1. Понятие воздуха с точки зрения термодинамики
2. Влагосодержание, или абсолютная влажность.
3. Парциальное давление.
4. Относительная влажность.
5. Удельная теплоемкость и энтальпия воздуха.
6. Удельная теплоемкость и энтальпия воды.
7. Процесс парообразования.
8. Процесс парообразования. Испарение воды.
9. Процесс парообразования. Кипение воды.
10. Скрытая теплота парообразования.
11. Насыщенный пар.
12. Адиабатическое испарение воды.
13. Методы процесса увлажнения воздуха.
14. Изотермическое увлажнение воздуха.
15. Адиабатическое увлажнение воздуха.
16. Принципиальные различия изотермического и адиабатического
17. Увлажнители испарительного типа
18. Увлажнители распылительного типа: воздушно-водяные
19. Увлажнители распылительного типа: водяные
20. Сравнение системы испарительного типа и высоконапорной системы
21. Пример расчета производительности системы увлажнения воздуха.
22. Адиабатическое охлаждение воздуха с помощью системы увлажнения.

1. Понятие воздуха с точки зрения термодинамики.

Воздух, которым мы дышим, представляет собой смесь газообразных элементов и соединений и водяной пар, доля которого зависит от температуры воздуха и соответствующей влажности.

Понятие «влажный воздух» с точки зрения термодинамики определяют, как двухкомпонентную смесь.

Компонент 1: сухой воздух, состоящий из смеси газов

Компонент 2: водяной пар

Водяной пар легче воздуха. Например, плотность насыщенного пара при нормальном атмосферном давлении и температуре 0°С 0,00493 кг/м³, а воздуха 1,293 кг/м³.

2. Влагосодержание, или абсолютная влажность.

Абсолютная влажность это количество водяного пара x (г или кг), содержащееся в 1 кг сухого воздуха.

x = m_D / m_L, в кг водяного пара/кг сухого воздуха (1)

3. Парциальное давление.

В технике кондиционирования воздуха работают с таким параметром, как абсолютная влажность x.

В метеорологических же таблицах используют в качестве характеристической величины парциальное давление p_D.

Выведем зависимость абсолютной влажности от парциального давления.

Если допустить, что компоненты смеси «влажного воздуха» ведут себя как идеальные газы, то для смеси, как и для отдельных ее компонентов, имеет силу уравнение состояния для идеальных газов:

P·V = m·R·T (2)

Парциальное давление – давление газа (пара) в смеси, которое он оказывал бы при данной температуре, если бы он один занимал объем смеси.

Закон Дальтона: p = p₁ + p₂ + … + p_n (3)

Сумма парциальных давлений от p₁ до p_n компонентов от 1 до n равна полному давлению смеси.

Для влажного воздуха, согласно закона Дальтона (3) имеем:

p = p_L + p_D, где      (4)

p_L – парциальное давление сухого воздуха;

p_D – парциальное давление водяного пара.

При использовании уравнения (2) для сухого воздуха и водяного пара с учетом высказывания Дальтона получаем для компонентов водяного пара:

p_D ·V = m_D·R_D·T (5)

для компонентов сухого воздуха

p_L ·V = m_L·R_L·T (6)

Соотношение масс компонентов согласно формуле (1) может быть описано через выражение:

m_D / m_L = p_D / p_L ·R_D / R_L

Значения газовых постоянных равны  R_D = 461,5 Дж/кг·К и R_L = 287,1 Дж/кг·К

Получаем следующее уравнение зависимости абсолютной влажности от парциального давления:

x = 0,6221 p_D / p_L

и соответственно

x = 0,6221 p_D / p — p_D (7)

где p_D – парциальное давление водяного пара.

4. Относительная влажность.

Сухой воздух и водяной пар не подлежат безграничному смешиванию. Каждому значению температуры соответствует максимальное количество водяных паров, которое может содержаться в воздухе, и определенное парциальное давление этих паров.

Относительная влажность это отношение существующего парциального давления водяного пара к давлению насыщения при равной температуре.

φ = p_D / p_S

Температура, при которой начинается конденсация избыточного количества водяных паров, называется температурой «точки росы», а воздух, в котором начинается конденсация, называется насыщенным.

При понижении температуры ниже «точки росы» воды из воздуха выделяется в виде конденсата или тумана, т.е. абсолютная влажность x становится меньше.

5. Удельная теплоемкость и энтальпия воздуха.

Удельная теплоемкость показывает какое количество теплоты, необходимо для повышения температуры вещества массой 1 кг на 1 К.

Q = m·c·Δt (8)

в уравнении (8) с (кДж/кг·К) есть зависимая от температуры средняя удельная теплоемкость вещества.

Для сухого воздуха с_L ≈ 1,005 кДж/кг·К

Для водяного пара с_D ≈ 1,858 кДж/кг·К

Полная энтальпия влажного воздуха рассчитывается как:

h = m_L·h_L + m_D·h_D

m_L

Поскольку x = m_D / m_L, энтальпия воздуха равняется:

h = h_L + x· h_D или h = с_L·t + x·(с_D·t + r₀)

Для расчета энтальпии водяного пара имеет силу упрощенная формула: h_D ≈  с_D·t + r₀

где: с_D – средняя удельная теплоемкость водяного пара в пересчете на 0ºС (кДж/кг·К)

r₀ – теплота парообразования воды в пересчете на 0ºС (2500 кДж/кг)

Для расчета энтальпии сухого воздуха: h_L = с_L·t

Подставляя значения, в уравнение расчета полной энтальпии воздуха, получаем формулу:

h = 1,005·t + x·(1,858·t + 2500) или в приближенном варианте:

h ≈ t + x·(1,86·t + 2500) кДж/кг сухого воздуха

6. Удельная теплоемкость и энтальпия воды.

Энтальпия (теплосодержание) воды определяется количеством тепла, которое нужно затратить для нагрева 1 кг воды от 0ºС до заданной температуры.

Энтальпия – функция термодинамической системы, равная сумме внутренней энергии и произведения объема на давление.

Для воды удельную теплоемкость с достаточной для практических расчетов точностью принимают равной с=4,2 кДж/кг·К или 1 ккал/кг·Сº, т.к. удельная теплоемкость воды слабо зависит от температуры.

Количество теплоты (Q, ккал), которое необходимо сообщить телу (например, нагреваемой в котле воде) для повышения его температуры от t₁ до t₂, равно произведению массы тела (m, кг), его удельной теплоемкости (с, ккал/кг·Сº), разности конечной t₂  и начальной t₁ температуры тела (Сº).

Пример: Циркуляция воды через водогрейный котел составляет 300 т/ч. Температура воды на входе в котел 70Сº, а температура воды на выходе из котла 100 Сº. Найти часовую производительность котла.

Q = m·c·(t₂ — t₁) = 300·10³ · 1000 · (100 – 70) = 9·10⁹ = 9 Гкал/час

7. Процесс парообразования.

Парообразованием называется процесс превращения жидкости в пар.

Жидкость может превращаться в пар при испарении и кипении.

8. Процесс парообразования. Испарение воды.

При испарении образование пара происходит только с поверхности воды, и этот процесс имеет место быть при любой температуре.

Испарение воды может быть полным, если над водой находится неограниченное пространство.

В природе процесс испарения воды осуществляется в гигантских масштабах в любое время года: испарение в  реках, морях и океанах.

При нагревании воды повышается ее температура и возрастает интенсивность испарения.

9. Процесс парообразования. Кипение воды.

При некоторой вполне определенной температуре, зависящей от давления, под которым находится вода начинается парообразование по всей массе воды. При этом внутри объема воды образуются пузырьки пара. Это явление называется кипением жидкости. Давление получающегося при этом пара такое же, как и среды, в которой происходит кипение.

Во время кипения воды, находящейся в открытом сосуде, температура ее остается неизменной, а вся вода при достаточном подводе тепла превращается в пар.

При достижении водой температуры кипения образуются небольшие паровые пузырьки, которые всплывают к поверхности воды, преодолевают силы поверхностного натяжения и вырываются в паровое пространство.

Объем пара при этом больше испарившейся воды примерно в 1700 раз.

10. Скрытая теплота парообразования.

Тепло, расходуемое на превращение кипящей воды в пар, называется скрытой теплотой парообразования, а это тепло, отнесенное к 1 кг воды, называется удельной теплотой парообразования.

Чтобы нагреть 1 кг воды при барометрическом давлении от 0ºС до 100ºС, требуется затратить примерно 100 ккал тепла, а скрытая теплота парообразования при этом равна примерно 500 ккал, т.е. в 5 раз больше.

Энтальпия насыщенного пара равна сумме энтальпии воды при температуре кипения и скрытой теплоты парообразования.

11. Насыщенный пар.

Пар, образующийся в присутствии кипящей воды, содержит капельки жидкости, и его называют влажным насыщенным паром. Удаление частиц воды из пара называется сепарацией.

Если продолжать нагревать сухой насыщенный пар, то температура его будет расти и станет выше температуры насыщения при том же давлении. Такой пар называют перегретым. Получают перегретый пар в специальном устройстве котла – пароперегревателе.

Перегретый пар при снижении температуры не конденсируется до момента достижения температуры насыщенного пара при том же давлении. С дальнейшим понижением температуры происходит конденсация водяных паров.

12. Адиабатическое испарение воды.

Переход воды из жидкого состояния в газообразное (пар) сопровождается поглощением теплоты испарения Q_и.

L_и = Q_и/m

Удельная теплота испарения воды L_и — это количество теплоты, необходимое, чтобы перевести 1 кг воды в парообразное состояние при постоянной температуре.

Удельная теплота испарения воды зависит от температуры, при которой испаряется вода. Эта зависимость определяется следующей эмпирической формулой:

L_и = (25 – 0,024t_в) 10⁵

где 25·10⁵ Дж/кг — удельная теплота испарения при температуре поверхности воды, равной 0°С; t_в — температура испаряющейся воды.

Источником ее обычно служит внутренняя энергия самой жидкости, поэтому при испарении она охлаждается.

Тепловые показатели воды аномальны по сравнению с аналогичными характеристиками других веществ.

Это обстоятельство обязано ее структуре, обусловленной водородными связями между молекулами, характеризующимися большей прочностью, чем межмолекулярные взаимодействия. Например, большая теплоемкость воды может быть объяснена только распадом ассоциированных молекул при нагревании. Так как распад этих молекул сопровождается поглощением энергии, то при нагревании воды теплота расходуется не только на повышение температуры, но и на распад ассоциированных молекул.

13. Методы процесса увлажнения воздуха.

Наибольшее практическое применение увлажнения воздуха получили два основных метода увлажнения:

Увлажнение воздуха
Изотермическое	Адиабатическое
при постоянной температуре ΔТ = 0	при постоянной энтальпии ΔQ = 0

14. Изотермическое увлажнение воздуха.

Способы изотермического увлажнения:

— паровое увлажнение

Изотермическое увлажнение происходит при постоянной температуре.

В воздух непосредственно поступает насыщенный пар.

Фазовый переход воды из жидкого в парообразное состояние осуществляется за счет внешних источников тепла.

Например, выделяемого тепла за счет прохождения электрического тока через воду (содержащую определенное количество минеральных солей).

С увеличением абсолютного влагосодержания энтальпия образуемой при этом водо-воздушной смеси растет путем увеличения скрытой составляющей тепла. При этом температура, характеризуемая явной составляющей тепла, остается неизменной.

15. Адиабатическое увлажнение воздуха.

Способы адиабатического увлажнения:

— испарительного типа

— распылительного типа (воздушно-водяной)

— распылительного типа (водяной)

— ультразвуковое увлажнение

Адиабатическое увлажнение воздуха происходит при постоянной энтальпии.

Фазовый переход из жидкого в парообразное состояние осуществляется путем свободного испарения воды.

При этом имеет место внутренний переход части явного тепла в скрытое тепло.

16. Принципиальные различия изотермического и адиабатического увлажнения воздуха

Большее энергопотребление, за счет компенсации скрытой теплоты испарения воды в ходе парообразования за счет внешних источников энергии.
Процесс парообразования происходит за счет внутреннего перераспределения энергии.

Изотермическое	Адиабатическое
Проще реализуется аппаратно	Требуется подготовленная вода
Генерация 10кг влаги требует 7,5 кВт*ч потребляемой энергии.	Генерация 10кг влаги требует 0,04 кВт*ч потребляемой энергии.

В связи с тем, что адиабатическое увлажнение является более экономичным, как минимум на 1-2 порядка, изотермическое увлажнение чаще используется для создания комфортных условий в быту, где дефицит влаги, как правило, не превышает 100 кг/ч.

Компания ЕС Инжиниринг охватываем множество индустриальных направлений по созданию микроклимата в помещениях путем увлажнения воздуха. Решить все задачи увлажнения воздуха однотипной системой невозможно, поэтому мы предлагаем несколько типов адиабатических систем увлажнения воздуха:

• Система увлажнения внутри вентиляции
• Система увлажнения открытым способом в помещении
• Локальное увлажнение воздуха
• Увлажнение «сухой туман»
• Адиабатическое охлаждение воздуха

17. Увлажнители испарительного типа

Система реализуется в системах вентиляции.

В увлажнителях испарительного типа воздух прокачивается через панели, заполненные смачиваемой водой насадкой, в результате чего за счет пленочного испарения происходит насыщение воздуха парами воды.

Есть два варианта конструктивного исполнения увлажнителей данного типа:

— с рециркуляцией воды

— без рециркуляции воды

Основные принципиальные недостатки увлажнителей испарительного типа:

— отсутствие возможности регулирования количества испаряемой влаги с приемлемой точностью

— с рециркуляцией воды возникает опасность размножения бактерий в системе

— без рециркуляции воды только 15-30% воды используется по прямому назначению, т.е. испаряется и увлажняет обрабатываемый воздух, остальная часть воды идет в канализацию

— с рециркуляцией воды — 30-90%  воды идет на промывку мембран увлажнителей для очистки их от соли и примесей

Производителями указываются в спецификации коэффициенты эффективности испарителей:

под этим подразумевается коэффициент эффективности мембраны, т.е. сколько теоретически испариться в воздух влаги в сравнении с количеством подаваемой воды.

Этот коэффициент не показывает долю обеспечения относительной влажности в помещении от количества используемой воды.

Компания ЕС Инжиниринг не рекомендует применение испарительных увлажнителей по причине опасности размножения бактерий и проблем с гигиеной внутри вентиляции.

18. Увлажнители распылительного типа: воздушно-водяные

Увлажнители распылительного типа (воздушно-водяные) осуществляют распыление воды через форсунки, к которым подводятся по отдельным трубопроводам вода и сжатый воздух.

Принцип работы: в увлажнитель поступает сжатый воздух и вода; методом инжекции вместе со сжатым воздухом она выходит через форсунку наружу. За счет резкого перепада давления смесь воздуха и воды расширяется, и вода мгновенно превращается в пар.

Установка данных увлажнителей целесообразна при производительности до 200 л/ч.

Для работы данной системы увлажнения необходим компрессор. Такие увлажнители создают шум при работе.

Компания ЕС Инжиниринг предлагает разновидность увлажнителя на сжатом воздухе «сухой туман», который совсем не дает конденсации. Это единственная система представленных на рынке, в которой вода от форсунок может попадать на трубопроводы, материалы и конденсации не будет.

19. Увлажнители распылительного типа: водяные

Увлажнители распылительного типа (водяные) осуществляют распыление воды высокого давления (70 бар) через форсунки. Такие системы называются высоконапорные системы увлажнения воздуха.

Благодаря минимальному энергопотреблению систем — 5 Вт на 1 л воды — высоконапорные системы являются наиболее подходящей технологией увлажнения больших (>10.000 м³/ч) и очень больших объемов воздуха (>500.000 м³/ч) помещений.

Принцип работы: насос создает давление воды 70 бар, вода выходит в пространство через отверстие форсунки Ø 0,1-0,2 мм, из-за резкого перепада давления,  вода дробится на мелкую дисперсию и превращается в пар.

Широкий диапазон производительности оборудования, от 60 л/ч до 50000 л/ч, решает любые задачи увлажнения на производстве.

Системы безопасны с точки зрения санитарии, т.к. вода находится в замкнутом пространстве и не имеет контакта с воздухом. Для форсунок требуется очищенная вода.

Компания ООО «ЕС Инжиниринг» изготавливает, монтирует системы увлажнения воздуха высокого давления из комплектующих Danfoss. Насосы высокого давления компании Danfoss серии PAHT это единственные насосы, представленные на рынке, которые работают без смазки маслом, поэтому требуют минимального обслуживания и работают минимум 8000 часов! без обслуживания.

20. Сравнение системы испарительного типа и высоконапорной системы увлажнения воздуха

Испарительный тип

Увлажнители устанавливаются в внутри вентмашины системы вентиляции, т.е. требуется наличие вентмашины.

Кроме того, процесс увлажнения воздуха будет происходить только при работающей вентмашине в отличие от увлажнителей, распыляющих влагу непосредственно в помещении, которым не нужна вентмашина. При применении увлажнения в вентмашине требуется подогрев воздуха перед секцией увлажнения для того, чтобы водяной пар мог полностью испариться и не конденсировал ниже точки росы.

Для испарительных увлажнителей обычно требуется два калорифера, основной до секции увлажнения и калорифер доводчик требуемых параметров воздуха, после секции увлажнения.

Основные недостатки систем испарительного типа:

— нельзя регулировать количества испаряемой влаги с приемлемой точностью

— с рециркуляцией воды возникает опасность размножения бактерий в системе

— без рециркуляции воды только 15-30% воды используется по прямому назначению, т.е. испаряется и увлажняет обрабатываемый воздух, остальная часть воды идет в канализацию

— с рециркуляцией воды — 30-90%  воды идет на промывку мембран увлажнителей для очистки их от соли и примесей

Высоконапорная система.

Реализуется как в составе вентустановки так и для объемного увлажнения непосредственно внутри помещения.

Единственный недостаток системы: для эксплуатации требуется подготовленная вода.

Позволяет с большой точностью поддерживать относительную влажность в помещении.

Вода в системе увлажнения не застаивается, т.е. нет опасности размножения бактерий.

21. Пример расчета производительности системы увлажнения воздуха.

Исходные параметры:

Подаваемый воздух снаружи: t_нар = 0 ºС; φ_нар = 60%

V_вент = 6000 м³/час

t_воды = 8 ºС

Требуемые параметры:

Воздух в помщении: t_внутр = 22 ºС; φ_внутр = 60%

Находим, что x_нар = 2,29 г/кг; x_внутр = 10,1 г/кг

m_воды = V_вент · ρ_возд · (x_внутр — x_нар)

m_воды = 6000 м³/час · 1,2 к/м³ · (10,1 – 2,29) г/кг · 10^-3 = 56 л/час

22. Адиабатическое охлаждение воздуха с помощью системы увлажнения.

Используется в летний период времени для понижения «пиковых» температур уличного воздуха выше 25°С,  который идет на охлаждение теплообменных аппаратов.

Где применяется:

• Наружные блоки кондиционеров
• Рекуператоры вентмашин
• Аппараты воздушного охлаждения (АВО)
• Открытое воздушное пространство бытовых и промышленных помещений

В теплый период времени адиабатическое охлаждение позволяет понизить температуру приточного воздуха до 10 °C.

Можно использовать, как дополнительный эффект охлаждения воздуха взамен традиционного, что позволяет значительно экономить энергоресурсы.