Введение
Устройство для снижения влажности.
Осушитель воздуха – это устройство кондиционирования, которое снижает и поддерживает уровень влажности в воздухе. Они используются в жилых помещениях, подвалах, бассейнах, а также на производственных предприятиях или складах. Типичные системы кондиционирования воздуха сочетают осушение с охлаждением, работая с охлаждающими элементами ниже точки росы и отводя конденсирующуюся воду.
Обзор
Осушители извлекают воду из воздуха, проходящего через устройство. Существует два распространенных типа осушителей: конденсационные и адсорбционные, а также появляются и другие новые конструкции. Конденсационные осушители используют холодильный цикл для сбора воды, известной как конденсат, которая обычно считается технической, но иногда может быть повторно использована в промышленных целях. Некоторые производители предлагают фильтры обратного осмоса для преобразования конденсата в питьевую воду. Адсорбционные осушители (также известные как абсорбционные осушители) связывают влагу с гидрофильными материалами, такими как силикагель. Недорогие бытовые модели содержат одноразовые картриджи с гидрофильным веществом, гель или порошок. В более крупных коммерческих установках сорбент регенерируется с помощью горячего воздуха для удаления влаги и отвода влажного воздуха за пределы помещения. Новый класс мембранных осушителей, например, ионно-мембранные осушители, удаляют воду в виде пара, а не жидкости. Эти новые технологии могут быть направлены на уменьшение размеров систем или достижение более высокой эффективности. Энергоэффективность осушителей может значительно варьироваться.
История
Первый осушитель воздуха был создан американским изобретателем Уиллисом Кэрриером в 1902 году для осушения типографии в Бруклине. Кэрриер отметил, что это открытие впоследствии послужило стимулом для дальнейших исследований в области кондиционирования воздуха. Эти "активные" осушители конденсировали воду из воздуха. Однако "пассивное" регулирование влажности, такое как усиление естественной вентиляции, использовалось с древнейших времен.
Осушение влаги при термической конденсации
Эти методы основаны на прохождении воздуха над холодной поверхностью. Поскольку давление насыщенного пара воды снижается с понижением температуры, вода в воздухе конденсируется на поверхности, отделяя воду от воздуха.
Охлаждение (электрическое)
Электрические осушители с охлаждением – наиболее распространенный тип осушителей. Они работают, прогоняя влажный воздух через охлажденный испаритель с помощью вентилятора. Существует три основных типа испарителей: змеевиковые, ребристые и микроканальные. Холодный испаритель холодильного агрегата конденсирует воду, которая удаляется, после чего воздух повторно нагревается конденсаторной катушкой. Затем осушенный и повторно нагретый воздух возвращается в помещение. Этот процесс наиболее эффективен при более высоких температурах окружающей среды и высокой температуре точки росы. В холодном климате эффективность снижается. Наивысшая эффективность достигается при температуре выше 20 °C (68 °F) и относительной влажности 45%. Это значение относительной влажности увеличивается при более низкой температуре воздуха. Накопление льда препятствует эффективной работе осушителя и может привести к повреждениям от воды, если конденсат стекает с льда не в поддон для сбора, а наружу. В крайних случаях лед может деформировать или повредить механические элементы, вызывая необратимые повреждения. Осушители более высокого качества могут быть оснащены датчиком обмерзания или льда, который отключает устройство и позволяет покрытым льдом змеевикам нагреться и оттаять. После оттаивания устройство обычно автоматически перезапускается. Большинство датчиков льда – это простые тепловые выключатели, которые не определяют непосредственно наличие или отсутствие наледи. Альтернативная конструкция определяет затрудненный поток воздуха и отключает охлаждающие змеевики аналогичным образом. Определенные неисправности осушителей, такие как частичная утечка хладагента, могут вызывать повторное обледенение змеевиков. В этом случае требуется ремонт или замена оборудования.
Термоэлектрические осушители
Термоэлектрические осушители используют тепловой насос Пельтье для охлаждения поверхности и конденсации водяного пара из воздуха. Конструкция проще и тише, чем у осушителя с механическим компрессором. Однако из-за относительно невысокого коэффициента производительности (КПД) эта конструкция в основном применяется в небольших осушителях. Образование льда может представлять проблему, аналогичную той, что возникает в холодильных осушителях.
Поглощение/осушительная обезвоживание
В этом процессе используется специальный влагопоглощающий материал, называемый сорбентом, который контактирует с воздухом, подлежащим обработке. Насыщенный влагой сорбент затем перемещается в другое место, где он "регенерируется" для удаления влаги, как правило, путем нагрева. Сорбент может быть установлен на ленту или другое средство транспортировки в течение рабочего цикла. Осушители, работающие по принципу поглощения, особенно хорошо подходят для высоких уровней влажности при низких температурах. Они часто используются в различных отраслях промышленности для достижения уровня влажности ниже 35%. Благодаря отсутствию компрессорных деталей, сорбционные осушители часто легче и тише, чем компрессорные. Сорбционные осушители также могут работать при более низких температурах, чем компрессорные, поскольку устройство не зависит от охлаждающих змеевиков, эффективность конденсации влаги которых снижается при более низких температурах. Ограниченное распространение сорбционной осушки можно объяснить высокими первоначальными затратами на установку, недостаточным пониманием эксплуатационных преимуществ, отсутствием осведомленности о технологии и приоритетами компаний, которые не ориентированы на преимущества новых технологий.
Обезвлаживание мембраны
Несколько подходов позволяют удалять водяной пар, направляя воздушный поток через мембрану, проницаемую для водяного пара. Осушение с помощью мембран может обеспечить удаление водяного пара без конденсации, что позволяет избежать затрат энергии, связанных с теплотой испарения, и обеспечивает высокую эффективность для правильно спроектированных систем. Такое осушение может осуществляться пассивно, используя отработанный воздушный поток; см. статью «Вентиляция с рекуперацией энергии». Активные системы могут использовать градиенты давления или электрокаталитические методы.
Выборочное обезвоживание мембран
В селективных мембранах используются материалы, блокирующие газы, отличные от водяного пара. Водяной пар затем диффундирует через эти мембраны под действием разницы концентраций. Такая разница в концентрации (парциальном давлении) может быть создана вакуумной откачкой или просто прохождением воздушного потока с более низкой концентрацией воды. Наиболее эффективные конструкции экономят энергию, используя две мембраны, изолирующие вакуумный насос от окружающего воздуха. Это значительно снижает перепад давления на вакуумном насосе, что приводит к экономии энергии. Хотя такие системы часто называют "изотермической мембранной дегидратацией", последние исследования показали, что их эффективность можно повысить, объединив их с теплообменником. Такая интеграция может улучшить характеристики за счет повышения COP цикла парокомпрессии (за счет работы с более близкими температурами) и улучшения перемешивания воздуха вблизи мембраны. Селективные мембраны можно создавать путем иммобилизации жидкости, способной поглощать воду (или другое вещество), внутри мембраны, называемой "поддерживаемой жидкой мембраной". Обычно они состоят из двух слоев: высокопористого слоя, содержащего поглощающую жидкость, и удерживающего слоя, предотвращающего вытекание жидкости. Этот поглощающий слой позволяет им функционировать как селективные мембраны, не требуя твердых селективных материалов или очень малых пор. Жидкости, хорошо поглощающие воду (гигроскопичные), могут включать смеси гликолей или ионные жидкости.
Обезвлаживание ионной мембраны
Ионную мембрану можно использовать для перемещения влаги в закрытую оболочку или из нее, используя химические реакции, а не конденсацию или селективные материалы. Эти системы используют электроды и протонпроводящие мембраны для удаления водяного пара методом электролиза. На аноде вода (H₂O) расщепляется на протоны (H⁺), кислород (O₂) и электроны, где протоны проходят через материал и реагируют с окружающим кислородом на другой стороне, чтобы снова образовать воду. Вероятно, первыми материалами для такого обезвоживания на основе электролиза были твердые полимерные электролитные мембраны (SPE). Этот подход обеспечивает маломощный, устойчивый осушитель для закрытых помещений, где долгосрочное обслуживание затруднено. Этот электролитический процесс обеспечивает осушительную способность от 0,2 грамма в день для пространства 0,2 м³ (7 куб. футов) до 58 граммов в день для пространства 8 м³ (280 куб. футов). Системы SPE обычно не обладают высокой дегидратационной способностью, но поскольку водяной пар удаляется посредством электролиза, процесс не требует обслуживания. Этот процесс также потребляет очень мало электроэнергии, не требует движущихся частей, что делает ионные мембраны бесшумными в работе и очень надежными в течение длительного времени. Осушители SPE обычно используются для защиты чувствительных электрических компонентов, медицинского оборудования, музейных экспонатов или научного оборудования от влажной среды. SPE состоит из протонпроводящего твердого полимерного электролита и пористых электродов с каталитическим слоем, состоящим из частиц благородных металлов. При подаче напряжения на пористый электрод, прикрепленный к мембране, влага на стороне анода (осушающая сторона) диссоциирует на ионы водорода (H⁺) и кислород. Ионы водорода мигрируют через мембрану и выделяются на катодной стороне (выпуск влаги), где они реагируют с кислородом в воздухе, образуя молекулы воды (пара), которые и выделяются. Кислород выделяется с осушающей стороны, и если большое количество воды поступает в герметичную оболочку, то внутри нее может накапливаться кислород.
Конденсат
Не все осушители собирают конденсат; например, многие адсорбционные модели выпускают воздушный поток из нагрешенного адсорбента, насыщенный влагой. Этот поток может быть либо повторно сконденсирован и собран в виде конденсата, либо выведен на улицу. Кроме того, некоторые типы кондиционеров распыляют собранный конденсат на наружные теплообменники конденсатора для охлаждения за счет испарения, что повышает общую эффективность.
Удаление
Продукты, использующие технологию конденсации, традиционно применяют холодную поверхность для конденсации влаги из тёплого воздуха. Сегодня технология тепловой конденсации, основанная на принципе пересыщенного пара в замкнутом пространстве, позволяет осушать воздух при отрицательных температурах. Это очень энергоэффективная технология, сохраняющая эффективность при любых температурах. Большинство портативных осушителей оснащены ёмкостью для сбора конденсата, обычно с поплавковым датчиком, который определяет заполнение ёмкости и отключает осушитель, предотвращая перелив собранной воды. В тёплой и влажной среде эти ёмкости обычно заполняются водой за 8–12 часов и могут потребовать ручного опорожнения и установки на место несколько раз в день для обеспечения непрерывной работы. Многие портативные осушители можно адаптировать для подключения слива конденсата непосредственно к дренажу через шланг. Некоторые модели осушителей могут подключаться к водопроводной канализации или использовать встроенный насос для автоматического опорожнения по мере накопления влаги. В качестве альтернативы, для перемещения собранной воды в место утилизации можно использовать отдельный конденсатный насос, когда невозможно обеспечить гравитационный дренаж. Центральные кондиционеры обычно требуют подключения к дренажной системе, поскольку частое ручное опорожнение нескольких ёмкостей конденсата, образующегося в таких системах, непрактично. Если конденсатная вода направляется в канализационную систему, необходимо предусмотреть гидрозатвор, чтобы предотвратить проникновение в здание септических запахов и канализационных газов. Конденсат не следует направлять в септическую систему дома, так как он не требует специальной обработки как сточные воды. Если воздуховод (содержащий испаритель) расположен выше уровня поверхностного дренажа, используемого для дождевой воды, дренажные линии конденсата часто можно подключить к нему. Воздуховоды, расположенные ниже уровня земли, например, в подвале дома, могут потребовать использования конденсатного насоса для подъёма воды к поверхностному дренажу.
Питьевая способность
Вода из осушителя воздуха обычно считается довольно чистым видом серой воды: непригодной для питья, но подходящей для полива растений, хотя и не для полива овощей в огороде. Опасения для здоровья связаны с:
Строительство
Осушители также применяются на строительных площадках и при реконструкции помещений для удаления излишней влажности или плесени.
Промышленные процессы
Осушители используются в промышленных климатических камерах для снижения относительной влажности и температуры точки росы в широком спектре промышленных применений – от очистных сооружений для обработки сточных и свежих вод до помещений для выращивания растений в закрытом грунте, где контроль влажности имеет решающее значение.
Размер рынка
Согласно оценке 2015 года, к 2022 году прогнозируемый годовой глобальный общий объем адресуемого рынка осушителей воздуха составлял около 3,5 миллиардов долларов США. Он включает в себя различные типы и области применения, охватывающие как бытовое, так и промышленное использование, а также различные технологии, такие как вентиляционные и адсорбционные.