Системи зволоження повітря і їх розрахунок

Згідно з нормативами в приміщеннях з постійним перебуванням людей слід підтримувати не тільки певну температуру, але і вологість. Знижена вологість сприяє накопиченню статичної електрики на металевих предметах. Підвищена також неприємна і веде до відчуття духоти і випаданню конденсату на поверхнях.

Методи зволоження

Рис. 1. Методи зволоження: 1-2 – ізотермічне зволоження, 1-3 – адиабатное (изоэнтальпийное) зволоження

Вологість підтримується спеціальними пристроями — зволожувачами. Вони діляться на два принципово різних типи, що відрізняються методом зволоження, — воно може бути адиабатное (изоэнтальпийное) або ізотермічне (рис. 1, лінії 1-3 1-2 відповідно).

Адиабатное (изоэнтальпийное) зволоження

Адиабатное зволоження являє собою процес самого звичайного випаровування води в навколишнє середовище. Саме так з часом випаровується вода в склянці, зникають калюжі на дорогах...

Рушійною силою процесу випаровування є різниця парціальних тисків водяної пари над поверхнею води (де воно велике і практично дорівнює тиску насиченої пари) і у навколишньому повітрі (де воно нижче, причому тим нижче, чим сухіше повітря).

Ефективність адиабатного зволоження залежить від площі вологій поверхні та швидкості обдуває її повітря. Тому елементи, з яких відбувається випаровування в які використовують цей метод зволожувачах, являють собою або матерчаті або паперові касети, або пластикові диски, по яких стікає вода. Ці елементи вбудовують в воздуховод або обдувають окремим вентилятором.

З фізичної точки зору відбувається наступне: потік повітря поглинає вологу, перетворюючи її у водяну пару. Процес перетворення води в пару вимагає величезної кількості енергії. Цю енергію повітря віддає воді, внаслідок чого охолоджується. Загальна енергія системи (ентальпія) практично незмінна, тому процес називається изоэнтальпийным (адиабатным).

На Id-діаграмі даний процес зображується прямою лінією вздовж изоэнтальпы вправо вниз (рис. 1).

Адиабатный метод зволоження застосовується у випарних, що розщеплюють і ультразвукових зволожувачах.

Ізотермічне зволоження

Ізотермічне зволоження — це процес змішування водяної пари з потоком повітря.

Завданням зволожувача є підготовка пари з води, але на цей раз енергія, необхідна для перетворення рідини в газ, береться не з повітря, а з електромережі. В результаті температура повітря при зволоженні практично не змінюється (тому метод і називається ізотермічним), а рахунок на електроенергію викликає легке здивування, адже установка продуктивністю всього 1 л/год споживає 700 Вт, а зволоження квартири взимку вимагає близько 3 кВт.

На Id-діаграмі лінія процесу спрямована вздовж ізотерми вправо (рис. 1).

Ізотермічний метод зволоження застосовується в нагрівальних, інфрачервоних і електродних зволожувачах.

З точки зору термінології зазначимо, що ізотермічні зволожувачі часто називають пароувлажнителями, так як вони в ході своєї роботи генерують пар. У свою чергу, адіабатні зволожувачі називати пароувлажнителями не можна.

Типи зволожувачів

Розглянемо докладніше кожен із згаданих типів зволожувачів:

Ізотермічні зволожувачі

Рис. 2. Електродний зволожувач HygroMatik

Нагрівальні зволожувачі

В нагрівальних зволожувачах вода нагрівається і скипає в спеціальному бачку, а з'являється при цьому пара подається по шлангу в повітропровід, де рівномірно розподіляється допомогою трубки з дрібними отворами по всій довжині (парораспределителя).

Генерується пар при цьому повинен бути перегрітий, щоб не конденсуватися на стінках шланга по дорозі до повітропроводу.

Інфрачервоні зволожувачі

Інфрачервоні зволожувачі схожі з нагрівальними і відрізняються лише способом нагріву води. У даному випадку застосовуються лампи, гріють воду за допомогою інфрачервоного теплового випромінювання.

Електродні зволожувачі

Зволожувачі електродного типу (рис. 2) для отримання пари використовують явище дисоціації води — її розкладання під дією електричного струму. У бак з водою опускають два електроди — анод і катод і подають на них напругу. Струм, проходячи через воду, нагріває її і перетворює в пар.

Електродні пароувлажнители більш ефективні, ніж нагрівальні та інфрачервоні. Крім того, вони набагато безпечніше: у разі відсутності води електричний ланцюг розривається і зволожувач автоматично відключається.

Адіабатні зволожувачі

Випарні зволожувачі

У випарних зволожувачах вода подається на спеціальну поверхню (як правило, паперову або пластикову), обдуваемую повітрям. При обдуванні волога поступово випаровується, тим самим зволожуючи повітря.

Розщеплюють зволожувачі

Розщеплюють зволожувачі використовують стиснене повітря або водяний насос високого тиску для розщеплення води на дрібні частинки, які направляються в потік повітря і легко випаровуються.

Ультразвукові зволожувачі

Рис. 3. Ультразвуковий зволожувач повітря Boneco

Це найсучасніший тип зволожувачів (рис. 3). Тут використовується спеціальна мембрана, яка вібрує з високою частотою. Вода, що потрапляє на мембрану, миттєво розпорошується і перетворюється в хмару з мікрочастинок. Повітря, що проходить через це хмара, ефективно поглинає вологу.

Зазначимо, що для останніх двох типів зволожувачів необхідна чиста вода, щоб уникнути забруднення повітря домішками. Багато виробники, прагнучи зробити розщеплюють і ультразвукові зволожувачі максимально безпечними для людини, оснащують їх рядом функцій, які вирішують цю проблему.

Плюси, мінуси і сфери застосування

Як вже було сказано, основним відзнакою адиабатного зволоження від ізотермічного є те, що в першому випадку на випаровування води витрачається енергія повітряного потоку, внаслідок чого він охолоджується, а у другому випадку використовується електроенергія з мережі. Отже, там, де охолодження повітря невигідно, необхідно використовувати ізотермічне зволоження.

Наприклад, взимку в припливної вентиляції квартири, офісу або адміністративної будівлі повітря, що забирається з вулиці, в абсолютній величині містить мало води, а тому після нагрівання його вологість становить лише 10-15 %. Зволоження тільки що нагрітого повітря адиабатным методом охолодить його і потребує чергового нагрівання, що ускладнює систему. Тому в цьому випадку рекомендується використовувати ізотермічні зволожувачі.

У той же час влітку зовнішнє повітря з температурою 28 °C і вологістю 35 % за допомогою побутового або канального адиабатного зволожувача може бути охолоджений до цілком комфортної температури 23 °C при вологості 60 %. Тут слід зазначити, що зволоження після 60 % хоча і призводить до подальшого зниження температури повітря, але не рекомендується, так як висока вологість викликає відчуття духоти і дискомфорту.

Ще одна сфера застосування адіабатних зволожувачів — охолодження повітря, що надходить у конденсатор, для подальшого максимально можливого зниження температури конденсації в холодильному контурі.

Така необхідність виникає у спекотні дні і несе в собі відразу кілька переваг. По-перше, це дозволяє уникнути аварії холодильної установки по високому тиску. По-друге, зниження температури конденсації на 1 °с збільшує холодильну потужність на 3 %. Нарешті, якщо адиабатное охолодження повітря для конденсатора було закладено на стадії проектування установки, то це дозволить заощадити на капітальних вкладеннях: потрібно менш потужний конденсатор або драйкулер.

Дана система може використовуватися в конденсаторах чілерів, в компресорно-конденсаторних блоків, виносних конденсаторах, а також у драйкулерах та інших охолоджувачах робочого речовини (води, розчину гліколю, холодоагенту) зовнішнім повітрям.

Ізотермічне зволоження в системі припливної вентиляції

Рис. 4. Загальна схема встановлення парового зволожувача в систему припливної вентиляції

У припливних системах вентиляції для малих і середніх об'єктів використовується, як правило, ізотермічне зволоження. При цьому зволожувач може монтуватися окремо (зазвичай на стіну) або вбудовуватися в воздуховод.

У першому випадку зволожувач ніяк не пов'язаний з вентиляцією та працює повністю автономно, самостійно генеруючи необхідну кількість пари допомогою регулювання споживаної потужності, створюючи повітряний потік, в який вводиться пар, вбудованими вентиляторами.

У другому випадку зволожувач безпосередньо зав'язаний на роботу припливної системи вентиляції, і пар розпорошується в повітропровід, рух повітря в якому забезпечено припливним вентилятором. Відповідно, при відключенні вентиляції повинно бути передбачено відключення зволожувача (як правило, у зволожувачів є відповідні контакти).

Подача пари в припливний повітропровід здійснюється з допомогою лінійного парораспределителя, пар до якого подається через шланг (рис. 4). Точне місце розміщення лінійного парораспределителя з прив'язками по висоті воздуховода слід уточнювати згідно з рекомендаціями з монтажу парового зволожувача.

При відсутності припливного повітроводу для установки парораспределительной трубки передбачається вентиляторний блок, який має приєднувальні отвори для парораспределителя і вентилятор для створення повітряного потоку. Переваги даного виду встановлення парового зволожувача порівняно з настінним моноблоком полягають у можливості монтажу основного і вентиляторного блоків на відстані один від одного.

Управління парозволожувачем може здійснюватися як вбудованим, так і виносним пультом.

Секції зволоження в припливних установках

Рис. 5.Схема центрального кондиціонера: 1 – повітряна заслінка; 2 – фільтр; 3 – охолоджувач; 4 – калорифер первинного підігріву; 5 – зволожувач; 6 – калорифер вторинного підігріву; 7 – вентилятор; 8 – шумоглушник.

У потужних вентиляційних агрегатах як опціональних секцій встановлюються адіабатні зволожувачі. І тут є свої особливості.

У секцію зволоження повинен подаватися вже нагріте повітря, причому параметри цього нагріву визначаються з наступного умови: повітря після нагрівача повинен мати таку ентальпію, при якій в процесі зволоження він зможе досягти необхідного вологовмісту. Наприклад, якщо повітря буде недостатньо нагрітий, то при зволоженні він досягне стану насичення (φ = 100 %) раніше, ніж отримає необхідну кількість води.

При детальному вивченні цього питання з'ясується, що температура перед зволожувачем повинна бути помітно вище температури в приміщенні (наприклад, 40 °C і 24 °C, як у прикладі розрахунку нижче).

Далі після зволоження повітря буде мати температуру нижче необхідної, тому потрібна друга ступінь нагрівання, доводящая його до потрібних кондицій.

Таким чином, в припливних установках з секцією зволоження (іменованих також центральними кондиціонерами) присутні два нагрівача: до і після зволожувача (рис. 5).

Управління зволожувачем здійснюється з щита центрального кондиціонера. При цьому задаються лише необхідні значення температури і вологості, настройка ж нагрівальних і зволожуючою секцій відбувається в автоматичному режимі.

Приклад розрахунку ізотермічного зволожувача

Дані припливної установки:

Витрата припливного повітря: G_пр = 700 м³/год.

Параметри навколишнього середовища (стандартні розрахункові умови):

Розрахунковий тиск: Р_розр = 0,1 МПа.

Температура зовнішнього повітря: t_нар = -26 °C.

Ентальпія зовнішнього повітря: i_нар = -25,1 кДж/кг.

Вологовміст зовнішнього повітря (визначається за I-d-діаграмі): d_нар = 0,42 г/кг.

Вологість зовнішнього повітря (визначається за I-d - діаграмі): φ_нар = 91 %.

Параметри внутрішнього середовища:

Підтримувана в приміщенні температура: t_пом = 24 °C.

Вологість, підтримувана в приміщенні: φ_пом = 50 %.

Вологовміст повітря в приміщенні (визначається за I-d-діаграмі): d_пом = 9,4 г/кг.

Ентальпія повітря в приміщенні (визначається за I-d-діаграмі): i_пом = 48 кДж/кг.

Щільність повітря в приміщенні (визначається за I-d-діаграмі): ρ_пом = 1,17 кг/м³.

Термодинамічні дані:

Прихована теплота пароутворення: r_вода = 2500 кДж/кг.

Розрахунок необхідної паропродуктивності зволожувача

До увлажнителю повітря надходить після нагрівача, тому температура повітря дорівнює заданій в приміщенні (t_пом). При цьому процес нагрівання відбувається при постійному вологовмісті, отже, вологовміст нагрітого повітря одно вологовмісту зовнішнього (d_нар).

Температура повітря після нагрівача: t_нагр = t_пом. T_нагр = 24 °C.

Вологовміст повітря: d_нагр = d_нар d_нагр = 0,42 г/кг.

Ентальпія повітря (визначається за I-d-діаграмі): i_нагр = 25 кДж/кг.

Вологість повітря визначається за I-d-діаграмі): φ_нагр = 2 %.

Щільність повітря (визначається за I-d-діаграмі): ρ_нагр = 1,17 кг/м³.

Як видно, взимку вологість повітря після нагрівача становить всього 2 % — саме це і є причиною необхідності комплектування припливної установки зволожувачем. При його відсутності в приміщенні буде подаватися надзвичайно сухе повітря. До речі, за рахунок вологовиділень в приміщенні (використання води в квартирі, вологовиділення людей і тварин через піт і дихання) вологість повітря, безумовно, зростає. Як правило, вона складає близько 20 % і тим нижче, чим нижче зовнішня температура.

Метою зволожувача є збільшення відносної вологості повітря до заданого значення (φ_пом) без зміни його температури. Таким чином, вологовміст повітря повинна бути збільшена з d_нагр до d_пом.

Різниця вологовмісту повітря в приміщенні і після нагрівача:

d_увл = d_пом — d_нагр.
d_увл = 8,98 г/кг.

Необхідна паропродуктивність зволожувача:

P_увл = d_увл∙G_пр∙ (ρ_нагр + ρ_пом)/2.

P_увл = 7,4 кг/год.

Таким чином, в системі припливної вентиляції з витратою G_пр = 700 м³/год при необхідності зволожити повітря до 50% потрібно витрата води (паропродуктивність зволожувача) не менш P_увл = 7,4 кг/год.

Знаючи паропродуктивність зволожувача, можна оцінити споживану ним потужність. Ця оцінка ґрунтується на тому, що певний витрата води потрібно перевести на газове агрегатний стан (пар), тобто затратити енергію фазового переходу (так звана прихована теплота пароутворення).

N_увл = P_увл∙r_вода.

N_увл = 5,1 кВт.

Експрес-метод розрахунку продуктивності і потужності парового зволожувача

Експрес-метод дозволяє оцінити паропродуктивність без складних розрахунків і використання I d-діаграми.

P_увл [кг/год] = 0,21∙G [м³/год]∙φ [ %]∙10^-3,

де G і φ — відповідно витрата припливного повітря і необхідна підтримувана в приміщенні вологість.

Наведена формула оціночного розрахунку паропродуктивності дійсна тільки для зимового періоду часу; дає найкращі результати при вологості у приміщенні 30 ...70 % і при будь-яких витратах повітря.

Експрес-метод розрахунку споживаної парозволожувачем потужності зводиться до простої формули і практично не має обмежень по використанню:

N_увл [кВт] = 0,7∙P_увл [кг/год].

Приклад розрахунку адиабатного зволожувача

Дані припливної установки:

Витрата припливного повітря: G_пр = 700 м³/год.

Параметри навколишнього середовища (стандартні розрахункові умови):

Розрахунковий тиск: Р_розр = 0,1 МПа.

Температура зовнішнього повітря: t_нар = -26 °C.

Ентальпія зовнішнього повітря: i_нар = -25,1 кДж/кг.

Вологовміст зовнішнього повітря (визначається за I-d-діаграмі): d_нар = 0,42 г/кг.

Вологість зовнішнього повітря (визначається за I-d діаграмі: φ_нар = 91 %.

Параметри внутрішнього середовища:

Підтримувана в приміщенні температура: t_пом = 24 °C.

Вологість, підтримувана в приміщенні: φ_пом = 50 %.

Вологовміст повітря в приміщенні (визначається за I-d діаграмі: d_пом = 9,4 г/кг.

Ентальпія повітря в приміщенні (визначається за I-d діаграмі: i_пом = 48 кДж/кг.

Щільність повітря в приміщенні (визначається за I-d діаграмі: ρ_пом = 1,17 кг/м³.

Термодинамічні дані:

Прихована теплота пароутворення: r_вода = 2500 кДж/кг.

Теплоємність повітря c_пові = 1,005 кДж/кг∙°C.

Розрахунок необхідної продуктивності зволожувача.

До увлажнителю повітря надходить після попереднього нагрівання. Потужність попереднього нагрівача обмежується мінімальним значенням, таким, щоб повітря після нього в процесі адиабатного зволоження зміг прийняти кількість вологи, необхідний для досягнення вологовмісту d_пом. За I-d-діаграмі видно, що, як правило, перша ступінь нагріву повинна бути потужніший, ніж в системі з ізотермічним зволожувачем.

Для нашого прикладу можна взяти температуру першого нагрівання t_нагр = 40 °C. Процес нагрівання відбувається при постійному вологовмісті, отже, вологовміст нагрітого повітря одно вологовмісту зовнішнього (d_нар). Таким чином, в зволожувач потрапить повітря з параметрами:

Температура повітря після нагрівача: t_нагр = 40 °C.

Вологовміст повітря: d_нагр = d_нар d_нагр = 0,42 г/кг.

Ентальпія повітря (визначається за I-d-діаграмі): i_нагр = 41,3 кДж/кг.

Вологість повітря визначається за I-d-діаграмі): φ_нагр = 1 %.

Щільність повітря (визначається за I-d-діаграмі): ρ_нагр = 1,11 кг/м³.

Метою адиабатного зволожувача є збільшення вологовміст повітря до заданого значення (d_пзз) з метою подальшого нагрівання до необхідної температури t_пом і, таким чином, досягнення заданої вологості φ_пом.

Ентальпія повітря після зволоження: i_{ад_увл} = i_нагр i_{ад_увл} = 41,3 кДж/кг

Вологовміст повітря: d_{ад_увл} = d_пом d_{ад_увл} = 9,4 г/кг.

Температура повітря (визначається за I-d діаграмі: t_{ад_увл} = 17,4 °C.

Вологість повітря визначається за I-d діаграмі: φ_{ад_увл} = 75 %.

Щільність повітря (визначається за I-d діаграмі: ρ_{ад_увл} = 1,20 кг/м³.

Різниця вологовмісту повітря в приміщенні і після нагрівача:

D_увл = d_{ад_увл} — d_нагр.

D_увл = 8,98 г/кг.

Необхідна продуктивність зволожувача:

P_увл = d_увл∙G_пр∙ (ρ_нагр + ρ_пом)/2.

P_увл = 7,4 кг/год.

Потужність для адиабатного зволожувача не розраховується, так як процес зволоження изоэнтальпийный і, відповідно, витрати енергії дорівнюють нулю.

Тепер залишається визначити потужність другого нагрівача, необхідного для догріву зволоженого повітря до заданої температури t_пом:

N_нагр2 = c_л ∙ G_пр ∙ ρ_пом ∙ (t_пом — t_{ад_увл}).

N_нагр2 = 1,5 кВт.

Висновки

Отже, під створенням комфортних умов мається на увазі не тільки підтримання заданої температури, але і контроль вологості. Питання зволоження в різних аспектах важливі як холодний, так і в літній період року.

Так, взимку вологовміст вуличного повітря мало (менше 1 г/кг) і після підігріву повітря в калориферах на виході виходить сухий потік (відносна вологість не вище 5 %). Зволоження повітря може здійснюватися адиабатным або ізотермічним методом залежно від виду вентиляційного обладнання та інших факторів.

У літній період зволоження припливного повітря практично неактуально, хіба що використання ефекту охолодження і зволоження адіабатних зволожувачів в умовах сухого клімату. Однак інтерес представляє адиабатное охолодження повітря, що охолоджує зовнішні блоки систем кондиціонування (конденсатори чілерів, виносні конденсатори, компресорно-конденсаторні блоки, драйкулери). Ця тема буде більш детально висвітлена в наступних номерах журналу.

Крім того, окремою темою є використання прецизійних кондиціонерів з вбудованими зволожувачами, що актуально для промислових і телекомунікаційних об'єктів, якими, наприклад, є центри обробки даних. Про це також буде розказано в найближчих випусках.