В настоящей статье рассматривается проблема профицита (т.е. избытка) влаги и необходимость осушения воздуха. Избыточная влажность воздуха приводит к ухудшению самочувствия и заболеваниям людей, к увеличению затрат на производство, эксплуатацию, обслуживание и ремонт, к уменьшению долговечности, к увеличению энергозатрат и, как следствие, к негативному воздействию на окружающую среду.
Пищевая промышленность. При производстве и хранении многих пищевых продуктов требуется поддержание определенных температуры и влажности воздуха. Необходимость регулирования влажности воздуха обусловлена следующими условиями:
- необходимостью сушки продуктов;
- комкованием или слипанием гигроскопичных порошкообразных продуктов;
- санитарно-гигиеническими требованиями в связи с риском роста плесени и бактерий как на самом продукте, так и в производственном цехе;
- риском образования конденсата на продукте, а также на различных поверхностях производственного помещения;
- нежелательностью образования инея/льда/снеговой шубы;
- риском коррозии;
- риском сбоев электрических и электронных систем.
В помещениях пивоваренных заводов водяной пар из окружающего воздуха конденсируется на холодных поверхностях танков, труб и стен, что характерно для цехов розлива, фильтрации и, особенно, для цеха брожения и дображивания. Постоянное присутствие конденсата и высокая относительная влажность представляют собой идеальные условия для роста вредных для пивоваренного производства плесени и бактерий.
Для борьбы с этими микроорганизмами санитарно-гигиенические требования предписывают регулярно проводить мойку и уборку помещений и оборудования, что еще более усугубляет проблему высокой влажности из-за внесения дополнительного количества воды. Высокая относительная влажность и конденсат негативно воздействует на отделку помещений, вызывая необходимость в более частом и дорогом косметическом ремонте. Кроме того, из-за повышенной влажности воздуха сушка помещений после мойки занимает много времени.
Решение проблемы методом ассимиляции, что нынче практикуется чаще всего, малоэффективно [2]. Для надежного решения проблемы предотвращения образования конденсата необходимо поддержание точки росы ниже температуры самой холодной поверхности (около 0 °C), а для предотвращения роста плесени относительная влажность воздуха должна быть ниже 70 %. В таких условиях предпочтителен адсорбционный метод осушения.
Производство колбас и мясных продуктов требует соблюдения жестких микроклиматических условий по температуре, влажности и степени подвижности воздуха на всех этапах. В этой области самым сложным является производство сырокопченых колбас. Поэтому ни в одной другой области не выбраковывается столько дефектной продукции, как в изготовлении сырокопченой колбасы.
А это приводит к увеличению издержек производства, которые в случае отсутствия конкуренции закладываются в ее стоимость. Готовый продукт должен содержать определенное количество влаги, от которого зависит и срок хранения, и вкусовые качества колбасы. Значение относительной влажности воздуха при соответствующих температурах во время созревания и сушки сырокопченых колбас очень важно.
Переход от режима холодного копчения (при температуре 20–24 °C и 90–95 % RH) к созреванию и сушке (до 10–15 °C и 70–75 % RH), должен происходить постепенно и поэтапно, чтобы предотвратить образование конденсата на поверхности (что совершенно недопустимо во избежание впитывания влаги и порчи продукта). Влага изнутри колбасы должна постоянно выходить в окружающую среду.
При этом сушка не должна быть интенсивной, иначе происходит высушивание краевых зон, и под оболочкой образуется плотный водонепроницаемый слой, который препятствует выходу влаги изнутри. Это создает условия для роста нежелательных микробов и уменьшает срок хранения; сердцевина при этом может оставаться мягкой с зеленоватым или сероватым оттенком. Сушка рыбы является одним из самых древних методов сохранения рыбы.
При сушке сохраняются питательные свойства рыбы, уменьшается ее вес, а срок хранения значительно увеличивается. Раньше рыба сушилась в естественных условиях, как правило, недалеко от места вылова, т.е. в прибрежной, сырой зоне. Поэтому качество готового продукта, продолжительность сушки и вообще возможность проведения сушки зависели от погодных условий. Позже рыбу стали сушить в специальных камерах при допустимом нагреве, что позволило выполнять сушку вне зависимости от погодных условий в любое время года.
В современных туннельных осушителях рыба не только прогревается, но еще вентилируется воздухом, осушенным конденсационным методом. Свежая рыба подается с одной стороны, а сухая выходит с другой. Такие осушители существенно экономнее, продолжительность сушки минимальна, а рыба равномерно просыхает и имеет лучшее качество.Сыроделие — сложный и трудоемкий производственный процесс, на всех этапах которого требуется автоматический контроль, регулирование и управление технологическими параметрами.
Сыр получаются путем свертыванием молока и последующей его длительной обработкой с технологическим удалением влаги из полученного сгустка. Технология производства сыра завершается формованием сырной массы и последующей посолкой полученных головок сыра. Свои особенные свойства сыр приобретает после длительного процесса созревания в специальных помещениях, с созданными в них условиями для накопления в сырных головках вкусовых и ароматических веществ.
Созревание сыра — это совокупность сложных микробиологических изменений составных частей сырной головки, результатом которой становится формирование органолептических свойств и повышение физиологических и товарных ценностей продукта. По технологии сыры созревают на стеллажах. Длительность созревания колеблется от нескольких дней (мягкие сыры) до двух-шести месяцев (твердые сыры) при определенных температурно-влажностных условиях (конкретные для каждого вида продукции). А именно: температура 12–16 °C (10–12 °C), относительная влажность воздуха 80–85 % и трех-пятикратный суточный воздухообмен, равномерный по всему объему помещения.
Несмотря на то, что оптимальные значения относительной влажности воздуха кажутся достаточно высокими, даже незначительное превышение влажности воздуха приводит к более серьезным последствиям, чем ее снижение. При пониженной влажности воздуха уменьшается влагосодержание сыра, затормаживается ферментативная активность и увеличивается длительность созревания.
Созревание сыра при температуре выше 16 °C и относительной влажности более 90 % приводит к появлению аммиачного вкуса и запаха, сыр размягчается и приобретает расплывшуюся форму. Кроме этого, повышенная влажность воздуха и непросушенные стеллажи при созревании способствуют заражению сырной корки гнилостными бактериями. Хранение сыров после созревания должно осуществляться в проветриваемых помещениях при температуре –4…+8 °C и относительной влажности от 90 % до 80 %.
Повышенная влажность воздуха способствует подпреванию корки, ее заражению гнилостными и слизистыми бактериями, развитию плесени на поверхности сырной головки, а если при этом повышается температура, то происходит оседание и деформация сыров. При пониженной влажности и повышенной температуре происходит усушка сыров и возможно осыпание парафиново-полимерного слоя, покрывающего сырные головки.
Поэтому даже при весьма высоких требуемых значениях относительной влажности осушение воздуха в обеспечении микроклиматической поддержки сыроделия крайне важно. Изготовление дрожжей представляет собой выращивание и ферментацию организма в определенных условиях. Но, как известно, свежие дрожжи остаются жизнеспособными не более нескольких недель при температуре около 4 °C. Зато сухие активные дрожжи могут храниться в течение двух-трех лет в достаточно широком температурном диапазоне без каких-либо потерь их свойств.
Сушка дрожжей является сложным процессом, требующим сухого холодного воздуха, ибо высокотемпературная сушка уничтожает организм. Влагосодержание воздуха для сушки дрожжей должно поддерживаться на уровне 1,4–2,0 г/кг, что соответствует точке росы –13…–8 °C. Эти жесткие условия в зоне сушки дрожжей могут обеспечить адсорбционные осушители.
При производстве и хранении сахара его гигроскопические свойства могут приводить к таким нежелательным результатам как спекание, образование комков, затвердевание и карамелизация. Рафинированный сахар при температуре приблизительно 48 °C и с содержанием влаги приблизительно 0,035 % по массе подается ленточным конвейером в сахарные бункеры или накопители. До начала упаковки сахар должен остыть приблизительно до 38–40 °C.
При естественном охлаждении велика вероятность образования конденсата на потолке бункера, что приводит к образованию комков в верхнем слое и ухудшению качества. Подача в бункер воздуха с температурой 26 °C и относительной влажностью 30 % не только исключает конденсацию, но и в два-шесть раз сокращает время охлаждения (до шести часов), что приводит к значительному ускорению производственного процесса, финансовой экономии и сокращению трудозатрат.
Относительная влажность в зонах хранения сахара должна поддерживаться на уровне 20 % при температуре 24 °C. Особенность производства бисквитов и печенья заключается в том, что их выход из печи является кратковременным периодическим процессом, а упаковка — длительным и практически непрерывным. В таких случаях неизбежно временное хранение продуктов в ожидании своей очереди на упаковку. И здесь важно, чтобы после их охлаждения на длинном конвейере в высшей степени гигроскопичные бисквиты и печенья не набрали влагу до момента упаковки.
В противном случае изделия становятся сырыми, теряют хрустинку, а также существенно сокращается их срок хранения. Поэтому крайне важно в помещении временного хранения (так называемой горячей комнате) поддерживать относительную влажность воздуха на уровне 30 % при температуре 28 °C. Крайне важно обеспечить жесткие микроклиматические условия при производстве и хранении желатина, который является сырьем не только в пищевой промышленности, но также для изготовления косметических средств, фотопленок, капсул (в фармацевтике) и др.
При нарушении технологии производства желатин, который по своей природе чувствителен и к влаге и к температуре, может стать ломким либо, наоборот, расплавиться. Кроме того, высокая влажность воздуха также приводит к микробному загрязнению, что крайне нежелательно, принимая во внимание применение желатина в пищевой и фармацевтической промышленности. Для получения конечного продукта высшего сорта качество желатина должно быть тоже высшего сорта.
На заключительной стадии производства желатин в консистенции геля с массовой влажностью 70 % выдавливается через перфорированную насадку из холодильной установки в виде спагетти на безостановочный ленточный осушитель из нержавеющей стали. Здесь желатиновое спагетти обезвоживается стерилизованным осушенным воздухом с постепенным увеличением температуры до тех пор, пока массовая влажность продукта не снизится до 10–12 %.
В процессе осушки желатин медленно проходит расстояние в несколько десятков метров через несколько отдельных температурных зон, в которых поддерживается температура в пределах ± 1 °C и относительная влажность не более 20 %. Последующее хранение желатина, а также продуктов на его основе осуществляется в строгом диапазоне параметров влажности и температуры воздуха. Использование адсорбционного осушителя с фильтром тонкой очистки является наиболее экономичным и надежным методом сушки продукта, а также безоговорочным условием получения продукции требуемого качества.
Насосные станции, очистные установки сточных вод, помещения предприятий централизованного водоснабжения и др.
Специфическими особенностями этих помещений является наличие открытых поверхностей воды, с которых происходит сильное испарение нежелательной влаги, а также наличие труб подачи воды с температурой поверхности ниже, чем температура наружного воздуха (особенно в переходные периоды года и летом). Проблемы, которые возникают на станциях очистки воды и насосных станциях и подстанциях связанны, прежде всего, с конденсацией водяного пара на механизмах, трубах, контрольно-измерительных приборах и элементах конструкций здания.
Для прекращения процессов коррозии и биологического разрушения конструкций необходимо поддерживать относительную влажность 45–50 %, что при средней температуре переходных периодов 5 °C соответствует влагосодержанию воздуха приблизительно 2,5 г/кг. Самым эффективным решением для такой задачи является использование адсорбционных осушителей воздуха, что является стандартной процедурой на объектах типа водоканалов в европейских странах.
Строительство, эксплуатация и ремонт зданий.
Похожие проблемы коррозионного и биологического разрушения могут наблюдаться в любых зданиях, в т.ч. жилых, по разным причинам: затопление при стихийных бедствиях, заливание при тушении пожаров, протечки оборудования инженерных систем, нарушение гидроизоляции или кровли, намокание строительных материалов при строительстве и все остальные причины, приводящие к повышенной влажности воздуха в помещении.
Независимо от причин, приведших к переувлажнению, требуется организовать эффективное удаление влаги из помещения и осушение строительных конструкций. До настоящего времени эти проблемы чаще всего пытаются решить методом ассимиляции (вентиляция с предварительным подогревом приточного воздуха) либо значительным повышением температуры внутреннего воздуха и ограждающих конструкций с использованием мобильных нагревателей (тепловых пушек).
Следует отметить, что этот способ, несмотря на его популярность, не только имеет большие энергозатраты и малую эффективность, но и приводит к отрицательным результатам. При незначительном повышении температуры воздуха его способность к поглощению водяного пара почти не увеличивается, зато значительно активизируется жизнедеятельность и развитие плесени, бактерий и микроорганизмов. При более значительном нагреве воздуха и осушаемых поверхностей резко снижается качество их отделки.
Причиной этому является нарушение адгезии отделочных материалов с покрываемыми поверхностями вследствие разницы коэффициентов их температурного расширения. Эти последствия отсутствуют при осушении помещений сухим воздухом без повышения его температуры. Конденсационный или адсорбционный методы обладают неоспоримыми преимуществами и являются более эффективными и выгодными [9].
Мостовые конструкции (мосты, виадуки, путепроводы).
В последние десятилетия в связи с увеличением проектирования и строительства большепролетных мостовых сооружений значительной высоты как никогда актуальной стала задача увеличения срока их эксплуатации и, следовательно, безупречной защиты от коррозии конструкций. Традиционные лакокрасочные и иные антикоррозионные покрытия, имеют на порядок меньший срок службы, а потому их регулярное восстановление в итоге получается чрезмерно накладным.
В этих условиях больший экономический и экологический эффект обеспечивает защита мостовых конструкций осушительными системами, которые исключают контакт влажного воздуха (с относительной влажностью более 50 %) с несущими конструкциями, кабелями, подвесками и вантами, и следовательно, образование конденсата на металлических поверхностях. Так обеспечивается защита от коррозии даже незащищенных покрытиями (или иначе) поверхностей [10].
Фармацевтическая промышленность.
Фармацевтическая промышленность, как любая отрасль, связанная со здравоохранением, предъявляет самые высокие требования к климатическим системам и качеству воздуха. Разнообразие требований предопределяется многообразием технологических процессов. Осушение воздуха крайне актуально в таких процессах, как: измельчение, смешивание, гранулирование, высушивание, таблетирование, нанесение покрытий, производство «шипучих» таблеток, желатиновых капсул, суппозиториев, глазных лекарственных форм, а также хранение готовых лекарственных средств.
Каждый из этих процессов не допускает неконтролируемую влажность окружающего воздуха и заслуживает отдельного рассмотрения, результаты которого опубликованы нами ранее в работе [11]. В частности, при хранении некоторых лекарственных средств максимально допустимые пределы параметров воздуха ограничены пределами +12 °C и 20 % RH. Одно из основных требований к вентиляционным системам в фармацевтической промышленности — предупреждение распространения нежелательного бактериологического роста.
С этой точки зрения испарители и их поддоны в конденсационных системах осушения воздуха являются точками повышенной опасности, поскольку влажность в них приближается к 100 % и они являются местами размножения плесени и грибков. Этот риск полностью исключается при использовании адсорбционных осушающих систем, у которых отсутствуют конденсация и очаги высокой влажности воздуха.
Пневмотранспорт и подготовка сжатого воздуха.
При подготовке сжатого воздуха для пневмо-транспортировки сырья или готовой продукции, температура воздуха и температура точки росы возрастают вследствие сжатия воздуха. Дальнейшее охлаждение сжатого воздуха приводит к его насыщению и образованию конденсата. Конденсат частично улавливается специальными системами, в то время, как в систему для транспортировки гигроскопических продуктов (материалов) подается воздух с влажностью близкой к 100 %.
Из-за этого гигроскопичные материалы и порошки, поглощая влагу, начинают слипаться и налипать на внутренние поверхности пневмопроводов, возникают проблемы с проходимостью, ухудшаются санитарно-гигиенические условия, происходят остановки оборудования. Проблемы неконтролируемого микроклимата в транспортных системах возникают везде — от химической до фармацевтической промышленности и производства пищевых продуктов.
Требования к воздуху в системах пневмотранспорта зависят от особенностей транспортируемого материала и могут устанавливаться для каждого конкретного случая отдельно. Только сухой сжатый воздух может быть чистым, т.к. именно влага связывает в пневмосистемах частицы грязи различного вида. Оптимальная относительная влажность в диапазоне 20–40 %.
Консервация оборудования ТЭС сухим воздухом.
Неработающее тепломеханическое оборудование ТЭС и ТЭЦ подвергается стояночной электрохимической коррозии. Это приводит к разрушению внутренних поверхностей оборудования и к потере его работоспособности. Металл подвергается как общей, так и еще более коварной локальной коррозии. Коррозии подвергаются все материалы, обычно применяемые в энергетике. Места коррозионного повреждения металла становятся концентраторами напряжений, и в этих местах наиболее вероятно появление усталостных трещин.
Коррозионные язвы даже небольшого размера при механическом напряжении приводят к коррозионному растрескиванию на высоконагруженных деталях турбоагрегатов — рабочих лопатках и дисках роторов. Известны случаи полного выхода из строя турбины из-за стояночной коррозии после шестимесячной стоянки. В соответствии с правилами технической эксплуатации электрических станций, при выводе турбины в резерв на срок семь суток и более должны быть приняты меры к консервации оборудования турбоустановки.
При выводе котла в резерв или ремонт тоже должны быть приняты меры для консервации поверхностей нагрева котла и калориферов. Консервация проводится как при остановах в продолжительный резерв или ремонт, так и при режимных остановах. Все применяемые в настоящее время методы защиты от коррозии направлены на предотвращение контакта металла с кислородом (атмосферным воздухом) или влагой [12].Самым простым методом предотвращения стояночной коррозии является предотвращение контакта металла с водой и влажным воздухом.
Прекращение контакта воды с поверхностью металла обеспечивается тщательным дренированием системы, после чего в системе остается влажный воздух. Понижение относительной влажности воздуха во всем внутреннем объеме консервируемого оборудования и поддержание ее ниже определенного максимально допустимого значения (как правило, 40 %) на весь период простоя достигается путем постоянной или периодической вентиляции внутренних поверхностей осушенным воздухом.
Если в системе после дренирования остается незначительное количество воды, то она через некоторое время будет удалена продуваемым сухим воздухом. Понижение относительной влажности подаваемого в оборудование воздуха достигается двумя путями [13]: при повышении температуры воздуха (т.е. методом ассимиляции) и при уменьшении его влагосодержания (методами конденсации или адсорбции).
Наиболее эффективным методом снижения влажности воздуха является его адсорбционное осушение, позволяющее подавать в консервируемое оборудование практически сухой воздух (1–5 % RH). Это позволяет достаточно быстро осушить оборудование, что контролируется величиной относительной влажности выходящего воздуха. Обычно уже на второй день после постановки на консервацию относительная влажность воздуха на сдувках и дренажах становится ниже 40 %.
Кроме адсорбционных, на предприятиях бывшего РАО ЕЭС можно встретить конденсационные осушители воздуха. Но их использование следует признать менее эффективным, поскольку предельное снижение влажности в осушителях с неоттаиваемыми испарителями до точки росы +5 °C соответствует лишь 37 % RH при 20 °C. В подавляющем большинстве случаев этого оказывается недостаточным, чтобы обеспечить относительную влажность воздуха во всем объеме оборудования не более 40 %.
Итак, если нет противопоказаний (таких как протечки из неотключаемых водяных контуров, наличие недоступных для вентиляции полостей из-за гидравлических затворов, самодействующих обратных клапанов без возможности их принудительного открытия и т.п.) предпочтение с экономической, технической и экологической точки зрения следует отдавать консервации с помощью адсорбционных осушителей воздуха. Их использование на предприятиях ОАО «Ленэнерго» и других подтвердило преимущества и эффективную защиту от коррозии данным методом.
Производство литиевых батарей.
Высокие технологии часто влекут за собой работу при точно контролируемых параметрах окружающей среды. Литий и батареи повышенной энергетической емкости являются классическим примером продукции, производство которой невозможно без эффективного глубокого осушения воздуха. Литий является в высшей степени гигроскопичным щелочным металлом. Его чувствительность к воде и его нестабильность при контакте с водой делает производство литиевых батарей невозможным без надежного управления влажностью.
Взаимодействие лития даже с небольшим количеством водяного пара может существенно сократить срок годности продукции при хранении и эксплуатации. Влагосодержание воздуха в зонах производства литиевых батарей должно быть 0,25 г/кг, а температура в помещении должна быть около 25 °С. Контроль температуры не является крайне важным, но температурный уровень должен быть комфортным для персонала. Такой низкий уровень влажности может быть достигнут с помощью адсорбционных осушителей.
В некоторых случаях приходится комплексно решать задачи как комфортного, так и технологического кондиционирования. Например, как только что было замечено, при производстве литиевых батарей необходимо обеспечивать не только микроклиматическую поддержку производства и соответствующие технологические параметры, но и комфортные условия для персонала. Аналогичные задачи зачастую должны быть решены на других производствах, в местах досуга и отдыха и проч.
Как правило, эти решения сводится к созданию многозонального кондиционирования с различными микроклиматическими поддержками каждой зоны. В последнее время некоторые из таких задач подробно освещались в средствах массовой информации. Следует напомнить об одних из самых актуальных: это микроклиматическая поддержка бассейнов и аквапарков, и крытых ледовых арен. И в том и в другом случае невозможно обойтись без осушителей воздуха.
Бассейны и аквапарки.
Все виды крытых плавательных бассейнов и аквапарков объединяет общая особенность — наличие водных поверхностей, с которых постоянно испаряется водяной пар. Количество испаряющейся влаги зависит от температуры воды и окружающего воздуха, а также от влажности воздуха. В бассейнах и аквапарках, с одной стороны, требуется обеспечить комфортные условия для находящихся в них людей.
Причем комфортные условия могут отличаться в зависимости от назначения бассейна (спортивный, учебный, лечебно-оздоровительный, гидроаэромассажный, развлекательный, для окунаний при саунах), особенно по температуре воздуха. Что касается влажности, то ее комфортные значения для бассейнов и аквапарков рекомендуется принимать на уровне 50–65 %. Чтобы обеспечить этот уровень и вывести из помещения значительное количество влагопоступлений от водных зеркал и мокрых поверхностей, воздух необходимо осушать.
Как правило, используется конденсационный метод осушения. С другой стороны, для защиты металлических и деревянных конструктивных элементов относительная влажность должна находиться в диапазоне 40–60 %. Причем конкретные ее значения в каждом отдельном случае диктуются степенью теплозащиты ограждающих конструкций при условии, исключающем выпадение на них конденсата и увлажнения строительных материалов.
Ограничивающим параметром является температура на поверхности ограждения, которая должна быть на 1–2 °С выше точки росы внутреннего воздуха. Несоблюдение этих условий приводит к образованию грибка, плесени, коррозии металлических и гниению деревянных конструкций [14]. В разных по назначению бассейнах применяются различные схемы вентиляции и осушения.
Крытые ледовые арены.
Высокая влажность воздуха представляет проблему для любой крытой ледовой арены. Источниками влаги являются наружный воздух, зрители и спортсмены, льдозаливочные машины и испарения после заливки катка. Больше всего влаги поступает вместе с наружным воздухом, как через систему вентиляции, так и за счет неконтролируемой инфильтрации через окна, двери и др. Все это приводит к коррозии металла и росту плесени, грибков и т.п.
Конденсация, туман и неприятный запах в крытых катках являются результатом повышенной влажности. Также страдает качество льда, его поверхность становится неровной, а иногда и небезопасной. В крытых ледовых аренах требуется обеспечить: отсутствие тумана у поверхности ледовой арены; отсутствие конденсата на строительных и ограждающих конструкциях; санитарно-гигиенические параметры воздушной среды на зрительских трибунах и в служебных помещениях.
Учитывая различие параметров микроклимата в перечисленных зонах, целесообразно использовать отдельные системы микроклиматической поддержки. Самый низкий уровень влажности — на уровне точки росы менее 0 °С — следует поддерживать в зоне ледовой арены [15], что эффективно достигается методом адсорбционного осушения воздуха. Рассмотренные случаи, в которых необходимо осушать воздух, безусловно, являются актуальными, однако, остаются только частными случаями.
Всегда важно иметь объективное заключение о необходимости регулирования влажности воздуха с любой точки зрения (экономической, экологической, санитарно-гигиенической и т.п.). Также важно правильно выбрать метод осушения, соответствующее оборудование и при необходимости паро и гидроизоляцию.
