Увлажнение воздуха широко применяется в системах кондиционирования воздуха для поддержания требуемых параметров микроклимата в общественных зданиях и на промышленных предприятиях. Изменение влагосодержание возможно при контакте приточного воздуха с водой, смоченной поверхностью и насыщенным паром. Увлажнение воздуха необходимо для реализации технологических процессов, хранения ценностей и т. д. Параметры микроклимата производственного помещения влияют на качество производимой продукции, например, в микроэлектронике. Необходимость увлажнения воздуха в так называемых «чистых производственных помещениях» (ЧПП) электронной промышленности связана с тем, что при низкой влажности воздуха происходит накопление электростатического заряда, который может повредить электронные части или оборудование. Снятие заряда происходит при относительной влажности воздуха выше 60%.

В настоящее время на рынке климатического оборудования России наблюдается нехватка изотермических увлажнителей на электродном нагреве, работающих в широком диапазоне паропроизводительности. Разработка конструкции нагревателя пароувлажнителя электродного типа является актуальной задачей, которая реализуется в рамках импортозамещения западного оборудования. На кафедре тепломассообменных процессов и установок (ТМПУ) Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт» (НИУ «МЭИ») в 2022 году уже проводились экспериментальные исследования отечественных пароувлажнителей ORVO [1]. Выработка пара в таких аппаратах осуществлялся с помощью трубчатых электронагревателей (ТЭНов). После успешных испытаний и внесения изменений в конструкцию данные пароувлажнители были запущены в серийное производство индустриальным партнёром. Однако потребитель привык работать с пароувлажнителями электродного типа, поэтому работы по разработке конструкции пароувлажнителя электродного типа были продолжены.

Увлажнение воздуха в холодный период года

Проектирование и подбор оборудования систем кондиционирования ЧПП проводится на основании расчётных параметров наружного воздуха [2].

Наружный воздух в холодный период года характеризуется низким влагосодержанием, которое не меняется при использовании установки приточной вентиляции. Для изменения влагосодержания необходимо использовать секцию увлажнения. Увлажнить воздух можно с помощью непосредственного контакта приточного воздуха с водой, то есть реализовать процесс адиабатического увлажнения воздуха. Установки с адиабатическим увлажнением воздуха являются наиболее экономичными, однако использование их в ЧПП невозможно.

Попавшие в помещение капли или элементы сотового увлажнителя (при неудовлетворительном обслуживании) способны при контакте с электронной продукцией вызвать повреждения и даже привести к короткому замыканию. Кроме того, для увлажнения воздуха должна применяться только полностью обессоленная вода, поскольку примеси кальция и магния в воде могут повредить электронные компоненты. Также системы увлажнения на рециркуляционной воде опасны с точки зрения образования болезнетворных бактерий [3]. Поэтому единственным, по сути, вариантом увлажнения воздуха в ЧПП является увлажнение водяным паром. Такой процесс ещё называется изотермическим увлажнением воздуха, так как луч процесса идёт с небольшим отклонением вверх от изотермы на h-d-диаграмме.

Наибольшее распространение получил аппарат электродного нагрева проводников второго рода. Материал, находясь между электродами, нагревается за счёт протекания в нём электрического тока. По сути, нагреваемое вещество является средой, в которой электрическая энергия превращается в тепловую.

При рассмотрении пароувлажнителей в качестве нагреваемого тела используется водопроводная вода.

Такой способ преобразования энергии имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами нагрева тел. Электродный нагрев представляет собой наиболее простой и экономичный способ. При использовании такого устройства не требуются ни трансформаторы, ни специальные нагреватели из дорогостоящих сплавов. Важной особенностью является то, что температура поверхности электрода такая же, как и у воды в паровом цилиндре. Это заметно снижает скорость образования накипи на токоподводящих элементах. Также такой нагрев характеризуется быстрым выходом на рабочий режим и высокой скоростью регулирования нагрузки.

Целью, которую перед собой ставили авторы, заключалась в разработка нагревателя пароувлажнителя электродного типа и парового цилиндра на основе доступных в литературе образцов и экспериментальное определение паропроизводительности полученного увлажнителя.

Расчёт производительности пароувлажнителя

Химически чистая вода практически не проводит электрический ток. Её проводимость обусловлена наличием растворённых кислот, щелочей и солей, которые диссоциируют в воде на ионы. Электропроводность воды также зависит от температуры — с её увеличением степень диссоциации молекул солей на ионы и их подвижность возрастает. Это приводит к снижению сопротивления воды до момента начала активного парообразования.

После наступления парообразования проводимость воды сильно зависит от концентрации солей и щелочей. При работе в режиме отбора пара нарастание солей происходит так быстро, что требует частой продувки. Перед продувкой солесодержание достигает 2–3 г/кг.

В процессе нагрева происходят сложные электрохимические реакции, результатом которых может стать разделение воды на водород и кислород. Во избежание данного явления ограничивают плотность тока до допустимого значения.

Недопустимо использовать электроды из алюминия и оцинкованной стали. Лучшими материалами для электродов являются титан, графит и нержавеющая сталь. Для технологических нужд выбирают чёрную сталь, а для нагрева воды, употребляемой в пищу, используют титан. Для проектирования электродной группы настоящего пароувлажнителя была выбрана нержавеющая сталь.

Размеры нагревателя, необходимые для достижения определённого значения сопротивления, могут быть рассчитаны аналитически при наличии известных зависимостей, описывающих электрическое поле между электродами. Обычно электрическое поле в области нагрева является сложным и многомерным. Аналитическое описание полей в более простой форме возможно только в некоторых случаях [4], когда можно заменить реальные многомерные поля двумерными плоскопараллельными полями без значительной погрешности.

В качестве типа электродной системы для разрабатываемого электродного пароувлажнителя была выбрана система из трёх электродов, изогнутых под 120° (рис. 1). Данное расположение электродов позволяет более эффективно использовать паровое пространство котла. Также такая электродная группа используется передовым производителем электродных котлов — компанией Hygromatik [5]. Единичный электрод представляет собой пластину из нержавеющей стали, изогнутую под углом 120°, которая условно разделена на два участка: прямой участок и конечный участок с усечением (рис. 1).


Рис. 1. Разработанная группа электродов пароувлажнителя

Основной характеристикой пароувлажнителя независимо от конструкции является определение паропроизводительности, поэтому первая задача, которая была решена в рамках исследований, — это определение расхода пара в зависимости от геометрических характеристик парового цилиндра и электродной группы. Для этого были использованы подходы, отражённые в [4, 6].

Далее будут представлены основные зависимости для определения паропроизводительности. Расход пара [кг/ч]:

где Uф — межфазное напряжение, В; Rф — межфазное сопротивление, Ом; η — КПД пароувлажнителя; cp — теплоёмкость воды, кДж/(кг·°C); r — теплота парообразования при атмосферном давлении, кДж/кг; tвх — температура подаваемой воды в пароувлажнитель, °C.

Межфазное сопротивление Rф [Ом] определялось по формуле (2) с учётом геометрического коэффициента Kg:

где ρсм — удельное сопротивление пароводяной смеси, Ом·см; Kg — межфазное сопротивление; h — КПД пароувлажнителя; cp — теплоёмкость воды, кДж/(кг·°C); r — теплота парообразования при атмосферном давлении, кДж/кг; tвх — температура подаваемой воды в пароувлажнитель, °C.

Геометрический коэффициент Kg зависит от взаимного расположения электродов и их формы. В спроектированном парогенераторе использованы три электрода с изменяемой формой. Коэффициент Kg1 угловой части электродов определялся по методике, приведённой в [5]:

где b — ширина одного крыла электрода, см; l — расстояние между электродами, см; выражение 1/[2tan(60°)] обеспечивает учёт краевого эффекта в одном межэлектродном промежутке; 0,7 — учёт прохождения тока в центральной зоне.

Для определения расстояния между электродами руководствуются допустимой напряжённостью поля, которая принималась Eдоп = 125 В/см:

Геометрический коэффициент Kg2 прямоугольной части электродов:

Сопротивление воды ρв [Ом·см] при температуре t [°C] определялось по формуле, измеренное значение проводимости воды ρ20 = 4950 Ом·см:

Удельное сопротивление пароводяной смеси ρсм [Ом·см] определялось с учётом поправок (коэффициенты сопротивления β1 = 1,2, β2 = 1,3).

Теоретический расход, определённый по формуле (1), составил 11 кг/ч. Данный полученный расход соответствует режиму, когда электроды полностью погружены в воду.

Экспериментальные исследования пароувлажнителя с разработанной группой электродов

Разработанная группа электродов и паровой цилиндр были интегрированы в корпус парогенератора ORVO с установленной автоматикой для проведения экспериментальных исследований для определения реального значения паропроизводительности аппарата.

Для проведения экспериментальных исследований и получения корректных результатов был создан экспериментальный стенд, схематическое изображение которого представлено на рис. 2.


Рис. 2. Экспериментальный стенд для испытания пароувлажнителя

Процесс работы пароувлажнителя условно состоял из двух периодов: прогрева и стационарный режимы. Для выхода воздухоувлажнителя подавалось напряжение и открывался соленоидный клапан для подачи некоторого объёма воды в паровой цилиндр. Затем через некоторое время в аппарат заливалось ещё столько же воды, после каждой подачи вода нагревалась электродами, но не испарялась.

Электроды работали непрерывно во время всего эксперимента. Время залива и объём залитой воды зависит от установленной паропроизводительности. Стационарный режим наступал при неизменном уровне воды в паровом цилиндре и начале процесса испарения содержимого парового цилиндра, который контролировался визуально. Уровень воды в паровом цилиндре определялся уровнемером поплавкового типа. Спустя час после работы установки открывался электромагнитный клапан и проводилась продувка агрегата. Спускался весь объём воды, содержащейся в цилиндре. Цикл работы агрегата был завершён и начинался заново.

Для измерения параметров работы пароувлажнителя были использованы дополнительные приборы: токоизмерительные клещи duwi М266, трёхфазный счётчик «Меркурий 234», измеритель жёсткости воды TDS&EC. Данные измерительные приборы были калиброваны в условиях лаборатории.

В эксперименте измерялись следующие величины: паропроизводительность (масса потреблённой воды), электрическая мощность аппарата, электропроводность продувочной воды, уровень воды в цилиндре, фазный ток.

При измерении расхода воды изначально использовались тахометрические счётчики, но по причине низкого мгновенного потребления воды парогенератором по запрограммированному алгоритму от использования таких приборов отказались. Для измерения расхода воды или паропроизводительности было принято решение использовать весовой метод. Мембранный расширительный бак заполнялся водой с контролем внутреннего давления, внутри бака в любой момент эксперимента давление поддерживалось от 1 до 2 атм. Этого было достаточно для подпитки парового цилиндра. При выходе на рабочий режим аппарат потреблял воду напрямую из водопровода, мембранный бак был отключён от питающего парового цилиндр трубопровода. На стационарном режиме паровой цилиндр вручную переключался к расширительному баку. Количество воды, потреблённой установкой за период эксперимента, который обычно длился около 40–50 минут, определялось показанием весов. Взвешивание мембранного бака проводилось до подключения его к нагнетательному трубопроводу для подпитки парового цилиндра и после отключения аппарата (завершение эксперимента).

Перед проведением каждого эксперимента заранее устанавливалась мощность аппарата, измеряемая в процентах от максимальной. Было проведено десять испытаний с шагом паропроизводительности в 10%. Установлено, что при уставке паропроизводительности в 90 и 100% парогенератор работал нестабильно. Это означает, что уставка в 80% является максимальной, для работы аппарата на более высокой мощности требуется изменение габаритных размеров парового цилиндра.

Все полученные величины относятся к стационарному режиму работы. Результаты эксперимента представлены в виде графиков, которые приведены на рис. 3.


Рис. 3. Изменение паропроизводительности в зависимости от нагрузки парогенератора [G1 — расход пара, определённый весовым методом, кг/ч; G2 — расход пара, определённый на основании потребляемой мощности, кг/ч; G3 — расход пара, определённый на основании количество затраченной электрической энергии, кг/ч; Gтеор1 — расход пара, рассчитанный по формуле (1), кг/ч]

Проанализировав данные рис. 3, был сделан вывод о том, что теоретически рассчитанный расход Gтеор1 несколько меньше расхода, полученного на основании эксперимента. С целью уточнения значения Gтеор1 были подобраны коэффициенты β для прямоугольной и угловой частей электродов. Новые значения Gтеор1 определены при значениях коэффициентов β1 = 1,05, β2 = 1,1. Скорректированные значения теоретической паропроизводительности представлены на рис. 4.


Рис. 4. Изменение паропроизводительности в зависимости от нагрузки парогенератора [G1 — расход пара, определённый весовым методом, кг/ч; G2 — расход пара, определённый на основании потребляемой мощности, кг/ч; G3 — расход пара, определённый на основании количество затраченной электрической энергии, кг/ч; Gтеор1 — расход пара, рассчитанный по формуле (1) с учётом скорректированных коэффициентов β, кг/ч]

Заключение

При проведении данной научно-исследовательской работы был выполнен анализ литературы о проектировании и расчёте электродных водонагревателей, на основании чего разработаны нагревательные электроды и паровой цилиндр, которые были произведены ООО «Орво».

Паровой цилиндр с группой разработанных электродов был смонтирован в пароувлажнителе ORVO, который был испытан в лаборатории ТМПУ НИУ «МЭИ». Для получения экспериментальных данных был разработан и смонтирован экспериментальный стенд, который позволил определить расход пара на основании измерения количества потреблённой воды из источника водоснабжения (мембранный расширительный бак), подведённой мощности системы электроснабжения и потреблённого количества электрической энергии за период испытания. Полученные результаты были сравнены с теоретическими значениями, полученные на основании формулы, которая в конечном варианте была уточнена.

Испытания проводились на всех доступных режимах работы пароувлажнителя, устойчивыми режимами оказался диапазон 10–80% от номинальной электрической мощности. Паропроизводительность пароувлажнителя была подтверждена расчётами на основании потреблённой мощности и значений фазных токов. Разработанный типоразмер электродного пароувлажнителя позволяет генерировать пар в диапазоне расходов от 0,9 до 11,9 кг/ч, а расчётная формула позволяет разработать линейку аппаратов с паропроизводительностью до 130 кг/ч.