Inženýrský výpočet systémů odvlhčování vzduchu pro zkušební klimatické komory: specifika dynamických režimů

Autor: technické oddělení Mycond

Systémy odvlhčování vzduchu pro zkušební klimatické komory vyžadují zvláštní inženýrský přístup k návrhu a výpočtům, protože tyto komory pracují v mimořádně širokém rozsahu teplot a za podmínek rychlých změn parametrů. Pro zajištění vysoké přesnosti udržování vlhkosti při zkouškách je nutné zohlednit nejen statické charakteristiky zařízení, ale také chování systému v přechodových režimech, což je klíčovou výzvou pro projektanty.

Specifika zkušebních klimatických komor jako objektu řízení vlhkosti

Zkušební klimatické komory jsou z hlediska řízení vlhkosti jedinečným objektem, protože musí zajišťovat kontrolované podmínky v mimořádně širokém rozsahu parametrů. Typické rozsahy pracovních teplot pro takové komory činí od -70°C do +180°C a relativní vlhkost lze regulovat od 10 % do 98 % v závislosti na typu komory a zkušebních standardech.

Zvlášť důležité jsou požadavky na přesnost udržování parametrů, které obvykle činí ±2–3 % relativní vlhkosti. K dosažení této přesnosti je nutné zohledňovat nejen stacionární režimy, ale také dynamické přechody, jež jsou často součástí zkušebních cyklů. Rychlost změny parametrů prostředí je kritickým faktorem, který významně ovlivňuje volbu systému odvlhčování.

Malý objem komory (obvykle od 0,5 do 20 m³) vytváří dodatečné výzvy kvůli nízké setrvačnosti prostředí – jakékoli změny v systému rychle ovlivňují parametry celého objemu. To vyžaduje mimořádně rychlou reakci řídicích systémů a vysokou přesnost regulace.

Je třeba poznamenat, že všechny uvedené rozsahy jsou orientační a mohou se výrazně lišit v závislosti na konkrétním typu komory a zkušebních standardech uplatněných v daném případě.

Fyzika procesu: vztah mezi teplotou, relativní a absolutní vlhkostí

Pochopení psychrometrických procesů je zásadní pro návrh účinných systémů odvlhčování klimatických komor. Při změně teploty vzduchu, i při nezměněném absolutním vlhkostním obsahu, se relativní vlhkost mění nelineárním zákonem.

Pro analýzu těchto procesů se používá h-x diagram Mollier, který názorně ukazuje vztahy mezi teplotou, relativní vlhkostí, entalpií a absolutním vlhkostním obsahem vzduchu. Při ohřevu vzduchu od 0°C do 60°C může relativní vlhkost klesnout 10–15krát, a to i bez odstranění vlhkosti ze vzduchu.

Vlhkostní kapacita vzduchu (maximální množství vodní páry, které může vzduch obsahovat) roste s rostoucí teplotou exponenciálně podle Mendelejev-Clapeyronovy rovnice. Tento vztah lze zjednodušeně vyjádřit takto:

Závislost relativní vlhkosti (φ) na teplotě při konstantním absolutním vlhkostním obsahu (d) se vyjadřuje vztahem:

$$varphi_2 = varphi_1 cdot frac{P_{s1}}{P_{s2}}$$

kde P_s – tlak nasycené vodní páry při příslušné teplotě.

Při prudkých změnách teploty v klimatických komorách se rovněž mění rosný bod, což je kriticky důležité zohlednit při návrhu systémů odvlhčování, zejména pro nízkoteplotní režimy.

Technická omezení kondenzačního odvlhčování v klimatických komorách

Kondenzační metoda odvlhčování, nejrozšířenější u komerčních odvlhčovačů, má při použití v klimatických komorách významná omezení, zejména při nízkých teplotách a rychlých přechodech mezi režimy.

První klíčové omezení – nemožnost provozu při teplotách pod bodem zamrznutí kondenzátu, který obvykle činí 0...+3°C. Při nižších teplotách kondenzát namrzá na povrchu tepelného výměníku, blokuje přenos tepla a zastavuje proces odvlhčování.

Druhým důležitým faktorem je setrvačnost změny výkonu v důsledku tepelné setrvačnosti výparníku, která činí 5 až 15 minut v závislosti na hmotnosti tepelného výměníku. To je obzvlášť kritické pro dynamické režimy zkušebních komor, kde je vyžadována rychlá změna parametrů.

Většina kondenzačních systémů nedokáže udržovat rosný bod pod +3...+5°C, což omezuje minimální dosažitelnou relativní vlhkost při nízkých teplotách. Výkon kondenzačního odvlhčovače také výrazně závisí na teplotě výparníku v souladu se zákony termodynamiky chladicího cyklu.

Je třeba poznamenat, že všechny uvedené teplotní prahy a časové intervaly jsou typickými inženýrskými orientačními hodnotami z praxe a při návrhu systému je nutné je upřesnit pro konkrétní zařízení.

Adsorpční odvlhčování: výhody a technické výzvy pro dynamické režimy

Adsorpční systémy odvlhčování zajišťují výrazně širší rozsah pracovních parametrů ve srovnání s kondenzačními, což je činí nenahraditelnými pro zkušební klimatické komory. Mohou fungovat v rozsahu teplot od -70°C do +80°C a dosahovat rosného bodu až -70°C při použití silikagelových adsorbentů.

Adsorpční systémy však mají svá specifika, která ovlivňují jejich použití v dynamických režimech. Klíčovým parametrem je doba regenerace desikantu, která může činit 20 až 180 minut v závislosti na typu adsorbentu a stupni nasycení. Tato doba určuje cykličnost práce systému a jeho schopnost reagovat na změny režimu.

Účinnost adsorpce různých typů desikantů (silikagel, zeolit, molekulová síta) názorně ukazují adsorpční izotermy – grafy závislosti adsorpční kapacity na relativní vlhkosti při dané teplotě. Důležité je, že adsorpční kapacita výrazně závisí na teplotě regenerace a s růstem teploty od 120°C do 180°C u různých adsorbentů stoupá.

Konkrétní hodnoty adsorpční kapacity a doby regenerace závisejí na výrobci adsorbentu a provozních podmínkách systému, proto se při návrhu doporučuje vycházet z technických specifikací konkrétních materiálů.

Metodika výpočtu výkonu odvlhčování pro klimatické komory

Správný výpočet výkonu systému odvlhčování je klíčový pro zajištění požadovaných parametrů mikroklimatu ve zkušební komoře. Základem takového výpočtu je určení vlhkostního zatížení při změně režimů prostřednictvím rozdílu absolutního vlhkostního obsahu.

Požadovaná rychlost odstraňování vlhkosti (W) může být vypočtena podle vzorce:

$$W = V cdot rho cdot frac{d_1 - d_2}{tau}$$

kde V – objem komory (m³), ρ – hustota vzduchu (kg/m³), d₁ a d₂ – počáteční a koncový absolutní vlhkostní obsah (g/kg), τ – požadovaný čas změny parametrů (hod).

Pro volbu typu odvlhčování se doporučuje následující algoritmus:

• Pokud teplota > +5°C A rosný bod > 0°C, pak je možné kondenzační odvlhčování;
• Pokud teplota +5°C NEBO rosný bod -10°C, pak je nutné adsorpční odvlhčování;
• V ostatních případech se doporučuje kombinovaný systém.

Pro dynamické režimy je nutné zohlednit koeficient rezervy v rozmezí 1,3 až 1,8 v závislosti na rychlosti změny parametrů.

Doba odezvy systému odvlhčování a faktory setrvačnosti

Celková doba odezvy systému odvlhčování je součtem několika složek, které je třeba při návrhu zohlednit, aby byla zajištěna požadovaná rychlost změny parametrů v klimatické komoře.

Hlavními faktory setrvačnosti jsou:

• Tepelná setrvačnost kondenzačního výparníku – závisí na hmotnosti tepelného výměníku a tepelné kapacitě materiálu;
• Doba regenerace adsorpčního rotoru nebo kazet – určuje minimální cyklus práce adsorpčního systému;
• Dopravní zpoždění ve vzduchovodech – počítá se jako objem vzduchovodů dělený průtokem vzduchu;
• Setrvačnost snímačů vlhkosti – činí od 30 sekund do 3 minut v závislosti na typu senzoru.

Celkovou dobu náběhu do režimu lze určit podle vztahu:

$$tau_{total} = tau_{thermal} + tau_{regeneration} + tau_{transport} + tau_{sensor}$$

Konkrétní hodnoty doby závisejí na konstrukci systému a provozním režimu, proto je pro každý projekt nutný individuální výpočet.

Systémy kombinovaného odvlhčování a bufferování

Pro zajištění spolehlivého provozu v širokém rozsahu teplot a vlhkosti je optimálním řešením použití kombinovaných systémů odvlhčování. Tyto systémy spojují výhody kondenzační a adsorpční metody, což umožňuje efektivní práci v různých režimech.

Základním principem těchto systémů je sekvenční odvlhčování, kdy první stupeň (kondenzační) snižuje vlhkostní obsah na střední hodnoty a druhý (adsorpční) zajišťuje dosažení nízkého rosného bodu. Systém se automaticky přepíná mezi režimy v závislosti na teplotě nebo požadovaném rosném bodu.

Důležitým prvkem kombinovaných systémů jsou vyrovnávací zásobníky upraveného vzduchu, které umožňují vyhlazovat přechodové procesy a zajišťovat stálé dodávání vzduchu s danými parametry i při přepínání mezi režimy odvlhčování.

Typické inženýrské chyby a mylné představy

Při návrhu systémů odvlhčování pro klimatické komory se odborníci často dopouštějí typických chyb, které mohou vést k neefektivnímu provozu zařízení nebo dokonce k narušení zkoušek.

Nejčastější chyby zahrnují:

• Volbu odvlhčovače pouze podle objemu komory bez zohlednění rychlosti změny parametrů;
• Použití kondenzačního odvlhčování pro nízkoteplotní komory pracující pod 0°C;
• Ignorování změny relativní vlhkosti při změně teploty;
• Výpočet výkonu bez zohlednění doby odezvy systému.

Zvlášť nebezpečná je mylná představa, že přesnost ±2 % relativní vlhkosti je dosažitelná při jakékoli rychlosti změny teploty, ačkoli ve skutečnosti závisí na setrvačnosti celého systému.

Závěry

Návrh systémů odvlhčování pro zkušební klimatické komory vyžaduje komplexní přístup se zohledněním širokého rozsahu parametrů, dynamických režimů a vysokých požadavků na přesnost. Klíčovými faktory úspěšného návrhu jsou:

• Správná volba typu odvlhčování v závislosti na rozsahu teplot a požadovaném rosném bodu;
• Zohlednění psychrometrických procesů při proměnné teplotě;
• Výpočet doby odezvy systému jako součtu všech složek setrvačnosti;
• Využití kombinovaných systémů pro široký rozsah podmínek;
• Individuální přístup k výpočtu výkonu pro každé konkrétní použití.

Dodržení těchto principů umožní vytvořit účinný systém odvlhčování, který zajistí stabilní parametry mikroklimatu v klimatické komoře i v nejnáročnějších zkušebních režimech.