Cooling-based vs Desiccant: kurį oro sausinimo metodą pasirinkti jūsų projektui

Autorius: Mycond techninis skyrius

Efektyvus oro sausinimas yra kritiškai svarbi užduotis plačiam taikymų spektrui: nuo gyvenamųjų patalpų iki pramoninių objektų ir specializuotų gamybų. Inžinerinė užduotis parinkti oro sausinimo metodą reikalauja gilaus supratimo apie prieinamas technologijas, jų veikimo principus, privalumus ir apribojimus, taip pat ekonominį tikslingumą konkretiems projektams.

Šiuolaikinėje praktikoje egzistuoja du iš esmės skirtingi oro sausinimo būdai: cooling-based (kondensacinis) ir desiccant (adsorbcinis). Kiekvienas iš jų remiasi fundamentaliai skirtingais fizikiniais procesais, pašalinančiais drėgmę iš oro. Kondensacinis metodas naudoja oro vėsinimą žemiau rasos taško, kas lemia vandens garų kondensaciją. Adsorbcinis metodas remiasi medžiagomis, turinčiomis žemą garų slėgį (desikantais), kurios fiziškai pritraukia vandens molekules iš oro.

Cooling-based sausinimas: veikimo principas ir charakteristikos

Kondensacinis oro sausinimo metodas grindžiamas fundamentaliu fizikos principu: vėsinant orą, jo gebėjimas išlaikyti drėgmę mažėja. Kaip veikia oro sausintuvas, paremtas cooling-based technologija? Procesą galima suskirstyti į kelis nuoseklius etapus:

1. Drėgnas oras praeina per šaltą šilumokaitį (garintuvą)
2. Oro temperatūra sumažinama iki rasos taško (dew point temperature) arba žemiau jo
3. Vandens garai kondensuojasi ant šaltų šilumokaičio paviršių
4. Kondensatas surenkamas ir pašalinamas per drenažo sistemą
5. Atvėsintas ir išsausintas oras dažnai pašildomas, kad sumažėtų santykinė drėgmė ir būtų pasiekta komfortiška temperatūra

Svarbu suprasti, kad kondensacinio sausinimo efektyvumas tiesiogiai priklauso nuo pasiektos aušinimo temperatūros: kuo žemesnė šilumokaičio temperatūra, tuo žemesnį rasos tašką galima pasiekti ir tuo sausesnis bus išleidžiamas oras.

Šaldymo sistemų sausinimo tipai

Šiuolaikinėje praktikoje naudojami trys pagrindiniai kondensacinių sausinimo sistemų tipai:

Tiesioginio išsiplėtimo (DX) sistemos

Šaldymo agentas tiesiogiai išsiplečia garintuve, per kurį teka oras. Išsiskiria paprasta konstrukcija, greita reakcija į apkrovos pokyčius ir santykinai maža kaina. Efektyviai veikia esant didelei oro drėgmei, užtikrindamos sausintuvo COP (našumo koeficientą) 2.5–4.0 diapazone. Tokios sistemos yra plačiausiai paplitusios gyvenamosiose ir komercinėse vidutinio dydžio patalpose.

Sistemos su aušinamuoju skysčiu

Per šilumokaitį cirkuliuoja atvėsintas vanduo arba glikolis, vėsinantis orą. Šių sistemų privalumai: galimybė centralizuotai vėsinti su išskaidytomis sausinančiomis zonomis, didesnis saugumas dėl šaldymo agento nebuvimo aptarnaujamoje erdvėje, didesnis lankstumas projektuojant. Tokių sistemų efektyvumas kiek mažesnis (COP 2.0–3.5) dėl papildomo šilumos mainų etapo.

dehumidification-reheat sistemos

Šios sistemos išsiskiria tuo, kad naudoja šaldymo ciklo kondensatoriaus šilumą jau išsausinto oro pašildymui. Tai leidžia sumažinti energijos sąnaudas, palyginti su atskiru šilumos šaltiniu. Teisingai suprojektuotos dehumidification-reheat sistemos užtikrina efektyvų sausinimą neperšaldant patalpų, kas ypač svarbu pereinamaisiais metų laikais arba patalpose su maža šilumine apkrova.

Kondensacinio sausinimo privalumai

Cooling-based sausinimo sistemos turi keletą esminių privalumų, dėl kurių jos tapo labiausiai paplitusios rinkoje:

• Aukštas energinis efektyvumas esant didelei oro drėgmei (COP 2.0–4.5)
• Vienu metu vyksta ir aušinimas, ir sausinimas
• Gerai ištirta ir patikrinta technologija su plačiai prieinama įranga
• Santykinai maža pradinė kaina, palyginti su kitais sausinimo metodais
• Paprastas valdymas ir našumo reguliavimas
• Galimybė integruoti į esamas oro kondicionavimo sistemas

Šaldymo sausinimo apribojimai

Nepaisant populiarumo, kondensacinis sausinimo metodas turi keletą fundamentalių apribojimų, kuriuos būtina įvertinti projektuojant:

• Minimalus pasiekiamas rasos taškas ribojamas +4...+7°C dėl kondensato užšalimo rizikos šilumokaintyje
• Žymus efektyvumo sumažėjimas esant žemoms lauko temperatūroms
• Iš šaldytuvo išeinantis oras yra arti prisotinimo (didelė RH), todėl dažnai reikia papildomo pašildymo
• Žemas energinis efektyvumas dalinėse apkrovose dėl cikliško darbo
• Aplinkosauginiai klausimai, susiję su šaldymo agentų naudojimu
• Nepasiekiami labai žemi rasos taškai (žemiau 0°C)

Ypač svarbu suprasti, kodėl kondensacinis sausintuvas neefektyviai veikia žiemą: esant žemoms temperatūroms absoliutus oro drėgmės kiekis jau yra mažas, todėl energetiškai netikslinga orą dar labiau vėsinti likusiai drėgmei pašalinti.

Desiccant sausinimas: adsorbcija kaip alternatyvus metodas

Adsorbcinis sausinimo metodas pagrįstas iš esmės kitu fiziniu procesu. Vietoje oro vėsinimo, ši technologija naudoja didelį adsorbcinį pajėgumą turinčias medžiagas – desikantus (desiccant dehumidifier).

Adsorbcijos proceso fizika pagrįsta garų slėgių skirtumu: desikantai savo paviršiuje turi itin žemą garų slėgį, tuo tarpu vandens garai ore turi aukštesnį slėgį. Šis skirtumas sukuria natūralią tendenciją vandens molekulėms migruoti iš oro į desikanto paviršių, kur jos sulaikomos paviršiaus jėgomis. Svarbu tai, kad šis procesas nepriklauso nuo aušinimo ir gali vykti bet kurioje temperatūroje.

Rotacinio sausintuvo darbo ciklas

Dažniausiai naudojamas adsorbcinių sausintuvų tipas – rotacinės sistemos, užtikrinančios nenutrūkstamą sausinimo ir regeneracijos procesą. Toks sausintuvas veikia taip:

1. Drėgnas oras praeina per rotoriaus segmentą (procesinę pusę), kur desikantas adsorbuoja drėgmę
2. Adsorbcijos procesą lydi šilumos išsiskyrimas (sorbcijos šiluma), todėl išleidžiamo oro temperatūra pakyla
3. Drėgme prisotintas rotoriaus segmentas lėtai pasisuka į regeneracijos zoną
4. Karštas oras (120–250°C) praeina per rotoriaus regeneracijos pusę, išgarindamas adsorbuotą drėgmę
5. Regeneruotas desikantas grįžta į proceso zoną, užtikrindamas nenutrūkstamą ciklą

Pagrindiniai desikantų tipai

Šiuolaikinėse sistemose naudojami trys pagrindiniai desikantų tipai, turintys savitas savybes ir taikymo sritis:

Silika gelis

Dažniausias desikantas komercinėse sausinimo sistemose. Silika gelio adsorbcijai būdingas didelis talpumas (10–40% nuo paties svorio), efektyvumas plačiame drėgmės diapazone (20–70% RH), stabilumas ir ilgas tarnavimo laikas. Silika gelio pagrindu sukurti rotoriai, tinkamai regeneruojant, gali užtikrinti iki –20°C rasos tašką.

Molekuliniai sietai

Sintetiniai ceolitai su tiksliai apibrėžta mikroporėta struktūra. Molekuliniai sietai ypač efektyvūs esant labai žemai santykinei drėgmei ir gali užtikrinti itin žemus rasos taškus (iki –40°C ir žemiau). Reikalauja aukštesnių regeneracijos temperatūrų ir daugiausia naudojami specialiems pramoniniams taikymams, kai reikalingas ypač sausas oras.

Ličio chloridas

Rečiau naudojamas rotacinėse sistemose, tačiau turi itin didelį talpumą (iki 1000% nuo paties svorio). Ypač efektyvus esant didelei drėgmei, tačiau yra korozinis ir reikalauja specialių priemonių išplovimui užkirsti kelią. Ličio chlorido pagrindu veikiančios sistemos turi ribotą taikymo diapazoną dėl techninių sudėtingumų.

Desikantinių sistemų privalumai ir trūkumai

Adsorbcinio sausinimo privalumai:

• Neribotas pasiekiamų rasos taškų diapazonas, įskaitant gilų sausinimą iki –70°C
• Efektyvus darbas bet kurioje temperatūroje, įskaitant neigiamas
• Labai maža išleidžiamo oro santykinė drėgmė (tipiškai 3–15% RH)
• Galimybė regeneracijai naudoti įvairius šilumos šaltinius (dujos, garai, atliekinė šiluma)
• Sausinimo ir oro pašildymo derinimas, kas naudinga šaltuoju laikotarpiu
• Aukštas patikimumas ir ilga įrangos tarnyba (15–25 metai)

Adsorbcinio sausinimo trūkumai:

• Didelės šiluminės energijos sąnaudos desikanto regeneracijai
• Padidėjusi išleidžiamo oro temperatūra, dažnai reikalaujanti papildomo aušinimo
• Sudesnė valdymo ir reguliavimo logika, palyginti su kondensacinėmis sistemomis
• Desikanto užteršimo aliejumi, dulkėmis ir kitais teršalais rizika
• Didesnė pradinė įrangos kaina
• Didesni gabaritai ir svoris, palyginti su analogiško našumo cooling-based sistemomis

Drėgmės šalinimo metodų palyginamoji analizė

Šis palyginimas rodo, kad sausinimo metodo pasirinkimas turi būti grindžiamas konkrečiais projekto reikalavimais, ypač reikiamu rasos tašku, darbinėmis temperatūromis ir prieinamais energijos ištekliais.

Kombinuotos sausinimo sistemos: geriausia iš abiejų pasaulių

Daugeliui taikymų optimalus sprendimas – abiejų sausinimo metodų derinimas kombinuotose sistemose. Egzistuoja kelios efektyvios integracijos schemos:

Priešdėlnis aušinimas prieš desikantą

Šioje schemoje kondensacinis sausintuvas naudojamas pirminiam oro sausinimui iki maždaug +4°C rasos taško, po kurio adsorbcinis sausintuvas užtikrina išdžiovinimą iki tikslinio žemo rasos taško. Toks derinys leidžia sutaupyti 30–50% energijos, palyginti su vien desikantinės sistemos naudojimu, nes pagrindinė drėgmės masė pašalinama energetiškai efektyviausiu būdu.

Sezoninis perjungimas

Sistema suprojektuojama taip, kad skirtingi sausinimo metodai būtų naudojami pagal sezoną: kondensacinis metodas šiltuoju metų laiku (kai jis efektyviausias), o adsorbcinis – šaltuoju laikotarpiu (kai cooling-based sistemos praranda efektyvumą). Toks sprendimas optimalus regionams su ryškia sezoniškumo raiška, įskaitant Lietuvą ir kitas Baltijos šalis.

Atliekinės šilumos naudojimas regeneracijai

Šioje schemoje šaldymo sistemos kondensatoriaus šiluma naudojama desikanto regeneracijai, kas leidžia reikšmingai padidinti bendrą sistemos energinį efektyvumą. Toks integravimas ypač naudingas objektams, kuriems vienu metu reikia ir aušinimo, ir gilaus sausinimo, pavyzdžiui, prekybos centruose, kur sutaupymas gali siekti 40%.

Sprendimo ekonomika: palyginamieji atvejai

Apsvarstykime du tipinius scenarijus, iliustruojančius sausinimo metodo pasirinkimo logiką ekonominiu požiūriu:

1 atvejis: Gyvenamojo namo rūsys

Pradiniai duomenys: patalpa su didele drėgme (80–90% RH), temperatūra +15...+20°C, tikslinis rasos taškas +10°C kondensacijos ant šaltų paviršių prevencijai.

Optimalus sprendimas: kondensacinis sausintuvas. Oro atvėsinimas iki +5°C ir lengvas pašildymas leis pasiekti tikslinį rasos tašką su dideliu energiniu efektyvumu (COP > 3.0). Pradinės investicijos bus žymiai mažesnės nei adsorbcinės sistemos, o paprastas aptarnavimas svarbus gyvenamosioms reikmėms.

2 atvejis: Farmacinė laboratorija

Pradiniai duomenys: reikalingas stabilus –15°C rasos taškas higroskopinių medžiagų apsaugai, patalpos temperatūra +20...+22°C, yra prieiga prie centralizuotos garų sistemos.

Optimalus sprendimas: adsorbcinis sausintuvas arba kombinuota sistema. Kondensacinis metodas fiziškai negali pasiekti tokio žemo rasos taško dėl užšalimo. Adsorbcinis sausintuvas su regeneracija nuo turimų garų užtikrins reikalingus parametrus. Esant dideliems oro kiekiams, ekonomiškai tikslinga svarstyti kombinuotą sistemą, kur pirminis sausinimas iki +4°C atliekamas cooling-based sistema.

Sprendimo priėmimo blokinė schema

Remiantis atlikta analize, galima suformuluoti tokį sausinimo metodo pasirinkimo algoritmą:

1. Jei tikslinis rasos taškas aukščiau +5°C ir lauke didelė drėgmė → optimalus cooling-based sausinimas
2. Jei tikslinis rasos taškas žemiau +5°C ir prieinama pigi šiluminė energija → optimalus desiccant sausinimas
3. Jei reikalingi žemi rasos taškai su dideliu efektyvumu → rekomenduojama kombinuota sistema
4. Jei sistema daugiausia eksploatuojama esant žemoms temperatūroms → pirmenybė desiccant sistemoms
5. Jei kritiškai svarbi pradinė kaina ir prieinamas techninis aptarnavimas → pirmenybė cooling-based sistemoms
6. Jei svarbus ilgas tarnavimo laikas ir patikimumas → pirmenybė desiccant sistemoms

Dažniausiai užduodami klausimai (DUK)

Kodėl kondensacinis sausintuvas neefektyvus žiemą?

Esant žemoms temperatūroms, absoliutus drėgmės kiekis ore jau yra labai mažas, todėl sausinimo potencialas ribotas. Be to, mažėjant garinimo temperatūrai, mažėja šaldymo ciklo efektyvumas, o kondensato užšalimo šilumokaityje rizika didėja. Visa tai lemia labai žemą kondensacinių sausintuvų energinį efektyvumą (COP < 1.0) žiemos laikotarpiu.

Koks minimalus rasos taškas cooling-sistemoms?

Praktinė pramoninių šaldymo sistemų riba yra maždaug +4...+7°C. Žemesnės temperatūros teoriškai galimos naudojant antifrizus ir specialius atitirpinimo ciklus, tačiau tampa ekonomiškai netikslingos dėl staigaus efektyvumo kritimo ir techninio sudėtingumo. Norint pasiekti rasos tašką žemiau 0°C, kondensacinės sistemos netinka.

Kada desiccant sausinimas ekonomiškai naudingesnis?

Adsorbcinis sausinimas tampa ekonomiškai naudingas šiais atvejais: reikalingas rasos taškas žemiau +5°C; darbinė temperatūra žemiau +10°C; prieinamas pigus šiluminės energijos šaltinis (atliekinė šiluma, žemos temperatūros garai, dujos); sistema daugiausia eksploatuojama šaltuoju metų laiku; reikalingas ilgas įrangos tarnavimo laikas.

Ar galima derinti abu sausinimo metodus?

Taip, kombinuotos sistemos dažnai yra optimalus sprendimas, ypač kai reikia žemų rasos taškų esant dideliems oro kiekiams. Tipinė schema apima pirminį sausinimą cooling-based sistema iki +4°C rasos taško, po kurio seka išdžiovinimas adsorbiciniu sausintuvu. Tai leidžia pasiekti didelį efektyvumą, nes pagrindinė drėgmės masė pašalinama ekonomiškiausiu būdu.

Kaip temperatūra veikia sausinimo metodo pasirinkimą?

Temperatūra yra vienas iš pagrindinių pasirinkimo veiksnių. Cooling-based sistemos efektyvios esant +10°C iki +35°C. Esant žemesnėms temperatūroms, jų efektyvumas smarkiai krinta, o apledėjimo rizika didėja. Desiccant sistemos efektyviai dirba visame temperatūrų diapazone, įskaitant neigiamas temperatūras, todėl jos nepakeičiamos šaltoms patalpoms ir žieminei eksploatacijai.

Kuriems sektoriams būtinas desiccant sausinimas?

Adsorbcinis sausinimas būtinas: farmacinei gamybai (higroskopinių vaistų apsauga); elektronikos pramonei (mikroschemų gamyba); maisto pramonei (produktų džiovinimas ir saugojimas); šaltoms saugykloms ir šaldikliams; archyvams ir muziejams; ličio baterijų gamybai; milteliniam dažymui; karinei technikai ir kitiems taikymams, kai būtini žemi rasos taškai arba darbas esant žemoms temperatūroms.

Išvados

Oro sausinimo metodo pasirinkimas tarp cooling-based ir desiccant technologijų yra kompleksinis inžinerinis sprendimas, kurį reikia grįsti techniniais, ekonominiais ir eksploataciniais veiksniais. Abi technologijos turi savo privalumų ir apribojimų, ir kiekviena jų randa savo vietą šiuolaikinėse oro sausinimo sistemose.

Kondensacinis sausinimas išlieka optimaliu sprendimu esant vidutiniams rasos taško reikalavimams (aukščiau +5°C), eksploatacijai šiltesniu klimatu ir kai svarbi pradinė sistemos kaina. Adsorbcinis sausinimas nepakeičiamas siekiant žemų rasos taškų, dirbant esant žemoms temperatūroms ir taikymuose, kur svarbus patikimumas bei ilgaamžiškumas.

Lietuvos klimatui, pasižyminčiam ryškiu sezoniškumu ir ilgu šaltuoju periodu, itin svarbu kruopščiai analizuoti sausinimo sistemos reikalavimus. Daugeliu atvejų kombinuotos arba sezoninio perjungimo sistemos gali užtikrinti optimalų balansą tarp efektyvumo, našumo ir projekto ekonomikos.

Atminkite: nėra universalaus visiems atvejams tinkamo sprendimo. Teisingas oro sausinimo metodo pasirinkimas turi atsižvelgti į konkrečius projekto parametrus: tikslinį rasos tašką, darbinę temperatūrą, prieinamus energijos išteklius ir bendrą ekonominį efektyvumą per visą sistemos gyvavimo ciklą.