Osuszanie powietrza polega na usuwaniu zawartej w nim pary wodnej. Istnieją zarówno chemiczne, jak i fizyczne metody realizacji tego procesu. Do sposobów chemicznych zliczyć można m.in. adsorbcję chemiczną zwaną też chemisorpcją lub adsorbcją aktywowaną. Występuje ona wtedy, gdy wiązanie cząsteczki adsorbatu z powierzchnią adsorbenta ma charakter powierzchniowego połączenia chemicznego. Jest to wiązanie dosyć silne i trwałe, stąd też trudna do przeprowadzenia jest reakcja odwrotna. Metody wykorzystujące adsorbcję chemiczną nie znalazły szerszego zastosowania w technologii osuszania powietrza dla celów klimatyzacji czy wentylacji.
Najczęściej stosowanymi w praktyce metodami osuszania powietrza są metody fizyczne. Wykorzystuje się w nich zdolność pary wodnej do kondensacji w odpowiednich warunkach lub zdolność niektórych substancji do jej adsorpcji. Zaliczamy do nich:
osuszanie kondensacyjne (chłodnicze),
osuszanie sorpcyjne.
Osuszanie kondensacyjne
Osuszanie kondensacyjne wykorzystuje zmienność własności powietrza wilgotnego przy zmianie temperatury. Zjawisko kondensacji pary wodnej, jest zjawiskiem powszechnym. Popularnie nazywa się je „zaparowaniem”. Zimą obserwujemy „zaparowanie” okien, z kolei podczas wlewania gorącej wody do wanny obserwujemy podobne zjawisko na lustrze. Nie znając nawet mechanizmu kondensacji, z powszechnej nazwy można wywnioskować, co jest jednym z elementów powodujących to zjawisko, mianowicie para wodna. Drugim czynnikiem jest temperatura. W najprostszy sposób można wytłumaczyć zjawisko kondensacji korzystając z wykresu h-x Molliera.
Budowa osuszaczy kondensacyjnych
Urządzenia wykorzystujące zjawisko kondensacji pary wodnej do osuszania powietrza nazywamy osuszaczami kondensacyjnymi lub chłodniczymi. Zarówno jedna, jak i druga nazwa nasuwa nam skojarzenia, co do procesów, jakie w nich zachodzą. Aby uzyskać efekt kondensacji, należy powietrze ochłodzić. Podstawowym elementem osuszacza kondensacyjnego jest układ chłodniczy zbudowany z parownika, skraplacza, sprężarki i zaworu rozprężnego. Schemat takiego urządzenia przedstawiono na rysunku 3.
Jak już wspomniano, w urządzeniu tym wykorzystuje się zjawisko kondensacji pary wodnej w odpowiedniej temperaturze. Pierwszym etapem procesu osuszania powietrza jest jego ochłodzenie do temperatury poniżej temperatury punktu rosy. Uzyskuje się to przepuszczając powietrze przez parownik (5). Na skutek obniżenia temperatury, para wodna skrapla się i w postaci skroplin zostaje usunięta. W urządzeniach o małej wydajności, skropliny zbierane są do zbiorniczka i po jego napełnieniu usuwane, natomiast w urządzeniach o dużej wydajności mogą one być usuwane bezpośrednio do kanalizacji. Następnym etapem jest ogrzanie osuszonego powietrza. Realizuje się to przy pomocy skraplacza (4). Temperatura powietrza opuszczającego urządzenie jest zbliżona do temperatury powietrza, jakie jest do niego zasysane. Ma to duże znaczenie ze względów ekonomicznych, gdyż nie trzeba stosować innych zabiegów w celu utrzymania wymaganej temperatury w osuszanym obiekcie. Duże znaczenie ma też inny element, jakim jest filtr powietrza (1).
Zatrzymuje on drobiny pyłu znajdujące się w powietrzu, dzięki czemu wąskie przestrzenie między lamelami parownika i skraplacza pozostają czyste. Zapchanie szczelin przez które ma przepływać powietrze, spowoduje wzrost zużycia energii i zmniejszy wydajność urządzenia. Przepływ powietrza przez elementy osuszacza wymuszany jest przez wentylator (2). Musi on być dobrany w taki sposób, aby przetłaczać optymalną ilość powietrza dla wydajności danego urządzenia. Osuszacze kondensacyjne z reguły stosowane są w pomieszczeniach zamkniętych. Powietrze w takim układzie pozostaje w sposób ciągły w obiegu, i dzięki temu stopniowo obniżana jest wilgotność względna w danym pomieszczeniu. Innym typem urządzenia wykorzystującego zjawisko kondensacji jest urządzenie pracujące w sposób odwracalny, jest to pompa cieplna (rys.4), wyposażona w zawór czterodrogowy (1) powodujący zmianę kierunku przepływu strumienia czynnika niskowrzącego, dzięki czemu całe urządzenie, gdy istnieje taka konieczność (np. latem), osusza i schładza powietrze, zaś gdy trzeba (np. zimą) ogrzewa je.
Latem wężownica (2) umieszczona na zewnątrz pomieszczenia pracuje jako skraplacz, zaś wężownica (3) jako parownik, schładzający i osuszający powietrze wewnętrzne. Zimą, dzięki zaworowi (1) odwraca się obieg, i powietrze wewnątrz pomieszczenia ogrzewane jest za pomocą wężownicy (3), która pełni rolę skraplacza.
Jak widać, urządzenia chłodnicze są uniwersalne. Mogą chłodzić, grzać oraz osuszać powietrze. Działają również w połączeniu z innymi urządzeniami służącymi do osuszania.
Osuszanie sorpcyjne
Przed przystąpieniem do omówienia zasad sorpcyjnego osuszania powietrza, należy wyjaśnić kilka pojęć, takich jak:
- adsorpcja,
- absorpcja,
- sorpcja.
Adsorpcja, jest to proces zachodzący na granicy dwu faz. Polega on na wiązaniu cząsteczek jednej substancji na powierzchni drugiej. Substancję posiadająca zdolność do wiązania innych substancji nazywamy sorbentem, zaś wiązaną - adsorbatem. Rozróżnia się trzy rodzaje adsorpcji: fizyczną, chemiczną i kapilarną. Pierwsza z nich występuje, gdy na substancje oddziałują siły Van der Wallsa (przyciągania międzycząsteczkowego), druga gdy przebiega ona z udziałem sił wiązań chemicznych, natomiast trzecia, gdy następuje takie zagęszczenie par lub gazów w porach sorbentu, że ulegają one skropleniu.
Absorpcja, jest to proces chemiczny pochłaniania substancji (absorbatu) przez inną substancję (absorbent) i równomiernym rozprowadzeniu jej w całej masie absorbentu. Najczęściej występuje absorpcja gazów przez ciecz. Stosowana jest ona m.in. do wydzielania z mieszaniny gazowej jednego składnika. W chłodnictwie proces absorpcji podtrzymuje ruch czynnika chłodniczego i stąd nazwa chłodziarka absorpcyjna.
Sorpcja, jest zjawiskiem polegającym na zatrzymaniu cząsteczek gazów, cieczy i ciał stałych przez ciało stałe. Stosuje się ją jako ogólną nazwę procesów adsorpcji i absorpcji wtedy, gdy nie można określić, które procesy zachodzą lub gdy zachodzą one jednocześnie. W procesie osuszania sorpcyjnego używane są sorbenty ciekłe i stałe. Sorbentami ciekłymi nazywa się ciecze charakteryzujące się zdolnością pochłaniania pary wodnej z kontaktującego się z nimi powietrza wilgotnego. Intensywność z jaką sorbent pochłania wilgoć zależy od różnicy ciśnień cząstkowych nad cieczą i w powietrzu.
Ciecze i roztwory wodne stosowane przy obróbce powietrza muszą spełniać następujące warunki:
posiadać dużą intensywność pochłaniania wilgoci z powietrza,
są trwałe chemicznie,
dają się regenerować,
nie są toksyczne,
nie mają przykrego zapachu,
nie powodują korozji,
charakteryzują się niską ceną.
Najczęściej stosowane są roztwory wodne chlorku wapnia (CaCl2) i chlorku magnezu (MgCl2) oraz roztwór chlorku litu (LiCl). Z wymienionych sorbentów największą intensywność pochłaniania wilgoci z powietrza posiada roztwór chlorku litu, niestety jest on najdroższy z wymienionych. Najniższe wartości wilgotności względnej powietrza, jakie można osiągnąć po obróbce różnymi sorbentami podano w tabeli 1.
Wymienione sorbenty można regenerować, tj. usuwać z nich zaadsorbowaną wodę w celu dalszego wykorzystania. Odbywa się to w trzech etapach:
ogrzewania roztworu,
zatężenia (rekonstrukcji) roztworu,
chłodzenia roztworu.
Zabieg pierwszy i trzeci wykonuje się w wymiennikach ciepła, zaś zatężenie w komorze o powierzchniach zraszanych, tzw. skruberach (aparatach absorpcyjnych). Poważną wadą używania sorbentów ciekłych jest to, że są one elektrolitami i dlatego wszystkie elementy urządzeń, które się z nimi stykają muszą być wykonane z tego samego metalu. Zapobiega to powstawaniu korozji elektrolitycznej.
Drugą grupą materiałów używanych do osuszania powietrza są sorbenty stałe. Muszą one charakteryzować się następującymi cechami:
dużą intensywnością pochłaniania wilgoci z powietrza,
muszą posiadać stałe właściwości chemiczne i mechaniczne,
muszą w sposób łatwy i tani poddawać się procesowi regeneracji,
nie mogą wykazywać własności toksycznych i korozyjnych.
Do takich substancji zaliczyć można silikażel, aktywowane aluminium, chlorek wapnia, a także sole chlorku litu i bromku litu. Są to ciała o bardzo porowatej budowie. Rozwinięta powierzchnia wszystkich kapilar 1 kilograma substancji może sięgać nawet 400 000 m2. Proces osuszania powietrza polega na przepuszczaniu go przez warstwę sorbentu. Zdolność pochłaniania wilgoci wzrasta wraz z obniżeniem temperatury sorbentu. Pochłanianie pary wodnej może odbywać się do czasu, gdy sorbent osiągnie stan nasycenia. Intensywność pochłaniania wody zależy również od różnicy ciśnień cząstkowych pary wodnej nad powierzchnią sorbentu i kontaktującego się z sorbentem powietrza. Intensywność pochłaniania będzie się zmniejszała w miarę zbliżania się ciśnień do stanu równowagi. Procesowi osuszania powietrza sorbentami stałymi towarzyszy wydzielanie się ciepła kondensacji pary wodnej i ciepła zwilżania. Dla silikażelu wynosi ono ok. 111 kcal/kg pochłoniętej wody.
Regenerację sorbentów stałych przeprowadza się za pomocą gorącego powietrza, przepuszczanego przez warstwę sorbentu. Czas regeneracji przyjmuje się równy czasowi nasycenia.
Budowa urządzeń do osuszania powietrza za pomocą sorbentów ciekłych
Budowa osuszaczy sorpcyjnych różni się w zasadniczy sposób w zależności od tego, czy do procesu osuszania powietrza używamy sorbentu ciekłego czy stałego. Urządzenia wykorzystujące sorbent ciekły do procesu osuszania są bardzo rozbudowane (rys. 5), a sam proces regeneracji skomplikowany. Składają się one z dwóch podstawowych bloków: osuszania i regeneracji.
Rys. 5 Schemat ideowy urządzenia do osuszania za pomocą sorbentów ciekłych (opr. własne):
a - komora zraszania, b - wanna na skropliny, c - chłodnica,
d - wymiennik ciepła, e - podgrzewacz, f - rekoncentrator,
g - pierścienie Białeckiego, h - zawór trójdrogowy, i - odkraplacz, P1; P2 - pompy
W skład bloku osuszania wchodzą:
komora zraszania (a),
wanna na skropliny (b),
chłodnica (c),
pompa (P2).
Blok regeneracji składa się z:
wymiennika ciepła (d),
podgrzewacza (e),
rekoncentratora (g),
zaworu trójdrogowego (h),
pompy (P2).
Proces osuszania powietrza odbywa się w komorze zraszania. Podczas kontaktu z rozpylonym sorbentem o początkowej koncentracji K’r, powietrze obniża swoją wilgotność właściwą, i po przejściu przez odkraplacz (i) wydostaje się na zewnątrz. Zadaniem odkraplacza jest oddzielenie ciekłego sorbentu od osuszonego powietrza. Sorbent ciekły po „przejęciu” w komorze zraszania wilgoci od powietrza, obniża swoją koncentrację do poziomu K”r, i jednocześnie podwyższa się jego temperatura. Wykorzystany sorbent zbiera się w wannie (b), a następnie przepływa do wymiennika ciepła (d). W tym momencie zaczyna się proces regeneracji.
W wymienniku ciepła odbywa się wstępne podgrzanie sorbentu kosztem ciepła roztworu wychodzącego z rekoncentratora (f). Z wymiennika (d) sorbent przepływa poprzez podgrzewacz (e), w którym kosztem czynnika grzejnego (para lub woda) podwyższa swoją temperaturę do wymaganej na wlocie do rekoncentratora. Do dysz zainstalowanych w rekoncentratorze sorbent przetłaczany jest za pomocą pompy (P1). Rozpylony roztwór opada na warstwę pierścieni Białeckiego (g), po których spływa na dno rekoncentratora. Równocześnie przez warstwę pierścieni w przeciwnym kierunku przetłacza się powietrze o niższym ciśnieniu cząstkowym pary wodnej niż ciśnienie nad regenerowanym roztworem. Podczas kontaktu roztworu z powietrzem następuje zatężenie i ochłodzenie roztworu.
Wspomniane pierścienie Białeckiego, wykonane ze stali nierdzewnej lub tworzywa sztucznego, służą do oddzielenia cząstek rozpylonego sorbentu od powietrza. Zatężony roztwór sorbentu przepływa z rekoncentratora do wymiennika ciepła (d), gdzie po wstępnym ochłodzeniu, przez zawór trójdrogowy (h), zasysany jest on do chłodnicy (c). Czynnikiem chłodzącym w chłodnicy w zależności od potrzeb mogą być woda lub solanka. Po uzyskaniu odpowiedniej temperatury, sorbent osiąga ponownie wymaganą koncentrację K’r i jest gotowy do ponownego użycia w procesie osuszania.
Jak wynika z powyższego opisu, osuszanie przy pomocy sorbentu ciekłego, jest procesem niezwykle skomplikowanym i energochłonnym. Wymaga rozbudowanych instalacji i wielu urządzeń pomocniczych. Ponadto, jak już wspomniano, sorbenty ciekłe są dobrymi elektrolitami, co powoduje zwiększone tępo korozji elementów z nimi się stykających. Pomimo wymienionych wad, metoda osuszania przy pomocy sorbentów ciekłych ma ogromną zaletę, można mianowicie w bardzo precyzyjny sposób regulować wilgotność osuszanego powietrza. Regulacji dokonuje się za pomocą zaworu trójdrogowego (h), ustawiając w nim takie proporcje przepływu, aby otrzymać optymalną koncentrację (K’r) roztworu sorbentu ciekłego rozpylanego w komorze zraszania (a).
Reklama_______________________________________________________________
|
Opracowanie: Redakcja
Tytuł: Nadmiar wilgoci i metody jej usuwania. Część 1
Autor: inż. Wojciech Balicki
Źródło: Technika chłodnicza i klimatyzacyjna 11/2006
|
