Low Dew Point

Lithium Batterie

Klimaregulierter Trockenraum

Das patentierte PowerPurge

Lithium battery circuit board

Dietmar Müller, Geschäftsführer der Munters GmbH

Eine etwas speziellere Art der Klimatechnik beschäftigt sich mit der Bereitstellung von extrem trockener Luft für spezielle Produktionsprozesse. Im Fachjargon spricht man von Low Dew Point Anwendungen.  Seit vielen Jahren beschäftigt sich die Firma Munters mit der Entwicklung, Projektierung und Lieferung solcher Spezial Luftentfeuchter. Das Lieferprogram erstreckt sich über die Luftentfeuchter bis zur Komplettlieferung inkl. Trockenraum bis zum Rundherum Sorglos Paket mit 24 / 7 Service Abdeckung.

Was versteht man unter Low Dew Point ?

Als Low Dew Point Lösungen verstehen sich Anwendungen in der Luftklasse zwischen Taupunkt - 40 °C und - 65 °C.  Ein Taupunkt von - 40 °C entspricht einem absoluten Wassergehalt von 0,0793 g/kg und bei - 60 °C Taupunkt wird dann schon von einem absoluten Wassergehalt in der Luft von 0,0066 g/kg gesprochen.

Andere Spezialeinsatzfälle erfordern sogar Taupunkte von - 85 °C, 0,0017 g/kg.

Anwendung

Anwendungen für trockene Luft mit Taupunkten zwischen - 20 und - 40°C sind mannigfaltig und erstrecken sich über die Autoindustrie, die chemische Industrie bis hin zu Anwendungen im Pharmabereich.

Wenn es dann um richtig trockene Luft geht, findet man im Wesentlichen Anwendungen im Batterie oder Akkumulatoren Bereich oder im Bereich der Flachbildschirm Technik. Im Allgemeinen sollen in solchen Produktionsbereichen Reaktionen der eingesetzten Chemikalien mit der Luftfeuchtigkeit verhindert werden.  Lithium reagiert sehr stark exotherm mit Feuchtigkeit und ist extrem hydrophil. Aufgrund dieser Eigenschaft wurde Lithium früher als Trocknungsmittel u.a. in Sorptionsrotoren eingesetzt.  Leider ist Lithium neben diesen Eigenschaften auch sehr aggressiv und in verschiedenen Verbindungen auch stark korrosiv. 

Die Verwendung von Lithium Batterien in Mobiltelefonen, Herzschrittmachern oder anderen medizinischen Anwendungen wird seit einigen Jahren ausgeweitet in den Transportbereich, etwa im Flugzeug- und sehr stark im Kraftfahrzeugbau.  Diese Batterien benötigen naturgemäß wesentlich größere Produktionsanlagen und damit auch erheblich größere Luftmengen um die Trockenräume zuverlässig zu fluten.

Verfahrenstechnik

Zunächst müssen zur Auslegung der Anlagenkomponenten natürlich Informationen zur Wärmelast und Anzahl der Produktionsmitarbeiter sowie etwaige Feuchtigkeitsquellen im Trockenraum bekannt sein

Dann muss für die Auslegung des Trockenraums neben der Produktionsfläche auch die Luftverteilung genau geplant werden. Dabei kann man entweder Trockenluftauslässe direkt am Arbeitsplatz vorsehen oder durch Laminar Strömungswände den gesamten Arbeitsbereich versorgen oder natürlich sämtliche Kombinationen aus obigen Techniken.

Entscheidend für die Feuchtelast ist die Art der Tätigkeiten die ausgeführt werden. Für die arbeitsbedingte Feuchtelast, durch Schwitzen und Atemluft gelten übliche Annahmen zwischen 160 – 200  g H2O/cp/h.  Mitarbeiter der Munters GmbH sind bei der Ermittlung gerne behilflich und verfügen über jahrelange Erfahrung.

Eine Feuchtelast von 160 g/h und Mitarbeiter liest sich auf den ersten Blick sehr gering, ist aber bei den angestrebten Restfeuchten im Raum eine große Herausforderung an die Anlagentechnik. Allein die Abfuhr der Feuchtigkeitslast pro Mitarbeiter bei den oben genannten Bedingungen erfordert eine Luftmenge von 1.700 m³/h.

Produktionsräume für Batterien werden üblicherweise im halboffenen Betrieb gefahren. Das heißt, es wird Abluft entnommen und so viel Frischluft zugeführt, wie entweder bewusst als Schadluftstrom abgeführt  wird oder aber mindestens  für die Frischluftversorgung der Produktionsmitarbeiter benötigt wird.

Die aus dem Raum entnommene Rezirkulationsmenge wird je nach Entnahmesituation noch sehr trocken sein, nämlich entsprechend dem vereinbarten Mindesttaupunkt im Raum. Vielleicht bei einem Zulufttaupunkt von - 60 °C durch Feuchtigkeitsaufnahme etwa - 40 °C in der Rückluft.

Diese Rezirkulationsluft muss nun mit der Frischluft gemischt werden und wieder auf - 60 °C getrocknet werden. Dazu wird sehr viel Energie benötigt. Eine Entfeuchtung auf diesem Niveau benötigt nämlich wesentlich mehr Energie als eine Anwendung auf atmosphärischem Niveau etwa von üblichen 7 g/kg auf 1 g/kg in normalen Pharmaanwendungen. Hier kommt dann also der verfahrenstechnischen Auslegung und dem steuerungstechnischen Konzept eine Hauptrolle zu.

Doch zunächst zum verfahrenstechnischen Hauptteil, dem Dessicant Rotor. Hier setzt Munters je nach Anwendungsfall verschiedene Rotoren ein, zum einen einen 400 mm  tiefen einlagigen, mit Titan stabilisierten Silikagel Rotor oder aber einen Hybrid Rotor aus Silikagel und Molekularsieb. Neben der Performance sind beide Rotortypen ausgiebig getestet und zertifiziert, u.a. als nicht Staub emittierend und brandfest.

Rotorentfeuchter arbeiten nach dem Adsorptionsprinzip. Das heißt, die Prozessluft lagert ihre Wasserbestandteile innerhalb des Rotors ab, ohne dass es eine Phasenänderung gibt. Die Wasserdampfmoleküle werden durch van der Waalsche, elektrostatische Kräfte in den Poren des Rotors angelagert. Der Adsorptionsrotor rotiert um seine eigene Achse und wird dann im sogenannten Regenerationssektor getrocknet oder desorbiert.

Aus energetischer Sicht bedeutsam sind sowohl die Anströmung bzw. Verschaltung des Rotors im System als auch eine sorgfältige Planung der Wärmerückgewinnnung. Diese Sorgfalt bei der Auslegung wird immer bedeutender, da die Produktionsräume in den letzten Jahren von der Glove Box bis zur Größe ganzer Produktionshallen angewachsen sind.

Zur Optimierung der Rotor Anströmung setzt Munters die patentierten Schaltungen Power Purge® und Green Purge ein. Zum Verständnis dieser Verfahren muss man sich eingehend mit der Physik der Rotortechnologie beschäftigen, was weit über den Rahmen dieses Artikels hinausgeht. Entscheidend ist in aller Kürze den Rotor so zu betreiben, dass die feuchtigkeitsaufnehmende Fläche möglichst mit optimaler Temperatur und Drehgeschwindigkeit dem Adsorptionsprozess zur Verfügung steht.

Die Wärmerückgewinnung kann mehrstufig erfolgen. Zunächst wie oben angeschnitten mittels der internen Energieoptimierung durch Power Purge®, dann durch Wärmerückgewinnung aus der Fortluft des Regenerationsluftstromes, aber auch durch Ausnutzung der im Adsorptionsprozess freigesetzten Verdampfungsenthalpie. Darüber hinaus kann energietechnische Optimierung in Abhängigkeit von den gewünschten Trockenraumbedingungen betrieben werden, u.a. durch Nutzung der Abwärme des Kältesystems.  

Zur Kostenoptimierung ist es sogar möglich direkt befeuerte Erdgasbrenner im Regenerationsbereich des Rotors einzusetzen. Bekanntlich entsteht bei der Verbrennung von Erdgas Kohlendioxid CO2 und Wasserdampf H2O. Der Wasserdampf Anteil in der Regenerationsluft erschwert natürlich den Trocknungsprozess, hat sich in der Praxis jedoch nicht als Nachteil herausgestellt.

Im Allgemeinen kann  bei Auslegung oder Überarbeitung eines Trockenraumkonzeptes zwei Wege gehen. Das Motto alles aus einer Hand empfiehlt sich bei Labor oder Forschungseinrichtungen sowie bei extremen Taupunktanforderungen da intensivste Vorplanungen erforderlich sind.  Erfahrene Systempartner erlauben zuverlässige und energieoptimierte Lösungen für Produktionsräume und modulare Lösungen bei Standardkonzepten.

Das entscheidende Kriterium ist die richtige Auslegung und Beurteilung der Ausgangslasten. Munters hat sich hier in vielen Projekten und Aufträgen umfangreiches Know How erworben.