Autorius: Mycond techninis skyrius.
Adsorbciniai (desikantiniai) sausintuvai yra pagrindinis oro kondicionavimo sistemų elementas objektuose, kuriuose keliami aukšti oro drėgmės reikalavimai. Tačiau jų integravimas į bendrą vėdinimo sistemą reikalauja atsižvelgti į specifinę šilumos apkrovą, kurią jie sukuria. Skirtingai nuo kondensacinių sistemų, desikantiniai sausintuvai reikšmingai padidina oro temperatūrą, o tai būtina tiksliai apskaičiuoti projektuojant vėsinimo sistemas.
Kodėl svarbu apskaičiuoti desikantinio sausintuvo šilumos apkrovą
Desikantiniai ir kondensaciniai sausintuvai veikia iš esmės skirtingais fizikiniais principais. Kondensacinės sistemos pašalina drėgmę atšaldydamos orą žemiau rasos taško, po to kondensuojant vandens garus. Tuo tarpu desikantinės sistemos naudoja adsorbciją – fizinį vandens molekulių prilipimą prie adsorbento (silicio gelio, ceolitų, molekulinių sietų) paviršiaus be šaldymo, priešingai – su šilumos išsiskyrimu.
Tipinė projektavimo klaida – taikyti darbo su kondensacinėmis sistemomis patirtį adsorbciniams sausintuvams. Jei kondensacinėse sistemose temperatūra kinta nežymiai, tai adsorbcinėse ji reikšmingai didėja ir priklauso nuo pašalintos drėgmės kiekio, naudojamo adsorbento tipo ir regeneracijos režimo. Nepaisant šios šilumos apkrovos, patalpos gali perkaisti, vėsinimo sistemos galia būti nepakankama, o energijos sąnaudos – padidėti.
Pagal ISO 7730 ir ASHRAE 55-2020, žmonių darbo efektyvumas reikšmingai mažėja esant temperatūroms virš komforto zonos, todėl teisingas šilumos apkrovos įvertinimas svarbus ne tik techniškai, bet ir ekonomiškai.
Fiziniai pagrindai: latentinės šilumos virsmas į juntamąją šilumą
Procesui suprasti reikalingi aiškūs inžineriniai apibrėžimai. Latentinė šiluma — tai energija, slypinti vandens garuose, kuri nekeičia aplinkos temperatūros, bet sunaudojama vandeniui garuojant ir išsiskiria jam kondensuojantis. Juntamoji šiluma (sensible heat) — tai šiluma, kuri tiesiogiai keičia oro temperatūrą nekeičiant jo drėgnio.
Adsorbcijos metu vandens molekulės prisitvirtina prie desikanto porėtos struktūros. Tuo pat metu išsiskiria adsorbcijos šiluma — energija, kuri išlaisvinama pereinant vandens molekulėms iš dujinės būsenos į adsorbuotą. Šios energijos dydis artimas kondensacijos šilumai (2400–2600 kJ/kg silicio geliui), kas paaiškinama fizinių procesų panašumu — abiem atvejais vandens molekulės pereina iš laisvos būsenos į surištą.
Psichrometrinėje Mollier diagramoje adsorbcinio džiovinimo procesas vaizduojamas linija, nukreipta į dešinę žemyn: mažėja drėgnis, bet didėja sausojo termometro temperatūra. Tai iš esmės skiriasi nuo kondensacinio džiovinimo, kur proceso linija nukreipta į kairę žemyn (mažėja tiek drėgnis, tiek temperatūra).
Šilumos apkrovos šaltiniai desikantiniame sausintuve
Adsorbcinio sausintuvo šilumos apkrovą sudaro keturi pagrindiniai šaltiniai:
1. Adsorbcijos šiluma — pagrindinis šilumos šaltinis, kuris išsiskiria tiesiogiai į procesinį oro srautą adsorbuojant vandens garus. Jos dalis bendroje šilumos apkrovoje priklauso nuo įrenginio konstrukcijos, rotoriaus sektorių santykio ir korpuso šilumos izoliacijos kokybės.
2. Šilumos perdavimas iš regeneracijos sektoriaus — dalis šilumos perduodama iš regeneracijos zonos, kur adsorbentas įkaitinamas adsorbciniam pajėgumui atstatyti. Regeneracijos temperatūra priklauso nuo desikanto tipo: silicio geliui ji mažesnė dėl mažesnės desorbcijos energijos, molekuliniams sietams — didesnė dėl stipresnių vandens molekulių ryšių kristalinėje struktūroje. Net esant prapūtimo sektoriams dalis šios šilumos patenka į procesinį srautą.
3. Mechaninė šiluma — atsiranda dėl rotoriaus sukimųsi ir ventiliatorių darbo, kai dalis elektros energijos pagal termodinamikos dėsnius virsta šiluma.
4. Nuostoliai per korpusą — esant nepakankamai sausintuvo šilumos izoliacijai, šiluma nuo įkaitintų elementų gali būti perduodama procesiniam orui per korpuso sieneles.
Nors adsorbcijos šiluma yra pagrindinis apkrovos šaltinis, bendrą balansą lemia visų veiksnių visuma, kurią būtina įvertinti projektuojant.
Skaičiavimo metodika pagal drėgmės masės balansą
Preliminariai įvertinti adsorbcinio sausintuvo šilumos apkrovą galima taikant drėgmės masės balanso metodą, kuris apima šiuos žingsnius:
Žingsnis 1: Nustatyti oro parametrus sausintuvo įėjime ir išėjime (temperatūrą, drėgnį) naudojant psichrometrinę diagramą arba skaičiuojamąsias lenteles pagal EN 13053 ar ASHRAE 62.1 standartus.
Žingsnis 2: Apskaičiuoti sauso oro masės srautą. Jei žinomas tūrinis srautas, masės srautas nustatomas per oro tankį, kuris priklauso nuo temperatūros ir slėgio pagal idealiųjų dujų būsenos lygtį.
Žingsnis 3: Nustatyti pašalintos drėgmės kiekį. Pašalintos drėgmės masė nustatoma kaip sauso oro masės srauto ir drėgnio skirtumo tarp įėjimo ir išėjimo iš sausintuvo sandauga.
Žingsnis 4: Apskaičiuoti adsorbcijos šilumą. Adsorbcijos šiluma nustatoma dauginant pašalintos drėgmės masę iš adsorbcijos savitosios šilumos. Savitoji adsorbcijos šiluma priklauso nuo adsorbento tipo: silicio geliui ji sudaro 2400–2600 kJ/kg dėl tarpinių vandens molekulių ryšių energijos porų paviršiuje, molekuliniams sietams — 2800–3200 kJ/kg dėl stipresnių ryšių kristalinėje struktūroje.
Žingsnis 5: Nustatyti temperatūros padidėjimą. Temperatūros padidėjimas apskaičiuojamas kaip adsorbcijos šilumos santykis su oro masės srauto ir oro savitosios šiluminės talpos sandauga (apie 1,005 kJ/(kg·K) normaliomis sąlygomis pagal ISO 7345 duomenis).
Žingsnis 6: Nustatyti faktinę išėjimo temperatūrą atsižvelgiant į visus šilumos šaltinius. Papildomos sudedamosios dalys iš regeneracijos, mechaninės šilumos ir šilumos nuostolių vertinamos pagal įrenginio konstrukcines ypatybes arba pateikiamos gamintojo.
Svarbu pažymėti, kad ši metodika yra supaprastinta ir skirta preliminariems įvertinimams. Tikslus skaičiavimas reikalauja įrangos gamintojo duomenų arba detalaus modeliavimo pagal EN 308 ar AHRI 1060 standartus.
Skaičiavimo metodika pagal oro entalpijos pokytį
Skaičiavimas pagal entalpijos pokytį yra tikslesnis metodas, nes automatiškai įvertina tiek temperatūros, tiek drėgnio pokytį. Drėgno oro entalpija — tai sausinto oro entalpijos ir jame esančių vandens garų entalpijos suma.
Oro entalpija sausintuvo išėjime apima įeinančio oro entalpiją plius pašalintos drėgmės adsorbcijos šilumą, atėmus pašalintos drėgmės entalpiją. Šilumos apkrova vėsinimo sistemai nustatoma kaip oro masės srauto ir entalpijų skirtumo tarp oro po sausintuvo ir tikslo entalpijos, reikalingos tiekti į patalpas, sandauga.
Jei nagrinėti konkretų pavyzdį: sausintuvas, apdorojantis 1000 m³/val. oro, kurio įėjimo parametrai 25°C ir 60% santykinė drėgmė, ir sumažinantis santykinę drėgmę iki 20%, gali sukurti 6–9 kW šilumos apkrovą. Tačiau šie skaičiai yra tik iliustraciniai, o realiame projekte jie nustatomi remiantis faktinėmis eksploatacijos sąlygomis, patalpų parametrais ir įrangos charakteristikomis. Jų negalima perkelti į kitus objektus be perskaičiavimo.
Pagal EN 13779 ir ASHRAE 90.1, entalpijos metodas rekomenduojamas vėdinimo sistemoms su džiovinimu, nes leidžia tiksliau įvertinti energijos srautus.
Konstrukcinių ir eksploatacinių parametrų įtaka
Desikantinio sausintuvo šilumos apkrovą reikšmingai veikia šie veiksniai:
1. Adsorbcijos ir regeneracijos sektorių plotų santykis — Didesnis regeneracijos plotas padidina šilumos perdavimą į procesinį srautą, tačiau pagerina adsorbento atstatymą. Optimalus santykis nustatomas kiekvienam konkrečiam taikymui ir priklauso nuo džiovinimo reikalavimų bei energinio efektyvumo.
2. Regeneracinio oro temperatūra — Aukštesnė temperatūra spartina desorbciją, bet padidina šilumos perdavimą į procesinį srautą. Silicio geliui efektyvi regeneracija pasiekiama žemesnėse temperatūrose dėl mažesnės desorbcijos energijos, o molekuliniams sietams reikia aukštesnių temperatūrų dėl tvirtesnių vandens ryšių kristalinėje struktūroje.
3. Rotoriaus sukimosi greitis — Veikia džiovinimo efektyvumą ir šilumos perdavimą. Optimalus greitis priklauso nuo oro drėgnio, adsorbento tipo ir darbo režimo.
4. Adsorbento prisotinimo laipsnis — Labiau prisotintas adsorbentas yra mažiau efektyvus ir išskiria mažiau šilumos, nes adsorbcijos procesas lėtėja dėl mažėjančių aktyvių centrų prieinamumo.
5. Desikanto tipas — Skirtingi adsorbentai turi skirtingą adsorbcijos šilumą: silicio gelis — 2400–2600 kJ/kg dėl paviršinių sąveikų su vandens molekulėmis; ceolitai — 2700–3000 kJ/kg dėl labiau tvarkingos porų struktūros; molekuliniai sietai — 2800–3200 kJ/kg dėl stipresnių joninių sąveikų kristalinėje gardelėje.
6. Aušinimo sektorių buvimas — Specialūs konstrukciniai elementai, nukreipiantys šilumą nuo rotoriaus prieš jam grįžtant į procesinį srautą, gali reikšmingai sumažinti šilumos apkrovą.
Visi šie parametrai tarpusavyje susiję, o jų įtaka negali būti išreikšta paprastais koeficientais. Tiksliam skaičiavimui reikalingos gamintojo charakteristikos arba modeliavimas pagal EN 308 ir ISO 16890 standartus.
Sausintuvo integravimas į vėdinimo ir oro kondicionavimo sistemą
Yra du pagrindiniai sausintuvo išdėstymo vėdinimo sistemoje būdai, kurių kiekvienas turi savas šilumos apkrovos skaičiavimo ypatybes:
JEI sausintuvas įrengtas po vėsintuvo: Tokiu atveju oras jau yra dalinai išdžiovintas kondensacijos būdu, todėl adsorbento apkrova mažesnė. Tačiau po džiovinimo temperatūra bus aukštesnė, todėl reikės papildomo vėsinimo etapo. Galutinio vėsintuvo šilumos apkrova nustatoma kaip oro masės srauto ir entalpijų skirtumo tarp oro po sausintuvo ir tikslo entalpijos patalpų tiekimui sandauga.
Privalumai: mažesnė sausintuvo apkrova, ilgesnis adsorbento tarnavimo laikas.
Trūkumai: sudėtingesnė schema, papildoma įranga, didesnės kapitalo išlaidos.
JEI sausintuvas įrengtas prieš vėsintuvą: Šiuo atveju sausintuvas dirba su šiltu drėgnu oru, o visas temperatūros padidėjimas kompensuojamas vėlesniu vėsintuvu. Vėsintuvo galia turi būti reikšmingai didesnė, kad būtų užtikrintas ir temperatūros sumažinimas, ir perteklinės drėgmės pašalinimas. Šilumos apkrova nustatoma kaip suma apkrovos iki tikslo temperatūros atvėsinimui ir apkrovos dėl adsorbcijos šilumos.
Privalumai: paprasta schema, visas temperatūros padidėjimas kompensuojamas vienu vėsintuvu.
Trūkumai: didesnė vėsinimo sistemos galia, didesnė adsorbento apkrova.
Optimalios konfigūracijos pasirinkimas priklauso nuo tikslinių oro parametrų, energinio efektyvumo reikalavimų, biudžeto ir įrangai skiriamos erdvės. Jis turi būti nustatomas remiantis techniniu–ekonominiu palyginimu, o ne universalia taisykle, kaip rekomenduoja EN 13779 ir ASHRAE 90.1 standartai.
Tipinės inžinerinės klaidos ir klaidingi įsitikinimai
Projektuojant sistemas su desikantiniais sausintuvais dažnai daromos šios klaidos:
1. Prielaida apie izoentalpinį procesą — Kai kurie inžinieriai klaidingai mano, kad džiovinimas vyksta nekintant entalpijai, kaip droseliniuose procesuose. Tai lemia šilumos apkrovos neįvertinimą 70–90%, ir ši nepakankama apskaita yra proporcinga pašalintos drėgmės kiekiui pagal termodinaminius skaičiavimus.
2. Empirinių formulių, skirtų kondensaciniams sausintuvams, taikymas — Kondensacinio džiovinimo metu temperatūros prieaugis sudaro 2–3°C dėl kondensacijos šilumos išsiskyrimo šaltnešio uždaroje grandinėje. Desikantinėse sistemose temperatūros padidėjimas yra žymiai didesnis dėl tiesioginio adsorbcijos šilumos išskyrimo į oro srautą, ką lemia proceso fizika.
3. Regeneracinio oro įtakos ignoravimas — Regeneracijos sektoriaus šilumos perdavimo neįvertinimas gali sukelti papildomą nenumatytą apkrovą 10–30%, kuri priklauso nuo regeneracijos temperatūros (aukštesnė temperatūra — didesnis šilumos perdavimas) ir rotoriaus konstrukcijos (sektorių šiluminės izoliacijos efektyvumas).
4. Neteisingas parametrų po sausintuvo įvertinimas — Supaprastintų metodikų naudojimas neatsižvelgiant į realias įrangos charakteristikas lemia klaidas nustatant išėjimo temperatūrą ir drėgnį.
5. Kompensacijos nebuvimas patalpos šilumos balanse — Papildomos sausintuvo šilumos apkrovos ignoravimas skaičiuojant bendrą šilumos balansą lemia nepakankamą vėsinimo sistemos galią. Šios apkrovos dalis gali sudaryti 20–40% bendros ir priklauso nuo patalpos santykinės drėgmės ir drėgmės išsiskyrimo intensyvumo.
6. Kataloginių duomenų naudojimas nepatikslinus bandymų sąlygų — Sausintuvų charakteristikos kataloguose paprastai pateikiamos standartinėms sąlygoms, kurios gali skirtis nuo projektinių, todėl atsiranda skaičiavimo klaidų.
Norint išvengti šių klaidų, būtina naudoti 4 ir 5 skyriuose aprašytas metodikas, įvertinti visus šilumos šaltinius (3 skyrius) ir taikyti įrangos gamintojų duomenis.
Metodikos taikymo ribos ir ypatingi atvejai
Standartinės šilumos apkrovos skaičiavimo metodikos turi ribojimus, kuriuos būtina įvertinti:
1. Temperatūrinės ribos — Esant žemoms temperatūroms (žemiau 5°C silicio geliui, žemiau 0°C molekuliniams sietams) vandens molekulių difuzija lėtėja, mažėja adsorbcijos efektyvumas. Esant aukštoms temperatūroms (virš 40°C silicio geliui, virš 60°C molekuliniams sietams) adsorbcinė talpa mažėja dėl termodinamikos dėsningumų — šiluminė molekulių energija ima vyrauti prieš adsorbcijos energiją. Konkrečios ribos priklauso nuo adsorbento tipo ir nėra absoliučios.
2. Drėgmės ribos — Esant ypač žemai drėgmei (žemiau 5% santykinės drėgmės) džiovinimo efektyvumas mažėja dėl mažesnio vandens garų koncentracijos gradiento. Esant ypač didelei drėgmei (virš 90%) adsorbento porose gali vykti kapiliarinė kondensacija, keičianti proceso pobūdį.
3. Sistemos su daline regeneracija — Sistemose, kur adsorbentas regeneruojamas ne iki galo, likutinės drėgmės kaupimasis keičia šilumos balansą, todėl reikia papildomų skaičiavimų arba eksperimentinių duomenų.
4. Sistemos su integruotu aušinimu — Kai kurie sausintuvai turi integruotas rotoriaus aušinimo sistemas, kurių vidiniai šilumos srautai standartine metodika neįvertinami.
5. Skystų desikantų sistemos — Sausintuvams, paremtiems skystais desikantais (LiCl, CaCl₂ tirpalai), proceso fizika iš esmės skiriasi, nes adsorbciją pakeičia absorbcija su kitomis termodinaminėmis charakteristikomis.
Visais šiais atvejais reikalinga specializuota analizė, kompiuterinis modeliavimas arba konsultacijos su įrangos gamintojais. EN 13779 ir ASHRAE 62.1 standartai rekomenduoja taikyti išplėstines skaičiavimo metodikas tokioms nestandartinėms situacijoms.
DUK (Dažniausiai užduodami klausimai)
1. Kiek laipsnių padidėja temperatūra po sausintuvo?
Temperatūros padidėjimas priklauso nuo pašalintos drėgmės kiekio, adsorbento tipo ir regeneracijos režimo. Apytiksliai prieaugį galima įvertinti formule:
Temperatūros padidėjimas = Pašalintos drėgmės masė × Adsorbcijos savitoji šiluma / (Oro masės srautas × Oro savitoji šiluminė talpa)
Tipinėmis sąlygomis prieaugis sudaro 7–20°C, tačiau šios reikšmės galioja tik esant 10–20 g/kg sauso oro drėgniui; jų negalima ekstrapoliuoti į kitas sąlygas be perskaičiavimo.
2. Ar galima tiesiog padidinti kondicionieriaus galią?
Taip, to prireiks, tačiau reikia įvertinti pasekmes. Vėsintuvo galios didinimas lems didesnes kapitalo išlaidas (didesnė įranga) ir eksploatacines sąnaudas (didesnės energijos sąnaudos). Alternatyvos: išankstinis oro aušinimas prieš sausintuvą, sausintuvų su integruotais aušinimo sektoriais naudojimas, šilumos rekuperacijos sistemų taikymas siekiant sumažinti bendras energijos sąnaudas.
3. Kaip sumažinti šilumos apkrovą?
Pagrindinės šilumos apkrovos mažinimo priemonės:
- Sausintuvų su prapūtimo sektoriais naudojimas, mažinantis šilumos pernašą
- Adsorbentų su mažesne adsorbcijos šiluma taikymas, jei tai atitinka džiovinimo reikalavimus
- Rotoriaus sukimosi greičio optimizavimas
- Išankstinio aušinimo taikymas adsorbento apkrovai mažinti
- Šilumokaičių naudojimas šilumai nuo rotoriaus pašalinti
Kiekvienos priemonės efektyvumas priklauso nuo konkrečių eksploatacijos sąlygų ir reikalauja individualaus vertinimo.
4. Ar skiriasi skaičiavimas silicio geliui ir molekuliniams sietams?
Taip, skaičiavimai skiriasi dėl skirtingos adsorbcijos šilumos. Molekuliniai sietai turi didesnę adsorbcijos šilumą (2800–3200 kJ/kg) lyginant su silicio geliu (2400–2600 kJ/kg) dėl stipresnių elektrostatinių sąveikų kristalinėje struktūroje, kurios užtikrina tvirtesnį vandens molekulių surišimą. Tai lemia didesnį temperatūros padidėjimą pašalinus tokį patį drėgmės kiekį.
5. Kas geriau: sausintuvas prieš ar po vėsintuvo?
Optimalus išdėstymas priklauso nuo konkretaus taikymo. Sausintuvo montavimas po vėsintuvo sumažina adsorbento apkrovą, bet reikalauja papildomo aušinimo po džiovinimo. Sausintuvo montavimas prieš vėsintuvą supaprastina sistemą, bet reikalauja didesnės vėsinimo galios. Pasirinkimas turi būti grindžiamas techniniu–ekonominiu analize, atsižvelgiant į kapitalo ir eksploatacines sąnaudas.
6. Ar reikia atskiro skaičiavimo kiekvienam režimui?
Taip, šilumos apkrova kinta priklausomai nuo darbo režimo, įeinančio oro parametrų ir džiovinimo reikalavimų. Būtina atlikti skaičiavimus visiems būdingiems eksploataciniams režimams, ypač maksimalioms apkrovoms (didžiausia drėgmė) ir tipinėms darbo sąlygoms, kad būtų teisingai parinkta įranga.
7. Koks skaičiavimo tikslumas?
Supaprastintos skaičiavimo metodikos duoda 10–20% paklaidą, priklausomai nuo sistemos sudėtingumo ir įvesties duomenų tikslumo. Atsakingiems projektams rekomenduojama naudoti gamintojų duomenis, bandymų rezultatus ar kompiuterinį modeliavimą. Visada reikėtų numatyti 10–15% galios rezervą, kompensuojant galimus realių sąlygų nukrypimus nuo projektinių.
Išvados
1. Desikantiniai sausintuvai visada padidina oro temperatūrą dėl adsorbcijos šilumos išsiskyrimo. Tai fundamentali fizikinė proceso savybė, kurios panaikinti neįmanoma — ją galima tik kompensuoti papildomu aušinimu.
2. Desikantinio sausintuvo šilumos apkrova gali sudaryti 20–40% bendros oro kondicionavimo sistemos apkrovos, priklausomai nuo oro drėgmės ir drėgmės išsiskyrimo intensyvumo. Šios apkrovos ignoravimas yra kritinė klaida, lemianti, kad mikroklimato parametrai neatitiks projektinių reikalavimų.
3. Šilumos apkrovą galima apskaičiuoti dviem metodais: pagal drėgmės masės balansą (preliminariems įvertinimams) arba pagal entalpijos pokytį (detaliam projektavimui). Abu metodai įvertina visus šilumos šaltinius, tačiau entalpijos metodas suteikia tikslesnius rezultatus, kurių paklaida neviršija 10–15%, jei naudojami patikimi įvesties duomenys.
4. Sistemos konfigūracijos pasirinkimas (sausintuvo vieta vėsintuvo atžvilgiu) daro įtaką šilumos apkrovų pasiskirstymui. Optimalus sprendimas nustatomas analizuojant konkretų projektą; nėra universalaus varianto, tinkamo visiems taikymams.
5. Šilumos apkrovai mažinti egzistuoja įvairios konstrukcinės ir eksploatacinės priemonės, kurių kiekviena turi savo privalumų ir sąnaudų. Priemonių pasirinkimas turi būti grindžiamas ekonominiu efektyvumu, atsižvelgiant į kapitalo ir eksploatacines išlaidas.
6. Šilumos apkrovos skaičiavimo tikslumas priklauso nuo įvesties duomenų kokybės. Atsakingiems projektams reikia naudoti bandymų ar modeliavimo duomenis ir numatyti techninius rezervus.
7. Metodikos turi ribojimų esant ekstremalioms temperatūroms, drėgmei ir specialioms sausintuvų konstrukcijoms, todėl tokiais atvejais reikia taikyti sudėtingesnius analizės metodus.
Teisingas desikantinio sausintuvo šilumos apkrovos įvertinimas yra būtina kokybiško vėdinimo ir oro kondicionavimo sistemų projektavimo sąlyga. Inžinierius turi suprasti proceso fiziką, mokėti taikyti skaičiavimo metodiką, naudoti patikrintus duomenis ir kritiškai vertinti gautus rezultatus, kad būtų užtikrintas efektyvus sistemos darbas ir komfortiškos patalpų sąlygos.
