Осушитель воздуха — это устройство для кондиционирования воздуха , которое снижает и поддерживает уровень влажности в воздухе. [1] Обычно это делается для здоровья или теплового комфорта или для устранения затхлого запаха и предотвращения роста плесени путем извлечения воды из воздуха. Его можно использовать в бытовых, коммерческих или промышленных целях. Большие осушители воздуха используются в коммерческих зданиях, таких как крытые катки [2] и бассейны , а также на производственных предприятиях или складах. Типичные системы кондиционирования воздуха сочетают осушение с охлаждением, работая с охлаждающими змеевиками ниже точки росы и сливая конденсирующуюся воду .
Осушители извлекают воду из воздуха, проходящего через блок. Существует два распространенных типа осушителей: конденсатные осушители и адсорбционные осушители, а также появляются другие новые конструкции.
Конденсатные осушители используют холодильный цикл для сбора воды, известной как конденсат, которая обычно считается серой водой, но иногда может повторно использоваться в промышленных целях. Некоторые производители предлагают фильтры обратного осмоса для превращения конденсата в питьевую воду .
Осушители воздуха с адсорбционным эффектом (также известные как абсорбционные осушители) связывают влагу с помощью гидрофильных материалов, таких как силикагель . Недорогие бытовые устройства содержат одноразовые картриджи с гидрофильным веществом, гель или порошок. Более крупные коммерческие устройства регенерируют сорбент , используя горячий воздух для удаления влаги и выталкивания влажного воздуха за пределы помещения.
Новый класс мембранных осушителей, таких как ионный мембранный осушитель, утилизирует воду в виде пара, а не жидкости. Эти новые технологии могут быть направлены на решение проблем с меньшими размерами систем или достижение более высокой производительности.
Энергоэффективность осушителей воздуха может существенно различаться.
Первый осушитель воздуха был создан американским изобретателем Уиллисом Кэрриером в 1902 году для осушения воздуха в типографии в Бруклине . [3] Кэрриер ссылался на это открытие как на более позднее мотивирующее дальнейшие открытия в области кондиционирования воздуха. [1] Эти «активные» осушители воздуха конденсировали воду из воздуха. Однако «пассивный» контроль влажности, такой как усиленная естественная вентиляция , использовался с древних времен. [4]
Эти методы основаны на протягивании воздуха через холодную поверхность. Поскольку давление насыщенного пара воды уменьшается с понижением температуры, вода в воздухе конденсируется на поверхности, отделяя воду от воздуха.
Электрические холодильные осушители являются наиболее распространенным типом осушителей. Они работают, протягивая влажный воздух через охлаждаемый испаритель с вентилятором. Существует 3 основных типа испарителей. Это спиральные трубки, ребристые трубки и микроканальная технология.
Холодный испарительный змеевик холодильного устройства конденсирует воду, которая удаляется, а затем воздух повторно нагревается конденсаторным змеевиком . Теперь осушенный, повторно нагретый воздух выпускается в помещение. Этот процесс работает наиболее эффективно при более высоких температурах окружающей среды с высокой температурой точки росы . В холодном климате процесс менее эффективен. Самая высокая эффективность достигается выше 20 °C (68 °F) и относительной влажности 45%. Это значение относительной влажности тем выше, чем ниже температура воздуха. [5]
Этот тип осушителя отличается от стандартного кондиционера тем, что испаритель и конденсатор расположены на одном и том же воздушном пути. Стандартный кондиционер выводит тепловую энергию из помещения, поскольку его конденсаторный змеевик выделяет тепло наружу. Однако, поскольку все компоненты осушителя находятся в одном помещении , тепловая энергия не удаляется. Вместо этого электроэнергия, потребляемая осушителем, остается в помещении в виде тепла, поэтому помещение фактически нагревается , как и электронагреватель , потребляющий такое же количество энергии.
Кроме того, если вода конденсируется в помещении, количество тепла, ранее необходимое для испарения этой воды, также повторно высвобождается в помещении ( скрытая теплота испарения ). Процесс осушения является обратным процессу добавления воды в помещение с помощью испарительного охладителя , и вместо этого высвобождает тепло. Таким образом, осушитель воздуха в помещении всегда будет нагревать помещение и уменьшать относительную влажность косвенно, а также уменьшать влажность более непосредственно, конденсируя и удаляя воду.
Теплый влажный воздух втягивается в блок в точке A на схеме выше. Этот воздух проходит в пластинчатый теплообменник с поперечным потоком (B), где значительная часть явного тепла передается потоку холодного приточного воздуха. Этот процесс приближает извлеченный воздух к насыщению. Затем воздух проходит в камеру приточного воздуха вытяжного вентилятора (C), где часть его может быть выведена наружу. Количество выбрасываемого воздуха может варьироваться и определяется либо законодательством о требованиях к свежему воздуху, либо требованием по поддержанию свежей, свободной от запахов среды. Оставшаяся часть воздуха затем проходит в испарительный змеевик теплового насоса, где он охлаждается, а влага конденсируется. Этот процесс дает значительное количество скрытой энергии для холодильного контура. Затем свежий воздух вводится для замены количества, которое было извлечено, и смесь выпускается приточным вентилятором (G) в пластинчатый теплообменник с поперечным потоком (B), где она нагревается вытяжным воздухом из бассейна. Этот предварительно нагретый воздух затем проходит через конденсатор теплового насоса (F), где он нагревается скрытой энергией, удаляемой в процессе конденсации, а также энергией, поступающей в компрессор. Теплый сухой воздух затем выпускается в помещение. [ необходима цитата ]
Обычный кондиционер очень похож на электрический осушитель воздуха и по своей сути действует как осушитель воздуха при охлаждении воздуха. Однако в кондиционере воздух проходит через холодные испарительные змеевики, а затем напрямую в помещение. Он не нагревается повторно, проходя через конденсатор, как в холодильном осушителе. Вместо этого хладагент закачивается компрессором в конденсатор, который находится снаружи кондиционируемого помещения, а затем тепло высвобождается в наружный воздух. Обычные кондиционеры воздуха используют дополнительную энергию, вытягивая воздух наружу, и новый воздух может иметь больше влаги, чем необходимо помещению, например, в помещении с бассейном, где уже содержится большое количество влаги в воздухе. [ необходима цитата ]
Вода, которая конденсируется на испарителе в кондиционере, обычно направляется для удаления извлеченной воды из кондиционируемого пространства. Новые высокоэффективные оконные блоки используют конденсированную воду для охлаждения конденсаторного змеевика путем испарения воды в наружный воздух, в то время как старые блоки просто позволяли воде капать наружу.
Когда вода охлаждается ниже точки росы атмосферы , атмосферная вода будет конденсироваться на ней быстрее, чем вода из нее испаряется. Распылительные осушители смешивают распыления охлажденной воды и воздуха для захвата атмосферной влаги. Они также захватывают загрязняющие вещества и примеси, такие как пыльца, поэтому их иногда называют «мойками воздуха».
Поскольку оконные кондиционеры имеют конденсаторы и расширительные блоки, некоторые из них можно использовать в качестве импровизированных осушителей, отправляя свой тепловой выброс обратно в то же помещение, что и охлажденный воздух, а не во внешнюю среду. Если конденсат из охлаждающих змеевиков отводить из помещения, когда он стекает с охлаждающих змеевиков, в результате воздух в помещении будет суше, но немного теплее.
Однако многие оконные кондиционеры спроектированы так, чтобы удалять конденсатную воду путем ее повторного испарения в поток отработанного воздуха, что сводит на нет снижение влажности воздуха, вызванное конденсацией влаги на охлаждающих змеевиках. Чтобы быть эффективным в качестве осушителя, кондиционер должен быть спроектирован или модифицирован таким образом, чтобы большая часть или вся конденсирующаяся вода сливалась в жидкой форме, а не повторно испарялась. Даже если конденсат сливается, модифицированный кондиционер все равно менее эффективен, чем одноцелевой прибор с конструкцией, оптимизированной для осушения. Осушители спроектированы так, чтобы пропускать воздух непосредственно через охлаждающие змеевики, а затем через нагревательные змеевики за один эффективный проход через устройство.
Кроме того, большинство кондиционеров управляются термостатом , который измеряет температуру, а не гигростатом , который измеряет влажность и обычно используется для управления осушителем. Термостат не предназначен для контроля влажности и контролирует ее плохо, если вообще контролирует.
При определенных условиях температуры и влажности на испарительных змеевиках осушителя может образовываться лед . Накопление льда может препятствовать потоку воздуха и в конечном итоге образовывать сплошной блок, покрывающий змеевики. [6] Это накопление препятствует эффективной работе осушителя и может привести к повреждению водой, если конденсированная вода капает с накопленного льда, а не в поддон для сбора. В крайних случаях лед может деформировать или исказить механические элементы, вызывая необратимые повреждения.
Более качественные осушители могут иметь датчик инея или льда. Они отключат машину и позволят покрытым льдом катушкам нагреться и разморозиться. После разморозки машина обычно автоматически перезапускается. Большинство датчиков льда представляют собой простые термовыключатели и не определяют напрямую наличие или отсутствие нарастания льда. Альтернативная конструкция определяет затрудненный поток воздуха и отключает охлаждающие катушки аналогичным образом.
Определенные неисправности осушителей, такие как частичная потеря хладагента, могут привести к повторному обледенению змеевиков. Это состояние требует ремонта или замены оборудования.
Термоэлектрические осушители воздуха используют тепловой насос Пельтье для охлаждения поверхности и конденсации водяного пара из воздуха. Конструкция проще и имеет преимущество в том, что она тише по сравнению с осушителем воздуха с механическим компрессором. Однако из-за относительно низкого коэффициента полезного действия эта конструкция в основном используется для небольших осушителей воздуха. Накопление льда может быть проблемой, аналогичной проблемам с холодильными осушителями воздуха.
Этот процесс использует осушитель (влагопоглощающий материал) для поглощения влаги. Затем насыщенный материал перемещается, а собранная влага выводится, как правило, посредством нагревания. [7] [5]
Осушители, работающие по принципу абсорбции, хорошо подходят для высокой влажности при низких температурах. Они часто используются в промышленности для достижения уровня влажности ниже 35%.
Из-за отсутствия деталей компрессора адсорбционные осушители часто легче и тише компрессорных осушителей. Адсорбционные осушители могут работать при более низких температурах, поскольку блоку не нужны охлаждаемые змеевики.
Первоначальные затраты на установку ограничили принятие адсорбционного осушения, что усугубилось отсутствием понимания эксплуатационных преимуществ, отсутствием осведомленности о технологиях и приоритетами компании. [8]
Система AirJoule использует металлоорганический каркас (MOF), поры которого подобраны под размер молекул воды. Он может поглощать 55% своего веса в воде. Он состоит из двух камер, которые поочередно осушают воздух. В то время как одна камера осушает воздух, другая выделяет влагу в виде жидкой воды. Тепло от сушильной камеры побуждает MOF выбрасывать свое содержимое. Полости меняются ролями примерно каждые 10 минут. Исследователи утверждают, что AirJoule потребляет менее 100 ватт-часов на литр водяного пара, что сокращает энергию, необходимую для осушения, на целых 90%. Напротив, Blue Frontier использует жидкий солевой осушитель. [9]
Несколько подходов могут удалять водяной пар путем пропускания воздуха через мембрану, которая позволяет пару проникать внутрь. [10] Осушение с помощью мембран может обеспечить удаление водяного пара без конденсации; это позволяет избежать энергии, необходимой для энтальпии испарения, предлагая высокую эффективность для хорошо спроектированных систем. Такое осушение может быть выполнено пассивно с помощью отводимого потока воздуха; см. Вентиляция с рекуперацией энергии . Активные системы могут использовать градиенты давления или электрокаталитические подходы.
Селективные мембраны используют материалы, которые блокируют другие окружающие газы, кроме водяного пара. Затем водяной пар будет диффундировать через эти мембраны при разнице концентраций. Такая разница в концентрации (парциальном давлении) может быть вызвана вакуумной откачкой или просто прохождением воздушного потока с более низкой концентрацией воды. Наиболее эффективные конфигурации экономят энергию, используя две мембраны, которые изолируют вакуумный насос от окружающего воздуха. [11] Это значительно снижает давление в вакуумном насосе, экономя энергию. Хотя такие системы часто называют «изотермическим мембранным осушением», недавние исследования показали, что эти системы можно сделать более эффективными, объединив их с теплообменом. [12] Такая интеграция может улучшить производительность за счет улучшения КПД цикла компрессии пара (за счет работы между более близкими температурами) [13] и улучшения смешивания воздуха вблизи мембраны. [14]
Селективные мембраны могут быть изготовлены путем иммобилизации жидкости, которая может поглощать воду (или другое растворенное вещество) внутри мембран, называемых «поддерживаемыми жидкими мембранами». [15] Обычно существует два типа слоев: высокопористая мембрана, которая содержит поглощающую жидкость, и улавливающий слой, который предотвращает утечку жидкости. Этот поглощающий жидкость слой позволяет им вести себя как селективные мембраны, не имея твердых селективных материалов или очень маленьких пор. Жидкости, внутри которых хорошо поглощается вода ( гигроскопичны ), могут включать гликолевые смеси или ионные жидкости.
Ионная мембрана может использоваться для перемещения влажности в герметичный корпус или из него, используя химические реакции, а не конденсацию или селективные материалы. Эти системы используют электроды и протонпроводящие мембраны для удаления водяного пара путем электролиза . На аноде H 2 O расщепляется на протоны, O 2 и электроны, где протоны проходят через материал и реагируют с окружающим кислородом на другой стороне, чтобы снова создать воду. [16]
Возможно, первыми материалами для такого электролизного осушения были мембраны из твердого полимерного электролита (SPE). Этот подход обеспечивает маломощный, устойчивый осушитель для закрытых помещений, где долгосрочное обслуживание затруднено. Этот электролитический процесс обеспечивает производительность осушения от 0,2 грамма/день из пространства объемом 0,2 м³ (7 куб. футов) до 58 грамм/день из пространства объемом 8 м³ (280 куб. футов). Системы SPE, как правило, не обладают высокой производительностью осушения, но поскольку водяной пар удаляется посредством электролиза, процесс не требует обслуживания. Процесс также потребляет очень мало электроэнергии для работы, не требует никаких 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 образцов или научных приборов от влажной среды.
SPE состоит из протонпроводящего твердого полимерного электролита и пористых электродов с каталитическим слоем, состоящим из частиц благородных металлов. [17] Когда к пористому электроду, прикрепленному к мембране, подается напряжение, влага на стороне анода (сторона осушения) диссоциирует на ионы водорода (H+) и кислород. Ионы водорода мигрируют через мембрану, чтобы разрядиться на стороне катода (сторона разгрузки влаги), где они реагируют с кислородом в воздухе, в результате чего молекулы воды (пар) разряжаются. [18] Кислород выделяется со стороны осушения, и если в герметичный корпус было введено большое количество воды, то внутри корпуса может накапливаться кислород.
Не все осушители собирают конденсат; например, многие типы осушителей выпускают поток воздуха из нагретого осушителя, который содержит насыщенный водой воздух. Он может быть либо повторно сконденсирован и собран в виде конденсата, либо выброшен наружу. Кроме того, некоторые типы кондиционеров распыляют любой собранный конденсат на внешние змеевики конденсатора, чтобы охладить его путем испарения, что повышает общую эффективность.
Изделия, использующие технологию конденсации, традиционно использовали холодную поверхность, где конденсируется влажность в теплом воздухе. Сегодня технология теплой конденсации, основанная на концепции перенасыщенного пара внутри закрытой среды, [ необходимо разъяснение ] позволяет осушать воздух при температурах ниже нуля. Это очень энергоэффективная технология, которая одинаково эффективна при любых температурах.
Большинство портативных осушителей воздуха оснащены емкостью для сбора конденсата, как правило, с поплавковым датчиком , который определяет, когда емкость для сбора заполнена, чтобы отключить осушитель и предотвратить перелив собранной воды. В теплой влажной среде эти ведра обычно заполняются водой за 8–12 часов, и, возможно, их придется вручную опорожнять и заменять несколько раз в день, чтобы обеспечить непрерывную работу.
Многие переносные осушители воздуха также могут быть адаптированы для подключения выхода капель конденсата непосредственно к сливу через шланг. Некоторые модели осушителей воздуха могут подключаться к сантехническим стокам или использовать встроенный водяной насос для опорожнения по мере накопления влаги. В качестве альтернативы можно использовать отдельный конденсатный насос для перемещения собранной воды в место утилизации, когда гравитационный слив невозможен.
Центральные кондиционеры обычно должны быть подключены к сливу, поскольку частое ручное опорожнение нескольких контейнеров с конденсатной водой, извлеченной такими системами, нецелесообразно. Если конденсатная вода направляется в канализационную систему, она должна быть соответствующим образом задержана , чтобы предотвратить попадание в здание септических запахов и канализационных газов. Конденсат не должен направляться в септическую систему дома, поскольку он не требует специальной обработки как сточные воды . Когда высота воздухообрабатывающего устройства (содержащего испаритель) выше уровня поверхностных стоков, используемых для дождевой воды, линии слива конденсата часто могут быть направлены в них. Воздухообрабатывающие устройства, расположенные ниже уровня земли, например, в подвале дома, могут нуждаться в использовании конденсатного насоса для подъема воды в поверхностный сток.
Обычно вода из осушителя считается довольно чистым видом серой воды : не пригодна для питья, но приемлема для полива растений, хотя и не овощей в саду. [19] Проблемы со здоровьем: [19] [ нужен лучший источник ]
Пищевые осушители, также называемые генераторами атмосферной воды , специально разработаны для предотвращения загрязнения токсичными металлами и поддержания чистоты всех поверхностей, контактирующих с водой. Устройства в первую очередь предназначены для производства чистой воды, а эффект осушения рассматривается как вторичный по отношению к их работе.
Если конденсатная вода обрабатывается автоматически, большинство осушителей воздуха требуют очень небольшого обслуживания. Из-за объема воздушного потока через прибор необходимо удалять скопления пыли, чтобы они не препятствовали воздушному потоку; многие конструкции оснащены съемными и моющимися воздушными фильтрами. Поддоны и контейнеры для сбора конденсата могут нуждаться в периодической очистке для удаления скоплений мусора и предотвращения засорения дренажных каналов, что может привести к утечке воды и переливу; если собирается большое количество определенных частиц или пыли, то это может потребоваться делать часто, чтобы избежать роста микробов.
Относительная влажность воздуха в жилых помещениях должна составлять от 30% до 50%. [20]
Осушение воздуха в зданиях может контролировать:
Осушители воздуха также используются в строительных зонах и при ремонте помещений для удаления избыточной влажности или плесени.
Осушители используются в промышленных климатических камерах для снижения относительной влажности и точки росы во многих промышленных применениях: от очистных сооружений и установок по очистке пресной воды до закрытых камер выращивания растений, где контроль влажности имеет решающее значение.
По оценкам 2015 года, прогнозируемый годовой объем мирового рынка осушителей воздуха к 2022 году составит около 3,5 млрд долларов США. Он включает в себя различные типы и области применения, включая бытовые и промышленные, а также различные технологии, такие как вентиляция и осушитель. [21]
