Auteur: technische afdeling Mycond
Het ontwerpen van luchtontvochtigingssystemen met desiccant-adsorptietechnologieën vereist bijzondere aandacht voor de berekening van de warmtelast. Dit hangt samen met het fundamentele fysische proces dat tijdens adsorptie plaatsvindt — de omzetting van latente warmte in voelbare warmte (sensible heat), wat een extra belasting creëert voor de koelsystemen van ruimten. In dit artikel bespreken we een technische methode voor een nauwkeurige berekening van de warmte-toename en manieren om deze te compenseren in overeenstemming met de eisen van ASHRAE Standard 62.1 en ISO 7730.
Waarom het belangrijk is de warmtelast van een desiccant-ontvochtiger te berekenen
Desiccant- en condensatieontvochtigers verschillen fundamenteel in hun mechanisme van vochtverwijdering. Condensatiesystemen werken door lucht onder het dauwpunt te koelen, wat tot condensatie van vocht leidt. Desiccant-ontvochtigers daarentegen gebruiken adsorptie op het oppervlak van het adsorbens (silicagel, moleculaire zeven, enz.), wat plaatsvindt ZONDER koeling, maar INTEGENDEEL — met een aanzienlijke opwarming van de lucht.
Een typische ontwerpfout is dat ingenieurs vaak hun ervaring met condensatiesystemen doorvertalen naar desiccant-installaties. Waar bij condensatieontvochtigers de temperatuur slechts licht verandert of zelfs daalt, kan de temperatuurstijging bij desiccant-systemen aanzienlijk zijn. Deze stijging is direct afhankelijk van de hoeveelheid verwijderd vocht, het type gebruikt adsorbens en de regeneratieparameters.
De gevolgen van het negeren van deze factor kunnen kritiek zijn: oververhitting van ruimten, onvoldoende capaciteit van de geïnstalleerde airconditioningsystemen en een aanzienlijke toename van het energieverbruik voor koeling.
Fysische basis: omzetting van latente warmte in voelbare warmte (sensible heat)
Om het proces te begrijpen, is het nodig twee soorten warmte-energie duidelijk te onderscheiden. Latente warmte is de energie die verborgen is in waterdamp, die de temperatuur van de stof niet verandert, maar verbruikt wordt bij verdamping en vrijkomt bij condensatie. Voelbare warmte (sensible heat) is de vorm van energie die de luchttemperatuur direct verandert zonder de vochtinhoud te wijzigen.
Tijdens het werken van een desiccant-ontvochtiger vindt adsorptie plaats — watermoleculen uit de lucht hechten zich aan de poreuze structuur van het desiccant (silicagel, zeolieten, moleculaire zeven). Bij dit proces komt adsorptiewarmte vrij. Op moleculair niveau wordt dit verklaard doordat bij de overgang van watermoleculen van de gasfase naar de geadsorbeerde toestand op het oppervlak van het desiccant, energie van intermoleculaire bindingen vrijkomt.
De grootte van de adsorptiewarmte op silicagel bedraagt 2400-2600 kJ/kg, wat dicht bij de condensatiewarmte ligt (ongeveer 2500 kJ/kg). Dit wordt verklaard door de gelijkenis van de fysische processen — in beide gevallen verandert de bindingsstaat van watermoleculen.
In het psychrometrisch Mollier-diagram ziet het proces van adsorptie-ontvochtiging eruit als een lijn die naar rechts-omlaag gaat: het vochtgehalte neemt af terwijl de drogeboltemperatuur stijgt. Ter vergelijking: condensatieontvochtiging wordt weergegeven als een lijn naar links-omlaag, omdat zowel de temperatuur als het vochtgehalte afnemen.
Bronnen van warmtelast in een desiccant-ontvochtiger
In desiccant-ontvochtigers zijn vier hoofdbronnen van warmtelast te onderscheiden:
1. Adsorptiewarmte — komt direct vrij in de procesluchtstroom tijdens de adsorptie van waterdamp. Deze bron levert de grootste bijdrage aan de warmtelast. Het aandeel van deze bron in de totale warmtelast hangt af van het ontwerp van de apparatuur, de verhouding tussen de sectoren voor adsorptie en regeneratie, en de kwaliteit van de thermische isolatie van het systeem.
2. Warmteoverdracht vanuit de regeneratiesector — in deze sector wordt het adsorbens verwarmd om de adsorptiecapaciteit te herstellen. De regeneratietemperatuur hangt af van het type desiccant: voor silicagel zijn lagere temperaturen vereist vanwege de lagere desorptie-energie, terwijl voor moleculaire zeven hogere temperaturen nodig zijn door sterkere bindingen in de kristalstructuur. Een deel van deze warmte wordt onvermijdelijk overgedragen aan de proceslucht via de rotor, zelfs bij aanwezigheid van spoelzones.
3. Mechanische warmte — ontstaat door de rotatie van de rotor en het werk van ventilatoren, waarbij elektrische energie gedeeltelijk wordt omgezet in warmte.
4. Verliezen via de behuizing — bij onvoldoende thermische isolatie kan een deel van de warmte uit de regeneratiezone naar de proceslucht worden overgedragen via de behuizing van de installatie.
Samengevat is de primaire bron van warmtelast de adsorptiewarmte, maar de totale belasting wordt bepaald door de som van alle genoemde factoren, die bij het ontwerp moeten worden meegenomen.
Rekenmethode via massabalans van vocht
De berekening van de warmtelast via de massabalans van vocht maakt het mogelijk de temperatuurstijging te bepalen op basis van de hoeveelheid verwijderd vocht. Beschouw het stapsgewijze algoritme:
Stap 1: Bepaal de luchtparameters aan inlaat en uitlaat (temperatuur, vochtgehalte) met behulp van het psychrometrisch diagram of rekenkundige tabellen conform EN 16798-3.
Stap 2: Bereken de massastroom van droge lucht. Als het volumetrische debiet is gegeven, wordt de massastroom bepaald via de luchtdichtheid, die afhangt van temperatuur en druk. Volgens de toestandvergelijkingen van het ideale gas kan de dichtheid van droge lucht worden berekend met inachtneming van de atmosferische druk en temperatuur.
Stap 3: Bepaal de hoeveelheid verwijderd vocht. De massa verwijderd vocht is het product van de massastroom van droge lucht en het verschil in vochtgehalte aan de inlaat en uitlaat van de ontvochtiger.
Stap 4: Bereken de adsorptiewarmte. De adsorptiewarmte wordt bepaald door de massa verwijderd vocht te vermenigvuldigen met de specifieke adsorptiewarmte. De specifieke warmte hangt af van het type adsorbens: voor silicagel bedraagt deze 2400-2600 kJ/kg vanwege de energie van intermoleculaire bindingen bij wateradsorptie; voor moleculaire zeven is deze hoger, vanwege sterkere bindingen in de kristalstructuur.
Stap 5: Bepaal de temperatuurstijging. De temperatuurstijging wordt bepaald door de adsorptiewarmte te delen door het product van de massastroom van lucht en de warmtecapaciteit van lucht.
Stap 6: Bepaal de feitelijke uitblaastemperatuur met inachtneming van alle warmtebronnen. Extra componenten afkomstig van regeneratie, mechanische warmte en verliezen via de behuizing worden ingeschat op basis van de constructieve kenmerken van de apparatuur of verstrekt door de fabrikant.
Het is belangrijk op te merken dat dit een vereenvoudigde methode is voor voorlopige schattingen. Een nauwkeurige berekening vereist gedetailleerde gegevens van de fabrikant of computermodellering, rekening houdend met de specificiteit van de concrete installatie.
Rekenmethode op basis van verandering van de enthalpie van lucht
De berekening van de warmtelast via de verandering van de enthalpie is een nauwkeurigere benadering, omdat deze automatisch rekening houdt met veranderingen in zowel de temperatuur als het vochtgehalte van de lucht. De enthalpie van vochtige lucht is de som van de enthalpie van droge lucht en de waterdamp die erin zit.
De enthalpie aan de uitlaat van de ontvochtiger omvat de enthalpie van de inlaatlucht plus de adsorptiewarmte van het verwijderde vocht. De koellast voor het koelsysteem wordt bepaald als het product van de massastroom van lucht en het verschil tussen de enthalpie na de ontvochtiger en de doel-enthalpie die nodig is voor de luchttoevoer naar de ruimte.
Ter illustratie, beschouw een numeriek voorbeeld. Stel dat we een massastroom van lucht van 1 kg/s hebben, een enthalpie na de ontvochtiger van 60 kJ/kg en een doel-enthalpie voor toevoer naar de ruimte van 40 kJ/kg. Dan bedraagt de koellast: Q(koeling) = 1 kg/s × (60 kJ/kg - 40 kJ/kg) = 20 kW.
Het is belangrijk te benadrukken dat de genoemde getallen uitsluitend illustratief zijn. In een reëel project worden de waarden bepaald op basis van de feitelijke bedrijfsomstandigheden, de parameters van de ruimte en de kenmerken van de apparatuur en kunnen niet zonder herberekening naar andere objecten worden overgezet.
Invloed van ontwerp- en bedrijfsparameters
Op de warmtelast van een desiccant-ontvochtiger heeft een aantal ontwerp- en bedrijfsparameters invloed:
1. Verhouding van de oppervlakken van de adsorptie- en regeneratiesectoren — een groter regeneratie-oppervlak verhoogt de warmteoverdracht naar de processtroom, maar verbetert tegelijkertijd het herstel van de adsorptiecapaciteit van het adsorbens. De optimale verhouding wordt voor elke specifieke installatie bepaald, rekening houdend met de eisen aan ontvochtigingsefficiëntie en energieverbruik.
2. Temperatuur van de regeneratielucht — een hogere temperatuur versnelt het desorptieproces, maar verhoogt de warmteoverdracht naar de proceslucht. Silicagel vereist lagere regeneratietemperaturen vanwege de lagere desorptie-energie, terwijl moleculaire zeven hogere temperaturen vereisen vanwege sterkere bindingen in de kristalstructuur.
3. Rotatiesnelheid van de rotor — beïnvloedt de contacttijd van de lucht met het adsorbens en de verblijftijd van het adsorbens in de regeneratiezone. Bij een te hoge snelheid regenereert het adsorbens niet volledig; bij een te lage snelheid daalt de ontvochtigingscapaciteit.
4. Mate van verzadiging van het adsorbens — een meer verzadigd adsorbens is minder effectief, maar geeft ook minder warmte af, omdat het adsorptieproces vertraagt door een afname van beschikbare actieve centra.
5. Type desiccant — verschillende adsorbentia hebben verschillende adsorptiewarmten. Zo heeft silicagel een adsorptiewarmte van circa 2400-2600 kJ/kg dankzij de energie van intermoleculaire bindingen bij wateradsorptie, terwijl moleculaire zeven hogere waarden vertonen door sterkere bindingen in hun kristalstructuur.
6. Aanwezigheid van koelsectoren — speciale koelzones kunnen de temperatuur na adsorptie verlagen, maar vergen extra energie of speciale constructieve oplossingen.
Het is belangrijk te begrijpen dat al deze parameters met elkaar samenhangen en hun invloed niet met eenvoudige coëfficiënten kan worden uitgedrukt. Voor een nauwkeurige bepaling van de warmtelast zijn gedetailleerde specificaties van de fabrikant of gespecialiseerde modellering nodig.
Integratie van de ontvochtiger in het ventilatie- en airconditioningsysteem
Bij de integratie van een desiccant-ontvochtiger in een ventilatie- en airconditioningsysteem zijn twee hoofdconfiguraties mogelijk:
Als de ontvochtiger na de koeler is geplaatst, is de lucht vóór de ontvochtiger al gedeeltelijk ontvochtigd door condensatie. Dit verlaagt de belasting van het adsorbens. Na passage door de ontvochtiger stijgt de luchttemperatuur echter, wat een extra koelstap vereist. Voordelen: lagere belasting van de ontvochtiger, wat de efficiëntie en levensduur van het adsorbens verhoogt. Nadelen: complexer systeem, behoefte aan extra koelapparatuur.
De warmtelast op de aanvullende koeler wordt bepaald als het product van de massastroom van lucht en het verschil in enthalpie tussen de lucht na de ontvochtiger en de doel-enthalpie van de toevoer.
Als de ontvochtiger vóór de koeler is geplaatst, werkt deze met warme, vochtige lucht. De volledige temperatuurstijging wordt gecompenseerd door de daaropvolgende koeler, waarvan het vermogen aanzienlijk groter moet zijn. Voordelen: eenvoudiger systeem, de volledige temperatuurstijging wordt door één koeler gecompenseerd. Nadelen: hoger koelvermogen vereist, grotere belasting van het adsorbens, wat tot snellere slijtage kan leiden.
De warmtelast op de koeler wordt bepaald als het product van de massastroom van lucht en het verschil in enthalpie tussen de lucht na de ontvochtiger en de doel-enthalpie van de toevoer, met inachtneming van alle warmte die in de ontvochtiger is vrijgekomen.
De keuze van de optimale variant hangt af van de doelparameters van de lucht, de eisen aan energie-efficiëntie, het projectbudget en de beschikbare ruimte voor het plaatsen van apparatuur. De definitieve beslissing moet worden genomen op basis van een technisch-economische vergelijking, niet op basis van een universele regel.
Typische ingenieursfouten en misvattingen
Bij het ontwerpen van systemen met desiccant-ontvochtigers maken ingenieurs vaak een aantal typische fouten:
1. Aannemen van een iso-enthalpisch proces — de onjuiste veronderstelling dat het ontvochtigingsproces plaatsvindt zonder verandering in de enthalpie van de lucht. Dit leidt tot een aanzienlijke onderschatting van de warmtelast. De mate van onderschatting is recht evenredig met de hoeveelheid verwijderd vocht: hoe meer vocht wordt verwijderd, hoe meer warmte vrijkomt. Juiste aanpak: rekening houden met de adsorptiewarmte, zoals beschreven in de sectie "Rekenmethode op basis van verandering van de enthalpie van lucht".
2. Gebruik van empirische formules voor condensatieontvochtigers — de temperatuurstijging bij condensatieontvochtigers bedraagt slechts 2-3 graden door de afvoer van latente warmte met het condensaat, terwijl bij desiccant-ontvochtigers de stijging veel groter is door de afgifte van adsorptiewarmte direct in de luchtstroom. Juiste aanpak: specifieke methoden gebruiken voor desiccant-systemen, zoals beschreven in de secties over massabalans en enthalpieberekening.
3. Negeren van de invloed van regeneratielucht — geen rekening houden met de warmteoverdracht vanuit de regeneratiesector. De extra belasting door deze bron kan 10-30% van de hoofdbelasting bedragen, afhankelijk van de regeneratietemperatuur en de rotorconstructie. Juiste aanpak: alle warmtebronnen opnemen in de berekening, zoals beschreven in de sectie "Bronnen van warmtelast".
4. Onjuiste beoordeling van parameters na de ontvochtiger — het gebruik van vereenvoudigde methoden zonder rekening te houden met de werkelijke karakteristiek van de apparatuur. Juiste aanpak: gebruik maken van gegevens van de fabrikant of gedetailleerde modellering om de luchtparameters na de ontvochtiger te bepalen.
5. Geen compensatie in de warmtebalans — het niet meenemen van de extra belasting op het koelsysteem. Afhankelijk van de hoeveelheid verwijderd vocht kan dit een aanzienlijk deel van de totale warmtelast van de ruimte vormen. Juiste aanpak: de warmtelast van de ontvochtiger integreren in de totale warmtebalans van de ruimte.
6. Gebruik van catalogusgegevens zonder de testcondities te specificeren — de parameters van ontvochtigers zijn sterk afhankelijk van de testcondities. Juiste aanpak: bij de fabrikant de feitelijke parameters voor de specifieke bedrijfsomstandigheden verifiëren of een correctiemethode gebruiken in overeenstemming met ASHRAE 190 en ISO 16890.
Toepassingsgrenzen van de methode en bijzondere gevallen
De besproken methoden voor de berekening van de warmtelast kennen bepaalde beperkingen die bij het ontwerp belangrijk zijn om te overwegen:
1. Temperatuurgrenzen — bij lage temperaturen (onder 5-10°C, afhankelijk van het type adsorbens) vertraagt de diffusie van watermoleculen, wat de adsorptie-efficiëntie vermindert. Bij hoge temperaturen (boven 40-50°C voor silicagel) neemt de adsorptiecapaciteit af door thermodynamische wetmatigheden, aangezien het evenwicht naar desorptie verschuift. Deze drempeltemperaturen zijn afhankelijk van het type adsorbens en zijn geen absolute grenzen — de adsorptiecapaciteit verandert geleidelijk.
2. Grenswaarden voor vochtigheid — bij extreem lage vochtigheid daalt de ontvochtigingsefficiëntie door de kleine drijvende kracht van het proces (klein concentratieverschil). Bij zeer hoge vochtigheid kan capillaire condensatie in de poriën van het adsorbens optreden, wat het mechanisme van warmteoverdracht verandert.
3. Systemen met gedeeltelijke regeneratie — als de regeneratie van het adsorbens onvolledig is, hoopt restvocht zich op, wat de energiehuishouding van het systeem verandert. De standaardmethode houdt geen rekening met de verandering in adsorptiecapaciteit van gedeeltelijk geregenereerd adsorbens.
4. Systemen met geïntegreerde koeling — sommige desiccant-systemen bevatten ingebouwde warmtewisselaars voor koeling. In dergelijke gevallen worden interne warmtefluxen niet door de standaardmethode meegenomen en is speciale analyse nodig.
5. Vloeibare desiccant-systemen — de methode is niet toepasbaar op vloeibare desiccant-systemen, waar de fysica van het proces fundamenteel anders is. In vloeibare systemen vindt warmteoverdracht plaats door contact van lucht met het vloeibare desiccant, dat andere thermodynamische eigenschappen heeft.
In al deze gevallen is gespecialiseerde analyse, computermodellering of overleg met de fabrikanten van de apparatuur nodig om de warmtelast nauwkeurig te bepalen.
FAQ (Veelgestelde vragen)
Met hoeveel graden stijgt de temperatuur na de ontvochtiger?
De temperatuurstijging hangt rechtstreeks af van de hoeveelheid verwijderd vocht, het type adsorbens en het regeneratieregime. Richtwaarde: voor elke gram verwijderd vocht per kilogram lucht stijgt de temperatuur met 3-4°C bij adsorptiemiddelen op basis van silicagel. Dit kan echter sterk variëren afhankelijk van de concrete bedrijfsomstandigheden en de constructieve bijzonderheden van de ontvochtiger. Voor een nauwkeurige bepaling is een energiebalans nodig waarin alle warmtefluxen zijn meegenomen.
Kun je simpelweg het vermogen van de airconditioner vergroten?
Ja, het vergroten van het vermogen van de airconditioner is een noodzakelijke maatregel om de extra warmtelast te compenseren. Dit leidt echter tot zowel hogere kapitaalkosten (duurdere apparatuur) als hogere operationele kosten (meer energieverbruik). Alternatieve benaderingen kunnen zijn: het gebruik van koelers met warmteterugwinning, voorkoeling van lucht vóór de ontvochtiger, toepassing van speciale constructies met spoelsectoren en andere technische oplossingen die in de context van het specifieke project moeten worden bekeken.
Hoe minimaliseer je de warmtelast?
Er zijn verschillende benaderingen: 1) Gebruik van voorkoelingstechnologie, die het vochtgehalte van de lucht verlaagt vóór binnenkomst in de ontvochtiger; 2) Toepassing van rotoren met spoelsectoren, die de warmteoverdracht vanuit de regeneratiezone verminderen; 3) Optimalisatie van de regeneratietemperatuur — minimaal vereist voor effectieve desorptie; 4) Gebruik van warmtewisselaars om de lucht na de ontvochtiger te koelen; 5) Keuze van een adsorbens met optimale eigenschappen voor de specifieke omstandigheden. De effectiviteit van elke methode hangt af van de specifieke systeemparameters en de eisen aan het binnenklimaat.
Verschilt de berekening voor silicagel en moleculaire zeven?
Ja, de berekeningen verschillen door de verschillende fysische eigenschappen van de adsorbentia. Silicagel heeft een adsorptiewarmte van 2400-2600 kJ/kg dankzij de energie van intermoleculaire bindingen bij wateradsorptie. Moleculaire zeven worden gekenmerkt door hogere waarden van adsorptiewarmte door sterkere bindingen in hun kristalstructuur. Bovendien hebben verschillende adsorbentia verschillende adsorptie-isothermen, wat de efficiëntie van vochtverwijdering onder verschillende omstandigheden beïnvloedt.
Wat is beter: de ontvochtiger vóór of na de koeler?
Er bestaat geen universeel optimale plaatsing. De keuze hangt af van de specifieke systeemeisen, binnenklimaatparameters, het type ruimte en energetische criteria. Beide varianten hebben hun voor- en nadelen, zoals beschreven in de sectie "Integratie van de ontvochtiger in het ventilatie- en airconditioningsysteem". De optimale oplossing wordt bepaald op basis van een technisch-economische analyse voor het specifieke project.
Is een aparte berekening voor elke modus nodig?
Ja, de warmtelast varieert aanzienlijk afhankelijk van de bedrijfsmodus van de ontvochtiger. Voor verantwoord ontwerp moeten berekeningen worden uitgevoerd voor alle karakteristieke bedrijfsmodi: maximale belasting, typische bedrijfsomstandigheden, minimale belasting. Bijzondere aandacht moet worden besteed aan modi die overeenkomen met de meest ongunstige omstandigheden met betrekking tot warmtelast.
Wat is de nauwkeurigheid van de berekening?
De vereenvoudigde methoden die in dit artikel zijn beschreven, geven een foutmarge van ongeveer 10-20%, afhankelijk van de volledigheid van de invoergegevens en de specificiteit van de apparatuur. Voor de definitieve engineering wordt aanbevolen gedetailleerde gegevens van de fabrikant of gespecialiseerde modellering te gebruiken. Voor kritische projecten is het ook raadzaam een vermogensreserve voor koelapparatuur van 15-20% te voorzien om mogelijke rekenfouten te compenseren en rekening te houden met degradatie van de apparatuurkenmerken tijdens de exploitatie.
Conclusies
1. Desiccant-ontvochtigers verhogen altijd de luchttemperatuur door de afgifte van adsorptiewarmte. Dit is een fundamentele fysische eigenschap van het proces, die niet kan worden geëlimineerd en bij het ontwerp moet worden meegenomen.
2. De warmtelast van desiccant-ontvochtigers kan een aanzienlijk deel van de totale warmtebalans van de ruimte vormen. Het negeren van deze factor is een kritieke fout die leidt tot een onvoldoende koelcapaciteit van het systeem.
3. De berekening van de warmtelast kan op twee hoofdmethoden worden uitgevoerd: via de massabalans van vocht (voor voorlopige schattingen) en via de verandering van de enthalpie van lucht (voor gedetailleerd ontwerp). Beide methoden moeten alle warmtebronnen in aanmerking nemen, waaronder adsorptiewarmte, warmteoverdracht vanuit de regeneratiezone, mechanische warmte en verliezen via de behuizing.
4. De keuze van de systeemconfiguratie (positie van de ontvochtiger ten opzichte van de koeler) beïnvloedt de verdeling van warmtelasten tussen componenten. De optimale oplossing wordt bepaald op basis van een analyse van het specifieke project, rekening houdend met technische en economische factoren.
5. Er bestaan verschillende methoden om de warmtelast te minimaliseren, elk met eigen voordelen, beperkingen en kosten. De keuze van specifieke maatregelen moet zijn gebaseerd op een technisch-economische onderbouwing.
6. De nauwkeurigheid van de berekening van de warmtelast hangt sterk af van de kwaliteit van de invoergegevens. Voor kritische projecten moeten gedetailleerde apparaatkenmerken worden gebruikt, verkregen door tests of modellering, en moeten vermogensreserves worden voorzien.
7. De rekenmethode kent beperkingen bij extreme temperaturen, grensvochtigheden en voor speciale types systemen. In dergelijke gevallen is gespecialiseerde analyse noodzakelijk.
Een juiste verwerking van de warmtelast van desiccant-ontvochtigers is een noodzakelijke voorwaarde voor kwalitatief ontwerp van binnenklimaatsystemen. De ingenieur moet de rekenmethoden beheersen, de fysica van de processen begrijpen, verifieerbare gegevens gebruiken en de verkregen resultaten kritisch beoordelen, zodat het systeem aan alle operationele eisen voldoet.
