16.1. Выбор между адиабатическим и изотермическим увлажнением Для выбора наиболее экономичной системы увлажнения следует учитывать не только специальные требования к оборудованию (см. Главу 17), но и энергетические затраты на ее функционирование. Здесь будут рассматриваться два основных термодинамических процесса, используемые при увлажнении воздуха — адиабатический и изотермический: ? в адиабатном процессе скрытая теплота, необходимая для испарения воды, отбирается у увлажняемого воздуха, температура которого при этом понижается; ? в изотермическом процессе для изменения агрегатного состояния воды энергия подводится непосредственно к воде в генераторах пара. Если одновременно необходимо осуществлять увлажнение и охлаждение воздуха, то адиабатный процесс, несомненно, более выгоден, поскольку он обеспечивает двойной эффект, уменьшающий, а иногда и исключающий необходимость приобретения охлаждающего оборудования. Этот процесс называется «адиабатным охлаждением» и уже рассматривался в Главе 11 (см. раздел 11.2).Когда же появляется необходимость нагрева и увлажнения воздуха, как это бывает при кондиционировании воздуха зимой, адиабатный процесс не имеет никаких преимуществ в части экономии энергии, поскольку для сохранения полного баланса теплоты требуется подогрев воздуха до, после или в процессе его увлажнения в зависимости от используемого цикла (как будет показано в следующем разделе). Выбор между адиабатическими и изотермическими увлажнителями зависит, таким образом, от функциональных и экономических предпосылок. 16.2. Баланс энергии в процессах увлажнения Нормальный процесс увлажнения воздуха обязательно включает в себя переход воды из жидкости в пар, который затем поглощается воздухом. Удельная энергия, необходимая для такого фазового превращения, так называемая теплота парообразования, постоянна и не зависит от способа подвода теплоты. Часто высказываемое утверждение, что адиабатное увлажнение осуществляется с минимальным или нулевым подводом энергии, неправильно, так как разница между адиабатным и изотермическим увлажнением заключается только в способе подвода необходимого количества теплоты. Это можно подтвердить с помощью двух примеров, которые рассматриваются ниже. Оба примера связаны с подогревом и увлажнением воздуха в системе кондиционирования. Пример 16.1.Оценить затраты энергии, необходимые для подогрева и увлажнения воздуха в адиабатном процессе с эффективностью насыщения ? = 85 %. Воздух имеет следующие параметры:? воздух в помещении: tA = 23 °C; ?A = 45 %; xA = 7,9 г/кг сухого воздуха; hA = 43,2 кДж/кг сухого воздуха; ?А = = 1,177 кг сухого воздуха/м3;? наружный воздух: tE = 0 °C; ?E = 65 %; xЕ = 2,5 г/кг сухого воздуха; hЕ = 6,1 кДж/кг сухого воздуха; ?Е = 1,287 кг сухого воздуха/м3; ? суммарный расход воздуха равен 10000 м3/ч, что соответствует массовому расходу GА = GI = 11770 кг сухого воздуха/час = 3,27 кг сухого воздуха/с; ? расход наружного воздуха: 3700 м3/ч(37 % по объему), что соответствует массовому расходу GЕ = 4770 кг сухого воздуха/час = 1,324 кг сухого воздуха/с (40 % по массе). Смесь воздуха имеет следующие параметры: ? tМ = 13,8 °С; ?M = 58 %; xМ = 5,7 г/кг сухого воздуха; hМ = 28,3 кДж/кг сухого воздуха; ?M = 1,219 кг сухого воздуха/м3.Номинальная нагрузка на систему кондиционирования составляет: ? явная нагрузка qsens = 63,0 кВт; ? количество влаги, привносимое в воздух (включая также и инфильтрацию): GV = 32,4 кг/ч = 9,0 г/с, что соответствует скрытой нагрузке qlat = 22,5 кВт; ? полная нагрузка: 85,5 кВт. Чтобы обеспечить заданные условия, необходимо увеличить влагосодержание кондиционируемого воздуха на ?х = GV/GA = 2,75 г/кг сухого воздуха, а его энтальпию увеличить на ?h = qtot/GА = 26,15 кДж/кг сухого воздуха. После этого в конце процесса увлажнения воздух будет иметь следующие параметры: ? tI = 32,6 °C; ?I = 27,5 %; xI = 8,45 г/кг сухого воздуха; hI = 54,45 кДж/кг сухого воздуха; ?I = 1,139 кг сухого воздуха/м3.Весь процесс увлажнения, представленный на рис. 16. 1, распадается на следующие этапы: 1. Предварительный нагрев смеси воздуха от точки М (tМ = 13,8 °C) до точки Р (tР = 20,4 °C), расположенной на линии постоянной энтальпии (hР = 35,0 кДж/кг сухого воздуха). На этой линии расположена точка Н (параметры смеси после увлажнения с эффективностью насыщения ? = 85 %) с влагосодержанием, соответствующим влагосодержанию по окончании процесса xH = xI = 8,45 г/кг сухого воздуха. Количество теплоты, переданное воздуху в этом процессе, равно: qрге = GI(hP – hM) == 3,27 ? (35,0 – 28,3) = 21,9 кВт.2. Адиабатное увлажнение от точки Р до точки Н, в процессе которого энтальпия воздуха остается неизменной. На этом этапе вода испаряется, поглощая из воздуха общее количество теплоты, равное 22,5 кВт; благодаря этому температура воздуха понижается до tH = 13,6 °С.3. Окончательный нагрев до точки I, соответствующей параметрам поступающего в помещение воздуха, путем добавления количества теплоты: qpost = GI(hI – hH) == 3,27 ? (54,45 – 35,0) = 63,6 кВт. Общее количество теплоты, переданное воздуху теплообменниками предварительного и окончательного подогрева, равно: qtot = qрге + qpost == 21,9 + 63,6 = 85,5 кВт. Пример 16.2.Рассчитать количество энергии, необходимое для подогрева и увлажнения воздуха при изотермическом процессе с подводом пара с температурой 100 °С. Параметры кондиционируемого воздуха равны параметрам, приведенным в предыдущем примере. В этом случае данный процесс, представленный на рис. 16.2, разбивается на два этапа:1. Подогрев смеси воздуха (который, фактически, осуществляется на одном этапе) от точки М (tМ = 13,8 °C) до точки Р (tР = 32,3 °C). Обратите внимание, что температура воздуха в конце процесса подогрева чуть ниже необходимой конечной температуры (tI = 32,6 °C), поскольку подвод пара с температурой 100 °C добавит в воздух небольшое количество явной теплоты, соответствующей перегреву пара. Таким образом, теплота, подведенная к воздуху на этом этапе, равна: qрге = GI(hP – hM) == 3,27 ? (47,2 – 28,3) = 61,9 кВт.2. Изотермическое увлажнение воздуха распылением насыщенного пара при давлении 1 бар с подводом теплоты, равной qhum = 23,6 кВт. Общее количество подведенной теплоты, таким образом, равно: qtot = qрге + qhum == 61,9 + 23,6 = 85,5 кВт. Тем самым подтверждается, что общий баланс энергии в обоих случаях одинаков. Аналогичный вывод можно сделать, если процесс увлажнения будет проходить не централизованно (в системе кондиционирования), а непосредственно в помещении, поскольку единственная разница между этими способами увлажнения заключается в выборе способа подвода теплоты. Из этого всего однозначно следует, что фактически, при прямом распылении воды в помещении обязательно необходим предварительный подогрев воздуха, который затем примет требуемую температуру в адиабатном процессе увлажнения. С другой стороны, изотермическое увлажнение воздуха термически почти нейтрально и не влияет на температуру его в помещении. 16.3. Стоимость производства пара. Сравнение различных систем увлажнения Основываясь на выводах, сделанных в предыдущем разделе, и игнорируя на данном этапе эффективность различных процессов, можно сказать, что количество энергии, необходимой для увлажнения воздуха, не зависит от типа используемой системы и, следовательно, стоимость производства пара в различных системах увлажнения должна оцениваться, исходя из следующих факторов: 1. стоимости производства теплоты, затрачиваемой на парообразование; 2. стоимости электрической энергии, прямо или косвенно затрачиваемой увлажнителем; 3. стоимости производства теплоты, теряемой в результате рассеивания. 16.3.1. Стоимость производства теплоты, затрачиваемой на парообразование Для производства необходимой для увлажнения теплоты используются следующие основные источники энергии: ? электричество; ? газообразное топливо (природный или сжиженный газ); ? жидкое топливо (мазут) — в основном используется в больших бойлерных установках централизованных систем производства горячей воды или пара. В табл. 16.1. показаны источники энергии, применяемые в различных парогенераторных установках как адиабатических, так и изотермических. В табл. 16.2. для каждого наиболее распространенного источника энергии приведены: ? средняя теплота сгорания топлива; ? идеальный энергетический эквивалент IER, представляющий собой количество энергии, необходимой для производства 1 кг пара в идеальных условиях, т.е. при затратах 2591 кДж на 1 кг пара. На практике для оценки эффективности теплогенератора нам необходимо также учитывать его КПД, т.е. отношение тепловой энергии, реально производимой генератором, к теплоте сгорания топлива. КПД является произведением ряда коэффициентов, которые зависят от: ? эффективности сгорания топлива в номинальных рабочих условиях. ? эффективности сгорания топлива при пониженной нагрузке. ? потерь тепла в атмосферу. С учетом всех этих факторов можно определить сезонный КПД ?s, включающий в себя различные потери теплоты. Типичные значения КПД горелок и бойлеров различных типов приведены в табл. 16.3.С помощью этой таблицы можно определить энергетическую эффективность EER генератора тепла по следующей формуле: EER = IER/?s. (16.1)Стоимость производства 1 кг пара SSPC (евро/кг пара) рассчитывается умножением энергетической эффективности EER на стоимость единицы массы или объема топлива EUC по формуле: SSPC = EUC ? EER = EUC ? (IER/?s). (16.2)Пример 16.3.Рассчитать стоимость тепла, необходимого для производства 1 кг пара, получаемого: ? в бойлере с газовой горелкой с сезонным КПД, равным 90 % — удельная стоимость газа составляет 0,30 евро/м3 и 0,50 евро/м3; ? в централизованном парогенераторе с жидкотопливной горелкой с сезонным КПД, равным 75 % — удельная стоимость топлива составляет 0,40 евро/л и 0,65 евро/л; ? в парогенераторе с электронагревателем или погружными электродами с сезонным КПД 95 % — удельная стоимость электроэнергии составляет 0,08 евро/(кВт?ч) и 0,12 евро/(кВт?ч).В табл. 16.4 показаны: ? идеальный энергетический эквивалент IER (из табл. 16.2.); ? сезонный КПД — ?s; ? удельная стоимость энергии EUC при использовании различных видов топлива; ? стоимость производства 1 кг пара SSPC в евро/(кг пара). Оценку стоимости тепла, необходимого для производства пара при использовании различных источников энергии, и сравнение этих источников можно проводить с помощью номограммы, приведенной на рис. 16.3. Выбрав источник энергии и задав его удельную стоимость, проведите вертикальную линию до пересечения с прямой линией, представляющей сезонный КПД теплогенератора. Затем из точки пересечения проведите горизонтальную линию и прочитайте на оси ординат стоимость производства 1 кг пара в евро/(кг пара).Годовая стоимость энергии YEC в евро/год для производства теплоты, необходимой для перехода воды в пар, определяется из уравнения: YEC = Qhum.yr ? SSPC, (16.3)где Qhum.yr означает годовую потребность в увлажнении в кг пара/год, рассчитанную с использованием методов, приведенных в Главе 15. ?