Polytropické vlhčení párou

U adiabatického chlazení vzduchu je jako další nedílný fyzikální projev jeho vlhčení. Jedná se tedy i tzv. adiabatické vlhčení vodou. Při vlhčení vodou vzniká poměrně velké množství přebytku vody, který se nepojme do ochlazovaného vzduchu. Při tomto typu vlhčení mohou tedy vznikat hygienické problémy s tvorbou mikroorganismů ve sběrně vaně v adiabatické komoře apod. V praxi se s ohledem na hygienu provozu a relativně jednoduší technickou instalaci spíše využívá vlhčení vzduchu vodní párou. Článek ukazuje fyzikální a technický princip této úpravy vzduchu.

ÚVOD

V díle 6 jsme se seznámili s principem adiabatického chlazení vzduchu, u kterého je jako další nedílný fyzikální projev jeho vlhčení. Jedná se tedy i tzv. adiabatické vlhčení vodou. Při vlhčení vodou vzniká poměrně velké množství přebytku vody, který se nepojme do ochlazovaného vzduchu. Při tomto typu vlhčení mohou tedy vznikat hygienické problémy s tvorbou mikroorganismů ve sběrně vaně v adiabatické komoře apod. V praxi se s ohledem na hygienu provozu a relativně jednoduší technickou instalaci spíše využívá vlhčení vzduchu vodní párou. Článek ukazuje fyzikální a technický princip této úpravy vzduchu.

FYZIKÁLNÍ PRINCIP VLHČENÍ VZDUCHU PÁROU

Fyzikálně se jedná o polytropický děj, kdy při této úpravě vzduchu v tepelně izolované soustavě dochází k výměně tepla s okolím. Zásadním parametrem, který fyzikálně ovlivňuje tuto úpravu a její průběh je teplota respektive tlak nastřikované páry. V domácích instalacích se používají lokální ultrazvukové vyvíječe vodní páry, kdy teplota páry odpovídá spíše teplotě vody, z které vzniká, u větších centrálních vzduchotechnických systémů jsou používány distributory vodní páry pro tlak cca 2 až 3 bar. Tato pára má vysokou teplotu (cca od 120 do 160°C). Ukázka stavu páry a její znázornění v p-v diagramu je na obr. 1.

Obr. 1 – Grafické znázornění fázových změn kapaliny v tepelném p- v diagramu (vpravo), znázornění poměru kapaliny a páry při jednotlivých stavech páry (vlevo)

S teplotou páry a jejím tlakem přímo souvisí její suchost. Při uvedených tlacích dochází na běžných vyvíječích k transportu mokré páry. Ideální je ovšem pro distribuci do vzduchu a její účinnost nastřikovat áru v co nejsytějším stavu (bez kapiček vody). Proto se u centrálních rozvodů páry před distribuční trubicí používají různé separátory, předehřívané trubice apod. Sytá pára (5) vzniká při ukončení vypařování v uzavřené nádobě, kdy se v nádobě nachází pouze pára o teplotě t = tvaru za daného tlaku. V diagramu na obr. 1 se tento stav nachází na horní mezní křivce (suchost x = 1).

Úprava vzduchu je tedy polytropická, nicméně odchylka od izotermní úpravy je malá (v praxi cca 0,5 až 1K) proto se velmi často zakresluje v H-X diagramu jako úprava izotermní. Směr úpravy zobrazený v H-X diagramu je prezentován na obr. č. 2.

Obr. 2 - Úprava vzduchu polytropickým vlhčením v H-X diagramu (vlevo), pohled do zvlhčovací komory s instalovanými distributory páry (vpravo)

Při polytropickém tepleném ději dochází k výměně tepla s okolím, obecně se mění všechny veličiny. Obecně pro polytropický děj platí:

kde
p je tlak lýtky v daném stavu
V je objem látky v daném stavu
m je množství látky
T je teplota látky v daném stavu
c_w je izobarická měrná tepelná kapacita látky
c_x je měrná tepelná kapacita látky
κ je Poissonova konstanta
T je teplota látky v daném stavu

APLIKACE PARNÍHO VLHČENÍ VE VZDUCHOTECHNICE

Hlavní aplikací této úpravy je zvlhčování přiváděného vzduchu do obsluhovaných prostorů v komoře systému VZT, který nazýváme parní zvlhčovací komora. V praxi se nejčastěji setkáme s distribucí páry do komory, která je součástí centrální přívodní jednotky, nebo s případem kdy se vodní pára nastřikuje přímo do komory, která je součástí přívodního vzduchovodu.

Obr. 3 - Ukázka zvlhčovací komory umístěné ve VZT jednotce a napojení distributoru na parní trubici lokálního vyvíječe páry (vlevo), ukázka distributoru páry, včetně regulace nástřiku, separace a odvodu kondenzátu při centrální výrobě a distribuci páry (vpravo)

V obou případech je pára vstřikována do proudícího vzduchu. Délka této zvlhčovací komory závisí na tzv. rozptylové vzdálenosti, která je určena schopností proudícího vzduchu pojmout dané množství páry za určitý čas. Obecně lze charakterizovat, že délka parní zvlhčovací komory je stejná nebo kratší než délka adiabatické komory při stejné účinnosti.

Z hlediska hygieny provozu vzduchotechnického zařízení je vlhčení párou méně náročné na čištění a je z hlediska výroby zvlhčovacího média méně technicky náročné. Jako zdroje páry jsou používány lokální a centrální vyvíječe páry. Lokální vyvíječe jsou běžně elektrické, centrální vyvíječe podle primárního média mohou být plynové a nebo přímo výměníky pár – pára.

Obr. 4 - Ukázka lokálního elektrického vyvíječe s parní trubicí (vlevo) a ukázka běžného zanešení varných tyčí po 4 měsících provozu v rámci pravidelného servisu u lokálního elektrického vyvíječe v případě, že pára je vyráběna z pitné neupravené vody (uprostřed), vpravo je ukázka destrukce vyvíjecí nádoby vodním kamenem, pokud se neprovádí pravidelný servis tohoto specifického zařízení

Pára je u lokálních vyvíječů tvořena přímo z pitné neupravené vody, nebo z vody měkčené. Centrální pára je většinou připravována z upravené vody (měkčení), v případě hygienicky náročnějších provozů z vody demineralizované.

Z hlediska lokálního elektrického vyvíječe jsou na trhu k dispozici dvě technologie a to odporové a elektrodové vyvíječe. Pro elektrodový princip ohřevu je využito přirozené vodivosti pitné vody, která umožňuje průchod proudu mezi elektrodami. Regulace výkonu je v tomto případě prováděna automaticky změnou hloubky ponoření elektrod. Při odpařování vody se zvyšuje koncentrace minerálních látek ve vodě a tedy roste i její vodivost. Tyto vyvíječe mají bezpečnostní opatření, které zamezuje překročení maximální koncentrace vodivosti, a tím nežádoucího nárůstu proudu. Princip spočívá v  automatickému odkalování části vyvíjecí nádoby a k jejímu nahrazení čerstvou vodou. Odkalování zajišťuje vypouštěcí čerpadlo, které přesně řídí množství vypouštěné vody. U odporového ohřevu se nedoporučuje používat měkčenou vodu (pod GH 6°d). Stabilní a přesně regulovatelný výkon odporového vyvíječe je zajištěn „triakovou“ regulací výkonu a hladinovou jednotkou, která monitoruje výšku hladiny ve vyvíjecí nádobě. Přesnost regulace u této technologie vyvíjení páry je ±5 % při použití běžné vody a ±2 % při použití demineralizované vody. Schéma odporového vyvíječe je demonstrováno na obr. 5. [3].

Obr.5 - Ukázka lokálního odporového vyvíječe výrobce [3]

Při skupenské změně vody a páru dochází k poměrně zásadnímu jevu demineralizace vodní páry, minerály zůstávají usazené na elektrodách, respektive varných tyčích vyvíječe, viz. obr. 4. Transportovaná a následně distribuovaná pára v parní komoře je tedy feritu prostá, je tzv. „hladová“. Z tohoto důvodu je nutné provádět centrální rozvody páry, včetně technologie vlastní distribuce ze speciálních nerezových ocelí. Taktéž parní komora včetně vany na kondenzát má být tvořena z této nerezové oceli. Praxe jasně prokazuje, že pokud uvedené technické prvky budou tvořeny jiným materiálem než nerezovou ocelí, dochází v krátkém čase k jejich poškození a následné destrukci.

U elektrických lokálních vyvíječů je možné kvantifikovat energetickou náročnost výroby páry tak, že pro vlhčící výkon 1 kg/h je potřeba příkon cca 0,75 kW elektrické energie.

Regulace výkonu tohoto systému zvlhčování je kvantitativní, tj. je vyráběno nebo nastřikováno pouze potřebné množství páry.

Umístění zvlhčovací komory přímo do vzduchovodu je problematické z hlediska hygieny provozu a z hlediska eliminace případného vyššího nástřiku vodní páry. Dochází ke kontaminaci přívodního vzduchovodu párou, kondenzaci této páry na stěnách vzduchovodu a následně k mikrobiální kontaminaci vzduchovodu mimo zvlhčovací komoru. Z hygienického hlediska taktéž je nutné parní komoru instalovat před filtrační komoru (např. druhého stupně filtrace) a to tak, aby nedocházelo k smáčení a zvlhčení tohoto filtru. Výhodou se jeví instalovat zvlhčovací komoru mezi ohřívač a chladič s nebo bez eliminátoru kapek.

Zvlhčovací komoru včetně odtoku kondenzátu je nutné během zvlhčovacího období pravidelně kontrolovat a čistit.

ZÁVĚR

Jak vyplývá z textu, parní tzv. „polytropické vlhčení“ patří po ohřevu vzduchu mezi nejčastější úpravy vzduchu v zimním období. Jedná se o velmi specifickou úpravu, která má svoje hygienické výhody, ale taktéž technické nevýhody. Návrh a realizace uvedeného komplexního řešení zvlhčování vzduchu je nejen technicky náročná, ale i provozní náklady takovéhoto systému nejsou zanedbatelné. Úprava vzduchu parním vlhčením patří spolu s elektrickým ohřevem mezi energeticky a finančně nejnáročnější úpravy vzduchu.

LITERATURA

1. RUBINA, Aleš a Olga RUBINOVÁ. BT02-Vzduchotechnika [online]. 2016 [cit. 2017-10-30].
   Dostupné z: http://lms.fce.vutbr.cz/enrol/index.php?id=171
2. Fotodokumentace – archiv autorů
3. Flair, a.s. [online]. 2017 [cit. 2017-10-30].
   Dostupné z: http://www.flair.cz/zvlhcovace