Autorius: Mycond techninis skyrius
Paimkite stiklinę šalto vandens iš šaldytuvo karštą dieną. Po kelių minučių ant paviršiaus atsiranda vandens lašai. Iš kur jie atsirado? Tai vienas iš daugelio reiškinių pavyzdžių, kuriuos tiria psichrometrija – mokslas apie drėgno oro savybes ir elgseną.
Psichrometrija – tai tarsi „naudojimo instrukcija“ orui su vandens garais. HVAC (šildymas, vėdinimas ir kondicionavimas) inžinieriams psichrometrijos supratimas yra toks pat svarbus, kaip matematika buhalteriui. Be jos neįmanoma išspręsti tipinių praktinių užduočių: kiek vandens kondensuosis ant prekybos centro šaldymo įrenginių, kokia temperatūra ir drėgmė yra komfortiškiausia biurui Vilniuje, kodėl žiemą Kauno ir Klaipėdos butuose taip sausa, kad trūkinėja lūpos, kaip užkirsti kelią pelėsiui vonioje ir kiek energijos reikia oro sausininimui farmacijos gamyboje.
Kas yra psichrometrija ir kam ji reikalinga
Įsivaizduokite stiklinę šalto vandens iš šaldytuvo karštą vasaros dieną Šiauliuose. Po kelių minučių ant išorinio stiklinės paviršiaus atsiranda vandens lašai. Iš kur jie atsirado? Atsakymas paprastas: vandens garai iš oro kondensuojasi susilietę su šaltu paviršiumi. Tai ryškus procesų, kuriuos tiria psichrometrija, pavyzdys.
Psichrometrija – tai mokslas apie drėgno oro savybes ir elgseną. Ji aprašo, kaip oras sąveikauja su vandens garais esant skirtingoms temperatūroms ir slėgiams. HVAC inžinieriams tai bazinė disciplina, be kurios neįmanoma suprojektuoti efektyvių kondicionavimo, vėdinimo ir oro sausininimo sistemų.
Praktinės užduotys, kurias padeda išspręsti psichrometrija:
- Kondensato kiekio ant šaldymo įrenginių skaičiavimas
- Optimalios komforto aplinkos skirtingos paskirties patalpose nustatymas
- Žemų drėgmės lygių žiemą šildomose patalpose priežasčių paaiškinimas
- Pelėsio ir kondensato susidarymo ant statybinių konstrukcijų prevencija
- Energijos sąnaudų oro sausininimui specializuotoje gamyboje skaičiavimas
Septyni pagrindiniai drėgno oro parametrai
Norint visiškai apibūdinti drėgno oro būseną, reikia žinoti keletą pagrindinių charakteristikų. Įsivaizduokime 1 kilogramą oro nematomoje dėžėje iš tipinio gyvenamojo kambario Panevėžyje: temperatūra 21°C, santykinė drėgmė 50%. Panagrinėkime septynis pagrindinius parametrus, aprašančius šio oro savybes.
1. Sauso termometro temperatūra (Dry Bulb Temperature)
Tai įprasta oro temperatūra, matuojama standartiniu termometru. Žymima t arba T, matavimo vienetas °C. Kai sakome „kambaryje +21°C“, kalbame būtent apie sauso termometro temperatūrą. Psichrometrinėje diagramoje ji vaizduojama apatine horizontalia ašimi, didėjančia iš kairės į dešinę.
Praktinė reikšmė: pagrindinis šiluminio komforto parametras. Žmogus geriausiai jaučiasi prie 20–24°C žiemą ir 23–26°C vasarą.
2. Santykinė drėgmė (Relative Humidity)
Tai procentas nuo maksimaliai galimo vandens kiekio, kurį gali „sutalpinti“ oras esant konkrečiai temperatūrai. Svarbi savybė: „santykinė“ reiškia, kad parametras priklauso nuo temperatūros — tai daug nesusipratimų sukelianti priežastis. Žymima RH arba φ, matavimo vienetas %.
Įsivaizduokite kempinę: esant 21°C ji gali sutalpinti maksimaliai 100 vienetų vandens (100% drėgmė). Jei joje yra 50 vienetų — tai 50% RH. Pašildykite kempinę iki 30°C — dabar ji gali sutalpinti 200 vienetų, tačiau vandens kaip buvo 50, taip ir liko, todėl RH tampa 25% (50/200).
Diagramoje: išlinkusios kreivės nuo apatinio kairiojo iki viršutinio dešiniojo kampo. Aukščiausia 100% RH kreivė — tai prisotinimo linija. Komforto diapazonas žmogui: 40–60% RH.
3. Drėgmės santykis (Humidity Ratio, Specific Humidity)
Tai realus fizinis vandens garų kiekis gramais vienam kilogramui sauso oro. Žymima d, w arba x, matavimo vienetas g/kg. Skirtingai nuo santykinės drėgmės, drėgmės santykis nepriklauso nuo temperatūros — tai absoliutus dydis.
Mūsų pavyzdyje: temperatūra 21°C, RH 50%, drėgmės santykis 7.8 g/kg. Tai reiškia, kad 1 kg sauso oro yra 7.8 g vandens garų. Jei pašildysime šį orą iki 30°C, drėgmės santykis liks 7.8 g/kg, tačiau RH sumažės iki ~27%.
Praktinis pritaikymas: pašalinamo vandens kiekio sausintuvu skaičiavimas pagal formulę: Vandens kiekis (kg/val.) = Oro srautas (kg/val.) × Drėgmės santykio skirtumas (g/kg) / 1000.
4. Rasos taško temperatūra (Dew Point Temperature)
Tai temperatūra, iki kurios reikia atvėsinti orą, kad jis taptų prisotintas (100% RH) ir pradėtų kondensuotis drėgmė. Žymima Td, matavimo vienetas °C.
Gyvenimiškas pavyzdys: ant stiklinės su šaltu vandeniu susidaro kondensatas, kai stiklinės paviršiaus temperatūra yra žemesnė už patalpos oro rasos tašką.
Mūsų pavyzdyje: oras 21°C, 50% RH turi rasos tašką +10°C. Tai reiškia, kad ant bet kurio paviršiaus, kurio temperatūra +10°C arba žemesnė, formuosis kondensatas.
Supaaprastinta skaičiavimo formulė: Td ≈ T - ((100 - RH) / 5). Pavyzdys: T=21°C, RH=50%, Td ≈ 21 - ((100-50)/5) = 11°C (tikslioji reikšmė +10.2°C).
5. Vandens garų slėgis (Vapor Pressure)
Tai dalinis slėgis, kurį sukuria vandens garų molekulės ore. Žymima pv, matavimo vienetas Pa arba kPa. Kuo daugiau vandens molekulių ore, tuo didesnis garų slėgis.
Mūsų pavyzdyje esant drėgmės santykiui 7.8 g/kg garų slėgis yra apie 1240 Pa (1.24 kPa).
Praktinė reikšmė: drėgmė juda iš didesnio garų slėgio zonos į mažesnio. Žiemą kambaryje šilta ir 40% drėgmė (garų slėgis ~1000 Pa), lauke -10°C ir 80% RH (garų slėgis ~200 Pa) — 800 Pa skirtumas „stumia“ drėgmę per sieną į išorę.
6. Oro entalpija (Enthalpy)
Tai bendra oro energija, apimanti paties oro šilumą (juntamoji šiluma) ir šilumą, sunaudotą vandeniui išgarinti (slaptoji šiluma). Žymima h arba i, matavimo vienetas kJ/kg.
Mūsų pavyzdyje: temperatūra 21°C, drėgmės santykis 7.8 g/kg, entalpija 41 kJ/kg, iš jų juntamoji šiluma ~21 kJ/kg, slaptoji šiluma ~20 kJ/kg.
Praktinis pritaikymas: kondicionieriaus apkrovos skaičiavimas pagal formulę: Šaldymo galia (kW) = Oro srautas (kg/s) × Entalpijų skirtumas (kJ/kg).
7. Šlapio termometro temperatūra (Wet Bulb Temperature)
Tai temperatūra, kurią rodo termometras, apvyniotas drėgnu audiniu, pro kurį teka oras. Žymima Tw, matavimo vienetas °C. Vanduo iš audinio garuoja, atimdmas šilumą ir atvėsindamas termometrą.
Mūsų pavyzdyje: sauso termometro temperatūra 21°C, RH 50%, šlapio termometro temperatūra 15°C.
Praktinis pritaikymas: oro vėsinimo vandens garinimu (adiabatinis vėsinimas) galimybių nustatymas. Šlapio termometro temperatūra — tai teorinė oro vėsinimo vandens garinimu riba.
Psichrometrinė diagrama — drėgno oro žemėlapis
Visi septyni drėgno oro parametrai tarpusavyje susiję, o psichrometrinė diagrama (Mollierio diagrama) – grafinis įrankis, vienu metu parodantis visus šiuos ryšius. Ji leidžia inžinieriui lengvai nustatyti visas drėgno oro savybes, žinant bet kuriuos du parametrus.
Pagrindinė diagramos naudojimo taisyklė: jei žinomi bet kurie DU parametrai, galima rasti visus kitus.
Pavyzdys 1: Žinome T=21°C ir RH=50%. Apatinėje horizontalioje ašyje randame 21°C, brėžiame vertikalią liniją į viršų, ieškome sankirtos su 50% RH kreive. Šis taškas suteikia: drėgmės santykį d=7.8 g/kg, rasos tašką Td=10°C, entalpiją h=41 kJ/kg, šlapio termometro temperatūrą Tw=15°C.
Pavyzdys 2: Žinome T=30°C ir Td=20°C. Apatinėje horizontalioje ašyje randame 30°C (vertikali linija į viršų), prisotinimo linijoje randame 20°C (horizontali linija į dešinę). Šių linijų sankirta duoda: RH≈57%, d≈13 g/kg, h≈63 kJ/kg.
Praktiniai pavyzdžiai HVAC inžinieriams
Panagrinėkime kelis praktinius psichrometrijos taikymo pavyzdžius HVAC sistemų skaičiavimuose.
Pavyzdys 1 — Oro aušinimas ir drėgmės šalinimas kondicionieriumi
Užduotis: lauko oras Vilniuje vasarą turi parametrus 32°C ir 70% RH, reikia jį atvėsinti iki 18°C tiekti į patalpas.
- Nustatome pradines reikšmes: T₁=32°C, RH₁=70%, pagal diagramą d₁=21 g/kg, h₁=85 kJ/kg, Td₁=26°C.
- Aušinimo procesas: oras praeina per garintuvą, kurio paviršiaus temperatūra +8°C. Pasiekus rasos tašką (26°C) prasideda kondensacija. Esant 8°C turime: d₂=6.5 g/kg, RH=100%.
- Kondensato kiekio skaičiavimas: pašalinta drėgmė = d₁-d₂ = 21-6.5 = 14.5 g/kg. Esant 1000 m³/val. srautui (≈1200 kg/val.): kondensatas = 1200 × 14.5 / 1000 = 17.4 kg/val. vandens.
- Energijos skaičiavimas: šaldymo galia = 1200/3600 kg/s × (85-22) kJ/kg = 0.333 × 63 = 21 kW.
Pavyzdys 2 — Kodėl žiemą butuose sausa
Tipinė žiemos situacija Kaune: lauke -5°C, 80% RH. Šis oras patenka į butą ir sušyla iki 21°C.
- Lauko oras: T₁=-5°C, RH₁=80%, pagal diagramą d₁=2.2 g/kg, Td₁=-8°C.
- Pašildymas iki kambario temperatūros (drėgmės santykis nesikeičia): T₂=21°C, d₂=2.2 g/kg, RH₂=14%.
Išvada: lauke oras atrodo drėgnas (80% RH), tačiau fiziškai jame mažai vandens. Pašildžius šis nedidelis vandens kiekis pasiskirsto didesniame šilto oro tūryje, todėl santykinė drėgmė staigiai krenta. Sprendimas — papildomas oro drėkinimas.
Pavyzdys 3 — Oro džiovinimas desikantu
Farmacijos gamyba Alytuje reikalauja oro su rasos tašku -10°C esant 21°C temperatūrai.
- Reikalingi parametrai: T=21°C, Td=-10°C, pagal diagramą d=1.6 g/kg, RH=15%.
- Vasarą tiekiamas oras: T₁=28°C, RH₁=65%, d₁=15.5 g/kg.
- Šalintinos drėgmės kiekis: Δd = 15.5 - 1.6 = 13.9 g/kg. Esant 500 kg/val. srautui: pašalinti = 500 × 13.9 / 1000 = 6.95 kg/val. vandens.
Tokiame giliame sausininime įprastas kondicionierius netinka — reikalingas adsorbcinis sausintuvas, galintis pasiekti rasos taškus iki -40°C ir žemiau.
FAQ — Dažniausiai užduodami klausimai
Kas paprastai yra psichrometrija?
Psichrometrija — tai mokslas apie oro ir vandens garų mišinio savybes. Ji paaiškina, kaip elgiasi drėgnas oras jį šildant, vėsinant, drėkinant ir sausininant.
Kodėl santykinė drėgmė nerodo realaus vandens kiekio ore?
Nes ji yra santykinė — rodo prisotinimo procentą esant konkrečiai temperatūrai. 40% RH esant 30°C turi daugiau vandens nei 90% RH esant 0°C. Realiam vandens kiekiui nustatyti naudojamas drėgmės santykis (g/kg).
Kaip greitai nustatyti rasos tašką be diagramos?
Galima naudoti supaprastintą formulę: Td ≈ T - ((100 - RH) / 5), kur T — temperatūra, RH — santykinė drėgmė. Paklaida paprastai neviršija 1°C.
Kodėl žiemą patalpose sausa net esant didelei drėgmei lauke?
Todėl, kad šaltame ore fiziškai yra mažai vandens net ir esant didelei santykinei drėgmei. Pašildžius vandens kiekis lieka tas pats, bet santykinė drėgmė staigiai krinta.
Kuo skiriasi juntamoji ir slaptoji šiluma?
Juntamoji šiluma keičia medžiagos temperatūrą (oro pašildymas). Slaptoji šiluma sunaudojama fazės pokyčiui (vandens garinimui) be temperatūros pokyčio.
Kam reikalinga šlapio termometro temperatūra?
Ji parodo oro vėsinimo vandens garinimu potencialą ir leidžia nustatyti garinamųjų aušintuvų, aušinimo bokštų ir adiabatinio drėkinimo sistemų efektyvumą.
Išvados — psichrometrijos reikšmė HVAC inžinieriams
Psichrometrija HVAC inžinieriui — ne abstrakti teorija, o kasdienis įrankis, reikalingas dėl keturių pagrindinių priežasčių:
1. Sistemų projektavimas
Be psichrometrijos neįmanoma teisingai apskaičiuoti kondicionierių šaldymo galios, sausintuvų našumo, drėkintuvų galios ir vėdinimo sistemų parametrų.
2. Energijos taupymas
Psichrometrinė diagrama leidžia nustatyti optimalią oro apdorojimo strategiją, rasti galimybes „nemokamam“ vėsinimui/sausininimui ir įvertinti rekuperatorių efektyvumą.
3. Problemų prevencija
Rasos taško supratimas padeda išvengti kondensacijos vėdinimo sistemose, sienų įšalimo, pelėsio plitimo ir įrangos korozijos.
4. Oro kokybės kontrolė
Tinkamas temperatūros ir drėgmės derinys užtikrina žmonių komfortą, medžiagų ir įrangos išsaugojimą, atitiktį technologiniams reikalavimams.
Pagrindinė psichrometrijos taisyklė: norint visiškai nustatyti oro būseną, reikia žinoti bent DU parametrus, visus kitus galima rasti naudojantis diagrama. Naudingiausios kombinacijos: T+RH (paprasčiausia išmatuoti), T+Td (geriausia kondensacijos kontrolei), T+d (geriausia sausininimo skaičiavimams).
Psichrometrija — tai ne vien teorija, o praktinis įrankis, padedantis HVAC inžinieriams priimti teisingus sprendimus, taupyti energiją ir klientų pinigus, kurti komfortiškas ir sveikas sąlygas patalpose Lietuvoje ir visame pasaulyje.
