МЕТОДЫ ОХЛАЖДЕНИЯ И НАГРЕВАНИЯ, ОСУШЕНИЯ И УВЛАЖНЕНИЯ ВОЗДУХА, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ТЕХНИКЕ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ

Воздух охлаждают с помощью специальных теплообменных аппаратов—воздухоохладителей, которые бывают двух типов: поверхностные «сухие» и «мокрые». В «сухих» поверхностных охладителях воздух приходит в контакт с охлаждающей поверхностью гладких или ребристых труб, через которые пропускаются холодная вода, рассол или холодильный агент. В «мокрых» воздухоохладителях воздух охлаждается при соприкосновении его с каплями холодной воды (которая разбрызгивается с помощью форсунок в специальной камере) или со смоченной поверхностью слоя фарфоровых или металлических колец, орошаемых холодной водой или рассолом. В некоторых случаях для охлаждения воздуха используют натуральный дробленый лед, через слой которого пропускается охлаждаемый воздух.

Воздух может охлаждаться только в том случае, когда температура охлаждающих поверхностей будет ниже его температуры. Если температура поверхности «сухого» -воздухоохладителя ниже температуры охлаждаемого воздуха по сухому термометру, но выше температуры точки росы, то процесс охлаждения происходит при постоянном влагосодержании; от воздуха отводится только явное тепло, вследствие чего его температура будет понижаться. Если же температура поверхности «сухого» воздухоохладителя ниже температуры точки росы, то процесс охлаждения уже не протекает по линии d = const, а станет сопровождаться конденсацией водяных паров из воздуха. В этом случае воздух будет не только охлаждаться, но и осушаться.

При непосредственном контакте воздуха с капельками разбрызгиваемой воды или смоченной поверхностью колец изменение состояние его будет зависеть от температуры. Если температура воды ниже температуры воздуха по мокрому термометру, но выше температуры точки росы, то температура воздуха, приходящего в соприкосновение с водой, будет понижаться. При этом вследствие происходящего испарения воды содержание влаги в воздухе будет увеличиваться, а теплосодержание его будет понижаться. Последнее объясняется тем, что количество скрытого тепла, поступающего в воздух с водяными парами, меньше количества явного тепла, отданного воздухом при соприкосновении с водой.

Когда температура воды ниже температуры точки росы охлаждаемого воздуха, будет происходить охлаждение и осушение его точно так же, как и при контакте воздуха с твердыми охлаждающими поверхностями. Когда температура охлаждающей воды равна температуре точки росы, то охлаждение не насыщенного водяными парами воздуха могло бы происходить без выпадения конденсата или увлажнения воздуха, т. е. происходил бы чистый теплообмен без влагообмена. Последнее легко можно объяснить с помощью I — d-диаграммы. Если обратиться к рис. 45, на котором точка 1соответствует начальному состоянию охлаждаемого воздуха, а точка 2— состоянию воздуха в пограничном слое над поверхностью капель или пленки воды, имеющей температуру t₂= tp, то видно, что процесс охлаждения воздуха изображается прямой 1―2, направленной по линии d=const .

Наличие разности температур Δt = t₁—t₂вызывает явный теплообмен между воздухом и водой. Что же касается влагообмена, то отсутствие потенциала переноса влаги (Δp = p₂ - p₁ = 0) исключает какой-либо перенос влаги.

При температуре разбрызгиваемой воды (пленки), равной температуре мокрого термометра, охлаждаемый воздух, приходя в соприкосновение с поверхностью воды, будет отдавать явное тепло, и температура его будет понижаться. Однако температура воды, несмотря на происходящий теплообмен, будет в этом случае оставаться постоянной и равной температуре мокрого термометра (так как тепло, отданное воздухом, полностью расходуется на испарение влаги, которая, поступая в парообразном состоянии в воздух, возвращает ему это тепло, но только в скрытом виде). Таким образом, в этом случае воздух понижает свою температуру, отдавая явное тепло при соприкосновении с водой, и вместе с тем увлажняется.

Теплосодержание воздуха в этом процессе сохраняется почти постоянным, поэтому такие процессы тепло- и влагообмена принято называть адиабатическими.

Изложенное наглядно иллюстрирует рис. 46, на котором точка 1 характеризует начальное состояние воздуха. Значение углового коэффициента луча процесса изменения состояния воздуха при контакте с водой, имеющей температуру, равную t_м, согласно выражению (I-69), будет равно ε = t_м. Проведя через точку 1 луч процесса с угловым коэффициентом ε = t_м до пересечения с линией φ =100%, получим точку 2, изотерма которой соответствует температуре мокрого термометра t_м. При теоретическом процессе точка 2 определяет конечное состояние воздуха после его контакта с водой.

Анализируя сделанное построение, можно констатировать, что при малых значениях t_м процесс будет настолько близок к адиабатическому, что без особой погрешности можно принимать ε = t_м1 = 0, т. е. будем считать, что изменение состояния воздуха совершается по прямой I=const (как это обычно принимается в практических расчетах кондиционирования воздуха). Потенциалом переноса тепла в этом случае является Δt = t₁-t_m1, а потенциалом переноса влаги Δp = p₂-p₁ .

Рис. 46. Адиабатический процесс обработки воздуха

Принцип рассмотренного адиабатического процесса широко используется для снижения температуры приточного воздуха в летнее время в районах с пониженной относительной влажностью наружного воздуха.

Последнее объясняется тем, что чем меньше влажность наружного воздуха, тем на большее число градусов можно снизить его температуру, применяя адиабатический процесс. Однако при этом надо иметь в виду, что в результате такой обработки воздух принимает относительную влажность, близкую к 100%. Поэтому использовать такой приточный воздух можно только для помещений со значительным выделением в них явного тепла и незначительным выделением влаги.

Увлажнять воздух можно путем разбрызгивания воды при температуре, значительно превышающей температуру увлажняемого воздуха по сухому термометру. В этом случае испарение влаги будет происходить за счет тепла остывающих при соприкосновении с воздухом капель воды. Наличие разности температур между капельками воды и воздухом будет вызывать явный теплообмен, сопровождающийся повышением температуры воздуха. Полное теплосодержание воздуха увеличится по сравнению с начальным как за счет явного, так и скрытого тепла, перенесенного в воздух вместе с водяным паром.

В некоторых случаях воздух увлажняют путем непосредственного подмешивания к нему водяного пара. Выше было показано (см. выражение 1-35), что этот процесс характеризуется угловым коэффициентом ε = i_п (где i_п — теплосодержание водяного пара). Величина i_п при нормальном барометрическом давлении и температуре 100° имеет величину 639 ккал/кг. При таком значении ε процесс увлажнения будет сопровождаться весьма незначительным повышением температуры воздуха.

При использовании для целей увлажнения перегретого пара можно значительно повысить температуру воздуха и тем самым избежать необходимости в специальном устройстве для дополнительного подогрева воздуха. Однако следует заметить, что пар для целей кондиционирования воздуха применяется весьма редко из-за свойственного ему неприятного специфического запаха.

Охлаждать и увлажнять воздух можно также с помощью перегретой воды. Принцип охлаждения воздуха в этом случае основан на использовании эффекта испарения при вскипании распыляемой перегретой воды. Расход тепла на парообразование в этом случае, как показали исследования, превышает теплосодержание разбрызгиваемой перегретой воды, вследствие чего недостающее количество тепла возмещается за счет явного тепла воздуха, температура которого при этом понижается. Испарившаяся вода поступает в воздух и повышает его влагосодержание.

Нагревать воздух можно с помощью калориферов, в которых нагревающей поверхностью служат гладкие или оребренные трубы. Процесс нагревания воздуха в калорифере, как это известно из предыдущего, протекает при постоянном влагосодержании. Однако с повышением температуры воздуха его относительная влажность падает.

Иногда для осушения воздуха применяют твердые или жидкие влагопоглощающие вещества. Процесс осушения в случае применения влагопоглощающих веществ обычно сопровождается повышением температуры осушаемого воздуха вследствие перехода скрытого тепла (при конденсации водяных паров) в явное.