Процессы изменения параметров влажного воздуха

Оборудование, так или иначе связанное в своей работе с влажным воздухом, меняет его параметры - увеличивает температуру, добавляет в него влагу или осушает и т.д. Для проектирования и расчета режимов работы этого оборудования необходимо знать основные характеристики и методы реализации процессов изменения параметров влажного воздуха.

Нагрев воздухареализуют электронагреватели, батареи, радиаторы, да и вообще любые источники тепла. Нагревают окружающий воздух и люди.

Однако следует различать чистый нагрев и нагрев с увлажнением. Если электронагреватели и батареи влагосодержание воздуха не меняют, т.е. процесс на диаграмме идет вертикально вверх (d=const), то люди, к примеру, выделяют ещё и влагу (50-100г/ч влаги в зависимости от условий) и процесс наклоняется вправо. Энтальпия воздуха, очевидно, быстрее растет во втором случае. Поэтому, если нагрев воздуха является негативным фактором и требуется последующее охлаждение (как в системах кондиционирования), то необходимую мощность охлаждения (холодопроизводительность кондиционера) принципиально неверно определять исходя только из разности температур, т.к. фактор влажности останется неучтенным.

Вообще, говоря строго, нагрев с увлажнением является суммой двух процессов - чистого нагрева и изотермического увлажнения, но и наше понятие имеет место быть именно в отношении людей. Дело в том, что при расчете мощности кондиционеров в подавляющем большинстве случаев учитывают только чистый нагрев от людей, забывая про влаговыделения. Но кондиционер, не задумываясь об этом, тратит до 40% холодопроизводительности на осушение. Соответственно, на борьбу с чистым нагревом остается лишь 60% мощности, а не 100%, как это было заложено в проекте. Не стоит забывать о влаговыделении людей!

Полезные формулы, описывающие процесс нагрева:

Чистый нагрев:

• Уравнение баланса теплоты:
  M_сух·I₁ + Q_нагр = M_сух·I₂.
• Угловой коэффициент:
  ε = (I₂-I₁)/(d₂-d₁) = ∞.
• Мощность, необходимая для нагрева (охлаждения):
  Q_нагр = M_сух· (I₂-I₁) = G_сух·ρ·c (t₂-t₁).

Нагрев с увлажнением:

• Уравнение баланса теплоты:
  M_сух·I₁ + Q_нагр + P_вл·I_пар = M_сух·I₂.
• Угловой коэффициент:
  ε = (I₂-I₁)/(d₂-d₁) = Q_нагр/P_вл.
• Мощность, необходимая для нагрева (охлаждения):
  Q_нагр = M_сух· (I₂-I₁) ≠ G_сух·ρ·c (t₂-t₁).

где:
P_вл - влаговыделение (человека), представляет собой пар,
M_сух = G_сух·ρ - массовый расход воздуха,
G_сух - расход сухого воздуха в потоке влажного воздуха, G_сух=G_влаж· (1-d₁). В расчетах, ввиду малости d1, часто под расходом сухого воздуха подразумевают расход влажного воздуха. Аналогичное допущение было принято и в примере.

Способы охлаждения

Добиться снижения температуры можно как прямым способом, так и косвенным. В первом случае охлаждение происходит за счет некого холодного предмета (например, испарителя кондиционера), во втором - внесением жидкой воды и следующим далее изоэнтальпийным увлажнением, сопровождающимся снижением температуры. Отметим, что второй способ имеет существенное ограничение по возможной достижимой температуре - процесс дойдет до линии φ=100% и всё, дальнейшее охлаждение окажется невозможным.

На самом же деле процесс в первом случае будет идти вертикально вниз только если температура холодного тела выше точки росы (13С в нашем случае). Иначе ход рассуждений будет таков: у поверхности тела воздух охладится ниже точки росы, т.е. будет иметь влажность 100% и достигнет температуры самого тела. Это и будет конечной точкой процесса. Следовательно, процесс охлаждения пойдет по линии, соединяющей начальную и конечную точки - вниз влево, охлаждаясь и осушаясь. Именно такая ситуация наблюдается во внутреннем блоке кондиционера

Отметим, что показанный в примере №2 эффект низкой явной холодопроизводительности нельзя назвать вредным для бытовых кондиционеров, т.к. человек выделяет влагу, которую следует удалять (см. Нагрев воздуха) и на её удаление также требуется холодильная мощность (те же 40%, см. пример). Однако он безоговорочно вреден для кондиционеров, обслуживающих греющееся оборудование – ИБП, компьютеры, сервера, и др., ведь 40% холодопроизводительности тратится впустую. Специально для этих случаев разработан особый тип кондиционеров (прецизионные кондиционеры) с повышенным расходом воздуха, а потому и меньшим перепадом температур по воздуху, следовательно, им достаточно более высокой температуры испарителя. В результате влажность в 90-95% не достигается и конденсата выпадает значительно меньше, не редко он отсутствует вовсе.

Полезные формулы, описывающие процесс увлажнения:

o охлаждение телом с температурой выше точки росы:

• Уравнения балансов теплоты и влаги:
  M_сух·I₁ - N_охл = M_сух·I₂;
  d₁=d₂;
• Угловой коэффициент:
  ε = (I₂-I₁)/(d₂-d₁) = ∞;
• Мощность, необходимая для охлаждения:
  N_охл = M_сух· (I₂-I₁) = G_сух·ρ·c_p· (t₂-t₁).

o охлаждение телом с температурой ниже точки росы:

• Уравнения балансов теплоты и влаги:
  M_сух·I₁ - N_охл = M_сух·I₂;
  M_сух·d₁ - P_конд = M_сух·d₂;
• Угловой коэффициент:
  ε = (I₂-I₁)/(d₂-d₁) = N_охл/P_конд;
• Мощность, необходимая для охлаждения:
  N_охл = M_сух· (I₂-I₁) ≠ G_сух·ρ·c_p· (t₂-t₁).

o охлаждение адиабатным увлажнением:

• Уравнения балансов теплоты и влаги:
  M_сух·I₁ + M_вода·I_пар = M_сух·I₂; ввиду малости M_вода·I_пар принимают I₁ ≈ I₂,
  M_сух·d₁ + M_вода = M_сух·d₂.
• Угловой коэффициент:
  ε = (I₂-I₁)/(d₂-d₁) ≈ 0.
• Количество воды, необходимое для увлажнения:
  M_пар = M_сух· (d₂-d₁).

где:
M_сух = G_сух·ρ - массовый расход воздуха,
G_сух - расход сухого воздуха в потоке влажного воздуха, G_сух=G_влаж· (1-d₁). В расчетах, ввиду малости d₁, часто под расходом сухого воздуха подразумевают расход влажного воздуха. Аналогичное допущение было принято и в примере.

Способы увлажнения

Добиться увеличения влагосодержания воздуха можно только одним путем - внесением дополнительной влаги. Но саму влагу можно внести в виде водяного пара или в виде жидкой воды. В зависимости от этого различают два вида увлажнения: изотермический и изоэнтальпийный.

В первом случае увлажнение происходит с увеличением энергии (энтальпии) воздуха, во втором - с понижением температуры. Каждый способ имеет свои плюсы, на которые и следует ориентироваться при выборе того или иного метода увлажнения.

1. Изоэнтальпийное (адиабатное) увлажнение (цель - понизить температуру воздуха):

• Охлаждение воздуха, например, перед конденсатором холодильной машины для снижения температуры конденсации и увеличения холодильного коэффициента,
• Охлаждение потока воды в градирнях, где его часть испаряется, охлаждая поток воздуха, который в последствии охлаждает поток воды. Испарение 1% воды приводит к её охлаждению на 5.5С.

2. Изотермическое увлажнение (цель - увлажнить, сохранив температуру):

• Увлажнение воздуха в системах приточной вентиляции зимой. Воду кипятят в парогенераторе, полученный пар распыляют в воздуховоде, тем самым обычную для квартиры/офиса зимнюю влажность порядка 20-30% поднимают до оптимальных 50%,
• Увлажнитель в прецизионных кондиционерах. Пар генерируется при прохождении электрического тока через воду и подмешивается в поток воздуха на выходе.

Из наблюдений I-d диаграммы сделаем ещё один важный вывод - заданная относительная влажность быстрее (с меньшими "вливаниями" воды) достигается изоэнтальпийным методом (изоэнтальпы чаще пересекают кривые phi=const, чем изотермы).

Полезные формулы, описывающие процесс увлажнения:

o изотермическое увлажнение:

• Уравнения балансов теплоты и влаги:
  M_сух·I₁ + M_пар·I_пар = M_сух·I₂;
  M_сух·d₁ + M_пар = G_сух·d₂.
• Угловой коэффициент:
  ε = (I₂-I₁)/(d₂-d₁) = I_пар ≈ 2680.
• Количество пара, необходимое для увлажнения:
  M_пар = M_сух· (d₂-d₁).

o адиабатное увлажнение:

• Уравнения балансов теплоты и влаги:
  M_сух·I₁ + M_вода·I_пар = M_сух·I₂; ввиду малости M_вода·I_пар принимают I₁ ≈ I₂,
  M_сух·d₁ + M_вода = M_сух·d₂.
• Угловой коэффициент:
  ε = (I₂-I₁)/(d₂-d₁) ≈ 0.
• Количество воды, необходимое для увлажнения:
  M_пар = M_сух· (d₂-d₁).

где:
M_сух = G_сух·ρ - массовый расход воздуха,
G_сух - расход сухого воздуха в потоке влажного воздуха, G_сух=G_влаж· (1-d₁). В расчетах, ввиду малости d₁, часто под расходом сухого воздуха подразумевают расход влажного воздуха. Аналогичное допущение было принято и в примере.

Осушение воздуха – процесс снижения его влагосодержания. Рассмотрим варианты реализации процесса осушения воздуха и области применения каждого из них.

Для наглядности будет использована I-d диаграмма Рамзина влажного воздуха

Способы осушения

Сразу заметим, что это не то же самое, что снижение относительной влажности. Взглянув на I-d диаграмму, всё становится очевидным: осушка воздуха – процесс, идущий влево (при этом не важно, вверх или вниз, важно, что конечная точка будет левее начальной), а относительную влажность можно снизить даже путем добавления воды, если воздух при этом нагревать.

Итак, наша цель – выделить из воздуха влагу. Сразу скажем, что выделить влагу гораздо сложнее, чем испарить её. Испаряется она сама собой, пока дело не дойдет до состояния насыщения. А вот расставаться с воздухом вода не любит.

O Конденсационный метод

Один из способов их разъединения упоминался при описании процесса охлаждения – по достижению относительной влажности, близкой к 100%, выпадал конденсат. Это конденсационный метод осушки. Он заключается в охлаждении воздуха ниже точки росы и отвода образовавшегося конденсата. Чем ниже температура охлаждения, тем больше образуется жидкой фазы, тем эффективнее осушка.

O Адсорбционный метод

Других способов, видимых из диаграммы, нет. Однако существует ещё три распространенных метода осушки. Первый – адсорбционный. Здесь нам помогают физические свойства некоторых веществ поглощать влагу. Самые распространенные – активированный уголь, алюмогель (Al₂O₃), силикагель (SiO₂). Эти вещества в своей молекулярной структуре имеют так называемые ячейки, в которые попадают молекулы водяного пара и "запираются" там. Вынуждающей силой является сила поверхностного натяжения, действующая на молекулу водяного пара, когда последняя оказывается около поверхности адсорбента. Каждый из адсорбентов имеет свою «степень очистки» воздуха от влаги, а потому обычно их используют ступенями – сначала грубая очистка (активированный уголь), потом тонкая (силикагель, следом алюмогель). Результат – миллиграммы воды в килограммах воздуха! Минимальное влагосодержание составляет 0.03г/кг, что соответствует температуре точки росы почти -50С.

Процесс адсорбции сопровождается выделением теплоты адсорбции. В то же время при осушении поглощается примерно равная теплоте адсорбции теплота смачивания. Результатом является практически полная неизменность энтальпии воздуха - изоэнтальпийный процесс (вверх влево на I-d диаграмме). Как следствие, температура воздуха растет и может достигать, а иногда и превышать 50С.

Со временем адсорбер насыщается влагой и требует регенерации, реализуемой через его нагрев. При повышении температуры, например до 120-150С для силикагеля, накопленная влага испаряется и адсорбент снова готов к осушающей работе. Учитывая необходимость такой регенерации, в установках осушения используют два параллельных адсорбера - в то время, как первый пегенерируется, работает второй.

O Абсорбционный метод

Второй способ, не просматривающийся из I-d-диаграммы, но очень схожий с предыдущим - абсорбционный. Наиболее широко распространенные абсорбенты - хлористый литий (LiCl) и водные растворы хлористого кальция (CaCl₂*6H₂O). Движущей силой процесса является разность парциальных давлений водяного пара - в пограничном слое абсорбента оно ниже, чем над его поверхностью. В зависимости от температуры раствора можно добиться осушка как с повышением температуры, так и без её изменения или с её уменьшением. Ещё одним плюсом является возможность непрерывной регенерации: достаточно установить насос для прокачки абсорбента в регенератор и обратно в абсорбер.

Также следует учитывать, что степень осушки абсорбентами заметно ниже, чем адсорберами. Минимальное влагосодержание, достижимое при использовании хлористого лития - 1г/кг (температура точки росы -15С).

O Компрессионный метод

Наконец, последний метод осушки просматривается из диаграммы влажного воздуха для переменного давления. А раз мы взяли диаграмму для разных давлений, значит этот способ напрямую с разными давлениями и связан. Итак, компрессионный метод осушки (осушка сжатием).

Основа метода – повышение парциального давления насыщенного пара при сжатии воздуха. Это вполне очевидно, если вспомнить определение парциального давления и закон Дальтона, гласящий, что давление газа равно сумме парциальных давлений его составляющих. Для воздуха: давление воздуха равно сумме парциальных давлений сухого воздуха и водяных паров (к слову, парциальное давление сухого воздуха можно разложить на сумму парциальных давлений входящих в его состав газов (азот, кислород и т.д.), но химический состав воздуха нас не интересует). Далее становится понятным, что увеличив давление воздуха в k раз, парциальные давления также увеличатся в k раз. Следовательно, парциальное давление водяного пара возрастет в k раз. Но парциальное давление насыщения-то не меняется – оно зависит только от температуры! Теперь вспомним определение относительной влажности – это отношение парциальных давлений текущего и насыщенного водяного пара. Первая цифра увеличилась в k раз, вторая осталась прежней, в итоге φ возросла в k раз, а если phi достигнет 100%, то неизбежно выпадет конденсат. Вывод – при сжатии воздуха растет его относительная влажность и в перспективе появляется жидкая фаза. Остается её слить, а воздуху вернуть первоначальное давление – осушка произведена!

На I-d-диаграмме (напомним, что она выполненяется для конкретного давления) компрессионный метод условно можно изобразить линией влево по изотерме до нужного влагосодержания. В целях развития воображения можно использовать одну I-d-диаграмму для разных давлений, учитывая, что она сжимается по горизонтальной оси точно также (точно во столько же раз), как и подопытный воздух. Сжали в 2 раза, и точка c φ=50% превратилась в φ=100%.

Полезные формулы, описывающие процесс осушения воздуха:

o конденсационный метод:

• Уравнения балансов теплоты и влаги:
  M_сух·I₁ - N_нагр = M_сух·I₂;
  M_сух·d₁ - M_{конд.вода} = M_сух·d₂;
• Угловой коэффициент:
  ε = (I₂-I₁)/(d₂-d₁) = N_нагр/M_{конд.вода};
• Количество отведенной воды:
  M_{конд.вода} = M_сух· (d₂-d₁).

o адсорбционный метод:

• Уравнения балансов теплоты и влаги:
  M_сух·I₂ = M_сух·I₁ - M_{конд.вода}·c_вода·t₂ - M_{конд.вода}·q_{тепл.ад.} + M_{конд.вода}·q_смач,
  M_сух·d₂ = M_сух·d₁ - M_{конд.вода};
• Угловой коэффициент:
  ε = (I₂-I₁)/(d₂-d₁) = c_вода·t₂ + q_{тепл.ад.} - q_смач = c_вода·t₂ ≈ 4.2t₂;
• Температура после осушки:
  t₂ ≈ t₁ + r· (d₁-d₂) / c_{вл.возд.};
• Количество отведенной воды:
  M_{конд.вода} = M_сух· (d₂-d₁).

o абсорбционный метод:

• Уравнения балансов теплоты и влаги:
  M_сух·I₂ = M_сух·I₁ - M_{конд.вода}·c_вода·t₂,
  M_сух·d₂ = M_сух·d₁ - M_{конд.вода};
• Угловой коэффициент:
  ε = (I₂-I₁)/(d₂-d₁) = N_нагр/M_{конд.вода};
• Количество отведенной воды:
  M_{конд.вода} = M_сух· (d₂-d₁).

где:
M_сух = G_сух·ρ - массовый расход воздуха,
G_сух - расход сухого воздуха в потоке влажного воздуха, G_сух=G_влаж· (1-d₁). В расчетах, ввиду малости d₁, часто под расходом сухого воздуха подразумевают расход влажного воздуха. Аналогичное допущение было принято и в примерах.

15)теоретический компрессор

Теоретический компрессор имеет вредное пространство, а всасывание и нагнетание воздуха проходит при постоянных давлениях, как у идеального. Следует иметь ввиду, что клапаны у компрессора самодействующие. Они открываются разностью давлений. Всасывающий клапан открывается, когда давление в цилиндре ниже атмосферного, а нагнетательный открывается, когда давление в цилиндре выше давления в резервуаре.

Рис. 6.2. Теоретический компрессор: 1 – всасывающий клапан; 2 – нагнетательный клапан На рис. 6.2 приведена схема цилиндра и теоретический рабочий процесс компрессора, где 1–2 – политропное сжатие воздуха; 2–3 – вытеснение воздуха в резервуар, через открывшийся в точке 2 нагнетательный клапан. Закрывается клапан в точке 3; 3–4 – политропное расширение сжатого воздуха, оставшегося во вредном пространстве; 4–1 – всасывание атмосферного воздуха, через открывшийся в точке 4 всасывающий клапан. Закрывается клапан в точке 1; V0 – объем вредного пространства; Vh – рабочий объем цилиндра; VВС – объем всасываемого воздуха; V0/Vh = – относительная величина вредного пространства; VВС/Vh = – объемный КПД компрессора; р2/р1 = – степень повышения давления. Процесс расширения воздуха, оставшегося в объеме вредного пространства, уменьшает объем всасываемого воздуха и объемный КПД компрессора . Обозначим показатель политропы 3–4 через nP, тогда ее уравнение будет pV nP = const, а для точек 3 и 4 можно написать соотношение p2V3nP = p1V4nP.

Заменим V₃ = V₀ = V_h × , а V₄ = V₀ + V_h – V_ВС = V_h + V_h – V_h× и
получим р₂ (V_h × )^nP = р₁ (V_h + V_h – V_h×l₀)^np, р₂ × ^nP = р₁ ( +1 – l₀)^nP,

или

. (6.3)

Из этого уравнения следует, что с увеличением относительной величины объема вредного пространства d и степени повышения давления b производительность компрессора уменьшается. В связи с этим у реальных компрессоров поршень вплотную приближается к крышке цилиндра для уменьшения d, а степень повышения давления b не превышает пяти.

16)реальный компрессор