Autor: tehnički odjel Mycond.
Adsorpcijsko odvlaživanje zraka igra ključnu ulogu u osiguravanju kontrolirane mikroklime u industrijskim, farmaceutskim i laboratorijskim prostorima. Međutim, sustav koji uklanja vlagu iz zraka metodom adsorpcije istovremeno stvara dodatno toplinsko opterećenje na sustav klimatizacije, koje se često podcjenjuje ili uopće ignorira pri projektiranju. Ovaj inženjerski članak razotkriva metodologiju točnog proračuna toplinskog opterećenja i njegovu kompenzaciju, što je osobito aktualno za objekte u klimatskim uvjetima Hrvatske.
Zašto je važno proračunati toplinsko opterećenje od desikantnog odvlaživača
Temeljna razlika između kondenzacijskih i desikantnih odvlaživača leži u načelno različitim fizikalnim metodama uklanjanja vlage. Kondenzacijski odvlaživači koriste hlađenje zraka ispod točke rosišta za kondenzaciju vlage, što je praćeno neznatnim promjenama temperature. Nasuprot tome, desikantni odvlaživači rade na principu adsorpcije, kada se molekule vode vežu na poroznu strukturu adsorbensa bez hlađenja zraka, dapače – uz značajno zagrijavanje.
Tipična projektantska pogreška nastaje kada inženjeri ekstrapoliraju iskustvo rada s kondenzacijskim sustavima na desikantne odvlaživače. Povećanje temperature u desikantnim sustavima može iznositi od 10 do 20 stupnjeva Celzija, ovisno o količini uklonjene vlage, tipu adsorbensa i parametrima regeneracije. Zanemarivanje ovog faktora dovodi do ozbiljnih posljedica: pregrijavanja prostora, nedostatne snage sustava hlađenja i, kao rezultat, značajnog povećanja potrošnje energije cijelog sustava ventilacije i klimatizacije.
Fizička osnova: pretvorba latentne topline u sensible heat
Za razumijevanje toplinskog opterećenja od desikantnog odvlaživača potrebno je jasno razlikovati dvije vrste toplinske energije. Latentna (skrivena) toplina – to je energija sadržana u vodenoj pari koja ne mijenja temperaturu zraka. Troši se pri isparavanju vode i oslobađa pri njezinoj kondenzaciji. Sensible (osjetna) toplina – to je energija koja izravno mijenja temperaturu zraka bez promjene njegovog sadržaja vlage.
Proces adsorpcije u desikantnom odvlaživaču odvija se kada se molekule vode vežu na poroznu strukturu adsorbensa (silikagel, zeoliti, molekularna sita). Tijekom ovog procesa latentna toplina sadržana u vodenoj pari pretvara se u osjetnu toplinu i oslobađa u zrak. Toplina adsorpcije na silikagelu iznosi 2400–2600 kJ/kg, što se objašnjava energijom međumolekulskih veza pri prijelazu vode iz plinovitog u adsorbirano stanje. Ova veličina je bliska toplini kondenzacije (približno 2500 kJ/kg) zbog sličnosti fizikalnih procesa – u oba slučaja dolazi do promjene stanja molekula vode.
Na psihrometrijskom Mollierovom dijagramu proces adsorpcijskog odvlaživanja prikazuje se linijom usmjerenom desno-nadolje: sadržaj vlage se smanjuje, a temperatura suhog termometra raste. To se načelno razlikuje od procesa kondenzacijskog odvlaživanja, gdje je linija usmjerena lijevo-nadolje (smanjuju se i sadržaj vlage i temperatura).
Izvori toplinskog opterećenja u desikantnom odvlaživaču
Analiza toplinskog opterećenja od desikantnog odvlaživača zahtijeva uzimanje u obzir četiri osnovna izvora topline.
Prvi i najvažniji – toplina adsorpcije, koja se oslobađa izravno u procesni tok zraka pri adsorpciji vodene pare. Ona čini glavninu toplinskog opterećenja, ali konkretan doprinos ovisi o konstrukciji opreme, omjeru veličina sektora adsorpcije i regeneracije, kao i kvaliteti toplinske izolacije između njih.
Drugi izvor – prijenos topline iz sektora regeneracije, gdje se adsorbens zagrijava radi obnove njegovih adsorpcijskih svojstava. Temperatura regeneracije ovisi o tipu desikanta: za silikagel je potrebna niža temperatura zbog manje energije desorpcije, za molekularna sita viša, što se objašnjava jačim vezama vode u kristalnoj strukturi tih materijala. Čak i uz prisutnost ispuhnih zona, dio topline iz sektora regeneracije neizbježno se prenosi u procesni tok preko rotora odvlaživača.
Treći izvor je mehanička toplina od rada pogona rotacije rotora i ventilatora, gdje se električna energija djelomično pretvara u toplinsku energiju.
Četvrti izvor – toplinski gubici kroz kućište odvlaživača pri nedostatnoj toplinskoj izolaciji između sektora regeneracije i adsorpcije.
Iako je toplina adsorpcije dominantan izvor, ukupno toplinsko opterećenje određuje se skupom svih čimbenika i mora se uzeti u obzir pri projektiranju sustava hlađenja.
Metodologija proračuna putem masene bilance vlage
Za preliminarnu procjenu toplinskog opterećenja od desikantnog odvlaživača može se koristiti metoda masene bilance vlage, koja se provodi u šest uzastopnih koraka.
Korak 1: Određivanje parametara zraka na ulazu i izlazu iz odvlaživača (temperatura, sadržaj vlage). Ovi podaci mogu se dobiti iz psihrometrijskog dijagrama ili proračunskih tablica u skladu sa zahtjevima normi ISO 7726 i ASHRAE 55, koje reguliraju parametre mikroklime prostora.
Korak 2: Proračun masenog protoka suhog zraka. Ako je zadani volumni protok, maseni protok se određuje preko gustoće zraka, koja ovisi o temperaturi i tlaku u skladu s jednadžbom stanja idealnog plina.
Korak 3: Određivanje količine uklonjene vlage. Masa uklonjene vlage određuje se kao umnožak masenog protoka suhog zraka i razlike sadržaja vlage na ulazu i izlazu iz odvlaživača.
Korak 4: Proračun topline adsorpcije. Toplina adsorpcije određuje se množenjem mase uklonjene vlage sa specifičnom toplinom adsorpcije, koja ovisi o tipu adsorbensa. Za silikagel je ta veličina bliska toplini kondenzacije vode zbog sličnosti fizikalnih procesa, za molekularna sita viša zbog jačih veza u kristalnoj strukturi.
Korak 5: Određivanje porasta temperature. Porast temperature određuje se omjerom topline adsorpcije i umnoška masenog protoka zraka i specifičnog toplinskog kapaciteta zraka.
Korak 6: Određivanje stvarne temperature na izlazu uzimajući u obzir sve izvore topline. Dodatne komponente od regeneracije, mehaničke topline i toplinskih gubitaka procjenjuju se na temelju konstrukcijskih značajki opreme ili ih pruža proizvođač.
Važno je razumjeti da je ova metodologija pojednostavljena i namijenjena preliminarnim procjenama. Točan proračun zahtijeva detaljne podatke proizvođača opreme ili računalno modeliranje procesa.
Metodologija proračuna putem promjene entalpije zraka
Proračun toplinskog opterećenja putem promjene entalpije zraka precizniji je pristup, jer automatski uzima u obzir promjenu i temperature i sadržaja vlage u jedinom parametru. Entalpija vlažnog zraka – to je zbroj entalpija suhog zraka i vodene pare sadržane u njemu.
Entalpija na izlazu iz odvlaživača uključuje entalpiju ulaznog zraka plus toplinu adsorpcije koja se oslobodila pri uklanjanju vlage. Toplinsko opterećenje na sustav hlađenja određuje se kao umnožak masenog protoka zraka i razlike između entalpije nakon odvlaživača i ciljane entalpije potrebne za dobavu u prostor.
Za ilustraciju: pri obradi 1000 m³/h zraka s ulaznim parametrima 25°C i relativnom vlagom 60% (što odgovara sadržaju vlage približno 11,9 g/kg i entalpiji 55,7 kJ/kg) desikantni odvlaživač može smanjiti sadržaj vlage na 5,5 g/kg. Pri tome se uklanja oko 6,4 g vlage iz svakog kilograma zraka. Uzimajući u obzir toplinu adsorpcije oko 2500 kJ/kg vode, entalpija nakon odvlaživača može porasti na 71,7 kJ/kg. Ako je ciljana entalpija za dobavu u prostor 45 kJ/kg, toplinsko opterećenje za hlađenje iznosit će umnožak masenog protoka zraka (približno 1200 kg/h) i razlike entalpija (71,7 - 45 = 26,7 kJ/kg), što daje oko 32 kW.
Valja naglasiti da su navedene brojke samo ilustrativne i u stvarnom projektu se određuju na temelju stvarnih uvjeta eksploatacije, parametara prostora i karakteristika opreme. One se ne mogu izravno prenijeti na druge objekte bez preračuna.
Utjecaj konstrukcijskih i eksploatacijskih parametara
Toplinsko opterećenje od desikantnog odvlaživača uvelike ovisi o šest ključnih čimbenika povezanih s njegovom konstrukcijom i režimom eksploatacije.
Faktor 1: Omjer površine sektora adsorpcije i regeneracije. Veća površina sektora regeneracije povećava prijenos topline u procesni tok, ali istovremeno poboljšava obnovu adsorbensa. Optimalan omjer određuje se individualno za svaku primjenu.
Faktor 2: Temperatura regeneracijskog zraka. Viša temperatura ubrzava desorpciju vlage iz adsorbensa, ali povećava prijenos topline u procesni tok. Silikagel zahtijeva niže temperature regeneracije (80–120°C) zbog niže energije desorpcije, dok molekularna sita zahtijevaju više temperature (150–200°C) zbog jačih veza vode u njihovoj kristalnoj strukturi.
Faktor 3: Brzina okretanja rotora. Ovaj parametar utječe na vrijeme kontakta adsorbensa sa zrakom, učinkovitost adsorpcije i količinu topline koja se prenosi između sektora regeneracije i adsorpcije.
Faktor 4: Stupanj zasićenja adsorbensa. Zasićeniji adsorbens manje je učinkovit u uklanjanju vlage, ali se i manje zagrijava zbog usporavanja procesa adsorpcije.
Faktor 5: Tip desikanta. Različiti adsorbensi imaju različitu toplinu adsorpcije: silikagel – oko 2500 kJ/kg zbog energije površinskih veza, zeoliti – do 3000–4000 kJ/kg zbog snažnije ionske interakcije u njihovoj strukturi.
Faktor 6: Prisutnost sektora hlađenja. Uvođenje dodatnih sektora hlađenja može smanjiti temperaturu zraka nakon adsorpcije, ali komplicira konstrukciju i povećava gabarite opreme.
Svi su ovi parametri međusobno povezani i njihov se utjecaj na toplinsko opterećenje ne može izraziti jednostavnim koeficijentima. Za točno određivanje potrebne su detaljne karakteristike proizvođača opreme ili specijalizirano modeliranje procesa u skladu sa zahtjevima norme EN 13053, koja propisuje metode ispitivanja i karakteristike ventilacijskih jedinica.
Integracija odvlaživača u sustav ventilacije i klimatizacije
Odabir optimalnog mjesta ugradnje odvlaživača u sustavu ventilacije i klimatizacije ima kritičnu važnost za učinkovitu kompenzaciju toplinskog opterećenja.
AKO se odvlaživač postavlja iza hladnjaka, ONDA je zrak već djelomično odvlažen kondenzacijom na izmjenjivaču topline, što smanjuje opterećenje na adsorbens. Međutim, temperatura nakon odvlaživanja bit će viša, što zahtijeva dodatnu fazu hlađenja. Toplinsko opterećenje za ovu konfiguraciju definira se kao umnožak masenog protoka zraka i razlike između entalpije nakon odvlaživača i ciljane entalpije za dobavu u prostor. Prednosti: smanjenje opterećenja odvlaživača, manja potrošnja adsorbensa, dulji period između ciklusa regeneracije. Nedostaci: složenija shema, potreba za dodatnom opremom, veći gabariti sustava.
AKO se odvlaživač postavlja ispred hladnjaka, ONDA radi s toplim vlažnim zrakom, a sav porast temperature kompenzira se naknadnim hladnjakom. Snaga hladnjaka mora biti znatno veća kako bi se kompenzirala i toplinska i vlažnosna opterećenja. Toplinsko opterećenje određuje se kao zbroj snage potrebne za hlađenje zraka od početne do ciljane temperature i snage potrebne za uklanjanje vlage. Prednosti: jednostavna shema, sav porast kompenzira jedan hladnjak. Nedostaci: veća snaga hlađenja, veće opterećenje adsorbensa, što skraćuje njegov resurs.
Odabir optimalne konfiguracije ovisi o ciljnim parametrima mikroklime, zahtjevima za energetsku učinkovitost, dostupnom proračunu i prostoru za smještaj opreme. Odluka se donosi na temelju tehničko-ekonomske usporedbe varijanti za konkretan projekt, a ne na temelju univerzalnih pravila.
Tipične inženjerske pogreške i zablude
Pri projektiranju sustava s desikantnim odvlaživačima inženjeri često čine pogreške koje dovode do podcjenjivanja toplinskog opterećenja i neučinkovitog rada sustava.
Pogreška 1: Pretpostavka o izoentalpijskom procesu. Neki inženjeri pogrešno smatraju da proces adsorpcijskog odvlaživanja ne mijenja entalpiju zraka, kao što se događa pri drosseliranju. To dovodi do podcjenjivanja toplinskog opterećenja za 20–50%, ovisno o količini uklonjene vlage. Ispravan pristup: uzimati u obzir pretvorbu latentne topline u osjetnu, kako je opisano u odjeljku o fizičkim osnovama procesa.
Pogreška 2: Korištenje empirijskih formula za kondenzacijske odvlaživače. Kondenzacijski odvlaživači podižu temperaturu zraka za 2–3°C zbog topline od kompresora, dok desikantni – za 10–20°C zbog oslobađanja topline adsorpcije. Ova razlika objašnjava se različitim fizikalnim procesima: u kondenzacijskim odvlaživačima odvija se samo prijenos topline s isparivača na kondenzator, a u desikantnim – pretvorba latentne topline u osjetnu. Ispravan pristup: koristiti specijalizirane metodologije proračuna za desikantne sustave.
Pogreška 3: Zanemarivanje utjecaja regeneracijskog zraka. Zanemarivanje prijenosa topline iz sektora regeneracije može dovesti do podcjenjivanja toplinskog opterećenja za 5–15%, ovisno o temperaturi regeneracije i konstrukciji rotora. Ispravan pristup: uzimati u obzir sve izvore topline, uključujući regeneraciju, kako je opisano u odjeljku o izvorima toplinskog opterećenja.
Pogreška 4: Neispravna procjena parametara nakon odvlaživača. Korištenje kataloških podataka bez usklađivanja s realnim radnim uvjetima može dovesti do značajnih odstupanja u proračunima. Ispravan pristup: koristiti podatke proizvođača za konkretne uvjete eksploatacije ili proračunavati parametre prema metodologijama opisanim u odjeljcima 4 i 5.
Pogreška 5: Izostanak kompenzacije u toplinskoj bilanci. Zanemarivanje dodatnog toplinskog opterećenja od odvlaživača pri proračunu sustava hlađenja može dovesti do deficita rashladnog kapaciteta od 15–30% ukupnog opterećenja, ovisno o omjeru osjetne i latentne topline u prostoru. Ispravan pristup: uvrstiti toplinsko opterećenje od odvlaživača u ukupnu toplinsku bilancu sustava.
Pogreška 6: Korištenje kataloških podataka bez pojašnjenja uvjeta ispitivanja. Karakteristike odvlaživača u pravilu se daju za standardne uvjete, koji se mogu znatno razlikovati od stvarnih uvjeta eksploatacije. Ispravan pristup: tražiti od proizvođača podatke za konkretne radne uvjete ili koristiti metodologije preračuna koje uzimaju u obzir utjecaj temperature i vlage na učinkovitost odvlaživanja.
Granice primjene metodologije i posebni slučajevi
Predstavljena metodologija proračuna toplinskog opterećenja ima određena ograničenja koja je potrebno uzeti u obzir pri projektiranju.
Skupina 1: Temperaturne granice. Pri niskim temperaturama (ispod 5–10°C) difuzija molekula vode usporava, što smanjuje učinkovitost adsorpcije. Pri visokim temperaturama (iznad 40–50°C) adsorpcijski kapacitet desikanta se smanjuje zbog termodinamičkih zakonitosti – povećanje temperature povećava energiju molekula vode, što smanjuje njihovu sposobnost zadržavanja na površini adsorbensa. Konkretne granične temperature ovise o tipu adsorbensa: silikagel je osjetljiviji na visoke temperature, dok molekularna sita bolje rade u širokom rasponu temperatura.
Skupina 2: Granične vlažnosti. Pri vrlo niskoj relativnoj vlažnosti (manje od 20%) učinkovitost adsorpcije se smanjuje zbog male koncentracije molekula vode u zraku. Pri ekstremno visokoj vlažnosti (više od 90%) moguća je kondenzacija vlage u porama adsorbensa, što mijenja fiziku procesa.
Skupina 3: Sustavi s djelomičnom regeneracijom. U sustavima gdje se ne osigurava potpuna regeneracija adsorbensa, nakupljanje zaostale vlage mijenja energetski balans, što se ne uzima u obzir standardnom metodologijom.
Skupina 4: Sustavi s integriranim hlađenjem. Neke konstrukcije odvlaživača imaju ugrađene izmjenjivače topline za hlađenje zraka nakon adsorpcije. Unutarnji toplinski tokovi u takvim sustavima ne uzimaju se u obzir standardnom metodologijom.
Skupina 5: Tekući desikantni sustavi. Metodologija nije prikladna za tekuće odvlaživače, gdje voda apsorbira tekuća otopina (na primjer, klorida litija ili bromida litija), što ima načelno drugačiju fiziku procesa.
U svim tim slučajevima preporučuje se provesti specijaliziranu analizu, koristiti računalno modeliranje ili se konzultirati s proizvođačima opreme za točno određivanje toplinskog opterećenja.
FAQ (Često postavljana pitanja)
Pitanje 1: Za koliko stupnjeva raste temperatura nakon odvlaživača?
Odgovor: Porast temperature ovisi o količini uklonjene vlage, tipu adsorbensa i režimu regeneracije. Približno se može procijeniti formulom: porast temperature (u stupnjevima Celzija) = količina uklonjene vlage (g/kg) × toplina adsorpcije (kJ/kg) / (specifični toplinski kapacitet zraka (kJ/(kg·K))). Za tipične uvjete porast iznosi 10–20°C, ali se ta vrijednost znatno mijenja ovisno o konkretnim uvjetima eksploatacije i ne može se koristiti kao univerzalna za sve projekte.
Pitanje 2: Može li se jednostavno povećati snaga klimatizacijskog uređaja za kompenzaciju toplinskog opterećenja?
Odgovor: Da, to je nužna mjera, ali ima posljedice. Povećanje snage dovodi do rasta kapitalnih troškova opreme i operativnih troškova električne energije. Alternativni pristupi mogu biti: korištenje izmjenjivača topline za prethodno hlađenje zraka prije odvlaživača, odabir odvlaživača sa sektorima hlađenja, optimizacija parametara regeneracije, korištenje rekuperatora topline.
Pitanje 3: Kako minimizirati toplinsko opterećenje od desikantnog odvlaživača?
Odgovor: Postoji nekoliko pristupa: odabir adsorbensa s manjom toplinom adsorpcije, korištenje ispuhnih zona za smanjenje prijenosa topline između sektora, optimizacija temperature regeneracije, ugradnja izmjenjivača topline za prethodno hlađenje, korištenje višestupanjske sheme s među-hlađenjem. Učinkovitost svake mjere ovisi o konkretnim uvjetima eksploatacije i karakteristikama opreme.
Pitanje 4: Razlikuje li se proračun za silikagel i molekularna sita?
Odgovor: Da, metodologija proračuna je ista, ali su brojčane vrijednosti različite. Toplina adsorpcije za silikagel (2400–2600 kJ/kg) niža je nego za molekularna sita (3000–4000 kJ/kg) zbog različite energije veza: u silikagelu prevladavaju relativno slabe vodikove veze i Van der Waalsove sile, a u molekularnim sitima – snažnije ionske interakcije u pravilnoj kristalnoj strukturi.
Pitanje 5: Što je bolje: odvlaživač prije ili poslije hladnjaka?
Odgovor: Ne postoji univerzalan odgovor. Postavljanje odvlaživača iza hladnjaka smanjuje opterećenje adsorbensa, ali zahtijeva dodatno hlađenje nakon odvlaživanja. Postavljanje odvlaživača ispred hladnjaka osigurava jednostavniju shemu, ali povećava opterećenje adsorbensa. Optimalno rješenje određuje se tehničko-ekonomskom analizom za konkretan projekt.
Pitanje 6: Je li potreban poseban proračun za svaki režim rada?
Odgovor: Da, toplinsko opterećenje se znatno mijenja ovisno o režimu rada. Potrebno je provoditi proračune za karakteristične režime eksploatacije: nominalni, maksimalno opterećenje, minimalno opterećenje, prijelazne sezone. To omogućuje pravilno odabrati opremu i podesiti sustav automatizacije.
Pitanje 7: Koja je točnost proračuna prema pojednostavljenoj metodologiji?
Odgovor: Pojednostavljena metodologija daje pogrešku do 10–20% zbog neuzimanja u obzir niza čimbenika: neidealnosti prijenosa topline, promjenjivosti svojstava adsorbensa tijekom eksploatacije, odstupanja od standardnih uvjeta. Za odgovorne projekte preporučuje se koristiti podatke proizvođača dobivene ispitivanjima ili specijalizirano modeliranje. Također je svrsishodno predvidjeti zalihu snage rashladnog sustava.
Zaključci
1. Desikantni odvlaživači uvijek podižu temperaturu procesnog zraka zbog topline adsorpcije. To je temeljno svojstvo uvjetovano zakonima termodinamike, koje se ne može ukloniti, nego samo kompenzirati.
2. Toplinsko opterećenje od desikantnog odvlaživača može iznositi 15–30% ukupnog opterećenja na sustav klimatizacije, ovisno o količini uklonjene vlage i tipu adsorbensa. Zanemarivanje ovog faktora kritična je projektantska pogreška.
3. Proračun toplinskog opterećenja može se provoditi dvjema metodama: putem masene bilance vlage (za preliminarne procjene, s pogreškom do 20%) i putem promjene entalpije zraka (za detaljno projektiranje, s pogreškom do 10%). Obje metode moraju uzeti u obzir sve izvore topline.
4. Odabir konfiguracije sustava (odvlaživač prije ili poslije hladnjaka) utječe na raspodjelu opterećenja između komponenti sustava. Optimalno rješenje određuje se analizom konkretnog projekta i ne može biti univerzalno za sve slučajeve.
5. Za minimizaciju toplinskog opterećenja postoji niz tehničkih mjera, od kojih svaka ima svoje prednosti i troškove. Odabir mjera treba se provoditi na temelju tehničko-ekonomske analize.
6. Točnost proračuna toplinskog opterećenja ovisi o kvaliteti ulaznih podataka. Za odgovorne projekte potrebno je koristiti podatke ispitivanja, modeliranje i predvidjeti rezerve snage.
7. Metodologija proračuna ima ograničenja pri ekstremnim uvjetima eksploatacije. U takvim slučajevima potreban je specijalizirani analiz ili konzultacije s proizvođačima opreme.
Ispravno uvažavanje toplinskog opterećenja od desikantnog odvlaživača obvezan je uvjet kvalitetnog projektiranja sustava ventilacije i klimatizacije. Inženjer treba vladati metodologijom proračuna, razumjeti fiziku procesa adsorpcije, koristiti provjerene podatke i kritički vrednovati rezultate proračuna.
