Автор: технічний відділ Mycond
Уявіть ситуацію: спекотний літній день, ви дістаєте склянку холодної води з холодильника, ставите на стіл, і через кілька хвилин на зовнішній поверхні склянки з'являються краплі води. Звідки вони взялися? Адже всередині склянки немає протікання. Це простий приклад явища, яке вивчає психрометрія – наука про властивості та поведінку вологого повітря.
Психрометрія – це своєрідна "інструкція з експлуатації" для повітря з водяною парою. Для інженерів HVAC (опалення, вентиляція, кондиціювання) розуміння психрометрії так само необхідне, як знання математики для бухгалтера. Без неї неможливо правильно спроектувати системи, розрахувати енергоспоживання та забезпечити комфортний мікроклімат.
За допомогою психрометрії інженери вирішують безліч практичних задач: скільки води сконденсується на холодильних установках супермаркету, яка температура і вологість найкомфортніші для офісу, чому взимку в квартирі так сухо, що тріскаються губи, як запобігти появі цвілі у ванній, скільки енергії потрібно для висушення повітря на фармацевтичному виробництві.
Сім ключових параметрів вологого повітря
Щоб повністю описати стан повітря, потрібно знати кілька характеристик. Уявімо 1 кілограм повітря в невидимій коробці з типової житлової кімнати: температура 21°C, відносна вологість 50%. Розглянемо сім ключових параметрів, які повністю описують властивості вологого повітря.
1. Температура сухого термометра (Dry Bulb Temperature)
Це звичайна температура повітря, яку ми вимірюємо звичайним термометром. Позначається як t або T, вимірюється у °C. Коли ми говоримо "в кімнаті +21°C", ми маємо на увазі саме температуру сухого термометра. На психрометричній діаграмі це горизонтальна вісь внизу, температура зростає зліва направо.
Практичне значення: це основний параметр теплового комфорту. Людина найкраще почувається при 20-24°C взимку та 23-26°C влітку.
2. Відносна вологість (Relative Humidity)
Це відсоток від максимально можливої кількості води, яку може утримувати повітря при даній температурі. Важлива особливість: назва "відносна" означає, що параметр залежить від температури – це джерело багатьох непорозумінь. Позначається як RH або φ, вимірюється у %.
Можна пояснити на прикладі губки: при 21°C губка вміщує максимум 100 одиниць води (100% вологості), якщо зараз 50 одиниць – це 50% RH. Нагрійте губку до 30°C – тепер вона вміщує 200 одиниць, але води як було 50, так і залишилося, тому RH тепер 50/200=25%.
На діаграмі: вигнуті лінії знизу-зліва до верху-справа, найвища лінія 100% RH – лінія насичення або крива насичення.
Норми комфорту: комфортний діапазон 40-60% RH. Нижче 30% – занадто сухо (сухість шкіри, статична електрика), вище 70% – занадто волого (ризик появи цвілі, відчуття духоти).
3. Вологовміст (Humidity Ratio, Specific Humidity)
Це реальна фізична кількість водяної пари в грамах на кілограм сухого повітря. Позначається як d, w або x, вимірюється у г/кг. Важливо розуміти: на відміну від відносної вологості, вологовміст не залежить від температури – це абсолютна величина.
У нашому прикладі: температура 21°C, RH 50%, вологовміст 7,8 г/кг. Це означає, що в 1 кг сухого повітря міститься 7,8 г водяної пари. Якщо нагріємо повітря до 30°C – вологовміст залишиться 7,8 г/кг, але RH зменшиться до ~27%.
На діаграмі вологовміст представлений горизонтальними лініями, що показують постійне значення.
Типові значення вологовмісту: сухий зимовий день 2-4 г/кг, комфортний день 6-9 г/кг, вологий літній день 12-18 г/кг, тропіки – понад 20 г/кг.
4. Температура точки роси (Dew Point Temperature)
Це температура, до якої потрібно охолодити повітря, щоб воно стало насиченим (100% RH) і почала конденсуватися волога. Позначається як Td, вимірюється у °C.
Повернемося до нашого прикладу зі склянкою холодної води: коли температура поверхні склянки опускається нижче точки роси кімнатного повітря, водяна пара конденсується на склянці, утворюючи краплі.
Для нашого повітря з параметрами 21°C, 50% RH, 7,8 г/кг точка роси складає +10°C. Це означає, що якщо є поверхня з температурою +10°C або нижче (наприклад, холодний трубопровід), на ній конденсуватиметься волога.
На діаграмі точка роси знаходиться на перетині горизонтальної лінії вологовмісту з лінією 100% RH (лінією насичення).
5. Тиск водяної пари (Vapor Pressure)
Це парціальний тиск, який створюють молекули водяної пари. Позначається як pv, вимірюється у Па або кПа. Фізичний зміст: кожна молекула води штовхає оточуюче середовище, і чим більше молекул, тим вищий тиск пари.
У нашому прикладі: вологовміст 7,8 г/кг, тиск пари 1240 Па = 1,24 кПа.
Чому це важливо? Волога рухається від зони високого тиску пари до низького (як повітря з проколотого колеса). Наприклад, взимку в кімнаті тепло і вологість 40% (тиск пари ~1000 Па), на вулиці -10°C і 80% RH (тиск пари ~200 Па), різниця у 800 Па проштовхує вологу через стіну назовні.
6. Ентальпія повітря (Enthalpy)
Це повна енергія повітря, яка включає явне тепло (тепло самого повітря) і приховане тепло (енергія, витрачена на випаровування води). Позначається як h або i, вимірюється у кДж/кг.
Наш приклад: температура 21°C, вологовміст 7,8 г/кг, ентальпія 41 кДж/кг, з яких явне тепло ~21 кДж/кг, приховане тепло ~20 кДж/кг.
На діаграмі ентальпія представлена діагональними лініями, що йдуть зліва-зверху до справа-вниз під кутом ~30° до горизонталі.
7. Температура мокрого термометра (Wet Bulb Temperature)
Це температура, яку показує термометр, обмотаний вологою тканиною, через яку проходить повітря. Позначається як Tw, вимірюється у °C.
Фізика процесу: вода з тканини випаровується, забираючи тепло, що охолоджує термометр. Чим сухіше повітря – тим інтенсивніше випаровування і тим нижча температура мокрого термометра. Наш приклад: суха температура 21°C, RH 50%, температура мокрого термометра 15°C.
Важлива залежність: при 100% RH випаровування неможливе і Twet=Tdry; при 0% RH випаровування максимальне і Twet мінімальна.
Практичне застосування – охолодження випаровуванням: температура мокрого термометра – це мінімальна температура, до якої можна охолодити повітря випаровуванням води без механічного холоду. У спекотний день (35°C, 30% RH, Twet=22°C) можна охолодити повітря до 22-24°C просто зрошуючи його водою.
Психрометрична діаграма — карта вологого повітря
Усі сім параметрів вологого повітря пов'язані між собою, і психрометрична діаграма (діаграма Молльє) – це графічний інструмент, який показує всі ці зв'язки одночасно. Це своєрідна "карта" вологого повітря.
Головне правило користування діаграмою: якщо ви знаєте будь-які ДВА параметри, то можете знайти всі інші. Наприклад:
1. Знаємо T=21°C та RH=50%. На горизонтальній осі знаходимо 21°C, проводимо вертикальну лінію вгору, знаходимо перетин з лінією 50% RH. Ця точка дає нам: d=7,8 г/кг, Td=10°C, h=41 кДж/кг, Tw=15°C.
2. Знаємо T=30°C та Td=20°C. На горизонтальній осі знаходимо 30°C (вертикальна лінія вгору), на лінії насичення знаходимо 20°C (горизонтальна лінія вправо). Перетин цих ліній дає: RH≈57%, d≈13 г/кг, h≈63 кДж/кг.
Практичні приклади для інженерів HVAC
Розглянемо кілька практичних прикладів, які демонструють застосування психрометрії в роботі інженерів HVAC.
Охолодження і осушення повітря кондиціонером
Задача: зовнішнє повітря 32°C з відносною вологістю 70% потрібно охолодити до 18°C.
1. Визначаємо початкові параметри: T₁=32°C, RH₁=70%, за діаграмою d₁=21 г/кг, h₁=85 кДж/кг, Td₁=26°C.
2. Аналізуємо процес охолодження: повітря проходить через випарник з температурою поверхні +8°C. Спочатку воно охолоджується при сталому вологовмісті (вертикальна лінія вниз на діаграмі), а при досягненні точки роси (26°C, 100% RH) починається конденсація. Далі повітря охолоджується по лінії насичення до параметрів: 8°C, d₂=6,5 г/кг, RH=100%.
3. Розраховуємо кількість конденсату: видалена волога = d₁-d₂ = 21-6,5 = 14,5 г на кожен кг повітря. Якщо витрата 1000 м³/год (≈1200 кг/год): конденсат = 1200 × 14,5 / 1000 = 17,4 кг/год = 17,4 літрів/год.
4. Розраховуємо необхідну холодопродуктивність: 1200/3600 кг/с × (85-22) кДж/кг = 0,333 × 63 = 21 кВт ≈ 6 тонн холоду.
Чому взимку в квартирах сухо
Ситуація: зима, на вулиці -5°C з відносною вологістю 80%. Це повітря потрапляє в квартиру через вентиляцію і нагрівається до 21°C.
1. Параметри зовнішнього повітря: T₁=-5°C, RH₁=80%, за діаграмою d₁=2,2 г/кг, Td₁=-8°C.
2. При нагріванні до кімнатної температури вологовміст не змінюється (d=const). Тому: T₂=21°C, d₂=2,2 г/кг, а за діаграмою RH₂=14% – дуже сухо!
Висновок: проблема не в тому, що вологість на вулиці низька (там 80% RH!), а в тому, що холодне повітря фізично містить мало води. При нагріванні ця мала кількість розчиняється у великому об'ємі теплого повітря, даючи низьку відносну вологість.
Рішення: потрібне додаткове зволоження. Щоб підняти вологість до комфортних 45%, потрібен вологовміст 7 г/кг. Необхідно додати 7-2,2=4,8 г/кг. При вентиляції 50 м³/год (60 кг/год): 60 × 4,8 / 1000 = 0,29 кг/год води. Це приблизно 7 літрів води на добу тільки для компенсації вентиляції!
Сушіння повітря десикантом
Задача: фармацевтичне виробництво потребує повітря з точкою роси -10°C при температурі 21°C.
1. Необхідні параметри: T=21°C, Td=-10°C, за діаграмою d=1,6 г/кг, RH=15%.
2. Параметри припливного повітря влітку: T₁=28°C, RH₁=65%, d₁=15,5 г/кг.
3. Розрахунок вологи для видалення: Δd = 15,5 - 1,6 = 13,9 г/кг. При витраті 500 кг/год: видалити = 500 × 13,9 / 1000 = 6,95 кг/год води.
4. Чому не підходить звичайний кондиціонер? Щоб досягти d=1,6 г/кг охолодженням, потрібно охолодити повітря до -10°C (точка роси). Але при температурі нижче +4°C конденсат замерзає на теплообміннику, система обмерзає і перестає працювати.
Рішення: десикантний (адсорбційний) осушувач, який працює при будь-якій температурі і досягає точок роси до -40°C і нижче.
FAQ
Що таке психрометрія простими словами?
Психрометрія – це наука про властивості вологого повітря. Вона вивчає, як повітря взаємодіє з водою в різних умовах температури і тиску.
Чому відносна вологість не показує реальну кількість води в повітрі?
Тому що відносна вологість – це відношення фактичного вмісту водяної пари до максимально можливого при даній температурі. При зміні температури змінюється й максимальна ємність повітря для водяної пари, тому сама по собі відносна вологість не говорить про абсолютну кількість води.
Як швидко визначити точку роси без діаграми?
Можна використовувати спрощену формулу: Td ≈ T - ((100 - RH) / 5). Наприклад, при T=21°C, RH=50%, Td ≈ 21 - ((100-50)/5) = 21-10 = 11°C (точне значення близько +10,2°C).
Яка різниця між явним та прихованим теплом?
Явне тепло – це енергія, пов'язана зі зміною температури (нагрівання/охолодження). Приховане тепло – це енергія, пов'язана зі зміною фазового стану води (випаровування/конденсація), без зміни температури.
Для чого потрібна температура мокрого термометра?
Вона використовується для визначення відносної вологості (в парі з сухим термометром) та показує потенціал охолодження повітря за рахунок випаровування води (адіабатичне охолодження).
Висновки — чому інженеру HVAC необхідна психрометрія
Існує чотири ключові причини, чому інженеру HVAC необхідне глибоке розуміння психрометрії:
1. Проектування систем: без психрометрії неможливо правильно розрахувати холодопродуктивність кондиціонерів, продуктивність осушувачів, потужність зволожувачів та параметри вентиляційних систем.
2. Економія енергії: психрометрична діаграма дозволяє визначити оптимальну стратегію обробки повітря, знайти можливості безкоштовного охолодження/осушення, оцінити ефективність рекуператорів.
3. Запобігання проблемам: розуміння точки роси допомагає запобігти конденсації в системах вентиляції, промерзанню стін, розвитку цвілі та корозії обладнання.
4. Контроль якості повітря: правильне поєднання температури і вологості забезпечує комфорт людей, збереження матеріалів і обладнання, дотримання технологічних вимог виробництва.
Основне правило: щоб повністю визначити стан повітря, потрібно знати мінімум ДВА параметри – всі інші можна знайти за психрометричною діаграмою. Найкорисніші комбінації: температура + відносна вологість (найпростіше виміряти), температура + точка роси (найкраще для контролю конденсації), температура + вологовміст (найкраще для розрахунку осушення).
Психрометрія – не абстрактна теорія, а щоденний інструмент інженера, який допомагає приймати правильні рішення, економити енергію та гроші клієнтів, створювати комфортні та безпечні умови в приміщеннях.
