Содержание части №1.

1) Для каких процессов требуется низкая влажность. Способы осушения воздуха.
2) Когда используется конденсационная, а когда адсорбционная осушка? Есть ли условная граница между конденсацией и сорбцией? В каких случаях используется их комбинация.
3) Из чего состоит сорбционный ротор? Принцип действия, процесс на I-D диаграмме.
4) Активное и пассивное колесо осушителя, в чём различия?

Предисловие.

Задачи по осушению воздуха встречаются всё чаще, а информация для изучения таких процессов — разрознена, а большая её часть находится в поле зарубежной литературы.

Целью написания данного материала послужил, как анализ данных такой литературы, так и личный опыт проектирования, в попытке погрузиться в тонкости адсорбционной осушки воздуха и конструктивные особенности сорбционных роторных колёс, — они же «роторы-диссиканты».

Результат вы можете оценить сами, предлагаю начинать. По любым вопросам сотрудничества, а также: поблагодарить, покритиковать или задать вопрос — можно писать на почту (nikolaev.hvac@gmail.com) или в Телеграм @NHVAC

Для удобства навигации по материалу — он был разбит на 2 части. В первой части мы рассмотрим теоретические аспекты и принцип действия ротора. А во второй окунёмся в практические особенности и факторы влияющие на производительность колеса, погнали!

2-я часть – по ссылке, тут.

1) Для каких процессов требуется низкая влажность. Способы осушения воздуха.

В современных промышленных и общественных зданиях (в части общественных существенно реже) встречаются требования к низкой относительной влажности воздуха помещений. Эти требования обусловлены, либо техническим процессом, при котором высокая влажность недопустима и может его нарушить, например:

— при производстве твёрдых лекарственных форм часто используются особые гигроскопичные компоненты, смешивание, взвешивание и таблетирование которых происходит в помещениях с относительной влажностью не более 10-20% (иначе конечная продукция может отличаться по массе);

— при производстве литий-ионных аккумуляторов, его сборка и производство электродов требуют отн. влажности не более 1-2% в помещении (литий может вступить в реакцию с влагой и превратиться в гидроксид лития и водород).

Либо иными условиями, такими как: — конденсация водяного пара из воздуха на поверхности льда и образование тумана на ледовых аренах.

NB! Область применения осушителей огромна! Довольно внушительный список помещений, производств и тех. процессов для которых требуется осушение воздуха можно посмотреть в разделе 4 «Applications» из [9]

Осушение воздуха может быть достигнуто двумя способами: охлаждением воздуха ниже точки росы и удалением влаги путем конденсации (конденсационная осушка) или сорбцией с помощью материала-осушителя. Осушители, как в твердой (адсорбент), так и в жидкой (абсорбент) форме, обладают естественным свойством поглощать влагу.

В данной статье мы будем говорить об осушителях твёрдой формы (в основе которых лежат роторы-диссиканты), т.к. это наименее затратный способ осушить большое количество воздуха до очень низкой точки росы без особых конструктивных и эксплуатационных сложностей, которые могут возникнуть при использовании жидких абсорбентов типа хлорида-лития (гигроскопичная соль) или гликоля.

Предлагаю сначала разобраться, в каких случаях достаточно использовать самый простой способ осушения – конденсационный. Есть ли условная граница между конденсацией и сорбцией?

2) Когда используется конденсационная, а когда адсорбционная осушка? Есть ли условная граница между конденсацией и сорбцией? В каких случаях используется их комбинация.

В конденсационной осушке, основным параметром является температура, до которой мы можем охладить воздух в центральном кондиционере.

Практически, достижение температуры воздуха ниже 9,5-10°С на выходе с теплообменной поверхности водяных/гликолевых охладителей реальна (для фреоновых может быть чуть ниже), однако нецелесообразна, ввиду того, что они получаются сильно переразмерены с большим аэродинамическим и гидравлическим сопротивлением (завышенный шаг пластин, а также большое расчётное количество рядов и контуров). Последующий нагрев воздуха после заданных значений на выходе с охладителей, задавшись температурой приточного воздуха в +20°С, — даст нам точку с относительной влажностью в 50%.

В зависимости от условий в помещении: стационарные влаготеплоизбытки, — эта ситуация может быть пересмотрена, однако, если требуется поддерживать значения относительной влажности в помещении менее 50% — в большинстве случаев необходимо рассматривать вариант по использованию сорбционного метода осушки воздуха.

Стоит иметь ввиду, что есть условия, при которых использовать конденсационную осушку просто невозможно, например, когда точка росы внутреннего воздуха помещения ниже температуры поверхности охладителя (пример: холодильные камеры), при этом низкие температуры для подачи на ротор-осушитель, наоборот, благоприятны. Это даёт положительный эффект при комбинации 2-х типов осушения воздуха.

Совмещённая схема с устройством предварительной конденсационной осушки перед осушающим ротором во многом целесообразна (особенно когда требуется достаточно низкая влажность на выходе), т.к. капитальные затраты на адсорбционную осушку существенно выше, а низкая температура воздуха на входе в ротор положительно сказывается на его производительности.

А значит при одном и том же типоразмере роторного колеса — получается добиться более сухого воздуха на выходе, т.к. большую часть работы берёт на себя стандартная конденсация.

Например, охлаждение воздуха до +10°С перед ротором позволяет удалить до 60% влаги воздуха «процесса» перед тем, как её заберёт ротор-осушитель.

NB! После охлаждения воздуха ниже точки росы, его влажность составляет 99%, т.е. по сути этот воздух является практически насыщенным и имеет максимальные значения парциального давления водяного пара для своего состояния – а значит, высокий потенциал для десорбции. Об этом будет чуть дальше.

3) Из чего состоит сорбционный ротор? Принцип действия, процесс на I-D диаграмме.

Поскольку основной задачей для работы осушителя является удаление как можно большего количества влаги при наиболее эффективном использовании подводимого тепла, в качестве адсорбента-наполнителя ротора, самым распространённым материалом стал силикагель, т.к. он продемонстрировал наилучшие показатели [7], но есть и другие материалы, например его конкурент — молекулярное сито, он же «цеолит», который предпочтительнее использовать для осушки воздуха до очень низкой точки росы т.к. этот материал обладает большей эффективностью в отличии от силикагеля, при работе с воздухом, относительная влажность которого ниже 10%. [9]

Принцип работы такой: колесо ротора вращается приводным ремнём, а мелкодисперсная масса из микрошариков сорбента, нанесённая на стандартную конструкцию типа «Honeycomb» по каналам которой движется воздух, адсорбирует водяной пар из потока адсорбции (поток воздуха «процесса») и выпускает его в поток десорбции (или поток воздуха «регенерации»). Адсорбция и десорбция происходит из-за разницы парциальных давления водяного пара на поверхности гранул осушителя, и проходящего через него воздуха. Когда на поверхности осушителя оно ниже, чем у воздуха, осушитель поглощает влагу, и наоборот.

В какой-то момент наступает равновесное состояние, когда давление пара на поверхности осушителя становится таким же, как и давление обрабатываемого воздуха. В этот момент ни сорбция, ни десорбция не происходят, поскольку разница давлений достигла минимального порога, что является недостаточной движущей силой. На этом этапе колесо требуется регенерировать.

Как выглядит процесс на I-D диаграмме влажного воздуха:

Идеальный теоретический процесс сорбционного осушения приточного воздуха идёт при постоянной энтальпии. По мере удаления влаги из воздуха его энтальпия остается постоянной, поэтому его ощутимая температура повышается.

NB! При сорбции всегда выделяется ощутимая теплота, равная скрытой теплоте водяного пара, поглощаемого осушителем [13] – значит процесс адиабатический с постоянной энтальпией.

На самом деле, энтальпия воздуха «процесса», который подвергается осушению — немного увеличивается. Это связано с тем, что во многих осушителях воздуха небольшое количество остаточного тепла от реактивации осушителя может передаваться в поток сухого воздуха. [9]

Эта дополнительная теплота сорбции, которая варьируется в пределах 5-25% от скрытой теплоты водяного пара. [13]

Возвращаясь к принципу работы — потоки «процесса» и «регенерации» в роторе, как правило осевые и направляются навстречу друг другу в противотоке. Сама же конструкция имеет торцевые уплотнения, которые создают два изолированных воздушных канала для потоков.

Габариты роторов на рынке идут толщиной: 100, 200, 300 и 400 мм и диаметры от 200 до 4000-5000мм, что охватывает любые задачи по воздухообмену.

4) Активное и пассивное колесо осушителя, в чём различия?

Отличием между активным и пассивным осушающем колесом в том, что в первом случае «регенерация» происходит при высоких температурах с использованием внешнего источника энергии, тогда как пассивное колесо использует просто отработанный воздух из помещения без его предварительного нагрева.

Если в случае с активным колесом — воздух «регенерации» имеет очень низкое парциальное давление водяного пара (из-за высокой температуры) и, как следствие – высокий потенциал к десорбции ротора, то в случае с пассивным колесом всё наоборот – параметры воздуха для регенерации соответствуют параметра удаляемого воздуха для коммерческих/жилых зданий и имеет невысокую температуру, при средних значениях влажности.

Для улучшения осушающей способности ротора в пассивном режиме желательно использовать предварительную конденсационную осушку, чтобы подавать воздух на ротор с высокой относительной влажностью до 98-99% и низкой температурой для его оптимальной работы, т.к. в таком случае парциальное давление водяного пара воздуха «процесса» имеет наибольшее значение.

«Пассивное колесо», ввиду низких затрат на эксплуатацию, может использоваться в общественных, жилых или административных типах зданий, при этом его использование летом — ведёт к снижению общей затрачиваемой холодильной мощности помещений из-за снижения скрытой нагрузки на систему кондиционирования, а зимой — к нагреву и увлажнению приточного воздуха отработанным воздухом из помещения, за счёт обратных свойств ротора.

Совмещение диссикана со стандартным энтальпийным ротором, как это можно увидеть в решениях из США от SEMCO (FlaktGroup) [11] – вообще может дать интересный результат в части энергоффективности. На мой взгляд, применение такого решения на российском рынке практически не встречается и могло бы стать хорошим материалом для будущих исследований.

NB! Если в активном колесе при разделении секторов приоритет отдаётся сектору «процесса», и меньше 180° его не делают. То в пассивном приоритет имеет сектор «регенерации», оптимальным углом которого, можно считать 250°, что составляет 69% от всего диаметра. [12]

С разбивки на сектора мы и начнём следующую, часть №2 – «Особенности устройства адсорбционного ротора»