Одним из видов оборудования, используемого для охлаждения воды, является сухая градирня, в которой охлаждение воды происходит за счёт обдувания системы теплообменников воздухом. Если температура окружающего воздуха не позволяет достичь требуемой температуры воды на выходе из градирни, то для снижения температуры воздуха применяют систему адиабатического охлаждения - в поток воздуха распыляются мелкие капли воды, испарение которых приводит к снижению температуры воздуха.
Адиабатическое охлаждение воздуха достигается за счёт использования тепловой энергии воздуха для испарения воды, при котором явная теплота воздуха переходит в скрытую теплоту парообразования водяного пара. Так как тепловая энергия, переданная от воздуха к воде и затраченная на её испарение, снова возвращается в воздух в виде скрытой теплоты парообразования, энтальпия влажного воздуха в этом процессе остаётся неизменной. При этом количество влажного воздуха увеличивается за счёт поступающего в него водяного пара. Таким образом удельная энтальпия влажного воздуха уменьшается, неизменной остаётся энтальпия отнесённая на килограмм сухого воздуха.
Предельной температурой, до которой можно охладить воздух в процессе адиабатического охлаждения, является температура мокрого термометра.
Так как массовый расход распыляемой воды составляет менее 1% от массового расхода воздуха, то при построении приведённых выше графиков влияние температуры воды не учитывалось. Принималось, что между водой и воздухом существует только одно взаимодействие - от воздуха к воде передаётся теплота, которая тратится исключительно на преобразование воды в пар.
Но всё же для полноты картины рассмотрим каким образом температура воды влияет на процесс адиабатического охлаждения воздуха.
Испарение воды происходит при температуре кипения (насыщения водяного пара), соответствующей парциальному давлению пара во влажном воздухе.
Если температура воды ниже температуры кипения (насыщения водяного пара), соответствующей парциальному давлению пара во влажном воздухе, то сначала теплота от воздуха полностью идёт на нагрев воды до температуры кипения. Потом начнётся следующий циклический процесс:
Испарение воды и нагрев образовавшегося водяного пара до температуры воздуха за счёт теплоты воздуха -> увеличение влагосодержания воздуха -> увеличение парциального давления пара в воздухе -> увеличение температуры кипения -> нагрев воды до температуры кипения за счёт теплоты воздуха -> в начало процесса.
Чем ниже температура воды, тем в большей степени воздух охладится до начала процесса адиабатического охлаждения. При снижении температуры воздуха с постоянным влагосодержанием температура мокрого термометра уменьшается (см. [2]), а значит, можно достичь более низкой температуры воздуха за счёт его адиабатического охлаждения.
Если температура воды выше температуры кипения (насыщения водяного пара), то вода начнёт испаряться за счёт собственной тепловой энергии. Влагосодержание воздуха, парциальное давление пара и температура кипения будут увеличиваться при неизменной температуре воздуха, температура воды будет уменьшаться. Данный процесс будет идти до тех пор пока температура воды не сравняется с температурой насыщения водяного пара в воздухе. После этого запустится описанный выше циклический процесс.
В [1] показано, что негативное влияние высокой температуры воды на процесс адиабатического охлаждения воздуха незначительно.
Так, при температуре воздуха 40 С и относительной влажности 20% при распылении воды температурой 40 C за счёт теплоты воды испарится (не охлаждая воздух) менее 4,4% распылённой воды, что приведёт к увеличению температуры мокрого термометра на величину около 1%.
Рассмотрим каким образом изменяется температура воздуха и температура распылённой воды в процессе испарения воды в объёме воздуха.
Начальные условия: температура воздуха 40 С, относительная влажность 20%, температура распыляемой воды 12,8 С (температура кипения воды при парциальном давлении пара во влажном воздухе 1477 Па).
Определим возможные варианты охлаждения воздуха температурой 30 С и относительной влажности 40%, находящегося в замкнутом объёме (комната).
Для того чтобы определить сколько воды необходимо распылить в комнате для снижения температуры воздуха в ней до требуемой величины следует:
- Найти объём комнаты V, м3;
- Найти массу сухого воздуха в комнате M=V⋅М_св (масса сухого воздуха в 1 м3 влажного воздуха температурой 30 С и относительной влажности 40% составляет М_св = 1.146 кг/м3), кг;
- Необходимое количество распыляемой воды составит Δd⋅M, г.
Расчёты производились с использованием функций из модуля wetairprops версии 2 (скачать).
Более подробно см. здесь.
Ссылки
1. Полная версия статьи "Адиабатическое охлаждения воздуха" в Jupyter Notebook.
2. Модуль для расчёта свойств влажного воздуха
3. Навык Алисы "Свойства влажного воздуха"
