Согласно нормативам в помещениях с постоянным пребыванием людей необходимо поддерживать не только определенную температуру, но и влажность. Пониженная влажность способствует накоплению статического электричества на металлических предметах. Повышенная — также неприятна и ведет к ощущению духоты и выпадению конденсата на поверхностях.
Методы увлажнения
 |
| Рис. 1. Методы увлажнения: 1-2 – изотермическое увлажнение, 1-3 – адиабатное (изоэнтальпийное) увлажнение |
Влажность поддерживается специальными устройствами — увлажнителями. Они делятся на два принципиально разных типа, отличающихся методом увлажнения, — оно может быть адиабатное (изоэнтальпийное) или изотермическое (рис. 1, линии 1–3 и 1–2 соответственно).
Адиабатное (изоэнтальпийное) увлажнение
Адиабатное увлажнение представляет собой процесс самого обычного испарения воды в окружающую среду. Именно так со временем испаряется вода в стакане, исчезают лужи на дорогах…
Движущей силой процесса испарения является разность парциальных давлений водяного пара над поверхностью воды (где оно велико и практически равно давлению насыщенного пара) и в окружающем воздухе (где оно ниже, причем тем ниже, чем суше воздух).
Эффективность адиабатного увлажнения зависит от площади влажной поверхности и скорости обдувающего ее воздуха. Поэтому элементы, с которых происходит испарение в использующих этот метод увлажнителях, представляют собой либо матерчатые или бумажные кассеты, либо пластиковые диски, по которым стекает вода. Эти элементы встраивают в воздуховод или обдувают отдельным вентилятором.
С физической точки зрения происходит следующее: поток воздуха поглощает влагу, превращая ее в водяной пар. Процесс превращения воды в пар требует огромного количества энергии. Эту энергию воздух отдает воде, вследствие чего охлаждается. Общая же энергия системы (энтальпия) практически неизменна, поэтому процесс называется изоэнтальпийным (адиабатным).
На Id-диаграмме данный процесс изображается прямой линией вдоль изоэнтальпы вправо вниз (рис. 1).
Адиабатный метод увлажнения применяется в испарительных, расщепляющих и ультразвуковых увлажнителях.
Изотермическое увлажнение
Изотермическое увлажнение — это процесс смешения водяного пара с потоком воздуха.
Задачей увлажнителя является подготовка пара из воды, но на этот раз энергия, необходимая для превращения жидкости в газ, берется не из воздуха, а из электросети. В результате температура воздуха при увлажнении практически не изменяется (поэтому метод и называется изотермическим), а счет на электроэнергию вызывает легкое недоумение, ведь установка производительностью всего 1 л/ч потребляет 700 Вт, а увлажнение квартиры зимой требует около 3 кВт.
На Id-диаграмме линия процесса направлена вдоль изотермы вправо (рис. 1).
Изотермический метод увлажнения применяется в нагревательных, инфракрасных и электродных увлажнителях.
С точки зрения терминологии отметим, что изотермические увлажнители часто называют пароувлажнителями, так как они в ходе своей работы генерируют пар. В свою очередь, адиабатные увлажнители называть пароувлажнителями нельзя.
ТИПЫ УВЛАЖНИТЕЛЕЙ
Рассмотрим подробнее каждый из упомянутых типов увлажнителей:
Изотермические увлажнители
 |
| Рис. 2. Электродный увлажнитель HygroMatik |
Нагревательные увлажнители
В нагревательных увлажнителях вода нагревается и вскипает в специальном бачке, а появляющийся при этом пар подается по шлангу в воздуховод, где равномерно распределяется посредством трубки с мелкими отверстиями по всей длине (парораспределителя).
Генерируемый пар при этом должен быть перегрет, чтобы не конденсироваться на стенках шланга по пути к воздуховоду.
Инфракрасные увлажнители
Инфракрасные увлажнители схожи с нагревательными и отличаются лишь способом нагрева воды. В данном случае применяются лампы, греющие воду посредством инфракрасного теплового излучения.
Электродные увлажнители
Увлажнители электродного типа (рис. 2) для получения пара используют явление диссоциации воды — ее разложения под действием электрического тока. В бак с водой опускают два электрода — анод и катод и подают на них напряжение. Ток, проходя через воду, нагревает ее и превращает в пар.
Электродные пароувлажнители более эффективны, нежели нагревательные и инфракрасные. Кроме того, они гораздо безопаснее: в случае отсутствия воды электрическая цепь разрывается и увлажнитель автоматически отключается.
Адиабатные увлажнители
Испарительные увлажнители
В испарительных увлажнителях вода подается на специальную поверхность (как правило, бумажную или пластиковую), обдуваемую воздухом. При обдувании влага постепенно испаряется, тем самым увлажняя воздух.
Расщепляющие увлажнители
Расщепляющие увлажнители используют сжатый воздух или водяной насос высокого давления для расщепления воды на мелкие частицы, которые направляются в поток воздуха и легко испаряются.
Ультразвуковые увлажнители
 |
| Рис. 3. Ультразвуковой увлажнитель воздуха Boneco |
Это самый современный тип увлажнителей (рис. 3). Здесь используется специальная мембрана, которая вибрирует с высокой частотой. Вода, попадающая на мембрану, мгновенно распыляется и превращается в облако из микрочастиц. Воздух, проходящий через это облако, эффективно поглощает влагу.
Отметим, что для последних двух типов увлажнителей необходима чистая вода во избежание загрязнения воздуха примесями. Многие производители, стремясь сделать расщепляющие и ультразвуковые увлажнители максимально безопасными для человека, оснащают их рядом функций, которые решают эту проблему.
Плюсы, минусы и сферы применения
Как уже было сказано, основным отличием адиабатного увлажнения от изотермического является то, что в первом случае на испарение воды тратится энергия воздушного потока, вследствие чего он охлаждается, а во втором случае используется электроэнергия из сети. Следовательно, там, где охлаждение воздуха невыгодно, необходимо использовать изотермическое увлажнение.
Например, зимой в приточной вентиляции квартиры, офиса или административного здания воздух, забираемый с улицы, в абсолютной величине содержит мало воды, а потому после нагревания его влажность составляет всего 10–15 %. Увлажнение только что нагретого воздуха адиабатным методом охладит его и потребует очередного нагрева, что усложняет систему. Поэтому в этом случае рекомендуется использовать изотермические увлажнители.
В то же время летом наружный воздух с температурой 28 °C и влажностью 35 % при помощи бытового или канального адиабатного увлажнителя может быть охлажден до вполне комфортной температуры 23 °C при влажности 60 %. Здесь следует отметить, что увлажнение после 60 % хотя и приводит к последующему снижению температуры воздуха, но не рекомендуется, так как высокая влажность вызывает ощущение духоты и дискомфорта.
Еще одна сфера применения адиабатных увлажнителей — охлаждение воздуха, поступающего в конденсатор, для последующего максимально возможного снижения температуры конденсации в холодильном контуре.
Такая необходимость возникает в жаркие дни и несет в себе сразу несколько преимуществ. Во первых, это позволяет избежать аварии холодильной установки по высокому давлению. Во вторых, снижение температуры конденсации на 1 °C увеличивает холодильную мощность на 3 %. Наконец, если адиабатное охлаждение воздуха для конденсатора было заложено на стадии проектирования установки, то это позволит сэкономить на капитальных вложениях: потребуется менее мощный конденсатор или драйкулер.
Данная система может использоваться в конденсаторах чиллеров, в компрессорно-конденсаторных блоках, выносных конденсаторах, а также в драйкулерах и других охладителях рабочего вещества (воды, раствора гликоля, хладагента) наружным воздухом.
Изотермическое увлажнение в приточной системе вентиляции
 |
| Рис. 4. Общая схема установки пароувлажнителя в систему приточной вентиляции |
В приточных системах вентиляции для малых и средних объектов используется, как правило, изотермическое увлажнение. При этом увлажнитель может монтироваться отдельно (обычно на стену) либо встраиваться в воздуховод.
В первом случае увлажнитель никак не связан с вентиляцией и работает полностью автономно, самостоятельно генерируя необходимое количество пара посредством регулирования потребляемой мощности, создавая воздушный поток, в который вводится пар, встроенными вентиляторами.
Во втором случае увлажнитель напрямую завязан на работу приточной системы вентиляции, и пар распыляется в воздуховод, движение воздуха в котором обеспечено приточным вентилятором. Соответственно, при отключении вентиляции должно быть предусмотрено отключение увлажнителя (как правило, у увлажнителей есть соответствующие контакты).
Подача пара в приточный воздуховод осуществляется с помощью линейного парораспределителя, пар к которому подается через шланг (рис. 4). Точное место размещения линейного парораспределителя с привязками по высоте воздуховода следует уточнять согласно рекомендациям по монтажу пароувлажнителя.
При отсутствии приточного воздуховода для установки парораспределительной трубки предусматривается вентиляторный блок, имеющий присоединительные отверстия для парораспределителя и вентилятор для создания воздушного потока. Преимущества данного вида установки пароувлажнителя по сравнению с настенным моноблоком заключаются в возможности монтажа основного и вентиляторного блоков на удалении друг от друга.
Управление пароувлажнителем может осуществляться как встроенным, так и выносным пультом.
Секции увлажнения в приточных установках
 |
| Рис. 5.Схема центрального кондиционера: 1 – воздушная заслонка; 2 – фильтр; 3 – охладитель; 4 – калорифер первичного подогрева; 5 – увлажнитель; 6 – калорифер вторичного подогрева; 7 – вентилятор; 8 – шумоглушитель. |
В мощных вентиляционных агрегатах в качестве опциональных секций устанавливаются адиабатные увлажнители. И тут есть свои особенности.
В секцию увлажнения должен подаваться уже нагретый воздух, причем параметры этого нагрева определяются из следующего условия: воздух после нагревателя должен иметь такую энтальпию, при которой в процессе увлажнения он сможет достичь необходимого влагосодержания. Например, если воздух будет недостаточно нагрет, то при увлажнении он достигнет состояния насыщения (φ = 100 %) раньше, чем получит требуемое количество воды.
При детальном изучении этого вопроса выяснится, что температура перед увлажнителем должна быть заметно выше температуры в помещении (например, 40 °C и 24 °C, как в примере расчета ниже).
Далее после увлажнения воздух будет иметь температуру ниже требуемой, поэтому требуется вторая ступень нагрева, доводящая его до нужных кондиций.
Таким образом, в приточных установках с секцией увлажнения (именуемых также центральными кондиционерами) присутствует два нагревателя: до и после увлажнителя (рис. 5).
Управление увлажнителем осуществляется с щита центрального кондиционера. При этом задаются лишь требуемые значения температуры и влажности, настройка же нагревательных и увлажняющей секций происходит в автоматическом режиме.
Пример расчета изотермического увлажнителя
Данные приточной установки:
Расход приточного воздуха: Gпр = 700 м3/ч.
Параметры окружающей среды (стандартные расчетные условия):
Расчетное давление: Ррасч = 0,1 МПа.
Температура наружного воздуха: tнар = –26 °C.
Энтальпия наружного воздуха: iнар = –25,1 кДж/кг.
Влагосодержание наружного воздуха (определяется по I d-диаграмме): dнар = 0,42 г/кг.
Влажность наружного воздуха (определяется по I d- диаграмме): φнар = 91 %.
Параметры внутренней среды:
Поддерживаемая в помещении температура: tпом = 24 °C.
Влажность, поддерживаемая в помещении: φпом = 50 %.
Влагосодержание воздуха в помещении (определяется по I d-диаграмме): dпом = 9,4 г/кг.
Энтальпия воздуха в помещении (определяется по I d-диаграмме): iпом = 48 кДж/кг.
Плотность воздуха в помещении (определяется по I d-диаграмме): ρпом = 1,17 кг/м3.
Термодинамические данные:
Скрытая теплота парообразования: rвода = 2500 кДж/кг.
Расчет необходимой паропроизводительности увлажнителя
К увлажнителю воздух поступает после нагревателя, поэтому температура воздуха равна заданной в помещении (tпом). При этом процесс нагрева происходит при постоянном влагосодержании, следовательно, влагосодержание нагретого воздуха равно влагосодержанию наружного (dнар).
Температура воздуха после нагревателя: tнагр = tпом. Tнагр = 24 °C.
Влагосодержание воздуха: dнагр = dнар dнагр = 0,42 г/кг.
Энтальпия воздуха (определяется по I d-диаграмме): iнагр = 25 кДж/кг.
Влажность воздуха (определяется по I d-диаграмме): φнагр = 2 %.
Плотность воздуха (определяется по I d-диаграмме): ρнагр = 1,17 кг/м3.
Как видно, зимой влажность воздуха после нагревателя составляет всего 2 % — именно это и является причиной необходимости комплектования приточной установки увлажнителем. При его отсутствии в помещении будет подаваться чрезвычайно сухой воздух. К слову, за счет влаговыделений в помещении (использование воды в квартире, влаговыделения людей и животных через пот и дыхание) влажность воздуха, безусловно, растет. Как правило, она составляет порядка 20 % и тем ниже, чем ниже наружная температура.
Целью увлажнителя является увеличение относительной влажности воздуха до заданного значения (φпом) без изменения его температуры. Таким образом, влагосодержание воздуха должно быть увеличено с dнагр до dпом.
Разность влагосодержаний воздуха в помещении и после нагревателя:
dувл = dпом — dнагр.
dувл = 8,98 г/кг.
Необходимая паропроизводительность увлажнителя:
Pувл = dувл∙Gпр∙ (ρнагр + ρпом)/2.
P увл = 7,4 кг/ч.
Таким образом, в приточной системе вентиляции с расходом Gпр = 700 м3/ч при необходимости увлажнить воздух до 50 % потребуется расход воды (паропроизводительность увлажнителя) не менее Pувл = 7,4 кг/ч.
Зная паропроизводительность увлажнителя, можно оценить потребляемую им мощность. Данная оценка основывается на том, что определенный расход воды требуется перевести в газовое агрегатное состояние (пар), то есть затратить энергию фазового перехода (так называемая скрытая теплота парообразования).
Nувл = Pувл∙rвода.
N увл = 5,1 кВт.
Экспресс-метод расчета производительности и мощности пароувлажнителя
Экспресс-метод позволяет оценить паропроизводительность без сложных расчетов и использования I d-диаграммы.
Pувл [кг/ч] = 0,21∙G [м3/ч]∙φ [ %]∙10–3,
где G и φ — соответственно расход приточного воздуха и требуемая поддерживаемая в помещении влажность.
Приведенная формула оценочного расчета паропроизводительности действительна только для зимнего периода времени; дает наилучшие результаты при влажности в помещении 30 …70 % и при любых расходах воздуха.
Экспресс-метод расчета потребляемой пароувлажнителем мощности сводится к простой формуле и практически не имеет ограничений по использованию:
Nувл [кВт] = 0,7∙Pувл [кг/ч].
Пример расчета адиабатного увлажнителя
Данные приточной установки:
Расход приточного воздуха: Gпр = 700 м3/ч.
Параметры окружающей среды (стандартные расчетные условия):
Расчетное давление: Ррасч = 0,1 МПа.
Температура наружного воздуха: tнар = –26 °C.
Энтальпия наружного воздуха: iнар = –25,1 кДж/кг.
Влагосодержание наружного воздуха (определяется по I d-диаграмме): dнар = 0,42 г/кг.
Влажность наружного воздуха (определяется по I d диаграмме): φнар = 91 %.
Параметры внутренней среды:
Поддерживаемая в помещении температура: tпом = 24 °C.
Влажность, поддерживаемая в помещении: φпом = 50 %.
Влагосодержание воздуха в помещении (определяется по I d диаграмме): dпом = 9,4 г/кг.
Энтальпия воздуха в помещении (определяется по I d диаграмме): iпом = 48 кДж/кг.
Плотность воздуха в помещении (определяется по I d диаграмме): ρпом = 1,17 кг/м3.
Термодинамические данные:
Скрытая теплота парообразования: rвода = 2500 кДж/кг.
Теплоемкость воздуха cвозд = 1,005 кДж/кг∙°C.
Расчет необходимой производительности увлажнителя.
К увлажнителю воздух поступает после предварительного нагрева. Мощность предварительного нагревателя ограничивается минимальным значением, таким, чтобы воздух после него в процессе адиабатного увлажнения смог принять количество влаги, требуемое для достижения влагосодержания dпом. По I d-диаграмме видно, что, как правило, первая ступень нагрева должна быть мощнее, чем в системе с изотермическим увлажнителем.
Для нашего примера можно принять температуру первого нагрева tнагр = 40 °C. Процесс нагрева происходит при постоянном влагосодержании, следовательно, влагосодержание нагретого воздуха равно влагосодержанию наружного (dнар). Таким образом, в увлажнитель попадет воздух с параметрами:
Температура воздуха после нагревателя: tнагр = 40 °C.
Влагосодержание воздуха: dнагр = dнар dнагр = 0,42 г/кг.
Энтальпия воздуха (определяется по I d-диаграмме): iнагр = 41,3 кДж/кг.
Влажность воздуха (определяется по I d-диаграмме): φнагр = 1 %.
Плотность воздуха (определяется по I d-диаграмме): ρнагр = 1,11 кг/м3.
Целью адиабатного увлажнителя является увеличение влагосодержание воздуха до заданного значения (dпом) с целью последующего нагрева до требуемой температуры tпом и, таким образом, достижения заданной влажности φпом.
Энтальпия воздуха после увлажнения: iад_увл = iнагр iад_увл = 41,3 кДж/кг
Влагосодержание воздуха: dад_увл = dпом dад_увл = 9,4 г/кг.
Температура воздуха (определяется по I d диаграмме): tад_увл = 17,4 °C.
Влажность воздуха (определяется по I d диаграмме): φад_увл = 75 %.
Плотность воздуха (определяется по I d диаграмме): ρад_увл = 1,20 кг/м3.
Разность влагосодержаний воздуха в помещении и после нагревателя:
Dувл = dад_увл — dнагр.
Dувл = 8,98 г/кг.
Необходимая производительность увлажнителя:
Pувл = dувл∙Gпр∙ (ρнагр + ρпом)/2.
P увл = 7,4 кг/ч.
Мощность для адиабатного увлажнителя не рассчитывается, так как процесс увлажнения изоэнтальпийный и, соответственно, затраты энергии равны нулю.
Теперь остается определить мощность второго нагревателя, необходимого для догрева увлажненного воздуха до заданной температуры tпом:
Nнагр2 = cвозд ∙ Gпр ∙ ρпом ∙ (tпом — tад_увл).
Nнагр2 = 1,5 кВт.
Выводы
Итак, под созданием комфортных условий подразумевается не только поддержание заданной температуры, но и контроль влажности. Вопросы увлажнения в разных аспектах важны как в холодный, так и в летний период года.
Так, зимой влагосодержание уличного воздуха мало (менее 1 г/кг) и после подогрева воздуха в калориферах на выходе получается сухой поток (относительная влажность не выше 5 %). Увлажнение воздуха может осуществляться адиабатным или изотермическим методом в зависимости от вида вентиляционного оборудования и других факторов.
В летний период увлажнение приточного воздуха практически неактуально, разве что использование эффекта охлаждения и увлажнения адиабатных увлажнителей в условиях сухого климата. Однако интерес представляет адиабатное охлаждение воздуха, охлаждающего наружные блоки систем кондиционирования (конденсаторы чиллеров, выносные конденсаторы, компрессорно-конденсаторные блоки, драйкулеры). Эта тема будет более подробно освещена в следующих номерах журнала.
Кроме того, отдельной темой является использование прецизионных кондиционеров со встроенными увлажнителями, что актуально для промышленных и телекоммуникационных объектов, какими, например, являются центры обработки данных. Об этом также будет рассказано в ближайших выпусках.
Юрий Хомутский, технический редактор журнала «Мир климата»
Статья скопирована с сайта: www.hvac-school.ru
