Психрометрия и обработка воздуха в вентиляции: диаграмма Молье

Психрометрия — наука о свойствах влажного воздуха. Для проектирования вентиляции и кондиционирования понимание психрометрии — такой же базовый навык, как чтение аэродинамических характеристик для подбора вентиляторов. Диаграмма Молье (h-d диаграмма) — основной инструмент, на котором строятся все расчёты обработки воздуха.

Параметры влажного воздуха

Влажный воздух — смесь сухого воздуха и водяного пара. Состояние воздуха описывается несколькими параметрами:

• Температура (t, °C) — температура по сухому термометру.
• Влагосодержание (d, г/кг) — масса водяного пара в граммах на 1 кг сухого воздуха.
• Относительная влажность (φ, %) — отношение фактического давления пара к давлению насыщенного пара при данной температуре.
• Энтальпия (h, кДж/кг) — теплосодержание 1 кг сухого воздуха и содержащегося в нём пара. h = 1.006×t + d×(2 500+1.86×t).
• Температура смоченного (t_м, °C) — температура, которую принимает воздух при адиабатном насыщении.
• Точка росы (t_р, °C) — температура, при которой начинается конденсация при охлаждении.
• Парциальное давление пара (p_п, Па) — давление, которое имел бы пар, если бы он один занимал объём.

Диаграмма Молье (h-d)

Диаграмма Молье — графическое представление всех параметров влажного воздуха. Оси:

• Вертикальная ось — влагосодержание d (г/кг), наклонена под углом 135° (косоугольная система).
• Горизонтальная ось — энтальпия h (кДж/кг).
• Изотермы — линии постоянной температуры (наклонные прямые).
• Линии φ=const — кривые относительной влажности. φ=100% — кривая насыщения.
• Линии h=const — наклонные прямые постоянной энтальпии.

Любая точка на диаграмме определяет все параметры воздуха. Для расчёта процессов используются линии перехода между точками.

Основные процессы обработки воздуха

1. Нагрев (sensible heating)

Воздух проходит через калорифер (водяной, электрический, газовый). Температура повышается, влагосодержание не меняется (d=const). На диаграмме — вертикальная линия вверх.

Пример: воздух t=−10°C, φ=80% нагревается до t=20°C. Точка 1: (−10, 80%), точка 2: (20, d₁). d₁ = 1.4 г/кг (не меняется). φ₂ = 40% (снизилась — тот же пар, но при более высокой температуре — меньшая относительная влажность).

Мощность нагрева: Q = G×(h₂−h₁) = G×1.006×(t₂−t₁), где G — массовый расход, кг/ч. Для 10 000 м³/ч (≈12 000 кг/ч): Q = 12 000×1.006×30 = 362 160 кДж/ч = 100.6 кВт.

2. Охлаждение (cooling)

Воздух проходит через охладитель (водяной, фреоновый). Температура снижается. Два режима:

• Без конденсации (t_охл > t_р) — d=const, вертикальная линия вниз. Аналогично нагреву, но в обратную сторону.
• С конденсацией (t_охл < t_р) — часть пара конденсируется. Процесс идёт по линии φ=100% (кривой насыщения) от точки пересечения с t_р до t_охл. Влагосодержание снижается.

Пример: воздух t=30°C, φ=60% охлаждается до t=10°C. Точка росы t_р=21°C. При t=10°C (ниже t_р): d₂ = 7.6 г/кг (было 16 г/кг). Конденсация 8.4 г/кг. Мощность охлаждения: Q = G×(h₁−h₂) = 12 000×(71−29) = 504 000 кДж/ч = 140 кВт. Из них: явное (снижение температуры) — 120 кВт, скрытое (конденсация) — 20 кВт.

3. Увлажнение (humidification)

• Паровое увлажнение — пар впрыскивается в воздух. d растёт, t немного растёт (от теплоты пара). Процесс — почти вертикальная линия вверх с небольшим наклоном.
• Изэнтальпическое (адиабатное) увлажнение — вода распыляется без нагрева. Часть воды испаряется, забирая теплоту от воздуха. d растёт, t падает, h=const. Процесс — по линии h=const.

Пример адиабатного: воздух t=30°C, φ=30% → t=22°C, φ=70% (по h=const). Охлаждение на 8°C без затрат энергии (только насос и вентилятор распыления). Это основа испарительного охлаждения.

4. Осушение (dehumidification)

• Охлаждение ниже точки росы — конденсация. См. выше.
• Адсорбционное осушение — силикагель или активированный уголь поглощают влагу. Процесс — d падает, t растёт (от теплоты адсорбции).
• Химическое осушение — раствор LiCl или CaCl₂. Применяется в промышленных осушителях.

5. Смешение (mixing)

Два потока воздуха (наружный и рециркуляционный) смешиваются в камере. Точка смеси — на прямой, соединяющей точки потоков, в пропорции массовых расходов.

Пример: 30% наружного (t=−10°C, d=1.4) + 70% рециркуляционного (t=22°C, d=8.5). Точка смеси: d = 0.3×1.4 + 0.7×8.5 = 6.37 г/кг, t = 0.3×(−10) + 0.7×22 = 12.4°C. Энтальпия: h = 0.3×(−6.5) + 0.7×43.7 = 28.6 кДж/кг.

Расчёт мощности оборудования

Мощность любого процесса на диаграмме Молье: Q = G×Δh, где G — массовый расход (кг/с), Δh — разность энтальпий (кДж/кг).

Пример расчёта приточной установки:

• Расход: 10 000 м³/ч (≈12 000 кг/ч ≈ 3.33 кг/с)
• Наружный воздух: t=−15°C, φ=80%, d=1.0 г/кг, h=−12.5 кДж/кг
• Приточный воздух (после обработки): t=20°C, φ=40%, d=5.8 г/кг, h=34.8 кДж/кг
• Мощность нагрева: Q_нагр = 3.33×(34.8−(−12.5)) = 157.5 кВт
• Влаги нужно добавить: Δd = 5.8−1.0 = 4.8 г/кг → 3.33×4.8 = 16 г/с = 57.6 кг/ч пара

Типовые циклы обработки воздуха

Цикл для зимнего режима (нагрев + увлажнение)

1. Наружный воздух (−15°C, 80%) → нагрев до +20°C (d=1.0) → увлажнение паром до d=5.8 (t=20°C, φ=40%).

Цикл для летнего режима (охлаждение + осушение)

1. Наружный воздух (32°C, 70%) → охлаждение до +12°C с конденсацией (d=8.6, φ=100%) → нагрев до +20°C (d=8.6, φ=50%).

Цикл с рекуперацией

1. Наружный воздух (−15°C) → рекуператор (нагрев до +5°C) → калорифер (до +20°C) → увлажнение.
2. Уходящий воздух (22°C) → рекуператор (охлаждение до +2°C) → выброс.

Заключение

Психрометрия — фундамент для всех расчётов обработки воздуха в вентиляции и кондиционировании. Диаграмма Молье позволяет визуализировать процессы нагрева, охлаждения, увлажнения, осушения и смешения, а также рассчитать требуемую мощность оборудования. Без понимания психрометрии невозможно спроектировать эффективную систему вентиляции. Программные средства (CoolPack, психрометрические калькуляторы) автоматизируют расчёты, но способность прочитать процесс на диаграмме — навык, необходимый каждому инженеру.