Ruote essiccanti Honeycombe®: costruzione, principio di funzionamento e vantaggi ingegneristici

Autore: reparto tecnico Mycond

Tra le varie configurazioni dei deumidificatori ad adsorbimento (torri a letto sfuso con gel di silice granulare, vassoi rotanti orizzontali, strati verticali multistadio con azionamento a cricchetto) è proprio la ruota rotante con struttura semiceramica corrugata ad essere diventata la soluzione dominante nella tecnologia moderna di essiccazione dell’aria. Il rotore essiccante di tipo Honeycombe® combina i vantaggi di tutti i tipi precedenti: la continuità del processo come nei sistemi a vassoio, il raggiungimento di bassi punti di rugiada come nelle torri a letto sfuso e l’efficienza energetica grazie alla ridotta massa di materiale adsorbente.

Questa configurazione nell’industria è spesso chiamata DEW (Desiccant Wheel) ed è la forma più avanzata di deumidificatore ad adsorbimento per applicazioni a pressione atmosferica. Consente di realizzare un processo ad alta efficienza di rimozione dell’umidità dall’aria, critico per molti processi tecnologici in vari settori industriali.

Costruzione della ruota Honeycombe®

La ruota ad adsorbimento Honeycombe® presenta una struttura semiceramica unica basata su una matrice in fibra di vetro, che visivamente ricorda un cartone ondulato arrotolato a formare una ruota. Questa costruzione crea migliaia di canali paralleli (flutes), che funzionano come passaggi d’aria individuali con un adsorbente finemente disperso depositato sulle loro pareti.

Una costruzione tipica contiene oltre l’82% di gel di silice, e la superficie interna dell’adsorbente è di 21 000–22 700 m² per oncia (228 864–244 121 sqft/ounce). Questo valore elevato assicura una pressione parziale del vapore acqueo estremamente bassa vicino alla superficie dell’essiccante, che diventa la forza motrice del processo di adsorbimento.

Il principio fisico di funzionamento si basa sul fatto che il vapore acqueo diffonde dalle aree a pressione parziale più alta (aria umida) verso quelle a pressione più bassa (superficie dell’adsorbente) secondo le leggi fondamentali della termodinamica. Un vantaggio chiave della costruzione è che, grazie ai canali diritti, il flusso d’aria resta laminare e non turbolento, come avviene nei letti sfusi. Di conseguenza, la resistenza aerodinamica cresce solo proporzionalmente alla profondità della ruota e non con il quadrato della velocità del flusso.

Ciclo di adsorbimento-desorbimento

La ruota essiccante rotante è suddivisa in due zone funzionali: zona di deumidificazione (270°, tre quarti dell’area) e zona di rigenerazione (90°, un quarto), isolate tra loro da apposite guarnizioni. La ruota ruota con una velocità tipica di 5–30 giri/ora per l’adsorbimento attivo, molto più lentamente rispetto alle ruote entalpiche passive (20–60 giri/min).

Il ciclo operativo del deumidificatore ad adsorbimento si compone di tre fasi principali:

• Fase 1 (punto 1→2): L’essiccante secco e freddo, con bassa pressione superficiale di vapore, assorbe umidità dall’aria di processo, saturandosi gradualmente e riscaldandosi per il calore di sorzione.
• Fase 2 (punto 2→3): L’essiccante saturo passa nella zona di rigenerazione, dove viene riscaldato da aria calda (tipicamente fino a 120°C / 248°F da un riscaldatore PTC). In tal modo la pressione di vapore superficiale aumenta bruscamente e l’umidità viene rilasciata nel flusso di rigenerazione.
• Fase 3 (punto 3→1): L’essiccante caldo e secco ritorna nella zona di deumidificazione, dove viene raffreddato da una parte dell’aria di processo, ripristinando la bassa pressione superficiale per un nuovo ciclo di adsorbimento.

Il flusso d’aria di rigenerazione è solitamente circa 1/3 del flusso di processo (rapporto dei flussi 3:1) e si muove in controcorrente per la massima efficienza. Un effetto termodinamico importante è il rilascio del calore di sorzione (2510–3050 kJ/kg o 1080–1312 BTU per libbra di umidità rimossa), che riscalda l’aria di processo. Ad esempio, aria a 21°C e 50% UR dopo un’essiccazione profonda fino al punto di rugiada di 7°C può riscaldarsi fino a 49°C, richiedendo spesso ulteriore raffreddamento.

Tipi di essiccanti e loro caratteristiche di sorbimento

L’efficienza del deumidificatore ad adsorbimento dipende in larga misura dal tipo di essiccante impiegato. Consideriamo le caratteristiche di sorbimento dei principali essiccanti a 25°C (77°F):

Il significato pratico di questi dati può essere illustrato con un esempio: per rimuovere 22,7 kg (50 libbre) di vapore acqueo dall’aria al 20% UR occorrono teoricamente: 907 kg (2000 libbre) di gel di silice Tipo 5, oppure 151 kg (333 libbre) di gel di silice Tipo 1, oppure 113 kg (250 libbre) di setacci molecolari, oppure 65 kg (143 libbre) di cloruro di litio. Nella pratica le quantità reali sono significativamente maggiori a causa della dinamica del processo.

La strategia ottimale prevede la combinazione di diversi tipi di essiccanti. Il gel di silice Tipo 1 fornisce capacità nelle fasce di umidità più basse, mentre il Tipo 5 adsorbe efficacemente grandi quantità d’acqua a umidità superiori al 90% UR. Tale combinazione consente di raggiungere contemporaneamente obiettivi apparentemente in conflitto: punto di rugiada basso e alta produttività.

I setacci molecolari per punti di rugiada bassi sono particolarmente efficaci nell’essiccazione fino a livelli di umidità estremamente bassi (sotto il 10% UR o −40°C di punto di rugiada), dove mostrano la capacità più elevata tra tutti gli adsorbenti disponibili.

Vantaggi della costruzione Honeycombe®

La struttura semiceramica ondulata del rotore Honeycombe® presenta una serie di vantaggi sistematici rispetto a configurazioni alternative:

1. Efficienza energetica: La piccola massa in rotazione a fronte di un’elevata capacità di rimozione dell’umidità assicura consumi minimi di energia, poiché l’energia di riscaldamento e raffreddamento è direttamente proporzionale alla massa dell’essiccante.
2. Bassa resistenza aerodinamica: Il flusso laminare nella ruota attraverso canali diritti garantisce una resistenza significativamente inferiore rispetto al flusso turbolento nei letti sfusi, dove la resistenza cresce con il quadrato della velocità.
3. Essiccazione profonda: Possibilità di raggiungere punti di rugiada fino a −68°C (−90°F) utilizzando essiccanti appropriati.
4. Affidabilità: La semplicità costruttiva con un numero minimo di parti mobili (solo ruota e azionamento) riduce i costi di manutenzione.
5. Flessibilità d’impiego: Possibilità di caricare diversi tipi di essiccanti in base ai requisiti specifici.
6. Stabilità di funzionamento: Assenza dell’effetto a «dente di sega» nelle variazioni di umidità in uscita, tipico delle torri a letto sfuso con rigenerazione periodica.

L’unico svantaggio significativo è il costo di produzione della ruota più elevato rispetto a semplici granuli di essiccante secco. Tuttavia, tale differenza è compensata dai vantaggi operativi durante una vita utile tipica di 15–30 anni.

Fattori che influenzano le prestazioni della ruota

L’efficienza operativa della ruota essiccante dipende da diversi fattori chiave, ciascuno dei quali richiede un’analisi ingegneristica dei compromessi:

• Profondità della ruota: L’aumento della profondità incrementa l’area di contatto dell’essiccante con l’aria e la quantità di umidità rimossa, ma la resistenza aerodinamica cresce proporzionalmente, aumentando i consumi del ventilatore.
• Velocità di rotazione (5–30 giri/ora): Una rotazione più rapida aumenta la quantità di essiccante che ciclicamente entra in contatto con l’aria, incrementando la produttività, ma aumenta anche il trasferimento di calore dalla zona di rigenerazione a quella di deumidificazione, il che può richiedere ulteriore raffreddamento.
• Temperatura di riattivazione 120°C: Una temperatura più alta garantisce un desorbimento dell’umidità più completo, ma aumenta il consumo energetico. Per ottimizzare il processo alcuni produttori applicano una rigenerazione a due stadi, in cui il 70-80% dell’umidità viene rimosso con calore a bassa potenzialità.
• Tenuta tra le zone: Anche piccole infiltrazioni di aria di rigenerazione umida nel flusso di processo secco peggiorano significativamente le prestazioni del sistema.
• Contaminanti dell’aria: La polvere ostruisce gradualmente i pori dell’adsorbente, i vapori organici possono polimerizzare ad alte temperature e i gas corrosivi possono degradare chimicamente alcuni essiccanti.

Ambiti di applicazione

I deumidificatori ad adsorbimento con ruote Honeycombe® trovano ampia applicazione in vari settori:

• Industria farmaceutica: Camere bianche per compressione e confezionamento con controllo dell’umidità fino al 10% UR e precisione ±2% UR, tipico punto di rugiada dell’aria −11°C (13°F) a 21°C (70°F).
• Industria alimentare: Confezionamento di prodotti igroscopici, essiccazione a spruzzo, dove il riscaldamento dell’aria durante l’essiccazione è utile al processo.
• Produzione di semiconduttori: Controllo dell’umidità per fotorisistivi igroscopici, dove anche un assorbimento microscopico di umidità può portare a difetti dei chip.
• Conservazione archivistica: Musei, biblioteche, depositi documentali con controllo al 35% UR per prevenire corrosione e sviluppo di muffe.
• Protezione delle apparecchiature: Conservazione di elettronica e strumenti di precisione al 30-35% UR per ridurre la corrosione.
• Magazzini frigoriferi: Prevenzione del ghiacciamento degli evaporatori e aumento dell’efficienza dei sistemi frigoriferi.
• Processi industriali: Laminazione del vetro di sicurezza, produzione di compositi, fusione a cera persa.

FAQ sugli aspetti ingegneristici dei deumidificatori ad adsorbimento

1. Qual è la differenza tra adsorbimento passivo e attivo?

L’adsorbimento passivo utilizza solo la differenza di umidità tra i flussi senza riscaldamento aggiuntivo (ruote entalpiche 20-60 giri/min). L’adsorbimento attivo utilizza il riscaldamento dell’aria di rigenerazione per un’essiccazione profonda (5-30 giri/ora). Solo la tecnologia attiva è in grado di deumidificare l’aria al di sotto del livello di umidità dell’ambiente.

2. Perché la ruota ad adsorbimento è più efficiente di un letto sfuso?

Il flusso laminare attraverso canali diritti, la massa ridotta a fronte di un’elevata superficie attiva, la continuità del processo senza oscillazioni dell’umidità in uscita e la possibilità di combinare diversi tipi di essiccanti rendono la ruota Honeycombe® una soluzione nettamente più efficiente.

3. Quale punto di rugiada si può raggiungere?

Con il gel di silice si può raggiungere un punto di rugiada fino a −68°C (−90°F), con i setacci molecolari anche più basso. Per la maggior parte delle applicazioni industriali è sufficiente un punto di rugiada di −40°C.

4. Qual è la vita utile della ruota ad adsorbimento?

La vita utile tipica è di 15–30 anni con un’adeguata filtrazione dell’aria. Il degrado graduale avviene per ostruzione dei pori dovuta a polveri e composti organici.

Conclusioni

La tecnologia Honeycombe® è diventata lo standard industriale dell’essiccazione ad adsorbimento grazie al bilanciamento ottimale tra prestazioni, efficienza energetica e affidabilità. Per gli ingegneri progettisti di sistemi di deumidificazione si possono formulare le seguenti raccomandazioni pratiche:

1. Scegliere il tipo di essiccante in funzione del punto di rugiada target: gel di silice per applicazioni tipiche, setacci molecolari per essiccazioni ultra profonde.
2. Sfruttare al massimo il calore recuperato per la rigenerazione dell’essiccante come principale leva di riduzione dei costi operativi.
3. Garantire un’adeguata filtrazione dell’aria in ingresso per proteggere la ruota e prolungarne la vita utile.

Le ruote essiccanti Honeycombe® sono ottimali quando servono punti di rugiada inferiori a 7–10°C, elevato carico latente, basse temperature operative o disponibilità di calore economico per la rigenerazione. La loro costruzione è il risultato di anni di ottimizzazione ingegneristica e garantisce le migliori prestazioni tra tutti i tipi di deumidificatori ad essiccante.