Основные термины и определения Атмосферный воздух представляет собой не расслаиваемую смесь газов (N2, O2, Ar, CO2 и др.), которую называют сухой воздух, и паров воды. Состояние воздуха характеризуется: температурой t [°C] или Т [К], давлением барометрическим рб [Па], абсолютным рабс = рб + 1 [бар] или парциальным рпар, плотностью ρ [кг/м3], удельной энтальпией (теплосодержанием) h [кДж/кг]. Состояние влаги в атмосферном воздухе характеризуется влажностью абсолютной D [кг], относительной ϕ [%] или влагосодержанием d [г/кг].Давление атмосферного воздуха рб представляет собой сумму парциальных давлений сухого воздуха рс и водяного пара рп (закон Дальтона):рб = рс + рп. (1)Если газы могут смешиваться в любых количествах, то воздух может вместить лишь определенное количество водяных паров, потому что парциальное давление паров воды рпв в смеси не может быть больше парциального давления насыщения рн этих паров при данной температуре. Существование предельного парциального давления насыщения проявляется в том, что все избыточные пары воды сверх этого количества конденсируются. При этом влага может выпадать в виде капель воды, кристаллов льда, тумана или изморози. Наименьшее содержание влаги в воздухе может быть доведено до нуля (при низких температурах), а наибольшее — примерно 3 % по массе или 4 % по объему. Абсолютная влажность D — количество пара [кг], содержащееся в одном кубическом метре влажного воздуха: D = Mп/L, (2)где Мп — масса пара, кг; L — объем влажного воздуха, м3.При практических расчетах за единицу измерения, характеризующую содержание пара во влажном воздухе, принимается влагосодержание. Влагосодержание влажного воздуха d — количество пара, содержащееся в объеме влажного воздуха, состоящего из 1 кг сухого воздуха и Мв [г] пара:d = 1000(Mп/Mc), (3)где Мc — масса сухой части влажного воздуха, кг. Относительной влажностью ϕ или степенью влажности, или гигрометрическим показателем, называют отношение парциального давления паров воды к парциальному давлению насыщенных паров, выраженное в процентах:ϕ = (рп/pн)100 % ≈ (d/dп)100 %. (4)Относительную влажность можно определить, измеряя интенсивность испарения воды. Естественно, чем ниже влажность, тем активнее будет идти испарение влаги. Если термометр обмотать влажной тканью, то показания термометра будут уменьшаться относительно сухого термометра. Разность показаний температур сухого и мокрого термометров дают определенное значение степени влажности атмосферного воздуха. Удельная теплоемкость воздуха c — это количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг воздуха на 1 К. Удельная теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении зависит от температуры, однако для практических расчетов систем СКВ удельная теплоемкость как сухого, так и влажного воздуха: сс.в = 1 кДж/(кг⋅К) = (5)= 0,24 ккал/(кг⋅К) = 0,28 Вт/(кг⋅К).Удельную теплоемкость водяного пара cп принимают равной: сп = 1,86 кДж/(кг⋅К) = (6)= 0,44 ккал/(кг⋅К) = 0,52 Вт/(кг⋅К).Сухое или явное тепло — тепло, которое добавляется или отводится от воздуха без изменения агрегатного состояния пара (изменяется температура). Скрытое тепло — тепло, идущее на изменение агрегатного состояния пара без изменения температуры (например, осушка).Энтальпия (теплосодержание) влажного воздуха hв.в — это количество тепла, которое содержится в объеме влажного воздуха, сухая часть которого весит 1 кг. Иначе, это количество теплоты, которое необходимо для нагревания от нуля до данной температуры такого количества воздуха, сухая часть которого равна 1 кг. Обычно принимают удельную энтальпию воздуха h = 0 при температуре воздуха t = 0 и влагосодержании d = 0. Энтальпия сухого воздуха hc.в равна:hc.в = ct = 1,006t [кДж/кг], (7)где с — удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг⋅К).Энтальпия 1 кг водяного пара равна:hв.п = 2500 + 1,86t [кДж/кг], (8)где 2500 — скрытая теплота испарения 1 кг воды при температуре нуль градусов, кДж/кг; 1,86 — теплоемкость водяного пара, кДж/(кг⋅К).При температуре влажного воздуха t и влагосодержании d энтальпия влажного воздуха равна:hв.в = 1,006t + (2500 +1,86t)× (9)×(d/1000) [кДж/кг],где d = (ϕ/1000)dн [г/кг].Тепло и холодопроизводительность Q системы кондиционирования воздуха можно определить по формуле:Q = m(h2 – h1) [кДж/ч], (10)где m — расход воздуха, кг; h1, h2 — начальная и конечная энтальпии воздуха. Если влажный воздух охлаждать при неизменном влагосодержании, то будет снижаться энтальпия и температура, а относительная влажность будет увеличиваться. Наступит момент, когда воздух станет насыщенным и его относительная влажность будет равна 100 %. При этом начнется испарение из воздуха влаги в виде росы — конденсация пара. Эта температура называется точкой росы. Температура точки росы для различных температур сухого воздуха и относительной влажности приведена в табл. 1.Точка росы является пределом возможного охлаждения влажного воздуха при неизменном влагосодержании. Для определения точки росы необходимо найти такую температуру, при которой влагосодержание воздуха d будет равно его влагоемкости dн. Графическое построение процессов обработки воздуха Для облегчения расчетов уравнение теплосодержания влажного воздуха [9] представляют в виде графика, получившего название d–hдиаграмма (в технической литературе иногда употребляется термин i–dдиаграмма).В 1918 г. профессор Петербургского университета Л.К. Рамзин предложил d–hдиаграмму, на которой однозначно отражается связь между параметрами влажного воздуха t, d, h, ϕ при определенном атмосферном давлении pб.При помощи d–hдиаграммы графическим методом просто решаются задач, решение которых аналитическим путем требует хотя и простых, но кропотливых вычислений. В технической литературе встречаются различные интерпретации этой диаграммы, которые имеют незначительные отличия от d–hдиаграммы Рамзина. Это, например, диаграмма Молье (Mollier), диаграмма Кэриер (Carrier), опубликованная Американским обществом по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE), диаграмма Французской ассоциации инженеров в области искусственного климата, вентиляции и холода (AICVF). Последняя диаграмма очень точная, выполнена трехцветной печатью. Однако в нашей стране была распространена и используется в настоящее время, как правило, диаграмма Рамзина. Она имеется во многих учебниках, ее используют проектные организации. Поэтому и нами она взята за основу (рис. 1).Данная d–hдиаграмма Рамзина построена в косоугольной системе координат. По оси ординат откладываются значения энтальпии h, а по оси абсцисс, расположенной под углом 135° к оси ординат, откладывается влагосодержание d. Начало координат (точка 0) соответствует значениям h = d = 0. Ниже точки 0 откладываются отрицательные значения энтальпии, выше — положительные. На полученной таким образом сетке строятся линии изотерм t = const, линии постоянных относительных влажностей ϕ = const, парциального давления водяного пара и влагосодержания. Нижняя кривая ϕ = 100 % характеризует насыщенное состояние воздуха и называется пограничной кривой. При повышении барометрического давления линия насыщения смещается вверх, а при понижении давления — вниз. Так, при проведении расчетов для СКВ, расположенных в районе г. Киева, необходимо пользоваться диаграммой с барометрическим давлениемpб = 745 мм рт. ст. = 99 кПа. На d–hдиаграмме область, расположенная выше пограничной кривой (ϕ = 100 %), является областью ненасыщенного пара, а область ниже пограничной кривой — перенасыщенного влажного воздуха. В этой области насыщенный воздух содержит влагу в жидкой или твердой фазе. Как правило, это состояние воздуха неустойчиво, поэтому на d–hдиаграмме процессы в ней не рассматривают. На d–hдиаграмме каждая точка выше пограничной кривой отражает определенное состояние воздуха (температуру, влагосодержание, относительную влажность, энтальпию, парциальное давление водяного пара). Если воздух подвергается термодинамическому процессу, то переход его из одного состояния (точка А) в другое (точка В) соответствует на d–hдиаграмме линии А–В. В общем случае это кривая линия. Однако нас интересует только начальное и конечные состояния воздуха, а промежуточные не имеют значения, поэтому линию можно представить прямой, соединяющей начальное и конечное состояния воздуха. Для определения на d–hдиаграмме точки, соответствующей некоторому состоянию воздуха, достаточно знать два независимых друг от друга параметра. Искомая точка находится на пересечении линий, соответствующим этим параметрам. Проведя перпендикуляры к линиям, на которых откладываются другие параметры, определяют их значения. Также определяется на d–hдиаграмме температура точки росы. Так как температура точки росы является самой низкой температурой, до которой можно охладить воздух при постоянном влагосодержании, то для нахождения точки росы достаточно провести линию d = const до пересечения с кривой ϕ = 100 %. Точка пересечения этих линий есть точка росы, а соответствующая ей температура — температура точки росы. С помощью d–hдиаграммы можно определить температуру воздуха по мокрому термометру. Для этого из точки с заданными параметрами воздуха проводим изоэнтальпу (h = const) до пересечения с линией ϕ = 100 %. Температура, соответствующая точке пересечения этих линий, есть температура мокрого термометра. В технической документации на кондиционеры оговариваются условия, при которых производились измерения номинальной холодопроизводительности. Как правило, это температура сухого и мокрого термометров, соответствующая относительной влажности 50 %. Процесс нагревания воздуха При нагревании воздуха линия термодинамического процесса проходит по прямой А–В с постоянным влагосодержанием (d = const). Температура воздуха и энтальпия увеличиваются, а относительная влажность уменьшается. Расход тепла на нагрев воздуха равен разности энтальпий конечного и начального состояний воздуха. Процесс охлаждения воздуха Процесс охлаждения воздуха на d–hдиаграмме отражается прямой, направленной вертикально вниз, (прямая А–С). Расчет производится аналогично процессу нагревания. Однако если линия охлаждения идет ниже линии насыщения, то процесс охлаждения пойдет по прямой А–С и далее по линии ϕ = 100 % от точки С1 до точки С2. Параметры точки С2: d = 4,0 г/кг, t = 0,5 °С. Процесс осушения влажного воздуха Осушение влажного воздуха абсорбентами без изменения теплосодержания (без отвода и подвода тепла) происходит по прямой h = const, то есть по прямой А–D, направленной вверх и влево (прямая А–D1). При этом влагосодержание и относительная влажность снижаются, а температура воздуха возрастает, т.к. в процессе абсорбции происходит конденсация пара на поверхности абсорбента, и освобожденная скрытая теплота пара переходит в тепло явное. Пределом этого процесса является точка пересечения прямой h = const с ординатой d = 0 (точка D1). Воздух в этой точке полностью освобожден от влаги. Адиабатическое увлажнение и охлаждение воздуха Адиабатическое увлажнение и охлаждение (без теплообмена c внешней средой) на d–hдиаграмме от исходного состояния (точка N) отражается прямой, направленной вниз по h = const (точка K). Процесс происходит при контакте воздуха с водой, постоянно циркулирующей в оборотном цикле. Температура воздуха при этом падает, влагосодержание и относительная влажность возрастают. Пределом процесса является точка на кривой ϕ = 100 %, которая является температурой мокрого термометра. Одновременно эту же температуру должна приобрести рециркулирующая вода. Однако в реальных СКВ при адиабатических процессах охлаждения и увлажнения воздуха точка ϕ = 100 %, несколько не достигается. Смешение воздуха с различными параметрами На d–hдиаграмме параметры смешанного воздуха (с параметрами, соответствующими точкам (X и Y) можно получить следующим образом. Соединяем точки Х и Y прямой. Параметры смешанного воздуха лежат на этой прямой, и точка Z делит ее на отрезки, обратно пропорциональные массе воздуха каждой из составных частей. Если обозначить пропорцию смеси n = Gx/Gy, то чтобы на прямой Х–Y найти точку Z, необходимо прямую Х–Yразделить на количество частей n + 1 и от точки X отложить отрезок, равный одной части. Точка смеси всегда будет ближе к параметрам того воздуха, сухая часть которого имеет большую массу. При смешивании двух объемов ненасыщенного воздуха с состояниями, соответствующими точкам Х1 и Y1, может случиться, что прямая Х1–Y1 пересечет кривую насыщения ϕ = 100 % и точка Z1 окажется в области туманообразования. Такое положение точки смеси Z2 показывает, что в результате смешения будет происходить выпадение влаги из воздуха. Точка смеси Z1 при этом перейдет в более устойчивое состояние на кривую насыщения ϕ = 100 % в точку Z2 по изоэнтальпе. При этом на каждый килограмм смеси выпадает dZ1 – dZ2 грамм влаги. Угловой коэффициент на d–hдиаграмме Отношение:ε = (h2 – h1)/(d2 – d1) = Δh/Δd (11)однозначно определяет характер процесса изменения влажного воздуха. Причем значения величин Δh и Δd могут иметь знак «+» или «–», либо они могут быть равны нулю. Величина ε называется тепловлажностным отношением процесса изменения влажного воздуха, а при изображении процесса лучом на d–hдиаграмме — угловым коэффициентом:ε = 1000(Δh/Δd) = (12) = ±(Qизб/Мв), кДж/кг. Таким образом, угловой коэффициент равен отношению избытков тепла к массе выделившейся влаги. Угловой коэффициент изображается отрезками лучей на рамке поля d–hдиаграммы (шкала угловых коэффициентов). Так, для определения углового коэффициента процесса X–Z необходимо из точки 0 (по шкале температур) провести прямую параллельную линии процесса X–Z до шкалы угловых коэффициентов. В данном случае линия O–N укажет угловой коэффициент, равный 9000 кДж/кг. Термодинамическая модель СКВ Процесс подготовки воздуха перед подачей его в кондиционируемое помещение составляет совокупность технологических операций и называется технологией кондиционирования воздуха. Технология тепловлажностной обработки кондиционируемого воздуха определяется начальными параметрами воздуха, подаваемого в кондиционер, и требуемыми (задаваемыми) параметрами воздуха в помещении. Для выбора способов обработки воздуха строят d–hдиаграмму, позволяющую при определенных исходных данных найти такую технологию, которая обеспечит получение заданных параметров воздуха в обслуживаемом помещении при минимальных расходах энергии, воды, воздуха и т.д. Графическое отображение процессов обработки воздуха на d–hдиаграмме называется термодинамической моделью системы кондиционирования воздуха (ТДМ).Параметры наружного воздуха, подаваемого в кондиционер для последующей обработки, изменяются в течение года и суток в большом диапазоне. Поэтому можно говорить о наружном воздухе как о многомерной функции Xн = хн(t). Соответственно, совокупность параметров приточного воздуха есть многомерная функция Xпр = хпр(t), а в обслуживаемом помещении Xпом = хпом(t) (параметры в рабочей зоне).Технологический процесс есть аналитическое или графическое описание процесса движения многомерной функции Xн к Xпр и далее к Xпом. Отметим, что под переменным состоянием системы х(ϕ) понимаются обобщенные показатели системы в различных точках пространства и в различные моменты времени. Термодинамическую модель движения функции Xн к Xпом строят на d–hдиаграмме, а затем определяют алгоритм обработки воздуха, необходимое оборудование и способ автоматического регулирования параметров воздуха. Построение ТДМ начинают с нанесения на d–hдиаграмму состояния наружного воздуха данного географического пункта. Расчетная область возможных состояний наружного воздуха принимается по СНиП 2.04.05–91 (параметры Б). Верхней границей является изотерма tл и изоэнтальпа hл (предельные параметры теплого периода года). Нижней границей является изотерма tзм и изоэнтальпа hзм (предельные параметры холодного и переходных периодов года). Предельные значения относительной влажности наружного воздуха принимаются по результатам метеорологических наблюдений. При отсутствии данных принимают диапазон от 20 до 100 %.Таким образом, многомерная функция возможных параметров наружного воздуха заключена в многоугольнике abcdefg (рис. 2). Затем наносят на d–hдиаграмму требуемое (расчетное) значение состояния воздуха в помещении или в рабочей зоне. Это может быть точка (прецизионное кондиционирование) или рабочая зона Р1Р2Р3Р4 (комфортное кондиционирование). Далее определяют угловой коэффициент изменения параметров воздуха в помещении ε и проводят линии процесса через граничные точки рабочей зоны. При отсутствии данных о тепло-влажностном процессе в помещении ориентировочно можно принять в кДж/кг: предприятия торговли и общественного питания — 8500–10000; зрительные залы — 8500–10000; квартиры — 15000–17000; офисные помещения — 17000–20000. После этого строят зону параметров приточного воздуха. Для этого на линиях ε, проведенных из граничных точек зоны Р1Р2Р3Р4, откладывают отрезки, соответствующие расчетному перепаду температур:Δt = tпом – tпр, (13)где tпр — расчетная температура приточного воздуха. Решение задачи сводится к переводу параметров воздуха из многомерной функции Хн к функции Хпом. Величину Δt принимают по нормам или рассчитывают, исходя из параметров системы холодоснабжения. Например, при использовании воды в качестве хладоносителя конечная температура воды в камере орошения tw составит: tw = t2 + Δt1 + Δt2 + Δt3, (14)где t1 — температура воды на выходе чиллера (5–7 °C); Δt1 — повышение температуры воды в трубопроводе от чиллера до водяного теплообменника кондиционера (1 °C); Δt2 — нагрев воды в камере орошения (2–3 °С); Δt3 — нагрев воды за счет коэффициента байпассирования (1°С).Таким образом, температура воды, контактируемой с воздухом, будет tw = 9–12 °С. Практически влажность воздуха достигает величины не более ϕ = 95 %, что повышает tw до 10–13 °С. Температура приточного воздуха будет: tw = t2 + Δt2 + Δt3 + Δt4, (15)где Δt4 — нагрев воздуха в вентиляторе (1–2 °С); Δt5 — нагрев воздуха в приточном воздуховоде (1–2 °С).Таким образом, температура приточного воздуха будет 12–17 °С. Допустимый перепад температур удаляемого и приточного воздуха Δt для производственных помещений составляет6–9 °С, торговых залов — 4–10 °С, а при высоте помещения более 3 м — 12–14 °С.В общем случае параметры удаляемого из помещения воздуха отличаются от параметров воздуха в рабочей зоне. Разница между ними зависит от способа подачи воздуха в помещение, высоты помещения, кратности воздухообмена и других факторов. Зоны У, П и Р на d–h диаграмме имеют одинаковую форму и расположены вдоль линии ε на расстояниях, соответствующих разностей температур:Δt1 = tпом – tпр и Δt2 = tуд – tпом. Соотношение между tпр, tпом и t оценивается коэффициентом:m1 = (tпом – tпр)/(tуд – tпр) = (16) = (hпом – hпр)/(hуд – hпр).Таким образом, процесс кондиционирования воздуха сводится к приведению множества параметров наружного воздуха (многоугольник abcdef) к допустимому множеству параметров приточного воздуха (многоугольник П1П2П3П4).При проектировании, как правило, пользуются электронными d–h диаграммами, различные варианты которых можно найти в Интернете. Одной из распространенных диаграмм является диаграмма, разработанная компанией Daichi (Москва), www.daichi.ru. С помощью этой диаграммы можно найти параметры влажного воздуха при различном барометрическом давлении, построить линии процессов, определить параметры смеси двух потоков воздуха и др.Техническая реализация этого преобразования может быть представлена различными структурными схемами СКВ: прямоточной, с рециркуляцией воздуха или рекуперацией тепла, которые будут рассмотрены в последующих номерах нашего журнала.