Psychrometria procesów

klimatyzacyjnych

• Powietrze atmosferyczne jest mieszaniną powietrza

suchego i pary wodnej, której zawartość może się zmieniać

w dość szerokich granicach. Taką mieszaninę nazywa się

powietrzem wilgotnym.

• Powietrze

charakteryzowane

jest

poprzez

wiele

parametrów, poniżej wymienione zostały parametry

powietrza wilgotnego:

 •        ciśnienie pary oraz ciśnienie pary nasyconej,
 •        wilgotność właściwa - zawartość wilgoci,
 •        wilgotność względna,
 •        gęstość,
 •        entalpia właściwa,
 •        temperatura termometru suchego i mokrego,
 •        temperatura punktu rosy,
 •        ciepło jawne i utajone.

Fizyczne właściwości powietrza

Średni skład czystego powietrza atmosferycznego
(troposfera do 13km) – stały

Procentowy udział

składnika w powietrzu

Składnik

masowy

objętościowy

Azot (N

2

)

75,51

78,09

Tlen (O

2

)

23,10

20,93

Argon (Ar)

1,286

0,933

Dwutlenek węgla

(CO

2

)

0,04

0,03

Wodór (H

2

)

0,001

0,01

Neon (Ne)

0,0012

0,0018

Hel (He)

0,00007

0,0005

Krypton (Kr)

0,0003

0,0001

Ksenon (Xe)

0,00004

0,00009

Udział masowy pary wodnej zmienia się zależnie od pory roku w
granicach 0,08  2,5%.

Temp

eratura t

Gęstość powietrza

P

Ciepło

właściwe powietrza

C

P

Współczynnik

przewodzenia ciepła

 10

 2

[°C]

[kg/m

3

]

[kJ/(kgK)

[W/(mK)]

-50

1,584

1,013

2,04

-40

1,515

1,013

2,12

-30

1,453

1,013

2,20

-20

1,395

1,009

2,28

-10

1,342

1,009

2,36

0

1,293

1,005

2,44

10

1,247

1,005

2,51

20

1,205

1,005

2,59

30

1,165

1,005

2,67

40

1,128

1,005

2,76

50

1,093

1,005

2,83

60

1,060

1,005

2,90

70

1,029

1,009

2,96

80

1,000

1,009

3,05

90

0,972

1,009

3,13

100

0,946

1,009

3,21

120

0,898

1,009

3,34

140

0,854

1,013

3,49

Właściwości fizyczne powietrza
suchego

Właściwości fizyczne powietrza
suchego

Prawa gazu doskonałego

1

2

1

2

T

T

V

V



T

R

pV

u

m



K

kmol

J

3

8314





,

u

R

T

mR

pV

i

m







n

m

K

kg

J

,

287,1

28,966

8314,3

1













i

n

i

i

u

i

v

v

R

R



Właściwości fizyczne powietrza
wilgotnego

Prawo Daltona

P=Pps + Pw

Powietrze wilgotne może być:

•

nienasycone - para wodna zawarta w powietrzu jest parą
przegrzaną,

•

nasycone - para wodna zawarta w powietrzu jest parą suchą
nasyconą,

•

zamglone - woda występuje w postaci pary wilgotnej.

Prawa gazu doskonałego dla powietrza suchego i pary wodnej

K

kg

J

,

5

61

4

18,016

8314,3

2









,

O

H

R

Parametry powietrza wilgotnego

1. Zawartość wilgoci (wilgotność właściwa)

Gdzie:
m

w

- masa pary wodnej [kg],

m

ps

- masa powietrza suchego [kg].

Wielkość ta oznacza masę wilgoci przypadającą na l kg powietrza suchego,

a więc zawartą w (l + x) kg powietrza wilgotnego.















kg

kg

m

m

x

ps

w

















kg

kg

p

p

p

x

w

w

622

,

0

Parametry powietrza wilgotnego

Zawartość wilgoci w powietrzu w stanie nasycenia - xn

















kg

kg

p

p

p

x

wn

wn

n

622

0,

Parametry powietrza wilgotnego

2. Wilgotność bezwzględna

Gdzie:
m

w

- masa wilgoci zawartej w powietrzu [kg],

V - objętość wilgotnego powietrza [m3].











3

m

kg

V

m

w

w



wilgotność nasycenia (r

w

= r

wn

)

Parametry powietrza wilgotnego

3. Wilgotność względna (j)

Gdzie:
m

w

- masa pary wodnej [kg],

m

ps

- masa powietrza suchego [kg].

t

wn

w

t

w

wn

w

w

t

wn

w

t

wn

w

t

V

wn

w

t

V

w

w

p

p

T

R

p

T

R

p

V

m

V

m

m

m

m

m



















































































































,

,

max

 

%

100

wn

w

p

p





 

%

100

wn

w









Parametry powietrza wilgotnego

4. Stopień nasycenia y.









wn

wn

wn

wn

wn

wn

wn

wn

w

w

n

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

x

x































Psychrometry

• Psychrometr zawiera dwa termometry tzw.

termometr suchy 1 i termometr wilgotny 2.
Zbiorniczek

rtęci

termometru

wilgotnego

owinięty jest koszulką 3 z gazy lub batystu,
zwilżaną wodą destylowaną. W pokazanym
psychrometrze

aspiracyjnym

wentylator

4

wywołuje przepływ powietrza w otoczeniu
zbiorniczków termometrów. W atmosferze o
wilgotność względnej niższej niż 100% woda
odparowuje z wilgotnej otuliny i ochładza go do
temperatury niższej niż temperatura t

a

. Najniższe

obniżenie temperatury występuje gdy szybkość
odparowywania potrzebna dla utrzymania stanu
nasycenia nad otuliną przyjmuje wartość
ustaloną.

Wówczas

wartość

obniżenia

temperatury zależy od czystości otuliny i wody,
prędkości

ruchu

powietrza

wentylującego,

zjawisk promieniowania ciepła, wymiarów i
dokładności termometrów oraz właściwości
przejmowania masy i ciepła przez powietrze.

Psychrometry

Z temperatury wilgotnego t'

w

i suchego „ termometru

wyznacza się ciśnienie pary wodne p

w

nad wodą:

 

oraz nad lodem:

gdzie:
p

w

– ciśnienie pary wodnej nasyconej nad wodą w

temperaturze t’

w

i pod ciśnieniem p,

p

i

– ciśnienie pary wodnej nasyconej nad lodem w

temperaturze t’

i

i pod ciśnieniem p,

t

a

– temperatura termometru suchego,

A – stała psychrometryczna nad wodą A

w

(dla psychrometru

aspiracyjnego Assmanna
A

w

= 0,000678(1+0,00115 t’

w

)°C

-1

) oraz stała

psychrometryczna nad lodem A

i

(dla psy chrometru

Assmanna
A

i

= 0,000598°C

-1

).

)

(

)

,

(

w

a

w

w

wn

w

t

t

p

A

t

p

p

p











)

(

)

,

(

i

a

i

i

l

l

t

t

p

A

t

p

p

p











• Do odczytu wartości ciśnienia pary wodnej, wilgotności

względnej powietrza, temperatury punktu rosy i innych
parametrów stosowane są tablice psychrometryczne
wykresy.

• Zjawisko

psychrometryczne

(obniżenia

temperatury

mokrego termometru do wartości t’

w

) zachodzić może

również w temperaturach ujemnych wówczas, gdy
termometr mokry nie pokrywa się lodem tylko pozostaje
zwilżony tzw. wodą przechłodzoną

• Stała psychrometryczna A zależna jest od rodzaju gazu,

prędkości przepływu gazu wokół bańki wilgotnego
termometru, temperatury wilgotnego termometru oraz od
konstrukcji

psychrometru

(kształtu

i wymiarów bańki mokrego termometru). Dokładność
odczytu wartości temperatur t

a

oraz t’

w

wymagana przez

obowiązujące w meteorologii przepisy WMO wynosi ±0,1 K.

• Parametrem mającym istotny wpływ na dokładność odczytu

z psychrometru jest prędkość ruchu powietrza wokół
mokrego termometru. Wg norm amerykańskich powinna
być to prędkość: w kierunku poprzecznym do osi strumienia
od 3 do 5 m/s a w kierunku wzdłuż osi nawiewu od 1,5 do
2,5 m/s, zaś wg WMO prędkość ruchu powietrza powinna
być większa niż 2,2 m/s.

Zależność stałej A od prędkości przepływu powietrza wokół
mokrego termometru:

1-zbiorniczki kuliste o średnicy 10 mm,

2-kuliste o średnicy 9 mm 3-cylindryczne o średnicy 4 mm
i długości 8 mm

Błędy pomiaru psychrometrem wynikające z

przyjęcia stałej A zaniżonej o 10%

W zakresie temperatury t od -45

0

C do 60

0

C ( nad wodą w czystej fazie,

będącą w zakresie ujemnych temperatur wodą przechłodzoną ) stosuje się
do obliczania ciśnienia pary wodnej nasyconej p

wn

wzór Magnusa zalecany

przez WMO:

)

12

,

243

62

,

17

exp(

112

,

6

t

t

p

wn





)

62

,

272

62

,

22

exp(

112

,

6

t

t

p

l





W zakresie temperatury t od -65

0

C do +0,01

0

C ( nad lodem w czystej

fazie) stosuje się wzór:

Parametry powietrza wilgotnego

5. Gęstość powietrza wilgotnego, r

wn

ps

w

ps

w

ps

V

m

m























Gęstość powietrza suchego

T

R

p

p

ps

wn

ps









T

R

p

ws

wn

w







Gęstość pary wodnej

Parametry powietrza wilgotnego

5. Gęstość powietrza wilgotnego, r









T

p

p

T

p

p

p

T

p

T

p

p

w

w

w

w

w

378

0

003483

0

5

461

1

287

1

287

5

461

5

461

1

287

,

,

,

,

,

,

,

,



























lub wprowadzając:

x

xp

p

w





622

0,

























3

622

0

1

002167

0

m

kg

x

T

x

p

s

)

,

(

)

(

,



Parametry powietrza wilgotnego

6. Entalpia właściwa, h.

definiowana również jako jego pojemność cieplna. Jeżeli przy stałym
ciśnieniu doprowadzimy do gazu energię cieplną, to podniesie się jego
energia wewnętrzna. Jednocześnie wskutek rozprężenia gazu zostaje
wykonana praca przeciw ciśnieniu zewnętrznemu.
Zatem entalpia I jest sumą pojemności cieplnych powietrza suchego h

ps

i

pary wodnej h

w

:





w

ps

ps

w

ps

w

ps

ps

w

w

ps

ps

Xh

h

m

h

m

m

h

m

h

m

h

m

I



























Parametry powietrza wilgotnego

6. Entalpia właściwa, h.

Dla powietrza wilgotnego zawierającego gazu suchego

 

kg

m

ps

 

J

h

m

I

ps



Dla strumienia powietrza wilgotnego zawierającego gazu
suchego





s

kg

m

g

/



 

W

h

m

I

ps



 

Parametry powietrza wilgotnego

6. Entalpia właściwa, h.

Sumę energii wewnętrznej i pracy przetłaczania nazywa się pojemnością,
cieplną lub entalpią właściwą h.





























pw

ps

w

ps

kg

X

J

kg

J

Xh

h

h

1

pw – oznacza powietrze
wilgotne

Entalpię właściwą powietrza wilgotnego odnosi się do l kg
powietrza suchego, czyli do (l + x) kg powietrza wilgotnego.

Parametry powietrza wilgotnego

6. Entalpia właściwa, h.

Zakłada się, że powietrze wilgotne ma entalpię równą zeru dla temperatury
i ciśnienia punktu potrójnego: t

0

=0,01

o

C, p

0

=611,2 Pa , gdy cała wilgoć w

nim zawarta jest w stanie ciekłym. Entalpie właściwe składników powietrza
wilgotnego oblicza się następująco:

- powietrze suche









01

0

0

,









t

c

t

t

c

h

pps

pps

ps

- para wodna





01

0

0

,







t

c

r

h

pw

w

Parametry powietrza wilgotnego

6. Entalpia właściwa, h.

- lód

- woda ciekła





01

0

20

2

,





t

c

h

pH

O

H





01

0,









t

c

r

h

pl

t

l

gdzie:

- ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu powietrza suchego
- ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu pary (przegrzanej lub
suchej nasyconej)
- ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu wody
- ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu lodu
- ciepło parowania wody dla i ciśnieniu 101325Pa,
- ciepło topnienia lodu dla i ciśnieniu 101325Pa,









K

kg

kJ

c

pps





/

,005

1









K

kg

kJ

c

pw





/

,86

1









K

kg

kJ

c

O

pH





/

,19

4

2









K

kg

kJ

c

pl





/

,09

2





kg

kJ

r

/

,6

2501

0







kg

kJ

r

t

/

,1

334



C

t

t







01

0

0

,

C

t

t







01

0

0

,

Parametry powietrza wilgotnego

6. Entalpia właściwa, h.

W obliczeniach technicznych wykorzystywana jest tylko różnica
entalpii Dh, dlatego celowe jest przyjmowanie dla temperatury
t = 0

o

C entalpii właściwej h=0.

Entalpia właściwa powietrza wilgotnego o wilgotności właściwej x i
temperaturze t jest równa

n

x

x 













01

0

01

0

0

,

,











t

c

r

X

t

c

h

pw

pps

n

x

x 

gdy w powietrzu nasyconym występuje mgła
wodna





















01

0

01

0

01

0

2

0

,

,

,

















t

c

x

x

t

c

r

x

t

c

h

O

pH

n

pw

n

pps

n

x

x 

gdy w powietrzu nasyconym występuje mgła
lodowa

























01

0

01

0

01

0

0

,

,

,





















t

c

r

x

X

t

c

r

x

t

c

h

pl

t

n

pw

n

pps

Parametry powietrza wilgotnego

6. Entalpia właściwa, h.

Wartości entalpii właściwych można również odczytać z tabel lub
wykresów.
Przy temperaturach poniżej –15

o

C zawartość wilgoci w powietrzu jest

tak niska, ze w obliczeniach praktycznych przyjmuje się wartości
liczbowe entalpii właściwej takie same, jak w tej samej temperaturze
dla powietrza suchego, np. przy - 20°C wynosi ona
h ~ 20 kJ/kg.
Po podstawieniu wartości liczbowych uproszczony wzór na entalpię
właściwą powietrza nienasyconego przyjmuje postać





t

x

t

h

86

1

6

2501

005

1

,

,

,







n

x

x 

dla

21

2485

0,01585

61369

1,1738

2451

22

2642

0,016879

65019

1,1691

2448,9

23

2808

0,01797

68831

1,1644

2446,3

24

2982

0,019118

72791

1,1597

2444,2

25

3167

0,020336

76937

1,155

2441,7

26

3360

0,021626

81266

1,1503

2439,1

27

3564

0,022987

85785

1,1459

2437,1

28

3778

0,024422

90496

1,1408

2434,6

29

4004

0,025944

95434

1,1361

2432,5

30

4241

0,02752

100517

1,1313

2430

31

4491

0,029247

105996

1,1265

2427,9

32

4753

0,031073

111729

1,1216

2425,4

33

5029

0,032937

117567

1,1168

2422,9

34

5318

0,034936

123758

1,1119

2420,1

35

5622

0,037052

130257

1,107

2418,3

36

5940

0,03928

137053

1,1021

2415,8

37

6274

0,041636

144190

1,0971

2413,7

38

6624

0,044124

151670

1,0921

2411,2

39

6991

0,046752

159520

1,0871

2408,7

40

7375

0,049518

167732

1,082

2406,2

45

9582

0,065916

218599

1,0558

2394

50

12335

0,087519

277275

1,0282

2382,3

55

15741

0,116191

357749

0,9989

2370,1

60

19917

0,154723

464522

0,9674

2358

Własności powietrza wilgotnego
nasyconego przy ciśnieniu 1000 hPa

Przekazywanie ciepła w powietrzu

Ciepło jawne

– zmiana temperatury termometru suchego, nie

następuje zmiana zawartości wilgoci w powietrzu, np. oddawanie
ciepła przez ludzi na drodze konwekcji i promieniowania

Ciepło utajone

– nie ma zmiany temperatury termometru

suchego, następuje zmiana zawartości wilgoci w powietrzu (woda
odparowuje lub skrapla się), np. oddawanie ciepła przez ludzi na
drodze odparowania (pocenia się).

Wykres temperatura – entalpia wody dla przemiany izobarycznej

100

-18

0

przemiana
termodynamiczna

lody w wodę

1257

2095

792

3049

o

C

W

od

a

Ló

d

W

od

a

przemiana
termodynamiczna

wody w parę

przegrzanie pary

373

36

335

419

2257

kJ /kg

p=1013 mbar

ciepło parowania

Wykres psychrometryczny

• Parametry powietrza wilgotnego są bardzo trudne do opisania za pomocą

wzorów, równania te są skomplikowane i niedogodne do praktycznego
stosowania. W związku z tym już w początkach rozwoju techniki
klimatyzacyjnej szukano możliwości graficznego przedstawienia tych
zależności w celu uproszczenia obliczeń.

• Pierwszy wykres został opracowany przez W.H. Carriera w 1911 roku. Jest

to wykres powietrza wilgotnego opracowany w układzie t-x. Na osi
poziomej naniesiona jest temperatura powietrza suchego, natomiast na osi
poziomej zaznaczone są wielkości zawartości wilgoci x w gramach wody na
kilogram powietrza suchego. Wykres przedstawia krzywe wilgotności
względnej, a także wartość entalpii. Na tymże wykresie linie stałej entalpii
pokrywają się z liniami temperatury termometru mokrego, choć nie jest to
całkowicie zgodne z teorią.

• W 1923 roku na podstawie znanych równań określających entalpię i

zawartość wilgoci w powietrzu wilgotnym R. Mollier zaproponował
przedstawienie stanu powietrza wilgotnego na wykresie w układzie i-x. Z
wykresu tego można odczytać wszystkie wielkości charakterystyczne stanu
powietrza wilgotnego, gdy znane są jego podstawowe parametry. Jest to
wykres w układzie ukośnokątnym, co oznacza, że na osi entalpii i oraz
zawartość wilgoci właściwej x nie są do siebie prostopadłe.

Wykres
Molliera

Wykres
Carriera

Obszar
mgły
lodowej

Obszar mgły wodnej
Para wodna wilgotna

x=5g/kg

t=15

o

C

r=1,222kg/

m

3

i=

27

,3

kJ/

kg

Układ klimatyzacji

recirculation air

supply air

terminal device

vent

suplly air

air curtain

exhaust air

extract air

shaft ventilation

outlet

extract air

terminal device

inducted air

fan-coil unit

induction unit

mixed air

primary air

water

bypass air

return air

humidifer

supply fan

return air fan

diffusers

return grille

split air conditioning

outdoor unit

indoor unit

complementary air

infiltration

exfiltration

hood

circulation air

dead space

(zone)

mixed air

chamber

air handling unit

cooling coil

heating coil

intlet

terminal

return grille

damper

Mieszanie powietrza

• W klimatyzacji mieszanie powietrza jest jednym z etapów

jego uzdatniania.

• Mieszanie powietrza jest konieczne ze względu na wielkie

koszty jakie wiązałyby się z uzdatnianiem powietrza
zewnętrznego

doprowadzanego

do

urządzeń

klimatyzacyjnych.

• Zakładając stałe ciśnienie podczas mieszania dwóch

strumieni powietrza o stanie l i 2 uzyskuje się mieszaninę o
stanie 3.

• Zatem zgodnie z zasadą zachowania masy można napisać

równania bilansu masy:

• 1) suchego powietrza: m

M

= m

1

+ m

2

• 2) wilgoci: x

1

m

1

+ x

2

m

2

= x

M

m

M

• 3) cieplnego: m

M

h

M

= m

1

h

1

+ m

2

h

2

Mieszanie powietrza
Na rysunku pokazano adiabatyczny proces mieszania dwóch

strumieni powietrza. Powietrze wilgotne o parametrach 1 tworzy z
powietrzem wilgotnym o parametrach 2 mieszaninę o parametrach 3.

Zgodnie z zasadą zachowania masy można napisać dwa równania
bilansu masy:

Mieszanie się powietrza – zasady

regulacji

4- czujnik temperatury

mieszaniny,
1 – regulator,
2 - zadajnik
3 - organ wykonawczy

• Mieszanie strumieni powietrza (w tym

recyrkulacja) - kierunek przemiany oraz punkt
końcowy (M) zależą od parametrów oraz strumieni
objętości mieszanego powietrza. Można wyróżnić dwa
przypadki:

• a) Punkt mieszania znajduje się w obszarze powietrza

wilgotnego (powyżej linii cp=100%),

• b) Punkt mieszania (M) znajduje się w obszarze

powietrza zamglonego (poniżej linii cp=100%). W tym
przypadku dojdzie do wykroplenia/wymrożenia
nadmiaru pary wodnej w komorze mieszania, a
cząsteczki wody będą zawieszone w powietrzu. Samo
powietrze (po odprowadzeniu nadmiaru wody) będzie
miało parametry podpowiadające punktowi (M')
-wilgotność względna 100%. Punkty M' i M leżą na
izotermie termometru mokrego.

• Entalpię powietrza po zmieszaniu (h

M

) (w

punkcie M) można obliczyć z zależności:

• gdzie:
• m

1

- strumień masy powietrza o parametrach

początkowych odpowiadających pkt. 1 [kg/s],

• m

2

- strumień masy powietrza o parametrach

początkowych odpowiadających pkt. 2 [kg/s],

• h

1

- entalpia powietrza w punkcie 1 [kJ/kg],

• h

2

- entalpia powietrza w punkcie 2 [kJ/kg].

• Zawartość pary wodnej w powietrzu po

zmieszaniu (x

M

) (w punkcie M) można obliczyć

z zależności:

•  

• gdzie:
• m

1

- strumień masy powietrza o parametrach

początkowych odpowiadających pkt. 1 [kg/s],

• m

2

- strumień masy powietrza o parametrach

początkowych odpowiadających pkt. 2 [kg/s],

• x

1

- zawartość pary wodnej w powietrzu w

punkcie 1 [g/kg suchego powietrza],

• x

2

- zawartość pary wodnej w powietrzu w

punkcie 2 [g/kg suchego powietrza].

Proces mieszania dwóch strumieni powietrza: a) punkt
mieszania (M) w obszarze powietrza wilgotnego, b) punkt
mieszania (M) w obszarze powietrza zamglonego.

Ogrzewanie powietrza

• Instalacje klimatyzacyjne są w większości przypadków wyposażone

w urządzenia do ogrzewania powietrza. Podczas podgrzewania
powietrza w nagrzewnicy podnosi się jego temperatura, zawartość
wilgoci w powietrzu nie ulega zmianie. Taki proces nazywa się
procesem wymiany ciepła jawnego. Na wykresie Molliera proces
przebiega następująco:

• Ogrzewanie powietrza może zachodzić także z jednocześnie ze

zmianą zawartości wilgoci w powietrzu. Zachodzi wówczas
zarówno wymiana ciepła jawnego i utajonego. Przebieg tego
procesu obrazuje rysunek.

Na rysunku pokazano przebieg zmiany parametrów stanu powietrza na

wykresie psychrometrycznym. W obu procesach istotne jest to, że zmiany
stanu przebiegają wzdłuż linii stałej zawartości wilgoci.

Procesy przygotowania powietrza wentylacyjnego

• Nagrzewanie - powietrza odbywa się przy stałej zawartości

wilgoci w powietrzu (x=const.). Ilość ciepła dostarczanego do
powietrza (Q

N

) w celu jego ogrzania oblicza się z zależności:

• gdzie:
• V - strumień objętości powietrza ogrzewanego [m

3

/s],

• ρ - gęstość powietrza [kg/m

3

] - w przybliżeniu można przyjąć 1,2

kg/m

3

,

• h

1

- entalpia powietrza w punkcie 1 [kJ/kg],

• h

2

- entalpia powietrza w punkcie 2 [kJ/kg].

•  

• Ponieważ proces przebiega przy stałej zawartości wilgoci w

powietrzu można również wykorzystać zależność:

• gdzie:
• V - strumień objętości powietrza ogrzewanego [m

3

/s],

• ρ - gęstość powietrza [kg/m

3

] - w przybliżeniu można

przyjąć 1,2 kg/m

3

],

• c

p

- ciepło właściwe powietrza [kJ/kg K] zwykle przyjmuje się

1,005 kJ/kg K,

• t

1

- temperatura powietrza w punkcie 1 [°C],

• t

2

- temperatura powietrza w punkcie 2 [°C]

Proces ogrzewania powietrza

Ogrzewanie powietrza

• Podwyższenie temperatury powietrza uzyskać można przez

przepływ powietrza przez nagrzewnice o różnych
czynnikach grzejnych.

• W instalacjach grzewczych zasilanych parą lub wodą

stosuje się nagrzewnice z ożebrowanych rur miedzianych z
lamelami miedzianymi lub aluminiowymi albo też z
ożebrowanych rur stalowych w całości ocynkowanych.

• Kolejny czynnik grzewczy jakim jest energia elektryczna

używana jest najczęściej okresowo. Zazwyczaj elektryczne
nagrzewnice powietrza stosowane są w lecie jako
nagrzewnice wtórne.

Ogrzewanie – zasady regulacji

Dla uzyskania zadanej temperatury powietrza

nawiewanego, regulator temperatury pomieszczenia 2

(spełniający funkcję regulatora wiodącego) steruje

zaworem nagrzewnicy 3 i oddziałuje na wejście

regulatora 5 (podporządkowanego) sterującego

przepustnice powietrza obiegowego i zewnętrznego 6.

Regulator 2 odbiera sygnały czujnika temperatury

pomieszczenia 4 i czujnika ograniczającego minimalną

temperaturę powietrza nawiewanego 1. Regulator 5

odbiera sygnały czujnika 4' temperatury powietrza

zewnętrznego i czujnika 1' ograniczającego minimalną

temperaturę mieszaniny. Przez zmianę ustawienia

przepustnic zmienia się udział powietrza obiegowego

do momentu osiągnięcia temperatury, od której

nagrzewnica może już ogrzać je do zadanej wartości.

Chłodzenie powietrza

• Chłodzenie powietrza może odbywać się, tak jak w

przypadku ogrzewania, z samym tylko chłodzeniem, lub z
chłodzeniem i osuszaniem powietrza.

• Chłodzenie powietrza jest szczególnie ważne latem kiedy

temperatury

zewnętrzne

są

wysokie,

a

ludziom

przebywającym w pomieszczeniach należy zapewnić
optymalne warunki pracy.

• Także w przemyśle, gdzie często stosuje się wysokowydajne

maszyny, oraz gdzie jest coraz większe zużycie mocy
należy odprowadzić duże ilości ciepła z pomieszczeń.

• Chłodzenie i osuszanie powietrza osiąga się w chłodnicy

powietrza.

• Wyróżnia się dwa rodzaje chłodnic powietrza:
 przeponowe,
 chłodnice mokre zwane także komorami zraszania.

Chłodzenie

• Chłodzenie powietrza z wykorzystaniem

chłodnicy przeponowej - proces może
przebiegać na dwa sposoby:

• Przy stałej zawartości wilgoci (x) - w

przypadku, gdy temperatura powierzchni
chłodnicy przeponowej jest wyższa od
temperatury punktu rosy przepływającego
przez nią powietrza.

• Przy zmiennej zawartości wilgoci (x),

następuje dodatkowo osuszanie powietrza.
Jest to przypadek, w którym temperatura
powierzchni chłodnicy przeponowej jest
niższa od temperatury punktu rosy powietrza
przepływającego przez nią.

• Moc chłodnicy oblicza się ze wzoru:

• gdzie:
• V - strumień objętości powietrza

chłodzonego [m

3

/s],

• ρ - gęstość powietrza [kg/m

3

] - w

przybliżeniu można przyjąć 1,2 kg/m

3

,

• h

1

- entalpia powietrza w punkcie 1 [kJ/kg],

• h

2

- entalpia powietrza w punkcie 2 [kJ/kg].

• Ilość wilgoci odprowadzonej z powietrza w

przypadku (b) oblicza się ze wzoru:

• gdzie:
• V - strumień objętości powietrza chłodzonego

[m

3

/s],

• ρ - gęstość powietrza [kg/m

3

] - w przybliżeniu

można przyjąć 1,2 kg/m

3

,

• x

1

- zawartość pary wodnej w powietrzu w

punkcie 1 [g/kg suchego powietrza],

• x

2

- zawartość pary wodnej w powietrzu w

punkcie 2 [g/kg suchego powietrza].

Proces chłodzenia powietrza:

a) w chłodnicy o temperaturze

powierzchni powyżej temperatury punktu rosy, b) w chłodnicy o

temperaturze powierzchni poniżej temperatury punktu rosy.

Chłodzenie – zasady regulacji

Do chłodzenia powietrza bez wytrącania wilgoci stosuje się

chłodnice powierzchniowe zasilane zimną wodą których

temperatura powierzchni chłodnicy jest wyższa od

temperatury punktu rosy powietrza dopływającego do

chłodnicy,

Do chłodzenia powietrza z wytrącaniem wilgoci stosuje się

chłodnice, których temperatura powierzchni jest niższa od

temperatury punktu rosy powietrza dopływającego. Występuje

wówczas proces chłodzenia i osuszania (odcinek G-E).

Chłodnice powierzchniowe mogą być regulowane wg

sygnałów czujników temperatury lub w układach pełnej

klimatyzacji, wg sygnałów wilgotności i temperatury

pomieszczenia jednocześnie.

W układzie regulacji wilgotności powietrza i przy zastosowaniu

chłodnicy powierzchniowej wilgotnej uzdatnianie powietrza

jest dwustopniowe. Stosowane są dwa regulatory:

temperatury 1 z czujnikiem 2 i wilgotności 3 z czujnikiem 4.

Regulator wilgotności 3 oddziałuje na elementy wykonawcze

chłodnicy w zależności od wartości i znaku błędu regulacji.

Regulator temperatury steruje nagrzewnicę poprzez zawór 7 i

jest on nadrzędny w stosunku do układu regulacji wilgotności,

ponieważ może również oddziaływać na siłownik zaworu

chłodnicy 5. Regulator temperatury zamyka chłodnicę

zaworem 5), gdy temperatura pomieszczenia spada w sposób

niedopuszczalny mimo całkowicie otwartego zaworu 7 na

przewodzie doprowadzającym czynnik grzejny do

nagrzewnicy.

Zestawienie zmian parametrów wilgotnego powietrza w obu

przypadkach,

tj. ogrzewania i chłodzenia

:

Nawilżanie powietrza

• Nawilżanie powietrza to zwiększanie zawartości wilgoci w

powietrzu, które można uzyskać poprzez wodę lub parę wodną.

• Istnieją trzy metody nawilżania powietrza za pomocą wody:
 przepływ powietrza wilgotnego przez komorę zraszania

wypełnioną bardzo dużą ilością małych kropelek,

 przepływ powietrza nad dużą powierzchnią zwilżoną
 lub rozpylenie kropel wody o wymiarach aerozolu bezpośrednio w

klimatyzowanym pomieszczeniu.

• Ostatnia metoda polega na wtryskiwaniu kropel wody o

wymiarach aerozolu do płynącego przewodem strumienia
powietrza. Wszystkie te przemiany mają podobny przebieg na
wykresie psychrometrycznym.

Nawilżanie

• Nawilżanie parowe - polega na bezpośrednim

wprowadzeniu pary do powietrza wentylacyjnego.
Kierunek przemiany na wykresie h-x zależy od
entalpii pary (h

p

). W przypadku pary nasyconej o

temperaturze ok. 100 -110°C w dużym przybliżeniu
kierunek przemiany pokrywa się z izotermą
nawilżanego powietrza. Kierunek przemiany (s)
można wyznaczyć z zależności:

• gdzie:
• h

1

- entalpia powietrza w punkcie 1 [kJ/kg],

• h

2

- entalpia powietrza w punkcie 2 [kJ/kg],

• x

1

- zawartość pary wodnej w powietrzu w punkcie 1 [g/kg

suchego powietrza],

• x

2

- zawartość pary wodnej w powietrzu w punkcie 2 [g/kg

suchego powietrza],

• h

p

- entalpia pary [kJ/kg],

• t

p

- temperatura pary [°C].

p

p

t

h

x

x

h

h

x

h

86

,

1

2500

1

2

1

2





















Proces nawilżania porowego powietrza (dla temperatura pary ok. 100°C +110°C).

Proces nawilżania adiabatycznego w komorze zraszania - podczas tego procesu dochodzi do bezpośredniego kontaktu powietrza z wodą.
Następuje ochładzanie i nawilżanie powietrza w procesie adiabatycznym.

 

Nawilżanie

A-B - ogrzewanie i nawilżanie,

A-E - chłodzenie bez zmiany zawartości

wilgoci,

A-C - nawilżanie adiabatyczne,

A-F - chłodzenie i osuszanie,

A-D - chłodzenie i nawilżanie.

Nawilżanie – zasady regulacji

Pierwszym sposobem regulacji komory zraszania przy

nawilżaniu adiabatycznym jest regulacja wydajności

cieplnej nagrzewnicy wstępnej N1 umieszczonej przed

wejściem do komory zraszania ogrzewa powietrze od

temperatury tM do zadanej temperatury termometru

wilgotnego tw.

Następnie podczas nawilżania ochładza się je

adiabatycznie do temperatury punktu rosy td.

Ochłodzone powietrze jest następnie ogrzewane do

żądanej temperatury pomieszczenia za pomocą

nagrzewnicy wtórnej N2.

W układzie regulacji tego urządzenia regulator

temperatury punktu rosy 1 z czujnikiem 2

oddziaływuje na siłownik zaworu nagrzewnicy 3.

Nawilżanie parą – zasady regulacji

Czujnik wilgotności pomieszczenia 1 przekazuje

sygnały do regulatora 2, który oddziaływa na siłownik

zaworu 3 umieszczony na przewodzie parowym.

Wentylator jest zwykle sprzężony z zaworem

regulacyjnym w celu zabezpieczenia przed

gromadzeniem się pary w wyłączonym urządzeniu

klimatyzacyjnym.

Przy nawilżaniu powietrza parą przegrzaną, wartość

współczynnika kątowego ε równa jest wartości

liczbowej entalpii pary i kierunek procesu nawilżania

pokrywa się z kierunkiem izotermy temperatury pary

tpary = const. Kierunek tego procesu odchylony jest w

niewielkim stopniu od kierunku izotermy t = const

(odcinek A-G).

Przy nawilżaniu powietrza parą nasyconą (nasyconą,

ale nie przegrzaną) kierunek procesu nawilżania

pokrywa się z kierunkiem izotermy tA (odcinek A-H).

Adiabatyczne nawilżanie świeżego w 100% powietrza z ogrzewaniem
wstępnym i wtórnym

H i T oznaczają higrostat i termostat w pomieszczeniu

Nawilżanie powietrza

Nawilżanie oznacza zwiększanie w powietrzu zawartości wilgoci.
Może to być uzyskane za pomocą wody lub pary wodnej.

Istnieją trzy metody nawilżania powietrza za pomocą wody:

1.przepływ powietrza wilgotnego przez komorę zraszania

wypełnioną bardzo dużą ilością małych kropelek,

2. przepływ powietrza nad dużą powierzchnią zwilżoną,
3.lub rozpylanie kropel wody o wymiarach aerozolu

bezpośrednio w klimatyzowanym pomieszczeniu.

Odmianą tej ostatniej metody jest wtryskiwanie kropel wody o

wymiarach

aerozolu

do

strumienia

powietrza

płynącego

przewodem.

Przebieg procesu psychrometrycznego jest podobny niezależnie

od stosowanej metody nawilżania.

W praktyce mówi się zwykle raczej

o sprawności nawilżania lub

skuteczności zraszania niż o współczynniku kontaktu lub
współczynniku obejścia

.

Znanych jest kilka definicji tych wielkości. Podstawą niektórych

jest to, w jakim stopniu początkowa temperatura (wg suchego
termometru) strumienia powietrza wilgotnego jest bliska jego
początkowej temperaturze (wg termometru mokrego). Natomiast
podstawą innych definicji są zmiany stanu, którym podlega
powietrze.

Osuszanie powietrza

• Zasadniczo istnieją dwie metody osuszania powietrza:


ochładzanie powietrza połączone z wykraplaniem pary

wodnej,

 absorpcja wody przez materiały absorpcyjne.
 mieszanie strumieni powietrza.

• Przy osuszaniu pierwszą metodą powietrze ochładza się

czynnikiem dostatecznie zimnym takim, że jego
temperatura musi być niższa od temperatury punktu rosy
powietrza chłodzonego. Proces osuszania powietrza jest
jednocześnie procesem ochładzania.

• Efekt osuszenia można uzyskać za pomocą komór

zraszania lub chłodnic powierzchniowych.

Osuszanie powietrza: a) w komorach zraszania lub za pomocą chłodnic

powierzchniowych, b)przez mieszanie dwóch strumieni powietrza, c)za pomocą sorbentów

;

Osuszanie powietrza przez chłodzenie i ogrzewanie wtórne

Osuszanie powietrza przez chłodzenie i sekwencyjne ogrzewanie wtórne

Osuszanie powietrza

• Jednym z układów z powodzeniem stosowanym w praktyce jest tzw.

Kathabarsystem. Składa się on z prostego urządzenia mechanicznego, w

którym powietrza wchodzi w bezpośredni kontakt z materiałem

higroskopijnym. Ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu dąży do

uzyskania równowagi z ciśnieniem pary wodnej w materiale. W ten sposób

powietrze można osuszać lub nawilżać. W tym układzie zastosowanym

środkiem stałym jest chlorek litu LiCl

2

. Ilość wody odebranej od powietrza

uzależniona jest od stężenia czynnika i jego temperatury. Kiedy określone

jest stężenie roztworu i im niższa jest temperatura tym większe ilości wody

można odebrać. Roztwór nasycony wodą podlega następnie regeneracji.

Odbywa się to np. przez podgrzewanie parą o ciśnieniu 0,18 MPa. Do

regeneracji można stosować również wodę gorącą o temperaturze do

140°C lub energię elektryczną.

• Często jako środek absorbujący stosowany jest żel krzemionkowy tzw.

silikażel. Spreparowany jest on odpowiednimi metodami tak, że przybiera

bardzo wielką powierzchnię. Para wodna usuwana jest drogą absorpcji albo

adsorpcji do powierzchni i tam ulega kondensacji. Żel krzemionkowy

absorbuje nie tylko parę wodną ale również inne pary. Po zabsorbowaniu

wody w określonej ilości żel staje się nasycony i aby przywrócić mu

zdolności absorpcyjne musi ulec regeneracji. Regeneracja przebiega tak jak

w przypadku chlorku litu poprzez podgrzanie go gorącym powietrzem do

temperatury od 150 do 200°C, lub przegrzaną parą. Po nagrzaniu i

ostudzeniu żel nadaje się do ponownego użycia.

• Osuszanie sorpcyjne stosowane jest w instalacjach klimatyzacyjnych

budynków biurowych, hotelach, szpitalach i w instalacjach przemysłowych,

wszędzie tam gdzie wilgotność powietrza musi być bardzo mała, albo

należy obniżyć punkt rosy powietrza poniżej 0°C.

Psychrometria procesów klimatyzacyjnych

Wykres psychrometryczny umożliwia ilustrację przemian stanu powietrza
wilgotnego w czasie procesu klimatyzacyjnego lub innych przemian
fizycznych.
Każdy punkt na wykresie jest punktem stanu, którego położenie przy danym
ciśnieniu barometrycznym wyznaczają dwa dowolne parametry
psychrometryczne.
Wykres psychrometryczny zwyczajowo sporządza się dla stałego ciśnienia,
ponieważ nad większą częścią zamieszkanej powierzchni Ziemi ciśnienie
barometryczne nie ulega większym zmianom.

Osuszanie powietrza

Powietrze wilgotne może być osuszane takimi metodami

jak:

•ochładzanie do temperatury niższej od punktu rosy,

•adsorpcja,

•absorpcja,

•sprężanie, po którym następuje ochładzanie.

Ochładzanie do temperatury niższej od punktu rosy,

Ponieważ celem procesu jest osuszanie powietrza, to część rozpylanej
wody lub część powierzchni chłodnicy musi mieć temperaturę niższą
od punktu rosy powietrza dopływającego do urządzenia.

Symbol t

r

oznacza temperaturę punktu rosy

powietrza wilgotnego przed chłodnicą lub komorą
zraszania.

Temperatura t

c

, odpowiadająca punktowi C na

krzywej nasycenia, nazywana jest

temperaturą

punktu rosy urządzenia

.

Określenie to używane jest do obu urządzeń:

chłodnicy i komory zraszania, lecz w przypadku
chłodnicy t

c

nazywana

jest czasami

średnią temperaturą powierzchni

c

hłodnic

y.

Nawilżanie powietrza

Nawilżanie oznacza zwiększanie w powietrzu zawartości wilgoci.
Może to być uzyskane za pomocą wody lub pary wodnej.

Istnieją trzy metody nawilżania powietrza za pomocą wody:

1.przepływ powietrza wilgotnego przez komorę zraszania

wypełnioną bardzo dużą ilością małych kropelek,

2. przepływ powietrza nad dużą powierzchnią zwilżoną,
3.lub rozpylanie kropel wody o wymiarach aerozolu

bezpośrednio w klimatyzowanym pomieszczeniu.

Odmianą tej ostatniej metody jest wtryskiwanie kropel wody o

wymiarach

aerozolu

do

strumienia

powietrza

płynącego

przewodem.

Przebieg procesu psychrometrycznego jest podobny niezależnie

od stosowanej metody nawilżania.

W praktyce mówi się zwykle raczej

o sprawności nawilżania lub

skuteczności zraszania niż o współczynniku kontaktu lub
współczynniku obejścia

.

Znanych jest kilka definicji tych wielkości. Podstawą niektórych

jest to, w jakim stopniu początkowa temperatura (wg suchego
termometru) strumienia powietrza wilgotnego jest bliska jego
początkowej temperaturze (wg termometru mokrego). Natomiast
podstawą innych definicji są zmiany stanu, którym podlega
powietrze.

Osuszanie powietrza przez chłodzenie i ogrzewanie wtórne

Osuszanie powietrza przez chłodzenie i sekwencyjne ogrzewanie wtórne

Osuszanie sorpcyjne

Aby uzyskać bardzo niską temperaturę punktu rosy, niezbędne

jest stosowanie procesu osuszania drogą absorpcji lub adsorpcji
wilgoci z powietrza.

Absorpcja jest przemianą chemiczną, adsorpcja zaś fizyczną. W

każdym przypadku takie procesy nazywamy osuszaniem sorpcyjnym.
Często potrzebne jest jeszcze urządzenie chłodnicze. Temperaturę
punktu rosy, około -70°C, można osiągnąć jedynie w wyniku
osuszania sorpcyjnego.

Absorpcja

Większość substancji pobiera w pewnych ilościach wilgoć z

atmosfery, a niektóre mają zdolność absorpcji bardzo dużych ilości
wilgoci z otaczającego powietrza. Przykładem może być tu chlorek
litu, który w odpowiednich warunkach może z atmosfery pochłonąć
wilgoć o masie 100 razy większej niż masa suchej substancji. Ilość
wilgoci pochłoniętej z powietrza przez wodny roztwór chlorku litu
zależy od stężenia roztworu, jego temperatury, ciśnienia cząstkowego
pary wodnej w otaczającym powietrzu i powierzchni kontaktu
powietrza z roztworem. Im większe jest stężenie roztworu chlorku litu
w wodzie, tym większa zdolność absorpcji wilgoci przez ten roztwór.
Odwrotnie, wilgoć może być odprowadzana z roztworu i stężenie
roztworu może rosnąć, gdy wzrasta temperatura roztworu, a ciśnienie
pary wodnej w roztworze jest większe od ciśnienia cząstkowego w
powietrzu. Jeśli następnie roztwór bogaty (o dużym stężeniu chlorku
litu) zostanie schłodzony, można go ponownie użyć do absorpcji
wilgoci z powietrza. Pozwala to na cykliczną regenerację roztworu.

W osuszaniu absorpcyjnym są stosowane powszechnie dwie metody.

1. Bogaty roztwór chlorku litu jest pompowany ze zbiornika i natryskiwany na
powierzchnię zewnętrzną chłodnicy, zasilanej w wodę chłodzącą. Ze
strumienia powietrza jest absorbowana wilgoć, a roztwór ubogi spływa do
zbiornika. Stężenie roztworu w zbiorniku jest utrzymywane na odpowiednio
wysokim poziomie dzięki pompowaniu pewnej części (10 - 20%) tego
roztworu do urządzenia regeneracyjnego, w którym jest on natryskiwany na
zewnętrzną powierzchnię rurek nagrzewnicy zasilanej parą o ciśnieniu 0,2
-1,7 bar lub innym czynnikiem grzejnym.

Zawartość wilgoci w powietrzu dostarczanym do przestrzeni
klimatyzowanej jest regulowana poprzez zmianę przepływu
wody chłodzącej przez chłodnicę. Ciepło odbierane na
chłodnicy składa się z utajonego ciepła skraplania, z ciepła
dostarczanego z roztworem, z ciepła jawnego odbieranego
od powietrza oraz z ciepła dodanego do roztworu podczas
procesu regeneracji. Jako jednostka osuszająca może być
potrzebna chłodnica odbierająca od powietrza ciepło jawne

.

W drugiej metodzie osuszania absorpcyjnego

stosuje się obracający się

bęben zawierający materiał nasączony chlorkiem litu. Jeden sektor bębna
jest regenerowany poprzez przepuszczenie przezeń powietrza o wysokiej
temperaturze. Powietrze to jest podgrzewane za pomocą pary lub prądu
elektrycznego. Wymienniki wodne nie są odpowiednie do tego celu.

Regulacja zawartości wilgoci w powietrzu nawiewanym do przestrzeni

klimatyzowanej następuje poprzez zmianę mocy nagrzewnicy regeneracyjnej.
Ciepło odbierane przez sektor osuszający bębna składa się z ciepła
utajonego, ciepła skraplania oraz z ciepła jawnego przewodzonego od sektora
regenerowanego. Zwykle za bębnem absorbera potrzebna jest chłodnica
odbierająca ciepło jawne z powietrza nawiewanego.

Adsorpcja

Nie zachodzi w tym przypadku żadna reakcja chemiczna.

Powierzchnia ciała stałego może pochłaniać cząsteczki gazu. Stosuje
się specjalnie wyprodukowane materiały porowate o niezwykle dużej
powierzchni wewnętrznej: jeden gram takiej substancji może mieć
wewnętrzną powierzchnię większą niż 4000 m

2

. Materiały

adsorbujące są regenerowane poprzez podgrzanie ich do wysokiej
temperatury, co ma na celu wyprowadzenie wilgoci na zewnątrz.
Typowymi substancjami adsorbującymi są: silicagel lub aluminium
aktywowane do osuszania oraz węgiel aktywowany do usuwania z
powietrza domieszek gazu. Materiały adsorbujące mogą być
dostosowane selektywnie do adsorpcji danego gazu.