Влажный воздух. Осушение воздуха.

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.

• 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.

  ---

  Пример. Осушение (расход конденсата) кондиционером из примера №2 составит (d1-d3)*G*ρ = (9.3-7.6)*540*1.2 = 1102г/ч = 1.1кг/ч. Вывод. Бытовой кондиционер в среднем на 1кВт полной холодопроизводительности генерирует 0.4кг/ч=0.4л/ч конденсата.

  ---

• 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.

  ---

  Пример. До какой температуры прогреется воздух с параметрами 24С и 50%, максимально осушенный адсорбционным методом? Процесс осушения пойдет по изоэнтальпе i=48кДж/кг в сторону снижения влагосодержания до d=0.03г/кг. Температура в точке i=48кДж/кг,d=0.03г/кг составит t=48С.

  ---

  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.

• 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).

• 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:

• 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).

• 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).

• 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.