Autor: technické oddělení Mycond.
Návrh účinných systémů vysoušení vzduchu vyžaduje přesné pochopení fyzikálních procesů, které probíhají v desikantních vysoušečích, a jejich vlivu na celkovou tepelnou bilanci systému. Správný výpočet tepelného zatížení od adsorpčního vysoušeče na chladicí systém je zásadní pro zajištění optimálních parametrů mikroklimatu a energetické účinnosti.
Proč je důležité počítat tepelné zatížení od desikantního vysoušeče
Desikantní a kondenzační vysoušeče pracují na zásadně odlišných fyzikálních principech. Kondenzační vysoušeče odstraňují vlhkost ochlazením vzduchu pod rosný bod, což vede ke kondenzaci vlhkosti. Naproti tomu desikantní vysoušeče využívají proces adsorpce vodní páry na povrchu adsorbentu (silikagelu, zeolitů, molekulárních sít) bez ochlazování, naopak — se značným ohřevem vzduchu.
Typická chyba projektantů spočívá v extrapolaci zkušeností z kondenzačních systémů (kde je změna teploty minimální) na desikantní systémy. U desikantních systémů může být nárůst teploty významný a závisí na množství odstraněné vlhkosti, typu adsorbentu a režimu regenerace. Ignorování tohoto faktu vede k vážným důsledkům: přehřívání prostoru, nedostatečný výkon chlazení a výrazné zvýšení spotřeby energie.
Fyzikální základ: přeměna latentního tepla na citelné teplo (sensible heat)
Pro pochopení procesu je důležité jasně definovat inženýrské pojmy. Latentní teplo — je energie skrytá ve vodní páře, která nemění teplotu vzduchu, spotřebovává se při vypařování a uvolňuje při kondenzaci. Sensible heat (citelné teplo) — je teplo, které přímo mění teplotu prostředí bez změny jeho vlhkostního obsahu.
Proces adsorpce v desikantních vysoušečích probíhá, když se molekuly vody přichytávají na porézní strukturu adsorbentu. Při tom se uvolňuje teplo adsorpce, které je svou povahou blízké teplu kondenzace. Při přechodu molekul vody z plynného stavu do adsorbovaného stavu na povrchu adsorbentu se uvolňuje energie mezimolekulárních vazeb. Teplo adsorpce na silikagelu činí 2400-2600 kJ/kg, což je dáno energií mezimolekulárních vazeb při přechodu vody z plynného do adsorbovaného stavu.
Na psychrometrickém Mollierově diagramu se tento proces zobrazuje jako čára směřující doprava dolů, což odpovídá zvýšení teploty suchého teploměru při současném snížení vlhkostního obsahu. Naopak u kondenzačních vysoušečů je proces znázorněn čarou doleva dolů, protože dochází současně ke snížení teploty i vlhkostního obsahu.
Zdroje tepelného zatížení v desikantním vysoušeči
V desikantním vysoušeči lze rozlišit čtyři hlavní zdroje tepelného zatížení:
1. Teplo adsorpce — uvolňuje se přímo do procesního proudu při adsorpci vodní páry. Jde o hlavní zdroj tepelného zatížení, ale jeho podíl v celkové bilanci závisí na konstrukci zařízení, poměru sektorů adsorpce a regenerace i na kvalitě tepelné izolace.
2. Přenos tepla z regeneračního sektoru — v tomto sektoru se adsorbent ohřívá za účelem obnovení jeho sorpční kapacity. Teplota regenerace závisí na typu adsorbentu: silikagel vyžaduje nižší teploty kvůli menší energii desorpce, molekulární síta vyšší teploty kvůli silnějším vazbám v krystalické struktuře. Část tohoto tepla se přenáší do procesního vzduchu přes rotor i při existenci proplachovacích zón.
3. Mechanické teplo — generuje se otáčením rotoru a prací ventilátorů, kdy se elektrická energie částečně mění na teplo.
4. Ztráty přes skříň — při nedostatečné tepelné izolaci může část tepla z regeneračního sektoru pronikat do procesního proudu přes skříň zařízení.
V souhrnu, přestože teplo adsorpce je hlavním zdrojem zatížení, celkový tepelný tok je dán součtem všech uvedených faktorů.
Metodika výpočtu pomocí hmotnostní bilance vlhkosti
Pro předběžné posouzení tepelného zatížení lze použít metodu hmotnostní bilance vlhkosti. Algoritmus výpočtu se skládá z následujících kroků:
Krok 1: Určit parametry vzduchu na vstupu a výstupu (teplotu a vlhkostní obsah) pomocí psychrometrického diagramu nebo výpočtových tabulek v souladu s normami ISO 7726 a EN 16798-1, které stanovují parametry vnitřního prostředí.
Krok 2: Vypočítat hmotnostní průtok suchého vzduchu. Je-li dána objemová průtočná rychlost, hmotnostní průtok se určí přes hustotu vzduchu, která závisí na teplotě a tlaku.
Krok 3: Určit množství odstraněné vlhkosti. Hmotnost odstraněné vlhkosti se stanoví jako součin hmotnostního průtoku suchého vzduchu a rozdílu vlhkostního obsahu na vstupu a výstupu z vysoušeče.
Krok 4: Vypočítat teplo adsorpce. Teplo adsorpce se určí vynásobením hmotnosti odstraněné vlhkosti měrným teplem adsorpce. Měrné teplo adsorpce závisí na typu adsorbentu: u silikagelu je blízké teplu kondenzace kvůli podobnosti fyzikálních procesů, u molekulárních sít je vyšší kvůli silnějším vazbám v krystalické struktuře.
Krok 5: Určit nárůst teploty. Nárůst teploty se stanoví jako podíl tepla adsorpce a součinu hmotnostního průtoku vzduchu a měrné tepelné kapacity vzduchu.
Krok 6: Určit skutečnou výstupní teplotu se zohledněním všech zdrojů tepla. Dodatečné složky od regenerace, mechanického tepla a tepelných ztrát se odhadují na základě konstrukčních vlastností zařízení nebo jsou poskytovány výrobcem.
Je důležité chápat, že jde o zjednodušenou metodiku pro předběžné odhady. Přesný výpočet vyžaduje podrobné údaje od výrobce zařízení nebo specializované modelování podle standardů ASHRAE 90.1 a EN 16798-5-1, které stanovují metodiky výpočtu energetické náročnosti větracích systémů.
Metodika výpočtu pomocí změny entalpie vzduchu
Výpočet tepelného zatížení pomocí změny entalpie vzduchu je přesnější přístup, protože automaticky zohledňuje změnu jak teploty, tak vlhkostního obsahu. Entalpie vlhkého vzduchu je součet entalpie suchého vzduchu a vodní páry v něm obsažené.
Entalpie vzduchu na výstupu z vysoušeče zahrnuje entalpii vstupního vzduchu plus teplo adsorpce odstraněné vlhkosti. Tepelné zatížení na chladicí systém se určuje jako součin hmotnostního průtoku vzduchu a rozdílu mezi entalpií za vysoušečem a cílovou entalpií potřebnou pro přívod do prostoru.
Pro ilustraci uvažujme příklad: pokud entalpie vzduchu za vysoušečem činí 65 kJ/kg a cílová entalpie pro přívod do prostoru je 45 kJ/kg (hodnoty určeny na základě požadavků EN 16798-1 na parametry mikroklimatu), při hmotnostním průtoku vzduchu 1 kg/s bude tepelné zatížení na chlazení 20 kW. Tyto hodnoty jsou ilustrační a v reálném projektu se určují na základě skutečných provozních podmínek, parametrů prostoru a charakteristik zařízení a nelze je přenášet na jiné objekty bez přepočtu.
Vliv konstrukčních a provozních parametrů
Tepelné zatížení od desikantního vysoušeče výrazně závisí na řadě konstrukčních a provozních parametrů:
1. Poměr ploch sektorů adsorpce a regenerace — větší plocha regenerace zvyšuje přenos tepla do procesního proudu, ale zlepšuje obnovu adsorbentu. Optimální poměr se určuje na základě rovnováhy mezi účinností vysoušení a tepelným zatížením.
2. Teplota regeneračního vzduchu — vyšší teplota urychluje proces desorpce, ale zvyšuje přenos tepla do procesního proudu. Silikagel vyžaduje nižší regenerační teploty kvůli menší energii desorpce, molekulární síta vyšší kvůli silnějším vazbám v krystalické struktuře.
3. Rychlost otáčení rotoru — ovlivňuje dobu kontaktu adsorbentu s procesními a regeneračními proudy. Optimální rychlost otáčení závisí na vstupních parametrech vzduchu a požadovaném stupni vysoušení.
4. Stupeň nasycení adsorbentu — více nasycený adsorbent je méně účinný při odstraňování vlhkosti, ale méně se ohřívá, protože se proces adsorpce zpomaluje.
5. Typ adsorbentu — ovlivňuje teplo adsorpce: silikagel má nižší teplo adsorpce kvůli slabším vazbám s molekulami vody, molekulární síta vyšší díky uspořádanější krystalické struktuře a silnějším vazbám.
6. Přítomnost chladicích sektorů — některé konstrukce vysoušečů zahrnují sektory chlazení adsorbentu před jeho návratem do procesního proudu, což snižuje přenos tepla.
Všechny tyto parametry jsou vzájemně provázané a jejich vliv nelze vyjádřit jednoduchými koeficienty. Pro přesné určení tepelného zatížení je nutné používat charakteristiky poskytované výrobcem nebo specializované modelování podle standardů ASHRAE 62.1 a EN 16798-3, které upravují větrání pro zajištění přijatelné kvality vnitřního ovzduší.
Integrace vysoušeče do systému větrání a klimatizace
Umístění desikantního vysoušeče vůči chladiči v systému větrání zásadně ovlivňuje tepelné zatížení a účinnost systému:
POKUD je vysoušeč umístěn za chladičem, PAK je vzduch již částečně odvlhčen kondenzací, zátěž na adsorbent je menší, ale teplota po vysoušení výrazně stoupá, což vyžaduje dodatečnou fázi chlazení. Výhody: snížení zátěže vysoušeče, možnost použít vysoušeč menšího výkonu. Nevýhody: složitější schéma, potřeba dalšího zařízení.
Tepelné zatížení v tomto případě se určuje jako součet zatížení na předchlazení a zatížení na finální dochlazení za vysoušečem.
POKUD je vysoušeč umístěn před chladičem, PAK vysoušeč pracuje s teplým a vlhkým vzduchem, celý nárůst teploty se kompenzuje následujícím chladičem, výkon chladiče musí být podstatně vyšší. Výhody: jednoduché schéma, celý nárůst teploty se kompenzuje jedním chladičem. Nevýhody: vyšší chladicí výkon, větší zátěž na adsorbent.
Tepelné zatížení v tomto případě se určuje jako součin hmotnostního průtoku vzduchu a rozdílu entalpie mezi vzduchem za vysoušečem a cílovým přívodním vzduchem do prostoru.
Volba optimální konfigurace závisí na cílových parametrech mikroklimatu, energetické účinnosti, rozpočtu a dostupném prostoru pro zařízení. Rozhodnutí se přijímá na základě technicko-ekonomického porovnání variant v souladu s normami EN 15459-1 a ASHRAE 90.1, které stanovují metodiky hodnocení ekonomické efektivnosti energetických systémů budov.
Typické inženýrské chyby a mylné představy
Při navrhování systémů s desikantními vysoušeči se inženýři často dopouštějí těchto chyb:
1. Předpoklad izoentalpického procesu — mylná domněnka, že proces vysoušení probíhá beze změny entalpie. To vede k vážnému podhodnocení tepelného zatížení, které může činit 20–40 % reálné hodnoty při vysoké intenzitě vysoušení. Toto podhodnocení je úměrné množství odstraněné vlhkosti: čím více vlhkosti se odstraňuje, tím větší je chyba. Správný přístup: používat metodiku ze sekce "Metodika výpočtu pomocí změny entalpie vzduchu".
2. Použití empirických vzorců pro kondenzační vysoušeče — u kondenzačních vysoušečů nárůst teploty činí 2–3 °C v důsledku uvolnění tepla kondenzace v omezeném objemu, zatímco u desikantních může být nárůst podstatně větší kvůli teplu adsorpce a dalším tepelným tokům od regenerace. Správný přístup: aplikovat speciální výpočetní metodiky pro desikantní systémy popsané v kapitolách 4 a 5.
3. Ignorování vlivu regeneračního vzduchu — podhodnocení přenosu tepla ze sektoru regenerace může vést k dodatečnému neočekávanému zatížení v rozmezí 5–15 % hlavního. Tento podíl závisí na teplotě regenerace a konstrukci rotoru: čím vyšší teplota regenerace a horší tepelná izolace mezi sektory, tím větší vliv. Správný přístup: zohlednit všechny zdroje tepla, jak je popsáno v sekci "Zdroje tepelného zatížení".
4. Nesprávné určení parametrů za vysoušečem — chyby při stanovení teploty a vlhkosti vzduchu po vysoušeči vedou k nesprávnému výpočtu tepelného zatížení. Správný přístup: používat data výrobce nebo metodiky popsané v kapitolách 4 a 5.
5. Absence kompenzace v tepelné bilanci — ignorování dodatečného tepelného zatížení při výpočtu chladicího systému může vést k nedostatečnému chladicímu výkonu, který představuje 15–30 % celkového zatížení. Tento podíl závisí na poměru citelného a latentního tepla v prostoru. Správný přístup: plně integrovat tepelné zatížení od vysoušeče do celkové tepelné bilance systému.
6. Použití katalogových dat bez upřesnění zkušebních podmínek — charakteristiky uvedené v katalozích často odpovídají specifickým zkušebním podmínkám, které se mohou lišit od projektových. Správný přístup: požadovat od výrobců údaje pro konkrétní projektové podmínky nebo používat metodiky přepočtu.
Meze použití metodiky a zvláštní případy
Popisované metodiky výpočtu tepelného zatížení mají určitá omezení a ne vždy jsou použitelné v následujících případech:
1. Teplotní meze — při nízkých teplotách (pod 5 °C pro většinu adsorbentů) se zpomaluje difuze molekul vody, což snižuje účinnost adsorpce. Při vysokých teplotách (nad 45–50 °C pro silikagel) se adsorpční kapacita snižuje z termodynamických důvodů — růst kinetické energie molekul vody brání jejich udržení na povrchu adsorbentu. Tyto teplotní prahy závisejí na typu adsorbentu: silikagel má nižší tepelnou odolnost, molekulární síta vyšší.
2. Hraniční vlhkosti — při velmi nízké vlhkosti klesá účinnost vysoušení kvůli nedostatku molekul vody ve vzduchu, a při extrémně vysoké vlhkosti se adsorbent rychle nasycuje, což mění kinetiku procesu a tepelné toky.
3. Systémy s částečnou regenerací — pokud je regenerace adsorbentu neúplná, akumulace zbytkové vlhkosti mění teplofyzikální vlastnosti adsorbentu a bilanci tepelných toků.
4. Systémy s integrovaným chlazením — některé vysoušeče mají vestavěné výměníky tepla pro ochlazení vzduchu po adsorpci. Vnitřní tepelné toky v těchto systémech nejsou zohledněny standardními metodikami.
5. Kapalné desikantní systémy — používají kapalné adsorbenty (roztoky chloridu lithného, bromidu lithného apod.), což zásadně mění fyziku procesu adsorpce a tepelné toky.
Ve všech těchto případech je pro korektní posouzení tepelného zatížení potřeba specializovaná analýza, modelování nebo konzultace s výrobci zařízení v souladu s normami ISO 52000-1 a ASHRAE 90.1, které určují metodiky hodnocení energetické účinnosti budov.
FAQ (Často kladené otázky)
Otázka 1: O kolik stupňů se zvýší teplota za vysoušečem?
Odpověď: Nárůst teploty závisí na množství odstraněné vlhkosti, typu adsorbentu a režimu regenerace. Orientačně může nárůst činit 5 až 25 °C. Toto rozmezí není univerzální a závisí na konkrétních provozních podmínkách: čím více vlhkosti se odstraní, tím větší je nárůst teploty. Přibližně lze nárůst teploty odhadnout podle vzorce: nárůst teploty (ve stupních Celsia) = množství odstraněné vlhkosti (v gramech na kilogram suchého vzduchu) × teplo adsorpce (v kJ/kg) / měrná tepelná kapacita vzduchu (v kJ/(kg×°C)). Tento vzorec je použitelný pro předběžné odhady s chybou do 20 % a nezohledňuje dodatečné tepelné toky od regenerace.
Otázka 2: Lze jednoduše zvýšit výkon klimatizace pro kompenzaci tepelného zatížení?
Odpověď: Ano, je to nutné, ale je třeba zohlednit důsledky. Zvýšení výkonu klimatizace vede k růstu investičních nákladů (vyšší cena zařízení) a provozních nákladů (vyšší spotřeba energie). Alternativami mohou být: použití předchlazení vzduchu před vysoušečem, využití rekuperace tepla, optimalizace provozních režimů vysoušeče nebo volba energeticky účinnější konfigurace systému.
Otázka 3: Jak minimalizovat tepelné zatížení od desikantního vysoušeče?
Odpověď: Pro minimalizaci zatížení lze použít tato opatření: použití chlazených sektorů v rotoru vysoušeče, optimalizace teploty regenerace (ne vyšší, než je nutné pro účinnou regeneraci), využití rekuperace tepla ze vzduchu za vysoušečem, optimalizace rychlosti otáčení rotoru, volba adsorbentu s nižším teplem adsorpce pro konkrétní podmínky, použití předchlazení a vysoušení kondenzací před desikantním vysoušečem.
Otázka 4: Liší se výpočet pro silikagel a molekulární síta?
Odpověď: Ano, výpočet se liší kvůli rozdílnému teplu adsorpce. Molekulární síta mají vyšší teplo adsorpce (až 3000–3200 kJ/kg) kvůli silnějším iontovým a kovalentním vazbám v jejich uspořádané krystalické struktuře. Silikagel má nižší teplo adsorpce (2400–2600 kJ/kg) kvůli méně uspořádané struktuře a slabším van der Waalsovým interakcím s molekulami vody. Tento rozdíl ovlivňuje nárůst teploty a celkové tepelné zatížení.
Otázka 5: Co je lepší — vysoušeč před nebo za chladičem?
Odpověď: Jednoznačná odpověď neexistuje, volba závisí na konkrétních podmínkách projektu. Umístění vysoušeče před chladičem zjednodušuje schéma, ale zvyšuje zátěž vysoušeče a vyžaduje vyšší chladicí výkon. Umístění za chladičem snižuje zátěž vysoušeče, ale schéma komplikuje a vyžaduje dodatečnou fázi chlazení. Optimální řešení se určuje technicko-ekonomickou analýzou pro konkrétní projekt se zohledněním všech parametrů.
Otázka 6: Je potřeba samostatný výpočet pro každý provozní režim?
Odpověď: Ano, tepelné zatížení se mění v závislosti na provozním režimu systému. Je nutné provádět výpočty pro charakteristické režimy: jmenovité zatížení, částečné zatížení, špičkové podmínky (maximální vlhkost), minimální zatížení (nízká vlhkost). Zvláště důležité je počítat špičkové režimy pro správnou volbu výkonu chladiče.
Otázka 7: Jaká je přesnost výpočtu podle popsaných metodik?
Odpověď: Zjednodušená metodika hmotnostní bilance dává chybu do 15–20 % kvůli nezohlednění všech tepelných toků. Entalpická metoda je přesnější (chyba 5–10 %), ale má také omezení. Pro finální projektování se doporučuje používat data výrobce, modelování nebo experimentální data. Je důležité předvídat rezervu chladicího výkonu (10–15 %) pro kompenzaci možných odchylek a zajistit možnost regulace systému.
Závěry
1. Desikantní vysoušeče vždy zvyšují teplotu vzduchu v důsledku uvolnění tepla adsorpce. Jde o základní fyzikální vlastnost procesu, kterou nelze odstranit, pouze kompenzovat nebo minimalizovat.
2. Tepelné zatížení od desikantního vysoušeče může tvořit významnou část celkového tepelného zatížení systému klimatizace. Ignorování tohoto faktu je kritickou projekční chybou. Podíl tohoto zatížení může dosahovat 20–40 % z celku v závislosti na množství odstraněné vlhkosti a poměru citelného a latentního tepla v prostoru.
3. Výpočet tepelného zatížení lze provádět dvěma hlavními metodami: pomocí hmotnostní bilance vlhkosti (pro předběžné odhady) a pomocí změny entalpie vzduchu (pro detailní projekt). Obě metody musí zohledňovat všechny zdroje tepla. Přesnost metod závisí na úplnosti vstupních dat a složitosti systému.
4. Volba konfigurace systému (umístění vysoušeče vůči chladiči) výrazně ovlivňuje rozdělení zatížení. Optimální řešení se určuje analýzou konkrétního projektu, neexistuje univerzální varianta.
5. Pro minimalizaci tepelného zatížení existují různá technická řešení, z nichž každé má své výhody a nevýhody. Volba řešení musí vycházet z technicko-ekonomické analýzy.
6. Přesnost výpočtu tepelného zatížení závisí na kvalitě vstupních dat. Pro zodpovědné projekty je nutné používat zkušební data, specializované modelování a předpokládat technické rezervy.
7. Metodika výpočtu má omezení v extrémních podmínkách, pro které je nutná specializovaná analýza.
Správné zohlednění tepelného zatížení od desikantního vysoušeče je nezbytné pro kvalitní návrh systémů klimatizace a větrání. Inženýr musí ovládat metodiku výpočtu, rozumět fyzice procesů, používat ověřená data a kriticky hodnotit získané výsledky. Dodržování norem EN 16798, ISO 52000 a ASHRAE 90.1 zajistí soulad systému s požadavky na energetickou účinnost a komfort.
