Procesy vlhkého vzduchu v h-x diagramu: ohřev, chlazení, zvlhčování a sušení

H-x diagram zobrazuje každý stav vlhkého vzduchu jako bod a každý termodynamický proces jako čáru. Existují čtyři základní procesy, které tvoří stavební kameny každého vzduchotechnického systému - ohřev, chlazení, zvlhčování a sušení. Každý vypadá v diagramu jinak, mění jiné veličiny a má jiné energetické nároky. Jejich kombinace popisuje i ta nejsložitější klimatizační schémata.

Ohřev: nejjednodušší proces v diagramu

Ohřev ohřívačem (elektrická spirála, teplovodní / parní výměník) je v h-x diagramu svislá čára nahoru. Teplota roste, entalpie roste, ale měrná vlhkost $x$ zůstává konstantní - k vzduchu nepřidáváme ani neodebíráme vodu. Výsledkem je pokles relativní vlhkosti, protože maximální kapacita vzduchu pro páru s teplotou roste a vzduch se od křivky nasycení vzdaluje. Volba typu ohřevu se odvíjí od dostupných zdrojů.

Výkon ohřívače:

$$\Phi = \dot{m} \cdot c_{pa} \cdot \Delta t \quad \text{[kW]}$$

kde $\dot{m}$ je hmotnostní průtok [kg/s], $c_{pa} = 1{,}006\ \text{kJ/(kg·K)}$ a $\Delta t$ je teplotní rozdíl [K]. Přesněji výkon odpovídá entalpickému rozdílu $\Phi = \dot{m} \cdot \Delta h$.

Typické aplikace: předehřev přiváděného venkovního vzduchu v zimě, dohřev za chladičem v létě.

Chlazení: záleží na tom, kde začnete

Chlazení není prostý opak ohřevu - výsledek závisí na tom, zda teplota klesá nad rosným bodem, nebo pod ním.

Chlazení nad rosným bodem (citelné chlazení)

Pokud teplota neklesne pod rosný bod, jde o citelné (senzibilní) chlazení. V diagramu svislá čára dolů - teplota klesá, $x$ konstantní, relativní vlhkost roste (přibližujeme se křivce nasycení). Žádná kondenzace, žádný odvod vlhkosti.

Chlazení pod rosným bodem (chlazení s odvlhčením)

Jakmile teplota dosáhne rosného bodu, začíná kondenzace. Vzduch se dále ochlazuje podél křivky nasycení ($\varphi = 100\ \%$) - klesá teplota i měrná vlhkost $x$. Kondenzát stéká z chladiče jako voda. Přesně tak funguje standardní klimatizace v létě.

Výkon chladiče zahrnuje citelnou i latentní složku, a proto je správnou veličinou entalpie, nikoli teplota:

$$\Phi = \dot{m} \cdot (h_1 - h_2) \quad \text{[kW]}$$

Zvlhčování: dvě cesty ke stejnému výsledku

Izotermické zvlhčování (parní zvlhčovač)

Přívod vodní páry při konstantní teplotě: v diagramu vodorovná čára doprava - $x$ roste, teplota zůstává přibližně konstantní, entalpie roste. Elektrické nebo plynové parní zvlhčovače jsou energeticky náročnější, ale přesně kontrolovatelné. Vhodné pro provozy s vyššími požadavky na čistotu, hygienu a přesnost.

Adiabatické zvlhčování (vodní zvlhčovače)

Odpařování kapalné vody do vzduchu bez vnějšího příkonu tepla: vzduch se pohybuje podél čáry konstantní entalpie (šikmo doprava a dolů) - teplota klesá, vlhkost roste, entalpie zůstává téměř konstantní. Tak funguje evaporativní chlazení i ultrazvukový rozprašovač. Energie na odpar pochází z tepla vzduchu samotného, takže adiabatické zvlhčování nevyžaduje přídavnou energii - na rozdíl od izotermického. Srovnání metod v článku Typy zvlhčování vzduchu. Uplatňuje se nejčastěji v průmyslu, kde to dovolují okrajové podmínky (produktu ani prostředí nevadí vyšší relativní vlhkost přiváděného vzduchu).

Sušení: odebrání vlhkosti vzduchu

Kondenzační sušení (chlazením pod rosný bod)

Nejrozšířenější metoda: vzduch se ochladí pod rosný bod, vlhkost zkondenzuje a odteče, načež se vzduch obvykle dohřeje na požadovanou teplotu. Výsledkem je vzduch s požadovanou teplotou, ale nižší měrnou (a tedy i relativní) vlhkostí. Nejčastěji používáno pro aplikace s nižší náročností na výkon odvlhčení.

Adsorpční sušení (sorbentem)

Vzduch prochází přes sorpční materiál (silikagel, zeolity), který na sebe váže vodní páru. V h-x diagramu jde vzduch šikmo doleva a nahoru, vlhkost klesá, ale teplota roste (sorpce uvolňuje teplo). Umožňuje dosáhnout velmi nízkých rosných bodů (i pod −40 °C), které kondenzační sušení ekonomicky nezvládne. Podrobně v článku Adsorpční odvlhčování. Uplatní se pro potravinářské provozy, farmacii, specializované procesy výroby nebo skladování.

Mísení vzduchů: kombinovaný proces

V praxi se téměř vždy míchají dva proudy, například čerstvý venkovní vzduch s recirkulovaným vnitřním. Výsledný stav směsi leží na přímce spojující oba vstupní stavy, v poloze dané hmotnostním poměrem proudů. Mísení ⅓ venkovního a ⅔ vnitřního vzduchu umístí výsledný bod do vzdálenosti 1/3 od vnitřního stavu směrem k venkovnímu.

Kombinované procesy: reálné klimatizační schéma

Letní klimatizace kanceláře vypadá v h-x diagramu přibližně takto:

1. Směšování - venkovní vzduch (32 °C / 50 % RH) se mísí s recirkulovaným (26 °C / 55 % RH).
2. Chlazení s odvlhčením - směs se ochladí pod rosný bod, například na 12–14 °C / 95 % RH.
3. Ohřev - vzduch se dohřeje na přiváděcí teplotu (16–18 °C), aby nevytvářel průvan.
4. Přívod do místnosti - vzduch postupně absorbuje tepelnou a vlhkostní zátěž a mění stav zpět k projektovaným podmínkám.

Celý cyklus tvoří sled čar propojujících stavové body. Podrobněji postup návrhu rozebírá článek Návrh klimatizace v h-x diagramu.

Časté dotazy

Proč při ohřevu klesá relativní vlhkost, když se nepřidává voda? Ohřev zvyšuje kapacitu vzduchu pro vodní páru. Obsah vody (měrná vlhkost) zůstává stejný, ale poměr k vyšší kapacitě - relativní vlhkost - klesá.

Jaký je rozdíl mezi izotermickým a adiabatickým zvlhčováním? Izotermické (parní) přidává páru při konstantní teplotě a spotřebuje energii na výrobu páry. Adiabatické (vodní) odpařuje kapalnou vodu podél čáry konstantní entalpie - vzduch se přitom ochlazuje a energii na odpar bere z vlastního tepla.