Влажный воздух. Охлаждение воздуха.

Охлаждение воздуха - процесс понижения его температуры. Рассмотрим  варианты реализации процесса охлаждения воздуха и области применения каждого из способов.

Для наглядности будет использована I-d диаграмма Рамзина влажного воздуха

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.

Увеличить

Пример №1. До какой температуры можно охладить поток воздуха 1000м3/ч, параметры 24С, 50% каждым из методов? Какие затраты потребуются? Из I-d диаграммы определяем: текущая энтальпия i1=48кДж/кг, влагосодержание d1=9.3г/кг. При изоэнтальпийном методе конечная точка 2: i2=i1=48кДж/кг, d2=12.3г/кг. Затрат энергии нет, затраты воды составят (d2-d1)*G*ρ/3600=(12.3-9.3)*1000*1.2/3600=1кг/ч. Температура составит 17С. При охлаждении холодным телом конечная точка 3: d3=d1=9.3г/кг, i3=37кД/кг. Влагозатрат нет, затраты энергии: (i1-i3)*G*ρ/3600=(48-37)*1000*1.2/3600=3.7кВт. Температура составит 13С. Вывод: Использование второго метода даёт выигрыш по температуре охлаждения 4С.

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. Рассмотрим её на примере.

Увеличить

Пример №2. Какова явная холодильная мощность бытового кондиционера холодопроизводительностью N=2.7кВт, пропускающего через себя расход воздуха G=540м3/ч? Параметры воздуха на входе 24С, 50%, плотность принять ρ=1.2кг/м3, теплоёмкость cp=1.005кДж/кг*С, температуру испарителя принять 9С. Из I-d диаграммы определяем: текущая энтальпия i1=48кДж/кг, влагосодержание d1=9.3г/кг. Процесс пойдет по линии 1-2 до некоторой точки 3. Определим её параметры. Энтальпия точки 3 составит i3=i1-3600*N/(G*ρ)=48-3600*2.7/(540*1.2)=33кДж/кг. Из I-d диаграммы определяем: d3=7.6г/кг, t3=13.3C. Итак, явная холодопроизводительность (затраченная непосредственно на охлаждение воздуха) составляет (t1-t3)*cp*G*ρ/3600=(24-13.3)*1.005*540*1.2/3600=1.9кВт. Оставшиеся 2.7-1.9=0.8кВт холодильной мощности затрачены на осушение воздуха. Вывод: Явная холодопроизводительность бытового кондиционера составляет около 70% от полной.

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:

• 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).

• 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).

• 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.