne jest dokładne zaplanowanie rozkładu powietrza. Można albo przewidzieć bezpośrednie doprowadzenie suchego powietrza do miejsca pracy, albo za pomocą laminarnego przepływu zapewnić dostawę do całego obszaru roboczego, albo zastosować dowolną kombinację powyższych technik.

Kluczowym czynnikiem dla obciążenia wilgocią jest rodzaj wykonywanych czynności. Dla obciążenia wilgocią związanego z pracą, potami i oddechem, przyjmuje się zwykle wartości pomiędzy 160 a 200 g H2O/cp/h. Pracownicy firmy Munters GmbH chętnie pomogą w obliczeniach i dysponują wieloletnim doświadczeniem.

Obciążenie wilgocią 160 g/h na pracownika na pierwszy rzut oka wydaje się bardzo niskie, ale przy zakładanych pozostałych wilgotnościach w pomieszczeniu stanowi duże wyzwanie dla techniki systemów. Sama konieczność odprowadzenia wilgoci na poziomie powyżej 1 700 m³/h na pracownika przy powyższych warunkach wymaga dużej ilości powietrza.

Pomieszczenia produkcyjne dla baterii zwykle funkcjonują w trybie półotwartym. Oznacza to, że odprowadza się powietrze wywiewne i doprowadza tyle świeżego powietrza, ile jest celowe jako strumień zanieczyszczonego powietrza lub co najmniej tyle, ile jest potrzebne do zapewnienia świeżego powietrza pracownikom produkcji.

Ilość powietrza recyrkulowanego z pomieszczenia będzie jeszcze bardzo sucha, zgodnie z ustalonym minimalnym punktem rosy w pomieszczeniu. Może to być punkt rosy zasilania powietrza na poziomie -60 °C, a w powrocie powietrze o wilgotności około -40 °C, w wyniku absorpcji wilgoci.

Takie powietrze recyrkulowane musi być następnie wymieszane z powietrzem świeżym i ponownie wysuszone do -60 °C. Wymaga to dużej ilości energii. Osuszanie na tym poziomie wymaga znacznie więcej energii niż zastosowania na poziomie atmosferycznym, np. od 7 g/kg do 1 g/kg w normalnych zastosowaniach farmaceutycznych. W tym miejscu główną rolę odgrywa techniczna i sterownicza konfiguracja systemu.

Na początku warto wspomnieć o głównym elemencie technologicznym, rotorze desykantowym. Firma Munters stosuje różne rotory w zależności od zastosowania, m.in. rotor jednorzędowy o głębokości 400 mm, stabilizowany tytanem silikonowy lub hybrydowy rotor z silikonowego żelu i molekularnego sita. Oba typy rotora są szeroko testowane i certyfikowane, m.in. jako nie emitujące pyłu i ognioodporne.

Osuszacze rotacyjne działają na zasadzie adsorpcji. Proces polega na tym, że powietrze procesowe magazynuje swoje składniki wodne wewnątrz rotora, bez zmiany fazy. Molekuły pary wodnej są osadzane w porach rotora dzięki siłom van der Waalsa i siłom elektrostatycznym. Rotor adsorpcyjny obraca się wokół własnej osi, a następnie w tzw. sektorze regeneracyjnym jest suszony lub odparowywany.

Pod względem energetycznym istotne jest zarówno podłączenie i konfiguracja rotora w systemie, jak i staranne planowanie odzysku ciepła. Ta staranność w projektowaniu staje się coraz ważniejsza, ponieważ pomieszczenia produkcyjne rosną od małych komór roboczych po całe hale produkcyjne.

Aby zoptymalizować podłączenie rotora, firma Munters stosuje opatentowane układy Power Purge® i Green Purge. Aby zrozumieć te metody, konieczne jest głębokie zapoznanie się z fizyką technologii rotorów, co wykracza poza zakres tego artykułu. Kluczowe jest, aby rotor działał tak, aby powierzchnia chłonna wilgoć była jak najlepiej dostępna, z optymalną temperaturą i prędkością obrotową dla procesu adsorpcji.

Odzysk ciepła może odbywać się wielostopniowo. Na początku, jak wspomniano powyżej, poprzez optymalizację energii wewnętrznej za pomocą Power Purge®, następnie przez odzysk ciepła z powietrza wywiewanego z procesu regeneracji, a także poprzez wykorzystanie energii utajonej w parowaniu podczas adsorpcji. Ponadto, optymalizacja energetyczna może być prowadzona w zależności od pożądanych warunków suchego pomieszczenia, m.in. poprzez wykorzystanie ciepła odpadowego z systemu chłodzenia.

W celu optymalizacji kosztów możliwe jest nawet bezpośrednie użycie palników gazowych w obszarze regeneracji rotora. Jak wiadomo, spalanie gazu ziemnego generuje dwutlenek węgla CO₂ i parę wodną H₂O. Zawartość pary wodnej w powietrzu regeneracyjnym oczywiście utrudnia proces suszenia, ale w praktyce nie okazało się to dużym problemem.

Ogólnie, przy projektowaniu lub modyfikacji koncepcji suchych pokoi można wybrać dwie drogi. Zasada „wszystko z jednego źródła” jest zalecana w laboratoriach, instytutach badawczych oraz przy ekstremalnych wymaganiach dotyczących punktu rosy, gdyż wymaga to szczegółowych wstępnych planów. Doświadczone firmy partnerskie zapewniają niezawodne i energooszczędne rozwiązania dla pomieszczeń produkcyjnych oraz modułowe rozwiązania dla standardowych koncepcji.

Kluczowym kryterium jest właściwe zaprojektowanie i ocena podstawowych obciążeń. Firma Munters zdobyła tutaj szeroką wiedzę i doświadczenie na wielu projektach i zleceniach.