Kondensation versus Adsorption

Verfahrensvergleich für die Luftentfeuchtung

Im folgenden Artikel sollen die Unterschiede zwischen der Entfeuchtung durch Kondensation und Trocknung durch Adsorption erklärt sowie Einsatzgrenzen und mögliche Energieeinsparpotenziale aufgezeigt werden. Die Ausführungen beziehen sich auf professionelle Systeme, wie sie in der Gebäudetechnik zum Einsatz kommen. Mobile Luftentfeuchter für den Privatbereich, Bautrocknung etc. sind nicht Gegenstand der Betrachtung.

Die Luftentfeuchtung durch Kondensation und die Trocknung der Luft durch Sorption stellen im Bereich der Gebäudetechnik etablierte und bewährte Technologien dar. Beide Systeme weisen jedoch physikalisch bedingte Charakteristika im Betrieb auf und sind somit nicht immer gleichermaßen für jede Anwendung geeignet. So dürfte bspw. der Versuch, Vereisung in einem Tiefkühllager mit Hilfe eines Kondensationsentfeuchters zu vermeiden, erfolglos bleiben, während der Einsatz eines Adsorptionstrockners zur Entfeuchtung eines Schwimmbads aus technisch- und energetischer Sicht sicher vollkommen übertrieben wäre.

Tiefergehende Informationen und thermodynamische Grundlagen zur Thematik finden sich im zum Beispiel im „Planungsleitfaden Luftentfeuchtung“, den die ­Condair GmbH dem interessierten Leser gerne auf Anfrage kostenlos zur Verfügung stellt.

Aufbau und Funktionsweise eines Kondensationsentfeuchters

Kernkomponente eines jeden Kondensationsentfeuchters ist ein geschlossener Kältekreis, der nach dem Wärmepumpenprinzip arbeitet. Der allgemeine Aufbau ist in Bild 1 dargestellt. An der kalten Oberfläche des Verdampfers wird die feuchte Umgebungsluft unter ihren Taupunkt abgekühlt, wobei beim ersten Durchgang des Luftstroms durch den Wärmetauscher 2-3 g/kg Wasserdampf auskondensieren. Anschließend durchströmt der nun entfeuchtete Luftstrom den Verflüssiger-Wärmetauscher, wo er durch die Kondensationswärme des Kältekreises erwärmt wird. Auch die Abwärme des Lüfters und des Verdichters werden teilweise von dem über den Entfeuchter geführten Luftstrom aufgenommen. Dadurch ist die entfeuchtete, dem Raum wieder zugeführte Luft stets etwas wärmer als beim Eintritt in den Entfeuchter.

Die erreichbaren Werte für die Luftfeuchte werden bei Kondensationsentfeuchtern primär durch die Eigenschaften des eingesetzten Kältemittels (Druck, Temperatur) sowie dem konstruktiven Aufbau des Verdampfer-Wärmetauschers (Bypass-Faktor) definiert. Allgemein gilt, dass Kondensationsentfeuchter in Temperaturbereichen zwischen ca. +10 und +36 °C sinnvoll und wirtschaftlich eingesetzt werden können – bei einer erreichbaren relativen Feuchte von ca. 45 % r.F.

Bei niedrigerer Temperatur der zu entfeuchtenden Raumluft kann es zu Reif- und Eisbildung auf dem Verdampfer-Wärmeübertrager kommen. Kondensationsentfeuchter verfügen daher über eine Abtaulogik zur Enteisung der Verdampfer-Oberfläche. Diese erfolgt heutzutage meist bedarfsgesteuert über einen Abtausensor, der bei Anforderung über Aktivierung eines Umschaltventils die Umleitung des vom Verdichter erzeugten Heißgases über den Verdampfer auslöst.

Lufttrocknung durch Adsorption

Das Prinzip der Sorption beruht auf der Eigenschaft hygroskopischer Materialien, Wasserdampf an ihrer Oberfläche zu binden. Diese hygroskopischen Stoffe weisen in der Regel eine große Oberfläche in Größenordnungen zwischen 600 und 800 m2/g. Aufgrund des enorm niedrigen Wasserdampfpartialdrucks in der direkten Umgebung dieser Stoffe diffundiert Wasserdampf aus Gebieten höheren Partialdrucks (in diesem Falle aus der Umgebungsluft) in jene niedrigeren Partialdrucks (Sorptionsmittel). Der vorliegende Artikel beschränkt sich auf Adsorption mittels Silicagel, da diese Technologie im Bereich der Gebäudetechnik fast ausschließlich eingesetzt wird.

Kernkomponente eines jeden Sorptionstrockners ist der Adsorptionsrotor, Bild 2. Dieser besteht, je nach Hersteller, aus einer meist gewellten und fein lamellierten Speichermasse mit einer enormen inneren Oberfläche, auf der das stark hygroskopische Silicagel aufgebracht ist. Der Gesamtquerschnitt des Rotors ist in einen Trocknungssektor, der 3/4 der Gesamtoberfläche einnimmt, und einen Regenerationssektor von 1/4 der Rotor-Oberfläche eingeteilt. Die Sektoren sind gegeneinander abgedichtet.

Der zu trocknende, feuchte Luftstrom (Prozessluft) wird durch den Adsorptionsrotor geleitet, der über einen Motor in eine gleichmäßige, langsame Drehung versetzt wird. Der Trocknungssektor des Rotors wird kontinuierlich von dem zu trocknenden Luftstrom durchströmt. Hierbei wird der darin enthaltene Wasserdampf zum größtenteils adsorbiert.

Der nun im Trocknungssektor des Rotors enthaltene Wasserdampf muss natürlich wieder entfernt werden, um die Sorptionskapazität des Silicagels wiederherzustellen und um somit einen kontinuierlichen und unterbrechungsfreien Trocknungsprozess aufrecht zu erhalten. Dies geschieht im Regenerationssektor, der dazu im Gegenstrom von der Regenerationsluft, die zuvor über ein Register auf etwa 120 °C erhitzt wurde, durchströmt wird. Dabei wird der adsorptiv im Rotor gebundene Wasserdampf wieder ausgetrieben. Das für die Regeneration benötigte Luftvolumen beträgt ca. 25 % des Prozessluftstroms.

Der Prozess kann beliebig oft wiederholt werden, ohne dass der Wirkungsgrad des Sorptionsmittels nennenswert beeinträchtigt wird. Die Adsorptionsfähigkeit des Silicagels ist so hoch, dass bei entsprechender Anlagenkonfiguration Taupunkte von bis zu –70 °C erreicht werden können.

Zum Erreichen derart niedriger Restfeuchten müssen ggf. zusätzliche Oberflächenkühler vorgeschaltet werden. Zur Regelung der gewünschten Zulufttemperatur können die Trockner mit Vor- und Nachkühlern sowie Erhitzermodulen ausgestattet werden. Je nach Gerätegröße werden die Trockner bereits werkseitig mit den erforderlichen Kühl- / Heizmodulen ausgestattet. Das Schema in Bild 3 stellt ein vollständiges Trocknungssystem dar, wie es oft in der Pharma-, Lebensmittel- oder Chemieindustrie zum Einsatz kommt.

Leistungscharakteristika von Adsorptionstrocknern

Wie bereits beschrieben ist der Einsatzbereich von Kondensationsentfeuchtern durch die Systemgrenzen des jeweils genutzten Kältemitteltyps limitiert. Zudem bedingt die regelmäßige Aktivierung der Abtaufunktion zum Schutz vor Vereisung mehr oder weniger häufige Unterbrechungen des Entfeuchtungsbetriebes, was zu kurzzeitigen Schwankungen der Raumluftfeuchte führen kann.

Adsorptionstrockner unterliegen diesen Beschränkungen hinsichtlich Temperatur und Feuchte weit weniger stark, und gewährleisten einen permanenten, unterbrechungsfreien Trocknungsbetrieb auch bei niedrigen Temperaturen. Durch den tiefen Taupunkt, den Adsorptionstrockner erreichen können, wird das Erzielen minimalster Restfeuchten möglich. Die Bilder 4 und 5 veranschaulichen sowohl die Betriebscharak­teristika als auch die Einsatzgrenzen beider Systeme.

Zu beachten ist, dass die spezifische Leistungsaufnahme von Adsorptionstrocknern systembedingt stets höher ist als jene von Kondensationsentfeuchtern. Grund hierfür ist die mit 120 °C recht hohe Temperatur, die zur Regeneration des Rotors benötigt wird. Sie sollten daher dort eingesetzt werden wo besonders niedrige Restfeuchten (< 6g/kg) oder niedrige Umgebungstemperaturen den entsprechenden Energieaufwand rechtfertigen oder Kondensationsentfeuchter die geforderte Entfeuchtungsaufgabe systembedingt nicht leisten können.

Im nachfolgenden Diagramm nach Thiekötter (Bild 6) ist ein grober Vergleich hinsichtlich der spezifischen Leistungsaufnahme von kältemittelbetriebenen Kondensationsentfeuchtern gegenüber Adsorptionstrocknern mit rein elektrisch betriebener Regeneration dargestellt. Wie man dem Diagramm entnehmen kann, ist die spezifische Leistungsaufnahme (in kWh pro kg entzogenem Wasser) bei Adsorptionstrocknern stets höher als bei Kondensationsentfeuchtern. Insbesondere bei größeren Anlagen bestehen durch Einbeziehung alternativ verfügbarer Wärmeträger erhebliche Einsparpotenziale.

Anforderungen an die Installation

Neben den in den vorherigen Abschnitten dargestellten Unterschieden in Funktionsweise und Betrieb ergeben sich auch systemspezifische Anforderungen an die Installation.

Kondensationsentfeuchter werden in der Regel im Umluftbetrieb eingesetzt. Je nach örtlicher Erfordernis können sie frei ausblasend im Raum aufgestellt werden oder die Luftverteilung kann über Lüftungskanäle erfolgen. Darüber hinaus sind Truhengeräte zur Wand- und Hinterwandmontage sowie zur Montage unter der Decke erhältlich.

Adsorptionstrockner verfügen hingegen systembedingt über vier Anschlüsse, die im Hinblick auf einen ordnungsgemäßen Betrieb alle separat verrohrt werden müssen. Dies sind:

Prozesslufteingang: Anschluss des Luftstroms, der aus dem Raum bzw. Prozess entnommen und getrocknet werden soll.

Prozessluftausgang: Anschluss für den getrockneten Luftstrom, der dem Raum bzw. Prozess nach Durchlaufen des Trockners wieder zugeführt wird.

Regenerationslufteingang: Anschluss für die von außen entnommene Luftmenge, die zur Regeneration des Rotors benötigt wird.

Feuchtluftausgang: Anschluss für die nach Durchlauf durch den Trockner entsprechend sehr feuchte und warme Regenerationsluft, die zwingend nach außen abgeführt werden muss.

Energieeffizienz und Energieeinsparung

Wie für alle Luftbehandlungsfunktionen ist auch für die Entfeuchtung/Trocknung die Aufwendung externer Energie notwendig, zumeist in der vor allem in Deutschland ganz besonders teuren Form der ­elektrischen Energie.

Der erste Ansatzpunkt zur Optimierung des Energiebedarfs liegt bei Kondensationsentfeuchtern in der Auswahl des für den Betrieb günstigsten Temperaturbereiches. Günstige Betriebspunkte für Kondensationsentfeuchter liegen oberhalb von
10 °C. Sofern die Umgebungstemperatur dauerhaft darunter liegt, wird sich das Gerät recht oft in einem recht langen Abtaumodus befinden und arbeitet dementsprechend nicht mehr effizient. Ein Adsorptionstrockner würde hier zwar grundsätzlich zunächst eine höhere Leistungsaufnahme aufweisen, was allerdings durch die vergleichsweise höhere Entfeuchtungskapazität bei niedrigen Temperaturen und die dadurch entsprechend geringeren Betriebszeiten mehr als ausgeglichen werden kann. Andererseits wird ein Kondensationsentfeuchter bei Temperaturen um 20 °C und höher selten bis gar nicht in den Abtaumodus schalten und arbeitet daher in diesem Temperaturbereich äußerst effizient.

Je nach Anwendung, z. B. bei der Entfeuchtung eines Schwimmbades, kann die Abwärme des Kältekreises sinnvoll zur Unterstützung der Raumheizung oder, mittels Wärmeübertrager, zur Beckenwassererwärmung genutzt werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Betriebszeit und der damit verbundenen Einsparung elektrischer Energie stellt die optimale Auswahl des Regelungskonzepts in Abhängigkeit der Anwendung dar. Sofern die Aufgabenstellung lautet, kalte Oberflächen (z. B. von kalten Medien durchflossene Rohrleitungen, Behälter etc.) vor Kondensation zu schützen, kann anstatt einer Raumfeuchteregelung mittels Raumfeuchtefühler (Hygrostat) eine taupunktgeführte Regelung über einen Oberflächenfühler in Betracht gezogen werden. Derart geregelt werden die Luftentfeuchter nur dann aktiviert, wenn eine Kondensatbildung durch Taupunktunterschreitung auf den zu schützenden Flächen droht. Die Betriebszeiten des Entfeuchters werden, im Gegensatz zu einer permanenten und für diesen Anwendungsfall nicht notwendigen Absenkung der Raumluftfeuchte, erheblich reduziert, was zu einer enormen Energieeinsparung führt.

Energiesparpotenziale bei Adsorptionstrocknern

Die hohen Temperaturen, die bei Adsorptionstrocknern zur Regeneration des Sorptionsmittels aufgebracht werden müssen, gehen naturgemäß mit einer entsprechend hohen elektrischen Leistungsaufnahme einher. Größere Anlagen bieten die Möglichkeit, weitere Medien, die insbesondere im industriellen Bereich ohnehin meist bereits verfügbar sind, als Wärmeträger ganz oder teilweise zu nutzen. Im Einzelnen ergeben sich als Alternative zu bzw. Unterstützung einer rein elektrischen Regeneration die im Nachfolgenden aufgeführten Möglichkeiten.

Nutzung eines vorhandenen Dampf- oder Heißwassernetzes: In vielen Industriebetrieben sind Dampf- und Heißwassernetze verfügbar, die zur Regeneration genutzt werden können.
Erdgas: Falls eine Versorgung mit Erdgas verfügbar ist, kann der für die Regeneration erforderliche Luftstrom über einen Gasbrenner erhitzt werden.
Kombination aus Elektro- mit Dampf- oder Heißwasser-Heizregistern:  Dies bietet sich dann an, wenn zwar Dampf- oder Heißwasser verfügbar sind, deren Konditionen aber nicht zu einer vollständigen Regeneration ausreichen.

Ebenso trägt eine präzise und anwendungskonforme Regelungslogik zu erheblichen Energieeinsparungen bei. Hier sei nochmals auf die bereits beschriebene Taupunktregelung hinzuweisen.

Zusammenfassung

Die Eignung für bestimmte Anwendungen ergibt sich aus den physikalisch bedingten Systemgrenzen und Betriebscharakteristika, sodass stets eine individuelle Beurteilung erfolgen muss. Die Tabelle 1 fasst wichtigsten Eigenschaften beider Systeme zusammen, was eine erste Vorauswahl in Abhängigkeit der zu lösenden Aufgabe etwas erleichtert. Die Daten in der Tabelle beziehen sich auf Standardgeräte, projektspezifisch ausgelegte Sondergeräte können deutlich andere Betriebscharakteristika und Leistungswerte erbringen.

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