Практически во всех регионах России при нагреве воздуха в зимний период до комнатной температуры 20°С относительная влажность в холодный период при отсутствии искусственного увлажнения становится ниже, чем в пустыне Сахара. Недостаток влаги воздуха не только ухудшает самочувствие людей, но и приводит к нарушениям технологического процесса, снижению качества продукции, увеличению выхода брака и в ряде случаев создает угрозу безопасности обслуживающего персонала.

Создание комфортных условий

Современная жизнь заставляет человека значительную часть суток проводить в помещении, будь то квартира, офис, производственные цеха и т.п. В среднем городские жители более 90% времени находятся внутри зданий, испытывая воздействие искусственной окружающей среды. Создание комфортных условий является залогом здоровья. Если обогрев, вентиляция, освещение и водоснабжение в большинстве случаев обеспечиваются в той или иной степени, то проблема поддержания необходимого уровня влажности в помещениях зачастую решается по остаточному принципу или не решается вовсе. Вместе с тем, фактор влажности играет значительную роль, являясь полноправной составляющей триады основных показателей степени комфорта (температура воздуха – его подвижность – влажность). Математически формализованная взаимосвязь указанных показателей по 6-балльной шкале оценки уровня комфорта определяется международным стандартом ISO 7730 с использованием вычисляемых индексов PMV и PPD. Известно, что человеческое тело на 85% состоит из воды, и поэтому сохранение баланса влажности – одно из основных условий сохранения здоровья и хорошего самочувствия.

Особую роль увлажнение воздуха играет в зимний период, когда, даже при высокой относительной влажности атмосферного воздуха, его абсолютное влагосодержание является, как правило, чрезвычайно низким. Поступая в помещение, воздух нагревается. При этом его абсолютное влагосодержание остается неизменным, а относительная влажность резко падает. Для поддержания относительной влажности на приемлемом уровне требуется искусственное увлажнение воздуха, причем зачастую достаточно интенсивное.

Указанное положение наглядным образом иллюстрируется на приведенном ниже рисунке 1.

1 (1)

Результаты более детальных расчетов представлены на графиках.

1 (2) 1 (3) 1 (4) 1 (5)

Используя климатические данные по параметрам “А” и “Б”, приведенные в СНиП 2.04.05-91* “Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха”, произведен расчет дефицита влаги в помещении, определяющий потребное количество влаги в граммах, которое необходимо добавить каждому килограмму воздуха, поступающему в помещение для достижения заданной влажности при комнатной температуре 200С.

Актуальность проблемы увлажнения воздуха иллюстрируется графиками относительной влажности в помещениях в расчете на климатические данные по параметрам “А” и “Б” для некоторых городов России.

Приведенные данные свидетельствуют, что практически во всех регионах России относительная влажность в холодный период при отсутствии искусственного увлажнения опускается существенно ниже регламентируемых значений. Последние составляют в среднем 50-60%. В регионах с резко континентальным климатом при нагреве воздуха в зимний период до комнатной температуры 200С относительная влажность падает практически до 0%. Для сравнения следует указать, что относительная влажность воздуха в пустыне Сахара не опускается ниже 15%!!!

Помимо обеспечения комфорта поддержание необходимого уровня влажности является также чрезвычайно важным с санитарно-гигиенической точки зрения. Известно, что бактериальная флора (pneumococcus, staphylococcus, streptococcus) угнетается в 20 раз интенсивнее при относительной влажности воздуха от 45 до 55%, чем при влажности воздуха выше 70% и ниже 20%.

Основные физиологические признаки пониженной влажности воздуха:

  • Сухость во рту, постоянное чувство жажды.
  • Першение в гортани.
  • Воспаление глаз.
  • Натирание слизистых оболочек глаз контактными линзами. Поскольку линзы обладают достаточной гигроскопичностью, они поглощают и выделяют влагу с поверхности глаз. Если воздух очень сухой, то линзы быстро высыхают и деформируются. Помимо этого, иссушение поверхности приводит к образованию вязкой пленки, которая мешает веку очищать линзу при моргании. Эта же пленка способствует ускоренному скоплению белков и бактерий, что приводит к инфицированию глаз. Исследования глазных инфекций, возникающих при ношении контактных линз, показывают существенный рост числа этих заболеваний в зимний период.
  • Раздражение носовых пазух.
  • Потеря эластичности кожи.
  • Возникновение экзем, выражающихся в ороговении верхнего слоя кожи, которая становится склонной к воспалению.
  • Растрескивание слизистых оболочек губ.
  • Учащенные приступы астмы.
  • Повышенная инфекционная и респираторная заболеваемость, обусловленная снижением очищающей способности бронхиальной системы, ослаблением защитной функции респираторного эпителия и ослаблением иммунной системы за счет дегидратации организма.
  • Носовые кровотечения.
  • Хронические мышечные боли и боли в суставах.
  • Симптомы недостаточного потребления кислорода (плохая концентрация внимания, быстрая утомляемость).

Основные физические проявления пониженной влажности воздуха:

  • Электростатические разряды.
  • Расстроенные музыкальные инструменты.
  • Трещины на изделиях из дерева (мебель, внутренняя отделка помещений, паркет)
  • Повышенная запыленность.
  • Высыхание и нарушение электрической изоляции кабелей.

Поддержание требуемого уровня влажности на промышленных объектах

Необходимость увлажнения воздуха в отдельных отраслях промышленности обуславливается различными причинами.

В текстильной промышленности:

  • Пряжа при низкой влажности теряет свою эластичность, становится менее прочной и проявляет склонность к обрывам. При прохождении волокон через ткацкий станок, в случае пересушки они становятся ломкими и рвутся, приводя к простоям, снижению производительности труда и браку, который в ряде случаев достигает десятков процентов.
  • При обрыве волокон образуется пух, что часто приводит к загрязнению воздушной среды цеха, создавая недопустимую санитарно-гигиеническую обстановку. Особенно остро проблема стоит на хлопкопрядильных фабриках и в цехах по производству асбестовых тканей.

В типографском производстве:

  • При потере бумагой влаги она уменьшается в размерах. Это приводит к трудностям при совмещении красок, особенно при печати, использующей несколько прогонов.
  • Колебания влажности в течение рабочего дня вынуждают производить частую настройку матричных каландров, что приводит к снижению производительности труда и увеличению простоев дорогостоящего оборудования.
  • В стопке края бумаги сохнут гораздо быстрее, чем середина. Это приводит к короблению бумаги и соответственно к неправильной подаче бумаги и образованию складок. Эффективное увлажнение воздуха позволяет устранить эту проблему.
  • Статическое электричество, накапливающееся в сухой бумаге, усложняет процессы подборки, сортировки и укладки печатных листов. Эффективное увлажнение воздуха предотвращает накопление статических зарядов, устраняя эти недостатки.
  • Сухая бумага ломается на сгибах.
  • Обрыв сухой бумаги при рулонной печати происходит гораздо чаще.
  • При использовании инфракрасных или других сушек бумага подвергается большим термическим нагрузкам. Увлажнение воздуха существенно снижает этот эффект.
  • Эффективное увлажнение воздуха позволяет уменьшить запыленность помещения, тем самым, улучшая качество печати.
  • Поддержание необходимой влажности способствует снижению расхода краски (чернил), так как слишком сухая бумага поглощает избыточное их количество.
  • Увлажнение обладает сильным охлаждающим эффектом, что позволяет в летний период поддерживать нужную температуру в помещении при минимальных энергетических и капитальных затратах.

На деревообрабатывающих предприятиях:

  • При пересыхании древесины происходит образование поверхностных трещин, ее расслаивание, растрескивание и деформирование.
  • Пересушенная древесина поглощает растворяющие вещества из лакокрасочных покрытий, в результате чего поверхность становится шероховатой, имеет место потеря глянца.
  • Клеевые швы оказываются недолговечными, так как пересушенная древесина впитает растворитель до момента отвердевания клея.
  • Необходимо поддержание стабильной влажности воздуха, чтобы древесина сохраняла свои размеры в течение всего производственного цикла.

Фотолаборатории:

  • Большинство промышленных фотолабораторий оснащается системами увлажнения для устранения статического разряда, в результате которого происходит засветка
    пленки. Это особенно важно при проявлении медицинских рентгеновских снимков.

В квартирах, офисах:

  • Рассыхание мебели, отслоение инкрустации, панельной обшивки.
  • Накопление и разряды статического электричества, особенно при широком использовании синтетических отделочных материалов.
  • Высушенные волокна ковров ломаются от хождения по ним людей, в результате чего происходит преждевременный износ ковров и увеличивается содержание пыли.

На объектах коммунального назначения (музеи, библиотеки):

  • Ввиду высокой стоимости произведений искусства стабильность требуемых параметров окружающей среды играет немаловажную роль при их долгосрочном хранении. Линейные деформации картин приводят к образованию трещин в поверхностном слое. В силу этого многие передвижные выставки заранее оговаривают требуемый уровень влажности в качестве условия открытия выставки.

В электронной промышленности:

  • Электростатические заряды при относительной влажности воздуха менее 35% могут накапливаться до опасного уровня, создавая угрозу пробоя диэлектриков, что
    приводит к серьезным последствиям.
  • Эффективное увлажнение воздуха позволяет уменьшить запыленность помещения.
  • При производстве микросхем даже незначительное изменение размеров кремниевой пластины при фотомаскировании приводит к недопустимому относительному смещению маски, что является наиболее распространенной причиной брака.
  • В “чистых комнатах” критичным является содержание взвешенных в воздухе пылевых частиц. Например, обычное шелушение человеческой кожи в таком
    помещении может привести к катастрофическим последствиям.

В технологическом процессе точного литья:

  • Объектом внимания здесь служит не конечный продукт, а гигроскопические материалы, используемые в технологическом процессе. В точном литье по выплавляемым моделям сначала выполняется восковая матрица детали, которую затем погружают в фарфор. Во время сушки и отвердевания фарфора и воска, если воздух будет слишком сухим, то фарфор даст большую усадку, чем воск, и на модели появятся микротрещины. При заливке жидкий металл повторит все эти трещины и в результате получится отливка, уже не поддающаяся исправлению.

Ракетно-космические технологии:

  • На заводах таких компаний, как Boeing, McDonnel Douglas, Hughes Aircraft и Lockheed, регулирование уровня влажности стало первостепенной задачей после внедрения новых технологий “Стелс”. Антирадарное покрытие весьма чувствительно к деформациям в процессе сушки, потому что в результате слишком быстрого процесса высыхания верхнего слоя покрытия образуются трещины, через которые незащищенный металл отражает радиолокационные сигналы.
  • Недавняя катастрофа с челночным космическим аппаратом типа спейс-шаттл Columbia по возвращении на землю обусловлена потерей нескольких теплозащитных плиток. Согласно одной из версий проблема заключалась в том, что была нарушена технология нанесения клея, используемого для крепления теплозащитных плиток, по причине недостаточно эффективной системы поддержания требуемой влажности в производственном помещении.

Пищевая промышленность (холодильные камеры, сыроварение, винные погреба, хлебопечение):

  • Мясо сохраняет естественный цвет без применения нитратов, если его хранить в специальных морозильных камерах с повышенным уровнем влажности.
  • Если овощ или фрукт потеряет достаточно много влаги, то клетчатка сморщивается и никакое увлажнение уже не поможет, в связи с чем так важно поддерживать достаточный уровень влажности в местах хранения продуктов.

Сельскохозяйственное производство (теплицы, парники, инкубаторы)

  • Яйца теряют до 50 % веса в сухой атмосфере, поскольку скорлупа является пористым материалом. В инкубаторах сухость воздуха приводит к потере до 25% выводка даже после вылупления.
  • Сухой воздух нарушает нормальное состояние животных, что отрицательно сказывается на их способности к спариванию.

Оценка дефицита влаги

Оценка дефицита влаги и, соответственно, потребной производительности увлажнения зависит от наличия или отсутствия внутренних источников влаговыделения.
В последнем случае расчет производится по следующей формуле:

1 (6)(1)

где:
Q1 – дефицит влажности при отсутствии внутренних источников влаговыделения, кг/ч;
L – расход воздуха, м3/ч;
ρ – плотность воздуха (1,2 кг/м3 при нормальных условиях);
Xтреб – требуемое влагосодержание, г/кг;
Xатм – влагосодержание атмосферного воздуха, г/кг.

При наличии внутренних источников влаговыделений их интенсивность определяется на основе данных инструментальных измерений, при помощи следующей формулы:

1 (7)(2)

где:
q – внутренние влаговыделения, кг/ч;
Xсущ – существующее влагосодержание, г/кг.

Дефицит влажности в данном случае определится следующим образом:

1 (8)(3)

Подставляя (1) и (2) в (3), имеем

1 (9)(4)

Исходные данные, используемые в приведенных выше формулах, определяются следующими двумя способами:

  1. Xатм определяется на основе значений температуры воздуха и удельной энтальпии, которые приводятся в качестве климатических данных по параметрам “А” и “Б” для основных городов России и бывших советских республик в СНиП 2.04.05-91* “Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха”.
  2. Xтреб и Xсущ определяются на основе значений температуры воздуха и его относительной влажности. Xсущ предполагает проведение оответствующих инструментальных измерений.Xтреб основывается на нормативных значениях температуры воздуха и его относительной влажности, которые приводятся в спецификациях и технических условиях на используемое технологическое оборудование, а также в ведомственных требованиях и правилах, регламентирующих инженерное обеспечение соответствующих производств. Вне упомянутых выше производственных сфер, предъявляющих особые требования к поддержанию влажности воздуха, в обычной
    практике используются значения температуры воздуха и его относительной влажности, которые в качестве санитарно-гигиенических показателей, обеспечивающих
    достаточную степень комфорта, содержатся в ГОСТ 30494-96 “Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата”, а также в ГОСТ 12.1.005-88 “Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны”.

Оба указанных способа предварительных вычислений необходимых исходных данных реализуемы графоаналитическим образом с помощью i-d диаграммы. Вместе с тем, i-d диаграмма в ряде случаев не обеспечивает приемлемой точности. В связи с этим ниже приводятся формулы, с использованием которых возможен расчет влагосодержания воздуха обоими способами:

    1. Известны температура (t, 0С) и удельная энтальпия (h, кДж/кг) воздуха. Требуется определить его влагосодержание (X, г/кг). Простейший расчет производится с использованием следующей формулы:1 (13)(5)где:
      Cpa – удельная теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении при 00С (1 кДж/(кг 0С);
      Cpν – удельная теплоемкость паров воды при постоянном давлении при 00С (1,805 кДж/(кг 0С);
      hg – удельная энтальпия насыщенных водяных паров при 00С (2501 кДж/кг)

      В качестве примера в таблице 1 приведены результаты расчета для Москвы и Санкт-Петербурга.

      Таблица 1

tab1

  1. Известны температура (t, 0С) и относительная влажность воздуха (f, %). Требуется определить его влагосодержание (X, г/кг). Расчет сводится к использованию следующей последовательности формул:1 (10)(6)где:
    MV – молекулярная масса воды (0,01802 кг/моль);
    MA – молекулярная масса воздуха (0,02896 кг/моль);
    P – атмосферное давление (101330 Па на уровне моря);
    PV – парциальное давление паров воды, Па.

    1 (11)(7)

    где:
    PA – парциальное давление сухого воздуха, Па.

    1 (12)(8)

    где:
    PS – давление паров насыщения, Па.

    При температурах от 0 до 2000С:

    1 (14)(9)

    где:
    a = -5,8002206 • 103
    b = 1,3914993
    c = – 4,8640239 • 103
    d = 4,1764768 • 10-5
    e = -1,4452093 • 10-8
    f = 6,5459673
    T = t + 273,15 , 0K
    Подставляя (7-9) в (6), имеем

    1 (15)(10)

    В качестве примера в таблице 2 приведены результаты расчета допустимого влагосодержания на постоянных рабочих местах при выполнении работ различной степени тяжести.

    Таблица 2

    tab2