6.6. Увлажнение воздуха

Увлажнение воздуха – процесс увеличения его влагосодержания. Для увлажнения воздуха применяют следующие методы: подмешивание водяного пара; испарение воды в увлажняемый воздух, омывающий поверхность испарения.

Чаще применяют второй способ, хоть он сложнее.

Увлажнение воздуха испарением воды

Увлажнение воздуха испарением воды происходит под влиянием разности парциальных давлений: пара над поверхностью воды и пара в увлажняемом воздухе.

В процессе увлажнения температура воды может быть:

- выше температуры воздуха по сухому термометру, тогда температура и энтальпия воздуха будут возрастать;

- выше предела охлаждения, но ниже температуры воздуха – температура будет понижаться, а энтальпия увеличиваться;

- выше точки росы, но ниже предела охлаждения воздуха – температура и энтальпия воздуха будут понижаться;

- равна пределу охлаждения воздуха – температура воздуха при практически неизменной энтальпии будет понижаться.

Теория испарения показывает, что количество воды, испаряющейся в единицу времени, пропорционально разности парциальных давлений и поверхности зеркала испарения.

Количество испаряющейся воды (кг/ч):

g_в = F ∙ b (p_н – р_п),

где p_н – парциальное давление насыщенного пара; р_п – парциальное давление водяного пара; F – поверхность зеркала испарения; b –коэффициент испарения.

Разность парциальных давлений ограничена, поэтому для увлажнения значительных количеств воздуха в небольших аппаратах необходимо стремиться к увеличению поверхности зеркала испарения. Поэтому воду разбрызгивают в потоке увлажняемого воздуха.

Брызги имеют правильную сферическую форму. Если, например, раздробить 1 м³ воды на отдельные капли диаметром 0,5 мм, то суммарная поверхность всех капель составит 12000 м². Расчетная поверхность испарения образуется суммарной поверхностью того количества капель, которое в каждый момент времени находится в увлажнительном аппарате. Если длительность пребывания капли в увлажнительном аппарате равна 1 с, то расчетная поверхность испарения, создаваемая путем раздробления в 1 час 1 м³ воды на капли диаметром 0,5 мм, составит 12 000 : 3600 = 3,33 м².

Вода разбрызгивается специальными форсунками (рис. 28), в которых приобретает вращательное движение. По выходе из форсунки струя воды раздробляется. Несмотря на сравнительное разнообразие конструкций, наиболее широко применяют форсунки с направляющим вкладышем и с тангенциальным вводом воды.

Форсунки монтируют на трубах, по которым протекает вода, подаваемая насосом.

а б

Рис. 28. Форсунки для механического разбрызгивания воды: а – Кэрьера; б – Торгоборудования

В увлажняемом воздухе, чем выше степень дисперсности факела, создаваемого форсункой, тем больше разность парциальных давлений над пограничным слоем и интенсивнее протекают процессы испарения воды и увлажнения воздуха.

Увлажнение воздуха путем разбрызгивания воды осуществляется в увлажнительных камерах (рис. 29). Форсунки располагают в одном поперечном сечении камеры в ряд таким образом, чтобы они выбрасывали брызги воды либо по направлению движения воздуха, либо против него. В увлажнительной камере могут быть один, два и больше рядов форсунок.

Чтобы предотвратить возможность выноса капель воды, в конце увлажнительной камеры устанавливают каплеотделитель – слой из колец Рашига толщиной 60-100 мм или инерционного типа (рис. 30). В результате резких изменений направления движения воздуха в каплеотделителе брызги воды попадают на поверхность его лопастей и стекают в поддон.

Рис. 29. Двухрядная горизонтальная камера орошения: 1 – входные направляющие пластины; 2 – трубчатые вертикальные стояки с отверстиями; 3 – форсунки; 4 – горизонтальные водораспределительные коллекторы; 5 – пластины каплеуловителей; 6 – присоединительная камера; 7 – поплавковый клапан подпитки от водопровода; 8 – водяной фильтр; 9 – переливное устройство; 10 – поддон; 11 – патрубок присоединения к сливу

Рис. 30. Каплеуловители: 1 – корпус; 2 – кассета; 3 – поддон

Перед входом воздуха в камеру устанавливают еще один каплеотделитель, состоящий не менее чем из двух рядов лопастей. Этот каплеотделитель защищает пространство перед камерой от попадания в него капель воды. Кроме того, он выполняет роль экрана, защищающего от теплового облучения со стороны калориферов, а также обеспечивает выравнивание скорости воздуха по сечению камеры.

Почти вся вода, выбрасываемая форсунками в увлажнительное пространство, падает в поддон в виде дождя, часть воды попадает на стенки камеры и стекает в поддон.

Не всегда отработавшая вода выбрасывается из системы кондиционирования и заменяется свежей. Обычно она нагревается или охлаждается и возвращается насосом в увлажнительное пространство. Поэтому в установке предусматривают аппараты для охлаждения или нагревания воды. Однако более часто применяют способ увлажнения воздуха, основанный на адиабатическом насыщении.

Система увлажнения должна пополняться водой по мере ее испарения. С этой целью поддон присоединяют к системе водоснабжения при помощи шарового клапана.

Вместе с воздухом в систему увлажнения проникает пыль, которая смачивается водой и по мере накопления загрязняет ее. Это может привести к засорению форсунок. По этой причине в системе должен быть предусмотрен фильтр. График подбора форсунок на рис. 31.

Рис. 31. График для выбора водораспылительных форсунок

Независимо от установки фильтров для очистки воды не рекомендуется применять форсунки с выходным отверстием диаметром до 1-1,5 мм. Они легко засоряются случайно попадающими в поддон твердыми частицами.

Расчет увлажнительной камеры

Расчет увлажнительной камеры ограничивается подбором типовой камеры и ее основных элементов.

При выборе форсуночной камеры определяют тип камеры с указанием ее индекса; площадь поперечного сечения; плотность размещения форсунок; число рядов форсунок и их количество, диаметр отверстия форсунок; давление воды перед форсунками; количество воды, разбрызгиваемой одной форсункой.

Коэффициент орошения В представляет отношение количества воды, разбрызгиваемой в камере в единицу времени, к количеству увлажняемого воздуха:

В = ,

где G_в – общее количество воды, разбрызгиваемой в камере, кг/ч; L – количество воздуха, проходящего через камеру, кг/ч.

Скорость движения воздуха в камере рекомендуется 2,5 м/с. Процесс в камере должен продолжаться около 1 с.

Количество воды, разбрызгиваемой в камере:

G_в = n ∙ g,

где n – число форсунок; g – производительность одной форсунки, кг/ч.

В зависимости от количества разбрызгиваемой воды кг/ч, подбирается насос.

Температурный перепад орошающей воды:

Δt = ,

где Q_хол – количество тепла отводимого в камере орошения, Вт; G_в – количество воды, разбрызгиваемой в камере, кг/ч.

Начальная и конечная температуры воды в камере:

t_вн = ;

t_вк = t_вн + Δt,

где t_вн – начальная температура воды, подаваемой к форсункам, °С; t_вк – конечная температура воды (температура воды в поддоне камеры), °С; t_мн и t_мк – начальная и конечные температуры воздуха по мокрому термометру, °С; Е – коэффициент эффективности; Δt – температурный перепад орошающей воды, °С.

Коэффициент эффективности оросительной (форсуночной) камеры:

Е = 1 – ,

где t_н, t_к – начальная и конечная температуры воздуха при входе и выходе из оросительной камеры; t_м1, t_м2 – начальная и конечная температуры мокрого термометра при входе и выходе из оросительной камеры.

Значение коэффициента эффективности Е в зависимости от числа рядов форсунок и направления выхода факела приведены в табл. 7.

Таблица 7