IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

 Как известно, сухой воздух (СВ) состоит на 78% из азота, на 21% из кислорода и около 1% составляют диоксид углерода, инертные и другие газы. Если в воздухе имеются водяные пары, то такой воздух называется влажным воздухом (ВВ). Учитывая, что при вентиляции помещений состав сухой части воздуха практически не изменяется, а может изменяться только количество влаги, в вентиляции принято рассматривать ВВ как бинарную смесь, состоящую только из двух компонентов: СВ и водяные пары (ВП). Хотя к этой смеси применимы все газовые законы, однако при вентиляции с достаточной точностью можно считать, что воздух практически все время находится под атмосферным давлении, так как давления вентиляторов достаточно малы по сравнению с барометрическим давлением. Нормальное атмосферное давление составляет 101,3 кПа, а давления, развиваемые вентиляторами, составляют обычно не более 2 кПа. Поэтому нагрев и охлаждение воздуха в вентиляции происходят при постоянном давлении.

Из термодинамических параметров ВВ, которыми оперируют в курсе вентиляции, можно выделить следующие:

1. плотность;
2. теплоемкость;
3. температура;
4. влагосодержание;
5. парциальное давление водяного пара;
6. относительная влажность;
7. температура точки росы;
8. энтальпия (теплосодержание);
9. температура по мокрому термометру.

Термодинамические параметры определяют состояние ВВ и определенным образом связаны друг с другом. Особыми, не термодинамическим параметром, являются подвижность, то есть скорость воздуха, и концентрация вещества (кроме влаги). Они никак не связаны с остальными термодинамическими параметрами и могут быть любыми независимо от них.

Под воздействием различных факторов влажный воздух может изменять свои параметры. Если воздух, заключенный в некотором объеме (например, помещении), находится в контакте с горячими поверхностями, он нагревается, то есть повышается его температура. При этом нагреву подвергаются непосредственно те слои, которые граничат с горячими поверхностями. Из-за нагрева изменяется плотность воздуха, и это приводит к возникновению конвективных течений: происходит процесс турбулентного обмена. За счет наличия турбулентного перемешивания воздуха в процессе вихреобразования воспринятая пограничными слоями теплота постепенно передается более удаленным слоям, в результате чего весь объем воздуха как-то повышает свою температуру.

Влажность - количество влаги, содержащейся в воздухе. Это понятие является одним из основных в микроклимате. Кондиционирование и отопление приводят к пересушиванию воздуха, что в свою очередь ведет к ухудшению самочувствия человека, появлению статического электричества, а также растрескиванию мебели и других элементов интерьера.

Когда температура наружного воздуха ниже температуры воздуха внутри помещения, холодный влажный воздух при попадании в теплое здание прогревается и становится сухим. Как влага из воздуха поглощается материалами, находящимися в здании, так и теплый сухой воздух вытягивает влагу из всего, с чем он соприкасается, чтобы достичь "влажностного равновесия". Такое же явление пересушенности воздуха может возникнуть при использовании систем кондиционирования воздуха: воздух сначала охлаждается до температуры ниже точки росы, а избыток влаги конденсируется и удаляется. При последующем нагреве воздух становится сухим и вызывает дискомфорт. Для того, чтобы этого избежать, влажность в помещении должна составлять 45-55%. И поддерживать ее в этих границах помогают увлажнители воздуха.

Увлажнение необходимо в следующих случаях:

1. при решении проблемы статического электричества
2. для создания комфортных условий
3. при использовании гигроскопических материалов в технологическом процессе или при их хранении внутри здания
4. для поддержания санитарно-гигиенических условий

2. Способы увлажнения

Существует два разных способа для повышения влажности воздуха:

изотермическое увлажнение

адиабатическое увлажнение

При изотермическом увлажнении водяной пар образуется в результате испарения воды в специальном парогенераторе. Потребляемая энергия обеспечивает фазовый переход воды из жидкого состояния в парообразное. При этом количество явного тепла, содержащегося в воздухе, остается неизменным, в связи с чем процесс называется изотермическим, а увлажнители - изотермическими или паровыми.

В адиабатических увлажнителях происходит распыление воды в воздухе в виде тонкого монодисперсного аэрозоля, который интенсивно испаряется, потребляя явное тепло, содержащееся в воздухе. В результате перехода воды из жидкого состояния в парообразное температура воздуха понижается. Таким образом, наряду с увлажнением происходит ассимиляция дополнительного тепла. Поскольку процесс осуществляется без поступления тепловой энергии от внешних источников, он называется адиабатическим, а увлажнители - адиабатическими, распылительными или  атомайзерами .

Согласно медицинским нормам, оптимальная для человека влажность воздуха составляет 40-60%. При падении влажности ниже этих показателей сухой воздух "вытягивает" влагу из организма человека, а также из деревянных вещей и растений. В результате даже у здоровых людей ухудшается общее самочувствие - появляется сонливость, рассеянность, повышается утомляемость, снижается работоспособность и иммунитет. Из-за того, что сухие слизистые оболочки органов дыхания плохо улавливают бактерии и вирусы, возникает першение горла, снижается способность бронхов к самоочищению. В результате увеличивается вероятность возникновения респираторных инфекций, ухудшается самочувствие больных бронхиальной астмой, аллергиков. Также возникает чувство "песка" в глазах, особенно заметное у тех, кто носит контактные линзы. В сухом воздухе можно скорее замерзнуть, поскольку испаряющаяся с поверхности кожи влага охлаждает тело. Недостаток влажности в воздухе приводит к сухости и раннему старению кожи. 

Особенно низкая влажность в помещении устанавливается зимой. Морозный воздух уже сам по себе содержит мало влаги, поэтому проветривание помещения не повышает влажности воздуха в нем. Кроме того, работа отопительных систем высушивает воздух еще больше. Зимой относительная влажность воздуха в помещениях часто падает ниже 25%. Поэтому, например, если в результате обменных процессов кожа тела теряет приблизительно пол-литра влаги в течение суток, то зимой этот показатель доходит до одного литра. Летом же воздух в помещении становится суше из-за работающих кондиционеров. Работающие электроплиты, утюги, телевизоры, компьютеры также осушают атмосферу квартиры.

Существует много моделей этих приборов, но все их можно разделить на три типа: "холодные", "паровые" и "ультразвуковые".

Холодные или традиционные увлажнители действуют по принципу "холодного" испарения. Встроенный в прибор вентилятор засасывает сухой воздух из помещения, прогоняет его через фильтры или специальные элементы, где воздух увлажняется, и затем выбрасывает его обратно в помещение. Помимо увлажнения система также и очищает воздух естественным образом, поскольку находящаяся в нем пыль и грязь оседают в фильтрах. Недостатком увлажнителей данного типа является то, что в воздух выбрасываются содержащиеся в воде бактерии. Поэтому во многих моделях традиционных испарителей предусмотрена возможность уничтожения бактерий с помощью антибактериальной пропитки фильтров или электрического тока. "Холодное" испарение - процесс саморегулирующийся, он не требует дополнительных приборов контроля. Производительность приборов этого типа зависит от температуры воздуха в помещении: чем она выше, тем больше интенсивность испарения. Поэтому, чтобы они лучше увлажняли воздух, их следует ставить у источников тепла. Реальный диапазон увлажнения для этих приборов - 50-60%. Традиционные увлажнители потребляют мало энергии и малошумны.

В паровых испарителях вода нагревается до кипения и образования пара, которым насыщают воздух в помещении. В целях безопасности горячий воздух охлаждается перед выходом из увлажнителя. Благодаря кипячению в атмосферу выбрасываются пары абсолютно чистой, не содержащей примесей воды. Такое принудительное испарение позволяет превысить оптимальный уровень влажности воздуха, поэтому скорость увлажнения в этих приборах регулируется. Еще одно преимущество этих приборов заключается в том, что при кипячении воды убиваются содержащиеся в ней бактерии и вирусы. Некоторые паровые увлажнители продаются со специальными приспособлениями, позволяющими использовать их в качестве ингаляторов и ароматизаторов. Но увлажнители этого типа потребляют больше энергии.

Более эффективная технология используется в ультразвуковых увлажнителях. С помощью высокочастотных колебаний вода в увлажнителе расщепляется на микроскопические брызги, образуя водяное облако, сквозь которое вентилятор прогоняет наружный воздух, распределяя его по помещению. Ультразвуковые увлажнители имеют высокую производительность и, как и паровые увлажнители, позволяют легко повысить уровень естественной влажности, поэтому они имеют регуляторы уровня парообразования. Они также очень малошумны и потребляют мало энергии. Недостатком этих увлажнителей является то, что вместе с мельчайшими капельками воды распыляются и содержащиеся в воде примеси и минералы (в увлажнителях первых двух типов они осаждаются на поддонах). В результате со временем в помещении, где они работают, и на окружающих предметах появляется белый солевой налет (этими же солями мы дышим). Поэтому в ультразвуковые увлажнители рекомендуется заливать кипяченую, а лучше дистиллированную воду (продается в аптеках). В более дорогих увлажнителях эта проблема решается применением

Увлажнители воздуха делятся на четыре категории:

• "Холодные" увлажнители
• Паровые увлажнители
• Ультразвуковые увлажнители
• Увлажнители распылительного типа (атомайзеры)

В "холодных" увлажнителях воздух, подгоняемый вентилятором, проходит через влажный фильтр (увлажняющий картридж). Поскольку при испарении вода поглощает тепло, то воздух не только насыщается влагой, но и немного охлаждается. Такой увлажнитель обладает способностью регулировать влажность, поскольку, чем она выше, тем медленнее происходит испарение. В своей работе "холодные" увлажнители используют только деминерализованную (а лучше - дистиллированную) воду, в противном случае увлажняющий картридж быстро засоряется и его необходимо часто менять. Если приходится применять обычную воду, то нужно использовать дополнительный умягчающий картридж, уменьшающий "жесткость" воды. Производительность "холодных" увлажнителей 3,5 - 8 литров/сутки, потребляемая мощность 20 - 50 Вт. Стоят они от 55 до 150 долларов.

Принцип действия парового увлажнителя очень прост: воду заставляют испаряться, доводя до кипения. На таком увлажнителе обязательно устанавливается гигростат (прибор для определения влажности воздуха), который отключает прибор, как только влажность достигает необходимой величины. Паровые увлажнители могут использоваться не только для увлажнения воздуха, но и для ингаляций при заболеваниях дыхательных путей, для чего снабжаются специальными ингаляторными насадками. По сравнению с "холодными" и ультразвуковыми, паровые увлажнители имеют один недостаток: они потребляют гораздо больше энергии. Производительность паровых увлажнителей 7 - 16 литров/сутки, потребляемая мощность 300 - 600 Вт. Стоят они около 70 долларов.

Ультразвуковые увлажнители имеют небольшие габариты, малую потребляемую мощность и высокую производительность, а потому являются самыми популярными. Принцип действия ультразвуковых увлажнителей основан на способности пьезоэлектрических кристаллов преобразовывать электрические колебания в механические. Через погруженный в воду пьезокристалл передается ультразвук, заставляющий его вибрировать. В воде образуется несколько слоев повышенного и пониженного давления. Там, где давление пониженное, происходит кавитация, т.е. вода кипит при комнатной температуре. В воздух выбрасываются мелкие частички воды, которые подхватывает поток воздуха от вентилятора и выносит их в помещение, где они превращаются в пар. В общем, вода вроде бы кипит, но пар остается холодным.

В ультразвуковых увлажнителях, также как и в "холодных", используется только деминерализованная или дистиллированная вода. Поскольку вода при испарении не нагревается, то в воздух попадают все содержащиеся в ней вещества. В дальнейшем они оседают на мебели и стенах, образуя тонкий белый налет. Чтобы этого не происходило, в некоторых моделях увлажнителей предусмотрена установка картриджа для очистки воды.

Существуют также ультразвуковые увлажнители с предварительным подогревом воды. Перед использованием вода в этих приборах нагревается до температуры 85 - 90 °С, при этом большая часть содержащихся в воде микроорганизмов погибает. При распылении воды также используется холодный пар.

Наиболее совершенные модели ультразвуковых увлажнителей имеют не только гигростаты, но также дисплеи и пульты дистанционного управления. Производительность ультразвуковых увлажнителей 7 - 12 литров/сутки, потребляемая мощность 40 - 50 Вт. Стоят они от 110 до 200 долларов.

Принцип действия атомайзеров основан на распылении водяной взвеси, состоящей из мельчайших капель диаметром 5 - 8 мкм. Выходя из сопла форсунки, капли пролетают несколько десятков сантиметров и переходят в парообразное состояние. Производительность атомайзеров - от 60 до 230 л/ч, а стоят они несколько тысяч долларов. Разумеется, ни в квартиру, ни в офис такой суперагрегат не поставишь, они используются только в промышленности.

Учитывая, что влажный воздух является основным объектом вентиляционного процесса, в области вентиляции приходится часто определять те или другие параметры воздуха. Чтобы избежать многочисленных вычислений, их определяют обычно по специальной диаграмме, которая носит название Id диаграммы. Она позволяет быстро определить все параметры воздуха по двум известным. Использование диаграммы позволяет избежать вычислений по формулам и наглядно отобразить вентиляционный процесс. Аналогом Id диаграммы на западе является диаграмма Молье или психрометрическая диаграмма.

Код для цитирования: Скопировать