Об’єкти

Системи зволоження повітря та їх розрахунок

Відповідно до нормативів у приміщеннях із постійним перебуванням людей необхідно підтримувати не лише певну температуру, а й вологість. Знижена вологість сприяє нагромадженню статичної електрики на металевих предметах. Підвищена також неприємна і веде до відчуття задухи і випадання конденсату на поверхнях.

Малюнок 1. Методи зволоження: 1-2 – ізотермічне зволоження, 1-3 – адіабатне (ізоентальпійне) зволоження

Методи зволоження

Вологість підтримується спеціальними пристроями – зволожувачами. Вони поділяються на два принципово різних типи, що відрізняються методом зволоження, – воно може бути адіабатне (ізоентальпійне) або ізотермічне (рис. 1, лінії 1-3 і 1-2 відповідно).

Адіабатне (ізоентальпійне) зволоження

Адіабатне зволоження є процесом звичайного випаровування води в навколишнє середовище. Саме так з часом випаровується вода у 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 в навколишньому повітрі (де воно нижче, причому тим нижче, ніж сухе повітря).

Ефективність адіабатного зволоження залежить від площі вологої поверхні і швидкості повітря, що її обдуває. Тому елементи, з яких відбувається випаровування у зволожувачах, що використовують цей метод, являють собою або матер’яні або паперові касети, або пластикові диски, по яких стікає вода. Ці елементи вбудовують у повітропровід або обдувають окремим вентилятором.

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

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

Адіабатний метод зволоження застосовується у випарних, розщеплювальних та ультразвукових зволожувачах.

Ізотермічне зволоження

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

Завданням зволожувача є підготовка пари з води, але цього разу енергія, необхідна перетворення рідини на газ, береться не з повітря, та якщо з електромережі. Внаслідок цього 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 праворуч (рис. 1).

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

З погляду термінології відзначимо, що ізотермічні зволожувачі часто називають парозволожувачами, оскільки вони під час своєї роботи генерують пару. У свою чергу адіабатні зволожувачі називати парозволожувачами не можна.

Типи зволожувачів

Розглянемо докладніше кожен із згаданих типів зволожувачів:

Рис. 2. Електродний зволожувач HygroMatik

Ізотермічні зволожувачі

Нагрівальні зволожувачі

У нагрівальних зволожувачах вода нагрівається і закипає в спеціальному бачку, а пара, що з’являється при цьому, подається по шлангу в повітропровід, де рівномірно розподіляється за допомогою трубки з дрібними отворами по всій довжині (паророзподільника).

Генерована пара при цьому повинна бути перегріта, щоб не конденсуватися на стінках шланга на шляху до повітропроводу.

Інфрачервоні зволожувачі

Інфрачервоні зволожувачі схожі на нагрівальні і відрізняються лише способом нагрівання води. В даному випадку застосовуються лампи, що нагрівають воду за допомогою інфрачервоного теплового випромінювання.

Генерована пара при цьому повинна бути перегріта, щоб не конденсуватися на стінках шланга на шляху до повітропроводу.

Електродні зволожувачі

Зволожувачі електродного типу (рис. 2) для одержання 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 на пару.

Електродні парозволожувачі ефективніші, ніж нагрівальні та інфрачервоні. Крім того, вони набагато безпечніші: у разі відсутності води електричний ланцюг розривається і зволожувач автоматично вимикається.

Рис. 3. Ультразвуковий зволожувач повітря Boneco

Адіабатні зволожувачі

Випарювальні зволожувачі

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

Зволожувачі, що розщеплюють

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

Ультразвукові зволожувачі

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

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

Плюси, мінуси та сфери застосування

Як уже було сказано, основною відмінністю адіабатного зволоження від ізотермічного є те, що в першому випадку на випаровування води витрачається енергія повітряного потоку, внаслідок чого він охолоджується, а в другому випадку використовується електроенергія з мережі. Отже, там, де охолодження повітря невигідне, необхідно використовувати ізотермічне зволоження.

Наприклад, взимку в припливній вентиляції квартири, офісу чи адміністративної будівлі повітря, яке забирається з вулиці, в абсолютній величині містить мало води, а тому після нагрівання його вологість становить лише 10–15 %. Зволоження щойно нагрітого повітря адіабатним методом охолодить його і вимагатиме чергового нагріву, 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 зволожувача адіабатного може бути охолоджений до цілком комфортної температури 23°C при вологості 60%. Тут слід зазначити, що зволоження після 60% хоч і призводить до подальшого зниження температури повітря, але не рекомендується, оскільки висока вологість викликає відчуття задухи та 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 з високого тиску. По-друге, зниження температури конденсації на 1°C збільшує холодильну потужність на 3%. Нарешті, якщо адіабатне охолодження повітря для конденсатора було закладено на стадії проектування установки, це дозволить заощадити на капітальних вкладеннях: знадобиться менш потужний конденсатор або драйкулер.

Дана система може використовуватися в конденсаторах чилерів, компресорно-конденсаторних блоках, виносних конденсаторах, а також в драйкулерах та інших охолоджувачах робочої речовини (води, розчину гліколю, холодоагенту) зовнішнім повітрям.

Ізотермічне зволоження у припливній системі вентиляції

Рис. 4. Загальна схема установки парозволожувача у систему припливної вентиляції

У припливних системах вентиляції для малих та середніх об’єктів використовується, як правило, ізотермічне зволоження. При цьому зволожувач може монтуватися окремо (зазвичай на стіну) або вбудовуватись у повітропровід.

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

У другому випадку зволожувач безпосередньо зав’язаний на роботу системи припливу вентиляції, і пара розпорошується в повітропровід, рух повітря в якому забезпечено припливним вентилятором. Відповідно, при відключенні вентиляції має бути передбачене відключення зволожувача (як правило, зволожувачі мають відповідні контакти).

Подача пари в припливний повітропровід здійснюється за допомогою лінійного паророзподільника, пара до якого подається через шланг (рис. 4). Точне місце розміщення лінійного паророзподільника з прив’язками по висоті повітроводу слід уточнювати згідно з рекомендаціями щодо монтажу парозволожувача.

За відсутності припливного повітроводу для встановлення паророзподільної трубки передбачається вентиляторний блок, що має приєднувальні отвори для паророзподільника та вентилятор для створення повітряного потоку. Переваги даного виду установки парозволожувача в порівнянні з настінним моноблоком полягають у можливості монтажу основного та вентиляторного блоків на віддаленні один від одного.

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

Секції зволоження у 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 опціональні секції встановлюються адіабатні зволожувачі. І тут є свої особливості.

У секцію зволоження має подаватися вже нагріте повітря, причому параметри цього нагріву визначаються з наступної умови: повітря після нагрівача повинен мати таку ентальпію, при якій у процесі зволоження він зможе досягти необхідного вмісту вологи. Наприклад, якщо повітря буде недостатньо нагріте, то при зволоженні воно 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 вищою за температуру в приміщенні (наприклад, 40°C і 24°C, як у прикладі розрахунку нижче).

Далі після зволоження повітря матиме температуру нижче необхідної, тому потрібен другий ступінь нагріву, що доводить його до потрібних кондицій.

Таким чином, у припливних установках з секцією зволоження (названих також центральними кондиціонерами) присутні два нагрівачі: до і після зволожувача (рис. 5).

Управління зволожувачем здійснюється зі щита центрального кондиціонера. При цьому задаються лише необхідні значення температури та вологості, налаштування ж нагрівальних та зволожуючих секцій відбувається в автоматичному режимі.

Приклад розрахунку ізотермічного зволожувача

Дані припливної установки:

Витрата припливного повітря: Gпр = 700 м3/год.

Параметри довкілля (стандартні розрахункові умови):

Розрахунковий тиск: Розрахунок = 0,1 МПа.

Температура зовнішнього повітря: tнар = –26°C.

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

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

Вологість зовнішнього повітря (визначається за I d-діаграмою): φнар = 91%.

Параметри внутрішнього середовища:

Підтримувана в приміщенні температура: tпом = 24°C.

Вологість, що підтримується у приміщенні: φпом = 50 %.

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

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

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

Термодинамічні дані:

Прихована теплота пароутворення: rвода = 2500 кДж/кг.

Розрахунок необхідної паропродуктивності зволожувача

До зволожувача повітря надходить після нагрівача, тому температура повітря дорівнює заданій у приміщенні (tпом). При цьому процес нагрівання відбувається при постійному вмісті вологи, отже, вміст вологи нагрітого повітря дорівнює вологовмісту зовнішнього (dнар).

Температура повітря після нагрівача: tнагр = tпом. Tнагр = 24°C.

Вологовміст повітря: dнагр = dнар dнагр = 0,42 г/кг.

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

Вологість повітря (визначається за I d-діаграмою): φнагр = 2 %.

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

Як видно, взимку вологість повітря після нагрівача складає всього 2% – саме це і є причиною необхідності комплектування приточної установки зволожувачем. За його відсутності в приміщенні подаватиметься надзвичайно сухе повітря. До речі, за рахунок вологовиділення в приміщенні (використання води в квартирі, вологовиділення людей і тварин через піт і дихання) вологість повітря, безумовно, зростає. Як правило, вона становить близько 20% і тим нижча, ніж нижча зовнішня температура.

Метою зволожувача є збільшення відносної вологості повітря до заданого значення (φпом) без зміни температури. Таким чином, вологовміст повітря має бути збільшено з dнагр до dпом.

Різниця вологовміст повітря в приміщенні та після нагрівача:

dувл = dпом — dнагр.

dувл = 8,98 г/кг.

Необхідна паропродуктивність зволожувача:

Pувл = dувл∙Gпр∙ (ρнагр + ρпом)/2.

Pувл = 7,4 кг/ч.

Таким чином, у припливній системі вентиляції з витратою Gпр = 700 м3/год при необхідності зволожити повітря до 50% потрібно витрата води (паропродуктивність зволожувача) не менше Pувл = 7,4 кг / год.

Знаючи паропродуктивність зволожувача, можна оцінити споживану ним потужність. Ця оцінка ґрунтується на тому, що певну витрату води потрібно перевести в газовий агрегатний стан (пар), тобто витратити енергію фазового переходу (так звана прихована теплота пароутворення).

Nувл = Pувл∙rвода.

Nувл = 5,1 кВт.

Експрес-метод розрахунку продуктивності та потужності парозволожувача

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

Pувл [кг/год] = 0,21∙G [м3/год]∙φ [ %]∙10–3,

де G і φ – відповідно витрата припливного повітря і необхідна вологість, що підтримується в приміщенні.

Наведена формула оцінного розрахунку паропродуктивності дійсна лише зимового періоду часу; дає найкращі результати при вологості в приміщенні 30 … 70% і за будь-яких витрат повітря.

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

Nувл [кВт] = 0,7∙Pувл [кг/год].

Приклад розрахунку адіабатного зволожувача

Дані припливної установки:

Витрата припливного повітря: Gпр = 700 м3/год.

Параметри довкілля (стандартні розрахункові умови):

Розрахунковий тиск: Розрахунок = 0,1 МПа.

Температура зовнішнього повітря: tнар = –26°C.

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

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

Вологість зовнішнього повітря (визначається по I d діаграмі): φнар = 91%.

Параметри внутрішнього середовища:

Підтримувана в приміщенні температура: tпом = 24°C.

Вологість, що підтримується у приміщенні: φпом = 50 %.

Вологовміст повітря в приміщенні (визначається по I d діаграмі): dпом = 9,4 г/кг.

Ентальпія повітря в приміщенні (визначається за I d діаграмою): iпом = 48 кДж/кг.

Щільність повітря в приміщенні (визначається за I d діаграмою): ρпом = 1,17 кг/м3.

Термодинамічні дані:

Прихована теплота пароутворення: rвода = 2500 кДж/кг.

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

Розрахунок необхідної продуктивності зволожувача.

До зволожувача повітря надходить після попереднього нагрівання. Потужність попереднього нагрівача обмежується мінімальним значенням, таким, щоб повітря після нього в процесі адіабатного зволоження зміг прийняти кількість вологи, необхідну для досягнення вмісту вологи dпом. По I d-діаграмі видно, що, як правило, перший ступінь нагрівання має бути потужнішим, ніж у системі з ізотермічним зволожувачем.

Для нашого прикладу можна прийняти температуру першого нагріву = 40°C. Процес нагрівання відбувається при постійному вмісті вологи, отже, вміст вологи нагрітого повітря дорівнює вологовмісту зовнішнього (dнар). Таким чином, у зволожувач потрапить повітря з параметрами:

Температура повітря після нагрівача: tнагр = 40°C.

Вологовміст повітря: dнагр = dнар dнагр = 0,42 г/кг.

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

Вологість повітря (визначається за I d-діаграмою): φнагр = 1%.

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

Метою адіабатного зволожувача є збільшення вологовміст повітря до заданого значення (dпом) з метою подальшого нагріву до необхідної температури tпом і, таким чином, досягнення заданої вологості φпом.

Ентальпія повітря після зволоження: iад_увл = iнагр iad_увл = 41,3 кДж / кг

Вологовміст повітря: dад_увл = dпом dad_увл = 9,4 г / кг.

Температура повітря (визначається за I d діаграмою): tад_увл = 17,4°C.

Вологість повітря (визначається за I d діаграмою): φад_увл = 75%.

Щільність повітря (визначається за I d діаграмою): ρад_увл = 1,20 кг/м3.

Різниця вологовміст повітря в приміщенні та після нагрівача:

Dувл = dад_увл – dнагр.

Dувл = 8,98 г/кг.

Необхідна продуктивність зволожувача:

Pувл = dувл∙Gпр∙ (ρнагр + ρпом)/2.

Pувл = 7,4 кг/ч.

Потужність для адіабатного зволожувача не розраховується, оскільки процес зволоження ізоентальпійний і, відповідно, витрати енергії дорівнюють нулю.

Тепер залишається визначити потужність другого нагрівача, необхідного для догрівання зволоженого повітря до заданої температури.

Nнагр2 = cвоз ∙ Gпр ∙ ρпом ∙ (tпом — tад_увл).

Nнагр2 = 1,5 кВт.

Висновки

Отже, під створенням комфортних умов мається на увазі не лише підтримка заданої температури, а й контроль вологості. Питання зволоження в різних аспектах важливі як у холодну, так і в літню пору року.

Так, взимку вміст вологи вміст 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 адіабатним чи ізотермічним методом залежно від виду вентиляційного обладнання та інших факторів.

У літній період зволоження припливного повітря практично неактуальне, хіба що використання ефекту охолодження та зволоження адіабатних зволожувачів в умовах сухого клімату. Однак інтерес представляє адіабатне охолодження повітря, що охолоджує зовнішні блоки систем кондиціювання (конденсатори чилерів, виносні конденсатори, компресорно-конденсаторні блоки, драйкулер). Ця тема буде більш детально висвітлена в наступних номерах журналу.

Крім того, окремою темою є використання прецизійних кондиціонерів із вбудованими зволожувачами, що є актуальним для промислових та телекомунікаційних об’єктів, якими, наприклад, є центри обробки даних.

Використані матеріали сайту: “http://www.hvac-school.ru”

 

Компанія “МПК Інжінірінг” заснована у 2009 році.

Компанія “МПК Інжінірінг” заснована у 2009 році.