Расчёт процессов влажного воздуха и кривая охлаждения в поверхностных охладителях

Процессы обработки влажного воздуха удобно изображать с помощью гениального изобретения, которое называется i-d-диаграмма (энтальпия — влагосодержание). Гениальность этой диаграммы заключается в её абсолютной универсальности. Любой процесс, происходящий с влажным воздухом, можно изобразить и рассчитать с помощью этого инженерного инструмента. По сути, это готовый «калькулятор на бумаге»: зная пару параметров, можно найти все остальные, не решая вручную уравнений.

В 1904 году немецкий физик Рихард Молье (Richard Mollier) создал первую энтальпийную диаграмму для пара и газов, где ось Y соответствовала энтальпии, ось X — энтропии. В 1923 году Молье существенно скорректировал её, заменив ось Х на абсолютное влагосодержание (h-x или i-d), и в таком виде диаграмма стала известна как «диаграмма Молье» или «психрометрическая диаграмма».

Диаграмма позволила инженерам просто иллюстрировать процессы нагревания, охлаждения, осушения и увлажнения воздуха, а также графически решать уравнения баланса в системах кондиционирования и вентиляции. В 1923 году на международной конференции по термодинамике было решено называть любые диаграммы, построенные с использованием энтальпии в одной из координат, «диаграммами Молье» в его честь.

Интересно, что в СССР был аналог диаграммы Молье — это знаменитая i-d-диаграмма влажного воздуха (диаграмма Рамзина). Считается, что она была составлена советским инженером-теплотехником Л. К. Рамзиным в 1918 году, то есть на несколько лет раньше работы Рихарда Молье. Однако во всём остальном мире было принято название диаграммы именно как «диаграмма Молье».

Описание диаграммы

По вертикальной оси на диаграмме отложены значения температуры воздуха. Однако линии постоянной температуры имеют наклон, так как, в отличие от «прямых» декартовых осей (например, где одна ось — температура, другая — влагосодержание), на диаграмме Молье осями служат влагосодержание (x, d) и энтальпия (h, i) — это обусловлено тем, что два эти параметра являются независимыми и полностью определяют термодинамическое состояние влажного воздуха (рис. 1).

Рис. 1. Психрометрическая i-d-диаграмма Молье

В такой системе координат линия постоянной температуры оказывается наклонной, поскольку при увеличении влагосодержания x при неизменной температуре энтальпия воздуха увеличивается за счёт роста скрытой теплоты (водяного пара). То есть наклон изотерм отражает энергию, затрачиваемую не только на нагрев сухого воздуха, но и на испарение/конденсацию водяного пара при соответствующих изменениях влагосодержания. По горизонтальной оси на диаграмме откладывается абсолютное влагосодержание воздуха d. Влагосодержание измеряется в граммах воды на килограмм сухого воздуха [г/кг с.в.]. Линии — прямые и вертикальные.

Центральное место на диаграмме занимает кривая линия, которая делит диаграмму практически пополам, — это линия выпадения конденсата или линия 100%-й относительной влажности воздуха. Над этой линией проходят кривые относительной влажности 90%, 80% и т. д. Физический смысл этих линий следующий. Допустим, у нас есть влажный воздух с температурой 25°C и абсолютной влажностью 10 г/кг с.в. Имея два этих параметра мы можем однозначно указать точку на i-d-диаграмме, которая будет определять все остальные характеристики влажного воздуха. Например, относительная влажность будет 50%, а энтальпия — 50,7 кДж/кг с.в. Если провести прямую линию вниз от точки состояния до пересечения с линией относительной влажности 100%, мы получим важный параметр, который называется «точкой росы». Точка росы — это температура влажного воздуха, при которой возможное количество водяного пара максимально, и дальнейшее понижение температуры приведёт к выпадению конденсата в виде капель. Эффект точки росы очень важен в строительной теплотехнике, поскольку, например, появление точки росы в слое гигроскопичной теплоизоляции (и дальнейшее намокание этого слоя из-за накопления влаги) может полностью «обнулить» теплоизолирующие свойства данного слоя. Или недостаточная теплоизоляция на трубопроводах хладагента может привести к конденсации водяного пара на её поверхности.

Чем выше температура влажного воздуха, тем больше воды в виде пара может содержать в себе влажный воздух. И, наоборот, чем ниже температура воздуха, тем ближе находится линия 100%-й влажности, тем меньше влаги может испариться в воздухе.

«Перевёрнутый» аналог

В США был создан «перевёрнутый» по отношению к европейскому (Молье) психрометрический график — классическая психрометрическая диаграмма (Psychrometric Chart) Carrier, разработанная инженером, изобретателем и предпринимателем Уиллисом Кэрриером в 1904–1911 годах и принятая как стандарт ASHRAE с 1961 года.

Рис. 2. «Перевёрнутая» i-d-диаграмма, принятая в США

Особенности «перевёрнутой» американской диаграммы (рис. 2):

1. В американском варианте горизонтальная ось — температура сухого термометра, вертикальная — влагосодержание воздуха [gH2O/kgdry air], то есть координаты психрометрической диаграммы «перевёрнуты» относительно диаграммы Молье, где горизонтальная ось — влагосодержание, а расположенная под углом — энтальпия.

2. В европейском и российском вариантах (Молье/Рамзин) обычно ось — влагосодержание, а температура наклонена; в США температура строго горизонтальна, а влагосодержание вертикально.

3. При зеркальном отражении и повороте диаграммы Молье на 90° американская Psychrometric Chart Carrier/ASHRAE становится формально эквивалентной диаграмме Молье, параметры при этом совпадают, но визуальная интерпретация и детали графики различны.

Луч процесса

На i-d-диаграмме можно изобразить полный круг (спектр) процессов тепловлажностной обработки воздуха, встречающихся в практике вентиляции, кондиционирования и осушения воздуха. Каждый из них изображается лучом (линией) между точками начального и конечного состояний воздуха.

Луч процесса на i-d-диаграмме (линия изменения состояния влажного воздуха) строится как прямая, соединяющая начальную и конечную точки состояния: каждая такая точка характеризуется энтальпией i и влагосодержанием d.

Основная формула луча процесса выглядит следующим образом. Для любого процесса, проходящего на i-d-диаграмме между точками 1 и 2:

• начальное состояние — i1, d1;
• конечное состояние — i2, d2.

Координаты любой промежуточной точки процесса вычисляются как:

i = i1 + ε(d — d1),

где ε — угловой коэффициент луча процесса, характеризующий отношение изменения энтальпии к изменению влагосодержания:

или для общего случая:

i2 = i1 + ε(d2 — d1).

Физический смысл тепловлажностного коэффициента ε состоит в том, что этот коэффициент показывает, сколько теплоты приходится на каждую единицу изменения влагосодержания воздуха в процессе.

Основные процессы на i-d-диаграмме

На рис. 3 показаны лучи характерных изменений состояния влажного воздуха и соответствующие им значения углового коэффициента:

1. Влажный воздух с начальными параметрами i1 и d1 нагревается при постоянном влагосодержании до параметров точки 2, то есть d2 = d1, i2 > i1. Такой процесс осуществляется, например, в поверхностных воздухонагревателях, когда температура и энтальпия воздуха возрастают, относительная влажность уменьшается, но влагосодержание остаётся постоянным. Угловой коэффициент процесса ε2 равен бесконечности. В качестве примера помещений с ассимиляцией теплоизбытков без влаговыделения можно привести помещения серверных.

2. Влажный воздух одновременно нагревается и увлажняется, приобретает параметры точки 3. Угловой коэффициент луча процесса ε3 > 0. Такой процесс протекает, когда приточный воздух ассимилирует теплои влаговыделения в помещении. Для помещений офисов угловой коэффициент обычно лежит в диапазоне от 10000 до 15000 кДж/кг. Для помещений кинотеатров и залов совещаний удельные влаговыделения больше, поэтому угловой коэффициент меньше, от 5000 до 10000 кДж/кг.

3. Влажный воздух увлажняется при постоянной температуре до параметров точки 4, ε4 > 0. Практически такой процесс осуществляется при увлажнении приточного или внутреннего воздуха насыщенным водяным паром, например, с помощью пароувлажнителя.

4. Влажный воздух увлажняется с повышением энтальпии, но с понижением температуры до параметров точки 5. Так как энтальпия и влагосодержание воздуха увеличиваются, то ε5 > 0. Обычно такой процесс происходит при непосредственном контакте воздуха с немного подогреваемой водой в камерах орошения и в градирнях.

5. Изменение состояния влажного воздуха происходит при постоянной энтальпии i6 = i1 = const. Угловой коэффициент такого луча процесса ε6 = 0, так как ∆i = 0. Процесс изоэнтальпийного увлажнения воздуха циркуляционной водой широко используется в системах кондиционирования. Он осуществляется в камерах орошения, аппаратах с орошаемой насадкой, ультразвуковом увлажнении воздуха. При контакте ненасыщенного влажного воздуха с мелкими каплями или тонкой плёнкой воды без отвода или подвода тепла извне, вода в результате испарения увлажняет и охлаждает воздух, приобретая температуру мокрого термометра.

6. Влажный воздух увлажняется и охлаждается до точки 7. В этом случае угловой коэффициент ε7 < 0, так как i7 — i1 < 0, a d7 — d1 > 0. Такой процесс протекает в форсуночных камерах орошения при контакте воздуха с охлаждённой водой, имеющей температуру выше точки росы, но ниже температуры обрабатываемого воздуха.

7. Влажный воздух охлаждается при постоянном влагосодержании до параметров точки 8. Так как ∆d = d8 — d1 = 0, a i8 — i1 < 0, то ε8 = -∞. Процесс охлаждения воздуха при d = const в поверхностных воздухоохладителях происходит при температуре поверхности теплообмена выше температуры точки росы воздуха, когда нет конденсации влаги.

8. Влажный воздух охлаждается и осушается до параметров точки 9. Охлаждение с осушкой происходит в камерах орошения или в поверхностных воздухоохладителях при контакте влажного воздуха с жидкой или твёрдой поверхностью, имеющей температуру ниже точки росы. Отметим, что процесс охлаждения с осушкой при непосредственном контакте воздуха и охлаждённой воды ограничен касательной, проведённой из точки 1 к кривой насыщения ϕ = 100%. Более подробно этот процесс рассмотрен во второй части этой статьи.

9. Глубокая осушка и охлаждение воздуха до параметров точки 10 происходит при прямом контакте воздуха с охлаждённым абсорбентом, например, раствором хлористого лития в камерах орошения или в аппаратах с орошаемой насадкой. Угловой коэффициент ε10 > 0.

10. Влажный воздух осушается, то есть отдаёт влагу, при постоянной энтальпии до параметров точки 11. При этом температура его повышается. Такой процесс можно осуществить с помощью растворов абсорбентов или твёрдых адсорбентов.

Рис. 3. Угловой коэффициент на i-d-диаграмме

Из рис. 3 видно, что все возможные изменения состояния влажного воздуха располагаются на поле i-d-диаграммы в четырёх секторах, границами которых являются линии d = const и i = const. В секторе I процессы происходят с увеличением энтальпии и влагосодержания, поэтому значения ε > 0. В секторе II происходит осушение воздуха с увеличением энтальпии и значения ε < 0. В секторе III процессы идут с уменьшением энтальпии и влагосодержания и ε > 0. В секторе IV происходят процессы увлажнения воздуха с понижением энтальпии, поэтому ε < 0.

Пример расчёта

Тёплый период

Необходимо подобрать систему центрального воздушного кондиционирования для помещения кинотеатра, рассчитанного на 1000 зрителей. Требуемые параметры: температура воздуха +24°C, относительная влажность 55%, энтальпия 50,4 кДж/кг. На рис. 4 — это точка В. Расчётная наружная температура составляет +34°C, относительная влажность — 60%, энтальпия — 86,4 кДж/кг (точка Н).

Для начала определяем луч процесса в помещении. Для этого необходимо посчитать теплои влагоизбытки в помещении. Ранее на страницах журнала СОК мы подробно рассмотрели этот вопрос в статье [4].

Тепловыделение от «стандартного человека», находящегося в состоянии покоя в положении сидя, составляет 113 Вт. Соответственно, от 1000 человек полное тепловыделение будет равно 113 кВт.

Влаговыделение в окружающую среду от одного человека в состоянии покоя составляет 60 г/ч. От 1000 человек, соответственно, 60 л/ч.

Составляем уравнение углового коэффициента:

Из точки состояния внутреннего воздуха (температура воздуха +24°C, относительная влажность 55%, энтальпия 50,4 кДж/кг) проводим прямую линию вниз с углом наклона, соответствующим рассчитанному угловому коэффициенту 6780 кДж/кг.

Далее мы должны определить расчётную температуру приточного воздуха. Чем ниже эта температура, тем меньше общий расход воздуха системы кондиционирования, тем меньше расходы энергии на циркуляцию воздуха. С другой стороны, низкая температура воздуха может привести к локальному переохлаждению и дискомфорту людей. В общем случае необходимо провести расчёт ассимиляции теплоизбытков и снижения градиента температур воздушной струи в зависимости от многих факторов: расстояния до рабочей зоны, типа воздухораспределителей, начальной температуры и скоростей потоков и т. д. Но мы в нашем примере ограничимся условием, что температура приточного воздуха должна быть на 3°C холоднее нижнего предела оптимальных температур, то есть 20°C — 3°C = 17°C. Поэтому на нашей прямой отмечаем пересечение с линией температуры +17°C и получаем параметры приточного воздуха. Температура составляет +17°C, относительная влажность — 71%, энтальпия — 38,9 кДж/кг.

Зная энтальпию начальных и конечных параметров циркуляционного воздуха, определяем расход приточного воздуха:

Теперь нам необходимо посчитать, какая доля наружного воздуха должна быть в приточном воздухе для поддержания требуемой чистоты или приемлемого содержания углекислого газа. Как правило, минимальное количество наружного воздуха ограничивается 30 м³/ч на человека (в некоторых случаях 20 м³/ч). В нашем кинотеатре при максимальной загрузке 1000 человек нам необходимо подать 30000 м³/ч. Сравнивая с расчётным количеством приточного воздуха 29234 м³/ч, мы видим, что эта величина практически совпадает с количеством наружного воздуха, поэтому наш центральный кондиционер будет прямоточным, то есть без рециркуляции. В целом можно отметить, что помещения с большим количеством людей, как правило, успешно охлаждаются прямоточными системами, а вот, например, помещения офисов уже требуют рециркуляции.

Итак, мы подаём в помещение кинотеатра 30000 м³/ч приточного воздуха. У нас немного корректируются параметры приточного воздуха. Температура составляет +17,2°C, относительная влажность — 70,4%, энтальпия — 39,2 кДж/кг.

Как теперь нам получить эти параметры воздуха на выходе приточных решёток в зале кинотеатра? Попробуем построить процесс охлаждения наружного воздуха в поверхностном охладителе (процесс 8). Для этого мы проводим прямую линию от нашей точки состояния наружного воздуха до точки температуры теплообменника на линии 100% влажности (в более общем случае использование прямой линии не всегда корректно, но мы сейчас воспользуемся именно прямой). Для охлаждения мы используем чиллер с температурами охлаждаемой воды +7…+12°C. Средняя температура +9,5°C. Мы видим, что наша прямая линия не пересекает требуемую точку с параметрами приточного воздуха, и проходит ниже её (рис. 4). Следовательно, перед подачей воздуха в кинотеатр мы должны его немного подогреть. Чтобы изобразить этот процесс на i-d-диаграмме, мы опускаем прямую вертикальную линию из точки П до точки пересечения Х. Процесс поддержания требуемых параметров воздуха в кинотеатре построен.

Рис. 4. Процесс обработки влажного воздуха в летний период в помещении кинотеатра

Наш центральный кондиционер выглядит следующим образом:

1. Наружный воздух c параметрами 30000 м³/ч (расход), +34°C (температура), 60% (относительная влажность) поступает в центральный кондиционер и попадает на первую секцию охлаждения, предварительно пройдя очистку от пыли.

2. После секции охлаждения воздух приобретает параметры +11,8°C (температура) и 98% (относительная влажность). В процессе охлаждения из воздуха удаляется 420 л/ч воды и 527 кВт тепловой энергии (это расчётная мощность охладителя). Далее воздух поступает на теплообменник подогрева.

3. После теплообменника подогрева воздух приобретает параметры приточного воздуха, то есть температуру +17,2°C, относительную влажность 70,4%. Производительность теплообменника подогрева составляет 55,1 кВт.

Небольшой комментарий по поводу теплообменника подогрева. С точки зрения сбережения энергии, с одной стороны, сначала охлаждать и потом снова подогревать приточный воздух нелогично. Но подобный процесс осушения часто используется, например, для помещений бассейнов. Оптимальный вариант для центрального кондиционера летом — использовать чиллер с водяным охлаждением конденсатора. В результате у нас будет как холодная вода для процессов охлаждения и осушения, так и условно бесплатная нагретая вода от охлаждения конденсаторов.

Холодный период

Зимой параметры наружного воздуха (точка Н на рис. 5): −30°C (температура), 50% (относительная влажность), −30 кДж/кг с.в. (энтальпия). Допустим, зимой нам необходимо поддерживать абсолютно такие же параметры, как и летом, то есть мы подаём в помещение кинотеатра 30000 м³/ч приточного воздуха с температурой +17,2°C, относительной влажностью — 70,4%, энтальпией — 39,2 кДж/кг с.в.

Рис. 5. Процесс обработки влажного воздуха в холодный период в помещении кинотеатра

Если мы просто подогреем наружный воздух до +17,2°C, то его относительная влажность будет намного ниже требуемой (рис. 5). Следовательно, нам необходимо этот воздух увлажнить. Существует два принципиально разных способа увлажнения. Первый — это испарительное увлажнение, которое на i-d-диаграмме показывается по линии постоянного теплосодержания (адиабата, процесс 1–6 на рис. 3). Реализуется либо с помощью оросительной камеры, либо с помощью ультразвукового увлажнителя.

Второй способ — это увлажнение с помощью парогенератора. Он идёт без изменения температуры приточного воздуха (процесс 1–3 на рис. 3).

Для снижения потребления электроэнергии мы остановимся на увлажнении с помощью ультразвукового увлажнителя.

Нам необходимо определить точку начала процесса увлажнения. Для этого мы проводим прямую линию с постоянной энтальпией через точку приточного воздуха П до линии нагрева наружного воздуха. В результате получаем точку О с температурой +38,5°C, относительной влажностью — 0%, энтальпией — 39,2 кДж/кг с.в. Таким образом, процесс подготовки наружного воздуха в зимний период построен (рис. 5).

Наш центральный кондиционер выглядит следующим образом:

1. Секция фильтрации (как правило, EU3), производительностью 30000 м³/ч.

2. Секция нагрева с производительностью 692 кВт, нагревающая зимой воздух от −30 до +38,5°C.

3. Секция ультразвукового увлажнения с производительностью 306 л/ч.

4. Секция каплеуловителя.

5. Секция охлаждения — на 527 кВт для летнего периода.

6. Секция второго подогревателя для летнего периода с производительностью 55,1 кВт.

7. Секция вентилятора — на 30000 м³/ч. Напор вентилятора рассчитывается исходя из полного аэродинамического расчёта сети.

8. Секция шумоглушителя.

Процессы, показанные на рис. 4 и 5, и расчёты выполнены с помощью электронной i-d-диаграммы.

Реальный процесс охлаждения в контактных теплообменниках

Процессы кондиционирования помещения с помощью сплити VRF-систем можно разделить на две группы: процессы обработки воздуха с использованием холода (охлаждение, осушение) и процессы обработки воздуха с использованием тепла (обогрев). Если процесс обогрева внутреннего воздуха с помощью местного кондиционера (внутреннего блока) не вызывает сложностей при расчёте тепловлажностного режима кондиционируемых помещений (так как нет изменения влагосодержания воздуха), то процессы обработки воздуха, связанные с использованием холода, не всегда однозначны.

Попытаемся с помощью i-d-диаграммы определить диапазон возможных значений параметров внутреннего воздуха помещений при кондиционировании местными кондиционерами в режиме охлаждения. Для этого построим на диаграмме область оптимальных значений внутреннего воздуха помещений (рис. 6). Эта область ограничена линиями относительной влажности 30–60% и температуры +20…+25°C.

Рис. 6. Область оптимальных значений параметров внутреннего воздуха на i-d-диаграмме

Системы комфортного кондиционирования, к которым без сомнения относятся сплити VRF-системы, должны поддерживать параметры внутреннего воздуха в пределах данной области.

Если значения требуемой температуры внутреннего воздуха можно задавать и поддерживать с помощью внутреннего блока местного кондиционера, то значения относительной влажности с помощью систем данного класса задавать и поддерживать нельзя, хотя в процессе охлаждения воздуха будет происходить его осушение. С другой стороны, количество поступающей влаги в помещения от людей, с приточным воздухом и т. д. будет постоянно изменяться. Поэтому значение относительной влажности, которая установится в помещении, будет зависеть как от характеристик кондиционера, так и от характеристик помещения. Чтобы определить фактическое значение относительной влажности помещения с местным кондиционированием, рассмотрим процесс охлаждения воздуха более подробно.

Идеальный, а точнее квазистационарный процесс охлаждения влажного воздуха можно изобразить на i-d-диаграмме следующим образом (рис. 7).

Рис. 7. Идеальный (квазистационарный) процесс охлаждения воздуха

Охлаждение воздуха приводит сначала к понижению его температуры без изменения влагосодержания (процесс 1–2) до линии относительной влажности 100%. Затем из воздуха выделяется конденсат, влагосодержание воздуха уменьшается по линии 100% влажности (процесс 2–3) до температуры теплообменной поверхности (кипения фреона). Но это идеальный процесс, который должен происходить либо бесконечно долго, либо с бесконечно малыми объёмами воздуха. Фактически движение воздуха во внутреннем блоке неравномерное и турбулентное, благодаря чему элементарный объём воздуха, находящийся возле теплообменной поверхности, пройдя процесс 1–2-3, смешивается с воздухом, находящимся далеко от теплообменной поверхности (рис. 8).

Рис. 8. Процесс охлаждения воздуха и турбулентного смешивания отдельных потоков

Процесс смешивания проходит по линии 1–3 и 1а — точка смеси. Затем снова малая часть смешанного воздуха охлаждается по линии 1а-2а-3. Таким образом, процесс охлаждения воздуха во внутреннем блоке проходит по линии смешивания 1–3, направленной от точки параметров внутреннего воздуха 1 на входе во внутренний блок до точки пересечения температуры кипения фреона с линией 100% влажности 3. Очень часто эту прямую используют для построения процессов охлаждения воздуха. Однако и данный процесс отличается от реального процесса охлаждения внутреннего воздуха во внутреннем блоке. Но в теории область 1–2-3 даёт 100% охват всех возможных процессов охлаждения и осушения воздуха в теплообменнике.

Сейчас уместно рассказать о том, что такое «байпас-фактор» (Bypass Factor, BF) при охлаждении внутреннего воздуха. Исторически понятие bypass factor возникло в исследованиях энергетических потерь в теплообменниках при разработке кондиционеров и центральных систем кондиционирования в США и Европе примерно с 1950–1960-х годов. В системах кондиционирования при анализе процессов охлаждения внутреннего воздуха через теплообменник важную роль играет показатель, определяющий, какая часть воздушного потока не успевает охладиться до температуры поверхности оребрения теплообменника. Этот коэффициент учитывает «неидеальность процесса теплообмена» и позволяет более точно рассчитать фактические параметры воздуха на выходе из охладителя.

Байпас-фактор отражает долю воздуха, которая «обходит» зону активного охлаждения. Иными словами, определённая часть воздуха не вступает в достаточный тепловой контакт с поверхностью, что приводит к тому, что на выходе из оросительной или испарительной камеры параметры воздуха оказываются между состоянием входного воздуха и температурой поверхности теплообменника (рис. 9).

Рис. 9. Принципиальная схема функционирования любого теплообменника

Формула для расчёта байпас-фактора записывается следующим образом:

где t1 и t2 — температуры воздуха на входе и выходе, соответственно, °C; ts — температура поверхности теплообменника (или точки насыщения), °C; Gбайп — массовый расход воздуха, прошедший мимо теплообменника, кг/с; Gобщ — суммарный массовый расход воздуха, кг/с. Конечно, данное равенство справедливо при ряде допущений (равенство теплоёмкостей, однородность и т. д.).

Малое значение BF указывает на высокий коэффициент теплоотдачи и развитую поверхность оребрения. Значение BF = 0 соответствует идеальному процессу — все элементарные потоки воздуха охлаждаются до температуры поверхности, без обхода. На величину байпас-фактора влияют конструктивные и эксплуатационные особенности теплообменника:

1. Скорость движения воздуха: при увеличении скорости поток не успевает обменяться теплом, и байпас-фактор возрастает (рис. 9).

2. Глубина оребрения и плотность ламелей: чем больше поверхность контакта, тем меньше байпас-фактор.

3. Состояние поверхности теплообменника: загрязнение снижает эффективность охлаждения и увеличивает величину байпас-фактора.

4. Равномерность распределения потока: турбулентность улучшает контакт, тогда как застойные зоны увеличивают обход.

5. Режим работы теплообменника: при частичных нагрузках фактическая температура поверхности повышается, что увеличивает значение коэффициента.

При компьютерном моделировании климатических систем байпас-фактор применяется для корректировки расчётных характеристик теплообменников. Он позволяет установить реальную температуру воздуха на выходе и, следовательно, долю скрытой и явной тепловой нагрузки. Например, при проектировании охлаждения помещений высокой влажности (бассейны, лаборатории) необходимо выбирать теплообменники с минимальным BF, чтобы обеспечить глубокое осушение воздуха.

Существует ещё один важный параметр — коэффициент эффективности охлаждения теплообменника. Его можно выразить через байпас-фактор: η = 1 — BF.

Таким образом, при BF = 0,1 эффективность теплообменника составляет 90%. Этот параметр используется производителями при сертификационных испытаниях устройств и часто указывается в каталожных данных. Для оптимизированных пластинчатых и ребристых конструкций современного типа BF не превышает 0,05–0,1, что обеспечивает стабильную температуру и хорошее влагоотведение.

Теперь вернёмся к внутренним блокам кондиционеров. На процесс охлаждения по линии 1–3 (рис. 8) влияют также следующие факторы:

1. Фактор частичного испарения конденсата. При охлаждении воздуха внутренним блоком только часть поверхности кондиционера имеет температуру кипения фреона +5°C (теплообменник). Внутренняя поверхность корпуса кондиционера и дренажный поддон имеют температуру циркулирующего воздуха.

К тому же при частичной загрузке внутреннего блока не весь теплообменник имеет температуру кипения фреона. Поэтому некоторая часть конденсата снова испаряется по адиабате и сдвигает процесс охлаждения вправо (рис. 10, процесс 1а-1б).

Рис. 10. Процесс адиабатного увлажнения и охлаждения воздуха (1а-1б)

2. Турбулентность. Другим фактором, влияющим на процесс охлаждения, является турбулентность потока внутреннего воздуха. Этот фактор приводит к тому, что не все элементарные частицы успевают охлаждаться до температуры теплообменника. Поэтому процесс смешения происходит не только между точками 1–3, но и по линиям 1–2, 1–2а, 1–2б, 1–2в и т. д. (рис. 11).

Рис. 11. Процессы смешения воздуха (1–3-1а, 1–2б-1в, 1–2-1б и т. д.)

Это также приводит к смещению линии обработки воздуха вправо. Однако, чем глубже происходит охлаждение влажного воздуха, тем больше становится его относительная влажность, тем соответственно меньше его способность принимать влагу из конденсата. И процесс охлаждения всё больше стремится к точке 3. Таким образом, главный вывод этой статьи: реальный процесс охлаждения воздуха местными кондиционерами (внутренними блоками) всегда принадлежит области 1–2-3 и имеет вид кривой, соединяющей точки 1 и 3 (рис. 12).

В качестве доказательства правильности этого утверждения мы посмотрим на табл. 1, в которой приведены данные реальных внутренних блоков систем VRF. Внутренние блоки отличаются не только производительностью по холоду, но и удельным расходом воздуха на 1 кВт холода. Также приведены данные по величине явной и скрытой составляющих производительности блока. Мы видим, что чем больше величина расхода воздуха на 1 кВт холода, тем больше доля явной холодопроизводительности блока, что полностью объясняется процессом охлаждения на рис. 12. Если бы процесс протекал по прямой линии между точками 1 и 3, то доли в процентах явного и скрытого холода были бы одинаковы всегда, так как они бы зависели только от угла наклона прямой линии, но не от расхода воздуха.

Рис. 12. Кривая процесса охлаждения и осушения воздуха в местном кондиционере (1–3)

И второй пример в качестве доказательства. При проведении лекций я люблю задавать слушателям вопрос: а как реализуется процесс осушения в мультизональных кондиционерах и сплит-системах? Ответы бывают самыми разными: и абсорбция влаги специальными веществами, и комбинация процессов охлаждения и обогрева, и много других… неправильных вариантов. А процесс осушения в данном случае — это просто процесс охлаждения внутреннего воздуха с минимальной производительностью внутреннего блока по воздуху. Для проверки этого утверждения мы посмотрим на рис. 12. На рис. 12 процесс охлаждения воздуха можно условно разбить на четыре части по 5°C. Охлаждение воздуха с +25 до +20°C проходит практически по вертикальной линии, без выпадения влаги. Следующее охлаждение на такую же величину 5°C сдвигает точку состояния воздуха сильнее влево, что приводит к большему выпадению конденсата. И самое большое осушение воздуха происходит в самом низу кривой, при приближении процесса охлаждения к температуре теплообменника. В сплити VRF-системах это достигается простым уменьшением расхода циркуляционного воздуха и именно так реализуется процесс осушения.

Подобный вывод сделан в справочном пособии АВОК [2]: «Реальный процесс изменения состояния воздуха в воздухоохладителе протекает по кривой, расположенной внутри треугольника, и относительная влажность охлаждённого воздуха обычно меньше 100%». Однако сам вид кривой там не приведён.

Какие практические выводы можно сделать, если мы знаем реальный процесс охлаждения влажного воздуха, протекающий по кривой? Первое — это можно определить величину явной и скрытой производительности внутренних блоков кондиционеров.

Начальная точка процесса охлаждения 1 совпадает с параметрами внутреннего воздуха. Параметры воздуха на выходе из местного кондиционера в значительной степени зависят от его характеристик. Важнейшей характеристикой внутреннего блока является количество отводимого явного и скрытого тепла. Любой процесс охлаждения можно разбить на эти две составляющие. Например, процесс 1–3а условно состоит из процесса 1–2а — охлаждение внутреннего воздуха без изменения его влагосодержания (явное тепло) и процесса 2а-3а — осушение воздуха без изменения его температуры (скрытое тепло). Поэтому у любого внутреннего блока есть явная составляющая его мощности, которая тратится на поддержание требуемой температуры внутреннего воздуха, и скрытая составляющая, которая тратиться на осушение кондиционируемого воздуха. Как следует из рис. 12, угол наклона касательной к кривой процесса охлаждения и прямой постоянного влагосодержания (вертикаль) при понижении температуры воздуха на выходе из внутреннего блока увеличивается. Следовательно, чем меньше отношение производительности внутреннего блока по воздуху к его мощности охлаждения (удельный расход воздуха), тем большая часть мощности тратится на скрытое тепло, то есть осушение воздуха. Этот вывод подтверждается и данными изготовителей VRF-систем (табл. 1).

И тот же вывод, только с другой стороны: чем больше величина удельного расхода воздуха внутреннего блока [ м³/(ч· кВт)], тем бóльшая составляющая тратится непосредственно на поддержание температуры внутреннего воздуха (явная часть мощности).

Второй практический вывод разрушает устоявшийся миф о том, что кондиционеры «пересушивают воздух». Определим относительную влажность внутреннего воздуха в кондиционируемых помещениях. Если мы проведём прямую по линии постоянного влагосодержания через точку 3, то линии оптимальных температур +20 и +25°C будут пересекать данную прямую в точках с влажностью 40 и 30% (рис. 8). Отсюда важный вывод: внутренние блоки сплити VRF-систем физически не могут понизить относительную влажность внутреннего воздуха ниже 30%. Это вытекает непосредственно из температуры кипения хладагента +5°C и стремления процесса охлаждения к точке 3 на i-d-диаграмме. Напомним, что оптимальная для человека относительная влажность в помещении находится в диапазоне 30–60%.

Как уже отмечалось выше, относительная влажность помещений при VRF-кондиционировании зависит не только от параметров внутреннего блока, но и от характеристик помещения, а именно луча процесса (углового коэффициента) ассимиляции тепло- и влагоизбытков, образующихся в помещении.

Для офисных помещений, как наиболее часто использующих сплит- и VRF-системы, луч процесса принимает значения от 10000 до 15000 кДж/кг. Причём чем выше относительная влажность в помещении, тем больше влаги уходит с вытяжным воздухом, тем больше луч процесса и меньше нагрузка на систему кондиционирования.

В качестве примера произведён расчёт относительной влажности офисного помещения с двумя внутренними блоками одинаковой номинальной холодопроизводительности 2,8 кВт и разными расходами внутреннего воздуха 600 м³/ч — первый вариант и 480 м³/ч — второй вариант (рис. 13). Относительная влажность помещения при использовании внутреннего блока с производительностью 600 м³/ч будет всегда выше (в пределах оптимальных значений), чем при использовании внутреннего блока производительностью 480 м³/ч. На рис. 13 относительная влажность составила, соответственно, 55 и 43%.

Рис. 13. Процессы охлаждения воздуха и относительная влажность в помещениях при различных характеристиках внутренних блоков (расходы внутреннего воздуха 600 и 400 м³/ч)

Третий практический вывод — мы можем рассчитать расход холода для поддержания определённой температуры в помещении. Как мы выяснили выше, характеристикой любого теплообменника кондиционера является соотношение явной и скрытой составляющих его полной производительности. И это соотношение в реальных системах отличается друг от друга (табл. 1). Как видно, для этих конкретных внутренних блоков явная составляющая мощности может быть от 71 до 77%.

Давайте попробуем определить, на сколько будет отличаться расход холода при поддержании температуры +25°C двумя одинаковыми блоками одинаковой полной производительности 2,8 кВт, но разной долей явного и скрытого тепла.

Как следует из табл. 2, расходы холода для поддержания требуемой температуры внутреннего воздуха +27°C (явная составляющая) в обеих вариантах составили 2 кВт, но общий расход холода получился разный. У блока с расходом воздуха 480 м³/ч это 2,8 кВт холода. У блока с расходом воздуха 600 м³/ч значительно меньше — 2,5 кВт. То есть внутренние блоки с более высоким удельным расходом воздуха имеют меньший расход холода, и соответственно меньше требуют электроэнергии на поддержание определённой внутренней температуры. В помещениях, где в первую очередь нас интересует поддержание температуры внутреннего воздуха, например, серверные, предпочтительнее блоки с расходом воздуха от 200 м³/ч на 1 кВт и выше.

Но есть помещения, где основная цель — это как раз осушение внутреннего воздуха, например помещения бассейнов. Там действует обратное правило. Процесс теплообмена должен происходить с низким байпас-фактором, воздух должен охлаждаться до максимально низкой температуры в теплообменнике, следовательно при низких удельных расходах воздуха от 130 м³/ч на 1 кВт и ниже.

Однако сплити VRF-системы предназначены для комфортного кондиционирования помещений, поэтому надо учитывать особенности теплового баланса организма человека с окружающей средой. В данном случае необходимо отметить, что при одинаковой температуре и различной относительной влажности внутреннего воздуха ощущения теплового комфорта у человека будут различны. Фактически, если в помещении повысилась относительная влажность, то для достижения теплового комфорта человеку необходимо понизить температуру внутреннего воздуха и наоборот. Тепловой комфорт человека в большей степени зависит от энтальпии окружающего воздуха, как функции его температуры и относительной влажности, чем только от температуры.

Если за точку отчёта принять энтальпию внутреннего воздуха, то, например, ощущения теплового комфорта при температуре внутреннего воздуха +25°C и относительной влажности 40% будут аналогичны, если температуру воздуха опустить до +23°C, а относительную влажность поднять до 50% (рис. 14).

Рис. 14. Зависимость энтальпии воздуха от его относительной влажности и температуры

Выводы

1. Для оценки эффективности любого воздушного теплообменника в режиме охлаждения можно применять байпас-фактор.

2. Реальный процесс обработки воздуха внутренним блоком сплити VRF-систем в режиме охлаждения на i-d-диаграмме можно изобразить в виде кривой, соединяющей точку параметров внутреннего воздуха 1 с точкой пересечения линии относительной влажности 100% и линии температуры кипения хладагента 3 (рис. 12).

3. Относительная влажность внутреннего воздуха не может понизиться ниже 30% при использовании внутренних блоков сплитили VRF-систем в режиме охлаждения.

4. Чем больше удельный расход воздуха [ м³/(ч· кВт)] внутреннего блока, тем больше доля явной производительности по холоду системы кондиционирования, тем меньше электроэнергии потребляет кондиционер на поддержание определённой температуры внутреннего воздуха.