Magazin Luftfeuchte 2021 MAI 01

Autor:
Klaus Achenbach

Adsorption vs. Kondensation

Sehr geehrte Leser,

die erste Frage, die sich dem HLK-Fachmann bei der Lösung eines Problems aus dem Bereich der Luftentfeuchtung bzw. Trocknung stellt, ist jene nach der Auswahl des geeigneten Entfeuchtungssystems.

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, spezielle Charakteristika im Betrieb auf und sind somit nicht immer gleichermaßen für jede Anwendung geeignet. So dürfte beispielsweise der Versuch, Vereisung in einem Tiefkühllager mit Hilfe eines Kondensationsentfeuchters zu vermeiden, erfolglos bleiben, während der Einsatz eines Adsorptionstrockners zur Entfeuchtung eines Schwimmbads aus technischer sowie energetischer Sicht vollkommen übertrieben wäre.

Im folgenden Artikel sollen die Unterschiede zwischen der Entfeuchtung durch Kondensation und der Trocknung durch Sorption erklärt sowie Einsatzgrenzen und mögliche Energieeinsparpotenziale aufgezeigt werden. Die folgenden 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.

Ausführungen zu thermodynamischen Grundlagen und Auslegungshinweise würden den verfügbaren Rahmen dieses Artikels übersteigen. Tiefergehende Informationen zu der Thematik finden sich im „Planungsleitfaden Luftentfeuchtung“, den die Condair GmbH dem interessierten Leser gerne auf Anfrage kostenlos zur Verfügung stellt.

Luftentfeuchtung durch Kondensation
In der Natur und in unserem Alltag finden sich viele Beispiele für die Kondensation von in der Luft enthaltener Feuchtigkeit auf kalten Oberflächen. Beispiele hierzu sind u.a.:

  • Tautropfen auf Grashalmen in den frühen Morgenstunden im Sommer
  • Kondensation auf Wänden und Fensterflächen von Hallenbädern
  • Beschlagen von Getränkeflaschen und Gläsern mit kalten Getränken im Sommer

Bei der Luftentfeuchtung durch Kondensation wird dieser natürliche Vorgang mit Hilfe einer Kältemaschine technisch nachvollzogen. Das Auskondensieren des in der Luft enthaltenen Wassers wird hierbei durch die Abkühlung der feuchten Luft unter den Taupunkt technisch erzwungen, indem der Luftstrom über die kalte Oberfläche eines Wärmetauschers geführt wird.

Aufbau und Funktionsweise eines Kondensations-Luftentfeuchters
Kernkomponente eines jeden Kondensations-Luftentfeuchters ist ein geschlossener Kältekreis, welcher nach dem Wärmepumpenprinzip arbeitet. Der allgemeine Aufbau eines Kondensationsentfeuchters ist in Abbildung 1 dargestellt.




Im Luftentfeuchter saugt ein Ventilator die feuchte Umgebungsluft an, welche zunächst einen Filter passiert, bevor sie den Verdampfer-Wärmetauscher des Kältekreises durchströmt. An der kalten Oberfläche des Verdampfers wird sie unter ihren Taupunkt abgekühlt, wobei im ersten Durchgang des Luftstroms durch den Wärmetauscher 2-3 g/kg Wasserdampf auskondensieren. Das Kondensat wird im Luftentfeuchter in einer entsprechenden Wanne aufgefangen und entweder direkt in den Abfluss geleitet oder in einem regelmäßig zu entleerendem Tank aufgefangen. 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 bedingt ist die entfeuchtete, dem Raum zugeführte Luft stets etwas wärmer als beim Eintritt in den Entfeuchter.

Leistungscharakteristika und Betriebsgrenzen von Kondensations-Luftentfeuchtern
Die erreichbaren Werte für die Luftfeuchte werden bei Kondensations-Luftentfeuchtern primär durch die Eigenschaften des eingesetzten Kältemittels (Druck, Temperatur) sowie durch den 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 %.

Bei der Auswahl von Kondensations-Luftentfeuchtern ist demnach zu beachten, dass deren Entfeuchtungskapazität stark von der Raumlufttemperatur abhängt. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für die sich verändernden Entfeuchtungskapazitäten eines Kondensations-Luftentfeuchters in Abhängigkeit der Soll-Feuchte und der Temperatur.



Leistungscharakteristik eines
Kondensations-Luftentfeuchters



Kondensations-Luftentfeuchter
im Umluftbetrieb


Bei niedriger Temperatur der zu entfeuchtenden Raumluft kann es zu Reif- und Eisbildung auf dem Verdampfer-Wärmetauscher kommen, da dessen Oberflächentemperatur dann auf einige Grad unter Null absinkt. Kondensations-Luftentfeuchter 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. Dies wird bei der späteren Darstellung der Einsatzbereiche noch eine Rolle spielen.

Lufttrocknung durch Sorption
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 innere Oberfläche in Größenordnungen zwischen 600 und 800 m²/g auf. 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.

Auch Beispiele für den Wasserdampfentzug durch hygroskopische Eigenschaften bestimmter Stoffe begegnen uns täglich:
  • Verklumpen von Salz und Zucker
  • Wasseraufnahme- und Abgabe von Holz
  • Kleine Silicagelbeutel in der Verpackung feuchteempfindlicher Waren, z.B. Unterhaltungselektronik, Kleidung etc.

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

Der zu trocknende, feuchte Luftstrom (Prozessluft) wird über einen Lüfter angesaugt und durch den Adsorptionsrotor geleitet, welcher 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 größtenteils adsorbiert.

Der nun im Trocknungssektor des Rotors enthaltene Wasserdampf muss 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, welche zuvor über einen Regenerationserhitzer auf etwa 120 °C erhitzt wurde, durchströmt wird. Durch das Erwärmen fällt die relative Feuchte der Regenerationsluft auf < 1 % r. F. und der adsorptiv im Rotor gebundener Wasserdampf wird wieder ausgetrieben. Es findet also eine Desorption statt. Der ausgetriebene Wasserdampf wird mit dem Feuchtluftstrom nach außen abgeführt. Das für die Regeneration benötigte Luftvolumen beträgt ca. 25 % des Prozessluftstroms.

Die folgende Abbildung stellt den Prozess der Adsorption und Desorption dar:



Prozess der Adsorption / Desorption am Sorptionsrotor



Aufbau und Funktionsweise
eines Adsorptions-Trockners


Der Prozess der Adsorption und Desorption 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- und Heizmodulen ausgestattet oder deren Montage erfolgt bauseitig. Das folgende Schema stellt ein vollständiges Trocknungssystem, wie es oft in der Pharma-, Lebensmittel- oder Chemieindustrie zum Einsatz kommt, dar.




Leistungscharakteristika und Betriebsgrenzen von Adsorptionstrocknern im Vergleich zu Kondensations-Luftentfeuchtern
Wie bereits beschrieben, ist der Einsatzbereich von Kondensations-Luftentfeuchtern 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 beiden nachfolgenden Grafiken veranschaulichen sowohl die Betriebscharakteristika als auch die Einsatzgrenzen beider Systeme.



Betriebscharakteristika Kondensations-
Luftentfeuchter und Adsorptionstrockner



Einsatzbereich Temperatur / Feuchte


Zu beachten ist jedoch, dass die spezifische Leistungsaufnahme von Adsorptionstrocknern systembedingt stets höher ist als jene von Kondensations-Luftentfeuchtern. 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 Kondensations-Luftentfeuchter die geforderte Entfeuchtungsaufgabe systembedingt nicht lösen können.

Im nachfolgenden Diagramm nach Thiekötter 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 Kondensations-Luftentfeuchtern. Insbesondere bei größeren Anlagen bestehen durch Einbeziehung alternativ verfügbarer Wärmeträger erhebliche Einsparpotenziale, welche später noch näher beschrieben werden.




Anforderungen an die Installation
Neben den bereits dargestellten Unterschieden in Funktionsweise und Betrieb, ergeben sich auch systemspezifische Anforderungen an die Installation, welche bei der Auswahl des passenden Entfeuchtungssystems beachtet werden sollten.

Kondensations-Luftentfeuchter 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.

Sofern es sich nicht um Kleingeräte, wie beispielsweise zur Bautrocknung, handelt, verfügen Adsorptionstrockner systembedingt über vier Anschlüsse, welche im Hinblick auf einen ordnungsgemäßen Betrieb alle separat verrohrt werden müssen. Diese sind:
  • Prozesslufteingang: Anschluss des Luftstroms, welcher aus dem Raum bzw. Prozess entnommen und getrocknet werden soll.
  • Prozessluftausgang: Anschluss für den getrockneten Luftstrom, welcher 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, welche zwingend nach außen abgeführt werden muss.

Der erforderliche Aufwand für die Führung und Installation der Lüftungskanäle sollte daher unbedingt von Anfang an bei Auswahl und Planung des Entfeuchtungssystems berücksichtigt werden.

Energieeffizienz
Nachdem nun die Funktionsweise und die Besonderheiten der beiden, im HLK-Bereich hauptsächlich zum Einsatz kommenden, Entfeuchtungstechnologien vorgestellt wurden, wenden wir uns dem immer wichtiger werdenden Thema der Energieeffizienz zu. Wie für alle Luftbehandlungsfunktionen ist auch für die Entfeuchtung und Trocknung die Aufwendung externer Energie notwendig, zumeist in der, vor allem in Deutschland besonders teuren, Form der elektrischen Energie. Durch verschiedene Maßnahmen, welche früh im Planungsprozess berücksichtigt werden sollten, lassen sich die entsprechenden Kosten für die notwendigen Energieaufwendungen jedoch erheblich reduzieren.

Möglichkeiten zur Energieeinsparung bei Kondensationsentfeuchtern
Der erste Ansatzpunkt zur Optimierung des Energiebedarfs liegt bei Kondensationsentfeuchtern in der Auswahl des, für den Betrieb günstigsten, Temperaturbereiches. Wie aus den zuvor dargestellten Diagrammen ersichtlich, liegt der optimale Betriebspunkt für Kondensationsentfeuchter in einem Temperaturbereich 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 diesen niedrigen Temperaturen und die dadurch entsprechend geringeren Betriebszeiten mehr als ausgeglichen wird. 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 Wärmetauscher, 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.

Energie-Einsparpotenziale beim Betrieb von 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, bei denen dieser Aspekt besonders wichtig ist, bieten hierzu die Möglichkeit, weitere Medien, welche insbesondere im industriellen Bereich ohnehin meist bereits verfügbar sind, als Wärmeträger ganz oder teilweise zu nutzen. Eine solche Möglichkeit sollte bei der Planung grundsätzlich geprüft werden. 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, welche 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- und PWW-Heizregister:
Die üblichen Systemtemperaturen eines PWW-Netzes sind zum Erreichen der zur Regeneration notwendigen Temperaturen nicht ausreichend. Jedoch können PWW-gespeiste Wärmetauscher mit einem elektrisch betriebenen Regenerationserhitzer kombiniert werden. Dieser kann entsprechend kleiner ausfallen und die elektrische Leistungsaufnahme reduziert sich erheblich. Zu beachten ist hierbei, dass das PWW-Netz ganzjährig, ohne Unterbrechung zur Verfügung stehen muss.

Kombination aus Elektro- und Dampf- oder Heißwasser-Heizregister:
Wie bereits für die Hybrid-Lösung unter Einbeziehung eines PWW-Netzes beschrieben, können auch Dampf- oder Heißwassernetze mit einem elektrischen Regenerations-Heizregister kombiniert werden. 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, über welche sowohl Kondensations-Luftentfeuchter als auch Adsorptionstrockner äußerst effizient betrieben werden können, sofern es die entsprechende Anwendung erlaubt.

Fazit
Anhand des vorliegenden Artikels wurde versucht, die grundsätzlichen Unterschiede der Luftentfeuchtung mittels Kondensation und der Lufttrocknung durch Sorption darzustellen und auf wichtige Aspekte, welche möglichst früh in der Planung sowie bei der Auswahl der geeigneten Technologie zu beachten sind, hinzuweisen.

Die Eignung für bestimmte Anwendungen ergibt sich aus den physikalisch bedingten Systemgrenzen und Betriebscharakteristika, sodass stets eine individuelle Beurteilung erfolgen muss. Die folgende Tabelle stellt nochmals die wichtigsten Eigenschaften beider Systeme dar, was eine erste Vorauswahl in Abhängigkeit der zu lösenden Aufgabe etwas erleichtern soll. Die Daten in der Tabelle beziehen sich auf Standardgeräte, projektspezifisch ausgelegte Sondergeräte können deutlich andere Betriebscharakteristika und Leistungswerte aufweisen.


Kondensations-Luftentfeuchter Adsorptionstrockner
Entfeuchtungsprinzip Kältekreislauf Sorptionsrotor
El. Leistungsaufnahme gering, temperaturabhängig hoch bis sehr hoch, konstant
Raumerwärmung gering bis mäßig hoch
Lüftungsinstallation erforderlich je nach Anwendung ja
Erzielbare rel. Feuchten ca. 50 % r. F. bis zu 1 % r. F.
Einsatztemperaturbereich +5 bis +36 °C -20 bis +35 °C
Betriebsweise mobil oder stationär i. d. R. stationär
Luftumwälzung hoch gering
Entfeuchtungsleistungen bei hohen Temperaturen hoch hoch
Entfeuchtungsleistungen bei niedrigen Temperaturen gering hoch
Spez. Leistungsaufnahme kW / kgH2O Kondensat 0,8 - 1,5 1,3 - 3,0


Zusammenfassend kann allgemein festgehalten werden, dass Kondensations-Luftentfeuchter in einem Temperaturbereich von > 10 °C sehr effektiv und effizient arbeiten. Hierbei ist eine relative Feuchte von ca. 50 % erreichbar. Darunterliegende Restfeuchten sind zwar technisch erzielbar, werden aber von den Herstellern meist nicht garantiert. Somit kann eine Vielzahl von Entfeuchtungsaufgaben, insbesondere in den Bereichen Produktlagerung, Korrosionsschutz, Archive oder Wellness, durch den Einsatz von Kondensations-Luftentfeuchtern zuverlässig gelöst werden.

Wann immer jedoch dauerhaft niedrige Temperaturen von < 10 °C vorherrschen, niedrige absolute Feuchten von < 6 g/kg zu erzielen sind sowie ein stets gleichmäßiger, unterbrechungsfreier Entfeuchtungsbetrieb gefordert wird, ist eine entsprechende Lösung der Aufgabenstellung nur durch den Einsatz von Adsorptionstrocknern möglich. Dies ist vor allem in industriellen Produktions- und Verpackungsprozessen sowie im Bereich der Tiefkühllagerung der Fall.


Mit freundlichen Grüßen

Klaus Achenbach
Market Development Manager Central Europe

Planungsleitfaden für Luftentfeuchtung
ISBN-Nummer: 978-3981761825
Umfang: 32 Seiten
Format: Din A4
Kosten: 12,95 Euro