Procesy vlhkého vzduchu v h-x diagrame: ohrev, chladenie, zvlhčovanie a sušenie

H-x diagram zobrazuje každý stav vlhkého vzduchu ako bod a každý termodynamický proces ako čiaru. Existujú štyri základné procesy, ktoré tvoria stavebné kamene každého vzduchotechnického systému – ohrev, chladenie, zvlhčovanie a sušenie. Každý vyzerá v diagrame inak, mení iné veličiny a má iné energetické nároky. Ich kombinácia opisuje aj tie najzložitejšie klimatizačné schémy.

Ohrev: najjednoduchší proces v diagrame

Ohrev ohrievačom (elektrická špirála, teplovodný alebo parný výmenník) je v h-x diagrame zvislá čiara nahor. Teplota rastie, entalpia rastie, ale merná vlhkosť $x$ zostáva konštantná – k vzduchu nepridávame ani neodoberáme vodu. Výsledkom je pokles relatívnej vlhkosti, pretože maximálna kapacita vzduchu pre paru s teplotou rastie a vzduch sa od krivky nasýtenia vzďaľuje. Voľba typu ohrevu sa odvíja od dostupných zdrojov.

Výkon ohrievača:

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

kde $\dot{m}$ je hmotnostný prietok [kg/s], $c_{pa} = 1{,}006\ \text{kJ/(kg·K)}$ a $\Delta t$ je teplotný rozdiel [K]. Presnejšie výkon zodpovedá entalpickému rozdielu $\Phi = \dot{m} \cdot \Delta h$.

Typické aplikácie: predohrev privádzaného vonkajšieho vzduchu v zime, dohrev za chladičom v lete.

Chladenie: záleží na tom, kde začnete

Chladenie nie je púhy opak ohrevu – výsledok závisí od toho, či teplota klesá nad rosným bodom, alebo pod ním.

Chladenie nad rosným bodom (citeľné chladenie)

Ak teplota neklesne pod rosný bod, ide o citeľné (senzibilné) chladenie. V diagrame zvislá čiara dole, teplota klesá, $x$ konštantné, relatívna vlhkosť rastie (približujeme sa krivke nasýtenia). Žiadna kondenzácia, žiadny odvod vlhkosti.

Chladenie pod rosným bodom (chladenie s odvlhčením)

Akonáhle teplota dosiahne rosný bod, začína kondenzácia. Vzduch sa ďalej ochladzuje pozdĺž krivky nasýtenia ($\varphi = 100\ \%$) – klesá teplota aj merná vlhkosť $x$. Kondenzát steká z chladiča ako voda. Presne tak funguje štandardná klimatizácia v lete.

Výkon chladiča zahŕňa citeľnú aj latentnú zložku, a preto je správnou veličinou entalpia, nie teplota:

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

Zvlhčovanie: dve cesty k rovnakému výsledku

Izotermické zvlhčovanie (parný zvlhčovač)

Prívod vodnej pary pri konštantnej teplote: v diagrame vodorovná čiara doprava, $x$ rastie, teplota zostáva približne konštantná, entalpia rastie. Elektrické alebo plynové parné zvlhčovače sú energeticky náročnejšie, ale presne kontrolovateľné. Vhodné pre prevádzky s vyššími požiadavkami na čistotu, hygienu a presnosť.

Adiabatické zvlhčovanie (vodné zvlhčovače)

Odparovanie kvapalnej vody do vzduchu bez vonkajšieho príkonu tepla: vzduch sa pohybuje pozdĺž čiary konštantnej entalpie (šikmo doprava a dole), teplota klesá, vlhkosť rastie, entalpia zostáva takmer konštantná. Tak funguje evaporatívne chladenie aj ultrazvukový rozprašovač. Energia na odpar pochádza z tepla samotného vzduchu, takže adiabatické zvlhčovanie nevyžaduje prídavnú energiu – na rozdiel od izotermického. Porovnanie metód v článku Typy zvlhčovania vzduchu. Uplatňuje sa najčastejšie v priemysle, kde to okrajové podmienky dovoľujú: keď produktu ani prostrediu neprekáža vyššia relatívna vlhkosť privádzaného vzduchu.

Sušenie: odobranie vlhkosti vzduchu

Kondenzačné sušenie (chladením pod rosný bod)

Najrozšírenejšia metóda: vzduch sa ochladí pod rosný bod, vlhkosť skondenzuje a odtečie, načo sa vzduch obvykle dohreje na požadovanú teplotu. Výsledkom je vzduch s požadovanou teplotou, ale nižšou mernou (a teda aj relatívnou) vlhkosťou. Používa sa najmä tam, kde sú nároky na výkon odvlhčenia nižšie.

Adsorpčné sušenie (sorbentom)

Vzduch prechádza cez sorpčný materiál (silikagél, zeolity), ktorý na seba viaže vodnú paru. V h-x diagrame ide vzduch šikmo doľava a nahor, vlhkosť klesá, ale teplota rastie (sorpcia uvoľňuje teplo). Umožňuje dosiahnuť veľmi nízke rosné body (aj pod −40 °C), ktoré kondenzačné sušenie ekonomicky nezvládne. Podrobne v článku Adsorpčné odvlhčovanie. Uplatní sa v potravinárskych prevádzkach, farmácii a v špecializovaných výrobných či skladovacích procesoch.

Zmiešavanie vzduchov: kombinovaný proces

V praxi sa takmer vždy miešajú dva prúdy, napríklad čerstvý vonkajší vzduch s recirkulovaným vnútorným. Výsledný stav zmesi leží na priamke spájajúcej oba vstupné stavy, v polohe danej hmotnostným pomerom prúdov. Zmiešanie ⅓ vonkajšieho a ⅔ vnútorného vzduchu umiestni výsledný bod do vzdialenosti 1/3 od vnútorného stavu smerom k vonkajšiemu.

Kombinované procesy: reálne klimatizačné schéma

Letná klimatizácia kancelárie vyzerá v h-x diagrame približne takto:

1. Zmiešavanie – vonkajší vzduch (32 °C / 50 % RH) sa mieša s recirkulovaným (26 °C / 55 % RH).
2. Chladenie s odvlhčením – zmes sa ochladí pod rosný bod, napríklad na 12–14 °C / 95 % RH.
3. Ohrev – vzduch sa dohreje na prívodnú teplotu (16–18 °C), aby nevytváral prievan.
4. Prívod do miestnosti – vzduch postupne absorbuje tepelnú a vlhkostnú záťaž a mení stav späť k projektovaným podmienkam.

Celý cyklus tvorí sled čiar prepájajúcich stavové body. Podrobnejšie postup návrhu rozoberá článok Návrh klimatizácie v h-x diagrame.

Časté otázky

Prečo pri ohreve klesá relatívna vlhkosť, keď sa nepridáva voda? Ohrev zvyšuje kapacitu vzduchu pre vodnú paru. Obsah vody (merná vlhkosť) zostáva rovnaký, ale pomer k vyššej kapacite – relatívna vlhkosť – klesá.

Aký je rozdiel medzi izotermickým a adiabatickým zvlhčovaním? Izotermické (parné) pridáva paru pri konštantnej teplote a spotrebuje energiu na výrobu pary. Adiabatické (vodné) odparuje kvapalnú vodu pozdĺž čiary konštantnej entalpie – vzduch sa pritom ochladzuje a energiu na odpar berie z vlastného tepla.