Hlajenje, vlaga in kondenzat
Kaj pomeni relativna vlaga zraka?
Pri hlajenju prostora ne spreminjamo samo temperature zraka.
Če površina prenosnika toplote doseže temperaturo pod rosiščem zraka, se začne iz zraka izločati tudi vlaga.
Zato mora hladilna naprava poleg senzibilne toplote, povezane s spremembo temperature,
pogosto odvajati tudi latentno toploto, povezano z izločanjem vodne pare iz zraka.
Pri hlajenju zato temperatura in vlaga nista dve ločeni temi – skupaj določata, kaj se dejansko dogaja z zrakom v napravi.
Relativna vlaga pove, koliko vodne pare zrak vsebuje glede na največjo količino, ki bi jo lahko vseboval pri isti temperaturi. Izražamo jo v odstotkih – % RH.
Pomembno je, da sposobnost zraka za sprejemanje vodne pare močno zavisi od temperature. Če isti zrak ohlajamo, se njegova relativna vlaga povečuje, čeprav mu nismo dodali nobene vode.
Ko pri nadaljnjem ohlajanju relativna vlaga doseže 100 %, je zrak nasičen. Temperaturo, pri kateri se to zgodi, imenujemo temperatura rosišča.
Zato podatek »50 % relativne vlage« brez podatka o temperaturi zraka ne pove celotne zgodbe.
Kaj je temperatura rosišča?
Temperatura rosišča je temperatura, pri kateri se mora zrak pri nespremenjeni količini vodne pare ohladiti, da postane nasičen – njegova relativna vlaga doseže 100 %. Če površino nato ohladimo pod temperaturo rosišča, se začne vodna para iz zraka na njej izločati kot kondenzat.
Primer: zrak v prostoru ima 26 °C in 50 % relativne vlage. Njegova temperatura rosišča je približno 15 °C.
To pomeni, da na površini s temperaturo 18 °C kondenzacije praviloma še ne pričakujemo. Če pa temperatura površine pade na primer na 10 °C, je ta površina že precej pod rosiščem in na njej se bo začela izločati voda.
Za nastanek kondenzata zato ni odločilna samo temperatura zraka – odločilno je razmerje med temperaturo površine in temperaturo rosišča zraka.
Kako lahko temperaturo rosišča približno izračunamo?
Za običajne pogoje v prostorih lahko temperaturo rosišča dovolj natančno ocenimo z Magnusovo enačbo:
γ = ln(RH / 100) + (a × T) / (b + T)
Tᵣ = (b × γ) / (a − γ)
kjer je:
T – temperatura zraka [°C]
RH – relativna vlaga [%]
Tᵣ – temperatura rosišča [°C]
a = 17,62
b = 243,12 °C
Za naš primer:
T = 26 °C
RH = 50 %
dobimo temperaturo rosišča približno:
Tᵣ ≈ 15 °C
To je zelo uporaben podatek pri hlajenju. Če je temperatura površine prenosnika toplote nižja od približno 15 °C, se bo na njem pri teh pogojih začela izločati vlaga.
Rosišče tako predstavlja mejo med samo senzibilnim hlajenjem zraka in hlajenjem, pri katerem se začne tudi razvlaževanje.
Kaj se dogaja z zrakom na hladnem prenosniku toplote?
Ko topel zrak prehaja skozi hladen prenosnik toplote, najprej oddaja senzibilno toploto in njegova temperatura se znižuje.
Če temperatura površine prenosnika ostane nad temperaturo rosišča zraka, se zrak samo ohlaja. Iz njega se voda ne izloča.
Ko pa je del površine prenosnika hladnejši od temperature rosišča, začne vodna para iz zraka na lamelah kondenzirati. Prenosnik toplote takrat ne znižuje več samo temperature zraka, ampak iz njega odstranjuje tudi vlago.
Na hladilnem prenosniku zato lahko hkrati potekata dva procesa:
ohlajanje zraka – odvzem senzibilne toplote
razvlaževanje zraka – odvzem latentne toplote
Kondenzirana voda steče z lamel v zbirno posodo in nato v odvod kondenzata oziroma jo pri nekaterih napravah odvaja črpalka kondenza.
Hladilna naprava zato pri delovanju pod temperaturo rosišča opravlja dve nalogi hkrati: znižuje temperaturo zraka in zmanjšuje njegovo vsebnost vlage.
To je tudi razlog, zakaj samo podatek o temperaturi vpihanega zraka še ne pove, kaj naprava dejansko počne z zrakom.
Kaj pomenita senzibilna in latentna hladilna moč?
Skupna hladilna moč naprave je sestavljena iz senzibilne in latentne hladilne moči:
Qₜ = Qₛ + Qₗ
kjer je:
Qₜ – skupna hladilna moč
Qₛ – senzibilna hladilna moč
Qₗ – latentna hladilna moč
Senzibilna hladilna moč predstavlja toploto, ki jo odvzamemo zraku in s tem znižamo njegovo temperaturo.
Poenostavljeno jo lahko zapišemo:
Qₛ = ρ × cₚ × V̇ × ΔT
kjer je:
ρ – gostota zraka [kg/m³]
cₚ – specifična toplotna kapaciteta zraka [kJ/(kg·K)]
V̇ – volumenski pretok zraka [m³/s]
ΔT – temperaturna razlika zraka [K]
Ker je pri običajnih pogojih približno:
ρ × cₚ ≈ 1,2 kJ/(m³·K)
lahko za hitro orientacijo uporabimo:
Qₛ [kW] ≈ 1,2 × V̇ [m³/s] × ΔT [K]
Primer:
pretok zraka 1.000 m³/h = 0,278 m³/s
vstopni zrak 26 °C
izstopni zrak 16 °C
Qₛ ≈ 1,2 × 0,278 × 10 ≈ 3,34 kW
Toda to je samo senzibilna moč.
Če na prenosniku hkrati kondenzira voda, naprava odvaja še latentno toploto. Za kondenzacijo vodne pare je namreč treba odvzeti energijo, čeprav tega dela hladilnega procesa ne vidimo neposredno kot spremembo temperature zraka.
Zato ima lahko naprava na primer:
skupno hladilno moč 4,2 kW
od tega senzibilno moč 3,3 kW
in približno 0,9 kW latentne moči.
Podatek »hladilna moč 4,2 kW« zato še ne pomeni, da imamo na voljo vseh 4,2 kW samo za znižanje temperature prostora. Del te moči se lahko porablja za razvlaževanje zraka.
Kaj pomeni SHR – razmerje senzibilne in skupne hladilne moči?
Pri hlajenju nas ne zanima samo skupna hladilna moč naprave, ampak tudi kolikšen del te moči dejansko znižuje temperaturo zraka in kolikšen del se porablja za razvlaževanje.
To razmerje opisujemo z oznako SHR – Sensible Heat Ratio:
SHR = Qₛ / Qₜ
kjer je:
Qₛ – senzibilna hladilna moč
Qₜ – skupna hladilna moč
Če ima naprava na primer:
skupno hladilno moč 5,0 kW
senzibilno hladilno moč 4,0 kW
je:
SHR = 4,0 / 5,0 = 0,80
To pomeni, da se približno 80 % hladilne moči uporablja za znižanje temperature zraka, preostalih približno 20 % pa predstavlja latentno moč, povezano predvsem z izločanjem vlage iz zraka.
Višji SHR pomeni večji delež senzibilnega hlajenja. Nižji SHR pomeni, da se večji del skupne hladilne moči porablja za razvlaževanje.
Dve napravi z enako skupno hladilno močjo zato pri enakih pogojih ne zagotavljata nujno enake senzibilne hladilne moči.
Koliko kondenzata predstavlja 1 kW latentne hladilne moči?
Pri kondenzaciji vodne pare se sprošča latentna toplota kondenzacije. Pri običajnih pogojih lahko za orientacijski izračun uporabimo približno:
h ≈ 2.450 kJ/kg
Ena kilovatna ura energije pomeni:
1 kWh = 3.600 kJ
Če naprava eno uro odvaja 1 kW latentne moči, lahko približno količino kondenzirane vode izračunamo:
m = 3.600 / 2.450 ≈ 1,47 kg
Ker je 1 kg vode približno 1 liter:
1 kW latentne hladilne moči ≈ 1,5 litra kondenzata na uro
Če bi imela naprava iz prejšnjega primera:
Qₜ = 5,0 kW
Qₛ = 4,0 kW
je latentna moč približno:
Qₗ = 5,0 − 4,0 = 1,0 kW
To pomeni teoretično približno:
1,5 l kondenzata na uro.
V osmih urah delovanja bi to lahko pomenilo približno:
8 × 1,5 = 12 litrov vode.
Dejanska količina kondenzata se seveda spreminja z razmerami – predvsem s temperaturo in vsebnostjo vlage v vstopnem zraku, temperaturo površine prenosnika, pretokom zraka in časom delovanja naprave.
Kondenzat zato ni nepomemben stranski pojav hlajenja. Je neposredna posledica razvlaževanja zraka in lahko predstavlja precejšnjo količino vode, ki jo moramo iz naprave zanesljivo odvesti.
Zakaj iz ene hladilne naprave teče veliko kondenzata, iz druge pa skoraj nič?
Količina kondenzata ni odvisna samo od hladilne moči naprave. Odvisna je predvsem od tega, koliko vlage vsebuje zrak, ki vstopa v napravo, in kako hladna je površina prenosnika toplote.
Če je površina prenosnika nad temperaturo rosišča, se zrak lahko ohlaja, ne da bi se iz njega izločala voda. Ko temperatura površine pade pod temperaturo rosišča, se začne vodna para iz zraka izločati kot kondenzat.
Zato lahko dve napravi podobne hladilne moči pri različnih pogojih ustvarita zelo različni količini kondenzata.
Na količino kondenzata vplivajo predvsem:
temperatura in relativna vlaga vstopnega zraka, temperatura površine prenosnika toplote, pretok zraka skozi napravo in čas delovanja.Veliko kondenzata zato samo po sebi ne pomeni, da je z napravo kaj narobe. Prav tako majhna količina kondenzata še ne pomeni, da naprava slabo hladi.
Kondenzat nam pove predvsem, da naprava poleg senzibilnega hlajenja zraka opravlja tudi razvlaževanje.
Zakaj je lahko prostor hladen, pa je v njem še vedno previsoka vlaga?
Hladilna naprava lahko temperaturo prostora zniža precej hitro, odstranjevanje vlage pa zahteva, da zrak dovolj časa prehaja preko hladnega prenosnika toplote, katerega površina je pod temperaturo rosišča.
Če naprava hitro doseže nastavljeno temperaturo in se izključi, je lahko prostor temperaturno že dovolj hladen, iz zraka pa še ni bilo odstranjene dovolj vlage.
To se lahko pojavi tudi pri predimenzionirani napravi. Večja hladilna moč namreč ne pomeni nujno boljšega razvlaževanja. Naprava lahko prostor zelo hitro ohladi, nato pa zaradi kratkega časa delovanja odstrani manj vlage, kot bi pričakovali.
Na razvlaževanje vpliva tudi pretok zraka skozi prenosnik toplote. Sprememba hitrosti ventilatorja spremeni pogoje prenosa toplote in vlage na prenosniku, zato delovanje ventilatorja ni povezano samo s količino zraka in hrupom.
Za monterja je zato pomembno:
temperatura prostora in relativna vlaga morata biti obravnavani skupaj.
Če uporabnik pravi: »Klima hladi, vendar je v prostoru še vedno soparno,« ni dovolj preveriti samo temperature vpihanega zraka. Preveriti moramo tudi temperaturo in relativno vlago prostora, način delovanja naprave, pretok zraka ter ali naprava deluje dovolj dolgo, da dejansko razvlažuje.