Roues dessiccantes Honeycombe® : conception, principe de fonctionnement et avantages d’ingénierie

Auteur : service technique Mycond

Introduction

Parmi les différentes configurations des déshumidificateurs à dessiccant, la roue rotative à structure semi-céramique ondulée de type Honeycombe® s’est imposée comme la technologie dominante dans l’industrie de la déshumidification par adsorption. Cette conception, parfois appelée DEW (Desiccant Wheel), a réuni les avantages de tous les types d’appareils précédents : la continuité du processus comme dans les systèmes à plateaux, l’obtention de points de rosée bas comme dans les tours remplies de gel de silice granulé, et une haute efficacité énergétique grâce à la faible masse d’adsorbant.

Le rotor dessiccant Honeycombe® a supplanté avec succès des configurations telles que les tours remplies de gel de silice granulé, les plateaux rotatifs horizontaux et les lits verticaux à étages multiples avec entraînement à cliquet, grâce à un équilibre optimal entre performance de déshumidification, consommation d’énergie et fiabilité opérationnelle.

Conception de la roue Honeycombe®

La structure semi-céramique ondulée du rotor est une matrice en fibre de verre qui rappelle visuellement du carton ondulé enroulé en forme de roue. Les cannelures (flutes) formées par les ondulations fonctionnent comme des canaux d’air individuels revêtus d’un adsorbant finement dispersé. Dans une conception typique, plus de 82 % de gel de silice sont utilisés dans les déshumidificateurs comme matériau adsorbant principal.

La caractéristique clé de cette structure est l’énorme surface interne du gel de silice, qui atteint 21 000–22 700 m² par once (228 864–244 121 sqft/ounce). C’est cette immense surface qui assure une pression partielle de vapeur d’eau extrêmement faible à proximité de la surface de l’adsorbant, permettant d’atteindre un assèchement profond.

Le principe physique repose sur la diffusion de la vapeur d’eau des zones de pression partielle plus élevée (air humide) vers les zones de pression plus faible (surface de l’adsorbant) conformément aux lois de la thermodynamique. Une particularité de la conception est que, grâce aux canaux droits, l’écoulement d’air dans la roue est laminaire, contrairement à l’écoulement turbulent dans les lits en vrac. Cela offre un avantage majeur : la résistance aérodynamique n’augmente que proportionnellement à la profondeur de la roue, et non comme le carré de la vitesse, caractéristique des lits en vrac de gel de silice granulé.

Cycle adsorption–désorption avec paramètres chiffrés

La roue adsorbante est divisée en deux parties fonctionnelles : zone de déshumidification (270°, trois quarts de la surface) et zone de régénération (90°, un quart), hermétiquement isolées l’une de l’autre. La vitesse de rotation typique du rotor dessiccant est de 5 à 30 tr/h pour l’adsorption active, ce qui diffère sensiblement de la vitesse des roues enthalpiques passives (20 à 60 tr/min).

Le cycle de fonctionnement d’un déshumidificateur à adsorption se compose de trois phases principales :

• Phase 1 (point 1→2) — le dessiccant froid et sec, à faible pression de vapeur en surface, adsorbe l’humidité de l’air de procédé, se saturant progressivement et se réchauffant par la chaleur de sorption ;
• Phase 2 (point 2→3) — le dessiccant saturé passe dans la zone de régénération, où il est chauffé par de l’air chaud (typiquement jusqu’à 120°C / 248°F par le chauffage PTC de régénération), ce qui entraîne une forte hausse de la pression de vapeur en surface et la libération de l’humidité dans le flux de régénération ;
• Phase 3 (point 3→1) — le dessiccant chaud et sec retourne dans la zone de déshumidification, où il est refroidi par une partie de l’air de procédé, rétablissant une faible pression de vapeur pour un nouveau cycle d’adsorption.

Il est important de noter que le flux d’air de régénération représente environ 1/3 du flux de procédé (rapport des débits 3:1) et s’écoule à contre-courant. Lors de l’extraction de l’humidité, une chaleur de sorption de 2500–3050 kJ par kg d’eau évacuée (1080–1312 BTU par livre) est dégagée, incluant la chaleur de condensation plus la chaleur chimique de liaison. Cela entraîne un réchauffement de l’air de procédé proportionnel à la quantité d’humidité retirée.

Par exemple, un air à 21°C et 50 % HR, après assèchement profond jusqu’à un point de rosée de 7°C, peut se réchauffer jusqu’à 49°C ; de nombreuses applications nécessitent donc un refroidissement supplémentaire.

Types de dessiccants et leurs caractéristiques d’adsorption

La capacité d’adsorption du dessiccant est un paramètre clé déterminant l’efficacité de déshumidification. À 25°C (77°F) et 20 % HR, différents types de dessiccants présentent des caractéristiques sensiblement différentes :

• Gel de silice type 5 — 2,5 % (retient l’eau en pourcentage de sa propre masse)
• Gel de silice type 1 — 15 %
• Tamis moléculaires — 20 %
• Chlorure de lithium — 35 %

En pratique, pour retirer 22,7 kg (50 livres) de vapeur d’eau de l’air à 20 % HR, il faudrait théoriquement : 907 kg (2000 livres) de gel de silice type 5, ou 151 kg (333 livres) de gel de silice type 1, ou 113 kg (250 livres) de tamis moléculaires, ou 65 kg (143 livres) de chlorure de lithium. Cependant, les quantités réelles sont nettement plus élevées en raison de la dynamique du processus.

Les fabricants de roues adsorbantes appliquent souvent une stratégie de combinaison de différents types de dessiccants. Ainsi, le gel de silice de type 1 offre une grande capacité dans les bas niveaux d’humidité, tandis que le type 5 adsorbe efficacement de grandes quantités d’eau à des humidités supérieures à 90 % HR. Cette combinaison permet d’atteindre deux objectifs a priori antagonistes : un point de rosée bas et une productivité élevée simultanément.

Les tamis moléculaires pour des points de rosée bas sont particulièrement efficaces pour un assèchement jusqu’à des niveaux d’humidité extrêmement faibles (au-dessous de 10 % HR ou −40°C de point de rosée), où ils présentent la plus grande capacité parmi tous les adsorbants, permettant d’atteindre des points de rosée jusqu’à −68°C.

Avantages systématisés de la conception Honeycombe®

Comparée aux configurations alternatives de déshumidificateurs à dessiccant, la technologie Honeycombe® offre un ensemble d’avantages d’ingénierie significatifs :

1. Faible masse en rotation pour une grande capacité d’élimination de l’humidité. Puisque l’énergie de chauffage et de refroidissement est directement proportionnelle à la masse du dessiccant, la conception légère assure une haute efficacité énergétique.
2. Faible résistance aérodynamique grâce à l’écoulement laminaire à travers des canaux droits, par opposition à l’écoulement turbulent dans les lits en vrac, où la résistance croît comme le carré de la vitesse.
3. Possibilité d’atteindre des points de rosée extrêmement bas — jusqu’à −68°C (−90°F) avec des dessiccants adaptés.
4. Simplicité de conception avec un minimum de pièces mobiles (seulement la roue et l’entraînement), ce qui réduit les coûts de maintenance.
5. Flexibilité pour charger des dessiccants solides comme liquides selon les applications.
6. Absence de l’effet « en dents de scie » des variations d’humidité en sortie, caractéristique des tours en vrac à régénération périodique.

Le seul inconvénient potentiel est un coût de fabrication plus élevé de la roue par rapport aux granulés de dessiccant sec, mais cet écart est compensé par les avantages d’exploitation sur une durée de vie typique de 15 à 30 ans.

Facteurs influençant la performance de la roue

L’efficacité du rotor dessiccant est déterminée par plusieurs facteurs clés qui exigent une analyse des compromis :

• Profondeur de la roue : l’augmentation de la profondeur accroît la surface de contact du dessiccant avec l’air et la quantité d’humidité éliminée, mais la résistance aérodynamique augmente proportionnellement, ce qui accroît la consommation d’énergie du ventilateur.
• Vitesse de rotation 5–30 tr/h : une rotation plus rapide augmente la quantité de dessiccant qui entre cycliquement en contact avec l’air, améliorant la productivité, mais accroît également le transfert de chaleur lors de la régénération de la zone de régénération vers la zone de déshumidification.
• Température de réactivation 120°C : une température plus élevée assure une désorption plus complète de l’humidité, mais une énergie importante est requise pour retirer les dernières fractions d’eau fortement liée. Certains fabricants appliquent une régénération du dessiccant en deux étapes — 70–80 % de l’humidité est retirée par de la chaleur à faible potentiel, et l’assèchement final par une température élevée.
• Étanchéité entre les zones : des fuites d’air de régénération humide vers le flux de procédé sec détériorent fortement la performance. Par exemple, une fuite de 0,57 m³/min (20 cfm) d’air à 120 grains/lb vers un flux de 14,2 m³/min (500 cfm) à 1 grain/lb élèvera l’humidité en sortie à 5,5 grains/lb.
• Influence des contaminants : la poussière obstrue progressivement les pores de l’adsorbant ; les vapeurs organiques peuvent polymériser à haute température ; le trioxyde de soufre peut, en quelques années, transformer le chlorure de lithium en sulfate de lithium.

Recommandation pratique pour assurer la longévité du rotor — toujours filtrer l’air à l’entrée du déshumidificateur et envisager une filtration en sortie si les particules sont indésirables.

Domaines d’application

Les déshumidificateurs par adsorption utilisant la technologie Honeycombe® sont employés dans divers secteurs où le contrôle du point de rosée de l’air est critique :

• Industrie pharmaceutique : salles propres pour le pressage et le conditionnement de comprimés avec contrôle d’humidité jusqu’à 10 % HR et précision ±2 % HR, point de rosée typique −11°C (13°F) à une température de 21°C (70°F).
• Industrie agroalimentaire : conditionnement de produits hygroscopiques (bonbons au sirop de maïs, café soluble, boissons instantanées), séchage par atomisation.
• Fabrication de semi-conducteurs : contrôle de l’humidité pour des résines photosensibles hygroscopiques, où une absorption microscopique d’eau entraîne des défauts de puces.
• Archivage : musées, bibliothèques, dépôts d’archives avec contrôle à 35 % HR pour prévenir la corrosion et la moisissure.
• Entrepôts frigorifiques et supermarchés : prévention du givre sur les vitrines et amélioration de l’efficacité des systèmes frigorifiques.
• Procédés industriels : lamination du verre de sécurité, production de composites, moulage à la cire perdue.

FAQ

1. Quelle est la différence entre adsorption passive et active ?

L’adsorption passive utilise uniquement la différence d’humidité entre les flux sans apport de chaleur (roues enthalpiques avec rotation de 20–60 tr/min). L’adsorption active applique un chauffage de l’air de régénération pour un assèchement profond (vitesse de rotation de la roue 5–30 tr/h). Seul un système actif peut assécher l’air en dessous du niveau d’humidité du local.

2. Pourquoi Honeycombe® est-elle plus efficace que les lits en vrac ?

Grâce à l’écoulement laminaire à travers des canaux droits, à la faible masse pour une grande surface, au fonctionnement continu sans variations en « dents de scie » de l’humidité et à la possibilité de combiner différents types de dessiccants.

3. Quel point de rosée peut-on atteindre ?

Avec le gel de silice dans les déshumidificateurs, on peut atteindre des points de rosée jusqu’à −68°C (−90°F), et encore plus bas avec des tamis moléculaires. Pour la plupart des applications industrielles, −40°C suffit.

4. Quelle est la durée de vie d’une roue adsorbante ?

Typiquement 15–30 ans avec une filtration d’air adéquate. Une dégradation progressive est observée en raison de l’encrassement des pores par la poussière et les substances organiques.

Conclusions

La technologie Honeycombe® s’est imposée comme le standard de la déshumidification par adsorption grâce à un équilibre optimal entre performance, efficacité énergétique et fiabilité. Pour les ingénieurs-concepteurs, trois recommandations clés peuvent être formulées :

1. Choisir le type de dessiccant en fonction du point de rosée cible — gel de silice pour les applications typiques, tamis moléculaires pour un assèchement ultra-profond.
2. Exploiter au maximum la chaleur récupérée pour la régénération, principal levier de réduction des coûts d’exploitation.
3. Assurer une filtration adéquate de l’air entrant pour protéger la roue et accroître sa longévité.

Les roues dessiccantes sont le choix optimal lorsque des points de rosée inférieurs à 7–10°C sont requis, en présence de charges latentes élevées, de basses températures d’exploitation ou d’une chaleur de régénération bon marché disponible.