ПРОЦЕССЫ УвлажнениЯ воздуха

3.4.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УВЛАЖНИТЕЛЕЙ ВОЗДУХА

Экологические проблемы в больших городах, связанные с загрязнением воздуха, оказывают неблагоприятное влияние на здоровье и самочувствие людей. Некомфортные параметры окружающей среды становятся причиной многих заболеваний, снижают работоспособность и устойчивость к стрессам, к другим болезням, прямо не связанным с экологией. Среди параметров окружающей среды, влияющих на здоровье человека, можно выделить несколько наиболее значимых:

- Температура

- Влажность

- Давление

- Газовый состав воздуха

- Загрязненность воздуха механическими примесями

- Бактериальная загрязненность воздуха

Температурные параметры регулируются кондиционерами. Регулирование давления в настоящий момент не применяется в быту.

Исследования, проводившиеся и в России, и за рубежом, выявили закономерность – загрязненность воздуха в помещениях существенно (в разы) превышает загрязненность воздуха на улице. Причин этому несколько, основные – выделение вредных веществ современными материалами (пластик, ДСП) и накопление вредных веществ, поступающих с улицы.

Основной способ борьбы с такими загрязнителями воздуха – длительное и частое проветривание помещений, организация систем вентиляции воздуха. В России эта проблема стоит острее, чем во многих других странах. Во-первых, по устаревшим строительным нормам в жилых помещениях не предусмотрены системы принудительной вентиляции. Во-вторых, используемые в быту материалы часто выделяют больше вредных веществ (менее жесткие нормы, менее жесткий контроль, ниже доходы населения – используются более дешевые материалы). Однако, не всегда и не все проблемы решаются только проветриванием (вентиляцией).

Большое влияние на самочувствие человека оказывает влажность воздуха. По санитарным нормам она должна колебаться от 40% до 70% относительной влажности. Более сухой воздух приводит к пересушиванию слизистых у человека, что может способствовать возникновению различных заболеваний. Более влажный воздух («духота») нарушает механизмы терморегуляции у человека (снижается испарение) и способствует развитию грибков, плесени, бактерий. Для людей, имеющих склонность к заболеваниям дыхательных путей границы комфортной влажности еще жестче. Даже на территориях с умеренным климатом параметры воздуха не всегда соответствуют санитарным нормам, особенно в зимний период. При низких уличных температурах даже при 100% относительной влажности в воздухе содержится очень немного влаги. При проветривании, например, воздух с улицы попадает в помещение и нагревается. При этом влаги в нем больше не становится и относительная влажность снижается существенно ниже необходимой. Для решения проблемы сухости воздуха выпускаются увлажнители воздуха. Они различны по принципам действия и функциональным возможностям. В основном, можно разделить увлажнители воздуха на три вида:

1) «Холодного» типа. Увлажнение воздуха происходит за счет вбрызгивания мелких капель воды в воздушный поток. Недороги и просты в эксплуатации, однако не могут регулировать влажность воздуха в широких пределах.

Принцип работы традиционных увлажнителей заключается в испарении воды с увлажняющего фильтра (специальной сетки, находящейся внутри прибора), который постоянно пропитывается водой из резервуара. Встроенный вентилятор засасывает воздух из помещения и направляет его на испаритель.

В увлажнителях "холодного" испарения воздух прогоняется вентилятором через увлажняющий картридж, т.е. влажный фильтр, в результате чего незначительно охлаждается (при испарении вода поглощает тепло) и увлажняется.

Производительность таких увлажнителей зависит от влажности воздуха - чем она выше, тем ниже скорость испарения. Так как влажность воздуха в таком случае автоматически поддерживается на оптимальном уровне, увлажнители воздуха "холодного" испарения используются в детских комнатах, спальнях, офисах, комнатах с паркетом. Увлажнители с производительностью 150-300 граммов воды в час позволяют достичь оптимальной для человека влажности воздуха (40-60 процентов).

Преимущества традиционных увлажнителей воздуха:

- саморегулирование влажности – не требуют использования гигростата (мокрое белье не будет сохнуть во влажном помещении, даже если его обдувать воздухом);

- работа увлажнителя не воспринимается визуально;

- надежность (если закончится вода, то вентилятор увлажнителя будет продолжать работать, влажность при этом поддерживаться не будет, но это не повредит оборудованию и не повлияет на срок службы самого увлажнителя)

Недостатки традиционных увлажнителей воздуха:

- не может поднять влажность более 60%;

- необходимость смягчения воды;

- ограниченный срок службы увлажняющего фильтра (если не принимать дополнительные меры для смягчения воды).

Традиционные увлажнители воздуха целесообразно использовать, если в доме есть маленькие дети или домашние животные.

2) Парового типа. За счет нагрева (испарения) воды увлажняют воздух. Также относительно недороги, диапазон регулирования влажности существенно шире, чем у «холодных» увлажнителей. Но несколько повышают (не очень заметно) температуру в помещении (все-же используют нагрев).

Паровые увлажнителихарактеризуются самой большой производительностью - до 700 граммов воды в час. яЭти приборы должны быть оснащены надежной системой безопасности, чтобы исключить ожог от выходящего пара.

Паровые увлажнители воздуха даже с производительностью до 400 граммов воды в час позволяют достичь 80-100-процентной влажности. Паровые увлажнители при относительно низкой стоимости обладают большой мощностью и не требует частого и сложного ухода.

Увлажнители этого типа работают по принципу горячего испарения, при котором увлажнение происходит стерильным паром. нагрев воды производится с помощью нагревательного элемента с антипригарным покрытием. Он нагревает воду до 100°С в отдельной камере и при этом не кипятит весь объем. Антипригарное покрытие повышает долговечность нагревательного элемента и исключает образование накипи. Благодаря такому решению производительность и энергопотребление увлажнителя остаются постоянными и не зависят от жесткости воды. Прибор максимально прост в эксплуатации и не требователен к качеству воды, а трехуровневая система безопасности автоматически отключит прибор при низком уровне воды и не допустит контакт рук с горячей водой и нагревательным элементом.

Применение специальной технологии позволяет снизить температуру выходящего пара до 50…60°С, который не может обжечь даже поднесенную вплотную к прибору руку. Тем не менее, первые 8-10 см пара, выходящего из отверстия, имеют температуру выше 50°С, поэтому соблюдение правил эксплуатации необходимо. Паровые увлажнители лучше всего подходят для установки в оранжереях, теплицах, зимних садах, они снабжены отсеком для ароматических веществ и поэтому идеально подходят для ингаляций и ароматерапии.

3) Ультразвукового типа. За счет высокочастотных колебаний воды у ее поверхности создается разрежение, в которое попадает часть воды. Регулируют влажность в широком диапазоне (как паровые), в то же время, не нагревают помещение.

Ультразвуковые увлажнители воздуха - наиболее совершенный и популярный тип увлажнителей. Они имеют небольшие габариты, малую потребляемую мощность и высокую производительность.

Принцип действия ультразвуковых увлажнителей основан на «холодном» кипении воды под воздействием ультразвуковых колебаний. Основой этих устройств являются пьезоэлектрические преобразователи для создания механических колебаний ультразвуковой частоты. На погруженный в воду пьезоэлектрический кристалл подается высокочастотное напряжение, преобразуемое в механическую вибрацию. В водяном слое образуются чередующиеся между собой волны повышенного и пониженного давления. В областях пониженного давления происходит вскипание жидкости при обычной комнатной температуре (так называемая кавитация) с выбросом в воздух мелкодисперсных частиц. Проще говоря, ультразвуковой увлажнитель позволяет генерировать туман в домашних условиях.

Прибор увлажнения воздуха состоит из вращающегося распылителя, распыляющей камеры, емкости для воды, резервуара, мембраны с повышенным рабочим ресурсом и покрытием из титаниумнитрита, панели управления и других составляющих.

Сменный фильтр-картридж с ионами серебра выполнен по NANO-технологии и содержит ионообменную смолу, что способствует умягчению жесткой воды и препятствует образованию белого налета, оседающего на стенах, мебели и предметах интерьера.

Поток воздуха, создаваемый вентилятором, подает водяную взвесь в помещение. Внешне это выглядит так, как будто внутри увлажнителя кипит вода. Выпускаемые пары только на вид кажутся горячими, на поверку они холодные и влажные, а также абсолютно безопасные как для здоровья человека, так и для растений.

Преимущества ультразвуковых увлажнителей воздуха:

w точный контроль влажности;

w безопасность - нормальная температура выходящего пара (не более 40°С);

w низкий уровень шума;

w экономичность - производительность ультразвуковых увлажнителей 7-12 литров/сутки при потребляемой мощности 40 - 50 вт

w некоторые модели ультразвуковых увлажнителей помимо гигростатов снабжены дисплеями и пультами дистанционного управления.

Недостатком ультразвуковых увлажнителей воздуха является необходимость также как и в традиционных увлажнителях, использования деминерализованной или дистиллированной воды. Это объясняется тем, что водяной пар образуется не испарением, а механическим расщеплением воды на мельчайшие капли. При этом в воздух попадают все растворенные в воде вещества, которые в последствии оседают на мебели и стенах, образуя тонкий белый налет. Для уменьшения жесткости воды в некоторых моделях увлажнителей предусмотрена установка фильтра с ионообменной смолой (как в очистителях для воды), имеющего ограниченный ресурс.

В последнее время в продаже появились ультразвуковые увлажнители воздуха с предварительным подогревом воды. В этих приборах вода нагревается до температуры 85 - 90 градусов, при которой погибает большинство содержащихся в воде микроорганизмов. Увлажнители с подогревом также образуют холодный пар, температура которого не превышает 40 градусов.

Увлажнитель воздуха – это просто устройство с определенными техническими характеристиками (одна из таких характеристик – масса испаряемой за час воды). Бывают случаи, когда увлажнитель воздуха может не дать быстрого эффекта. Например, в деревянном особняке, построенном из хорошо просушенного дерева, зимой сухой воздух может доставлять неудобства владельцу помещения. В данном случае увлажнитель не сможет поддерживать комфортную влажность. т.к. сухое дерево будет впитывать влагу. При покупке увлажнителя не стоит ожидать от него прецизионного поддержания заданного процента влажности. Задача увлажнителя – поддержание влажности в пределах санитарных норм.

Увлажнитель – это бытовой прибор, точность измерения им влажности воздуха и поддержания ее не очень велика. У увлажнителей нет выносных датчиков влажности, измерение производится рядом с выходом влажного воздуха. Возникает погрешность метода измерения. Она складывается с погрешностью самого измерителя (достаточно большой). Так, измерительные приборы, имеющие гораздо большую точность, имеют погрешность измерения порядка +/- 5% и стоимость, сопоставимую со стоимостью увлажнителя. Более точные измерители (погрешность +/- 2%) стоят около 600 $, без учета стоимости системы автоматики и точного увлажнения.

В последнее время широкое распространение получают увлажнители с функцией очистки воздуха или климатические комплексы - это приборы, которые совмещают в себе две основные функции по созданию благоприятной экологической атмосферы в помещении: увлажнение и очистка воздуха (в качестве дополнительных функций могут быть ароматизация и/или ионизация воздуха).

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) провела оценку ряда факторов риска с точки зрения их вклада в бремя болезней. В соответствии с этой оценкой, загрязнение воздуха внутри помещений является восьмым по значимости фактором риска, ответственным за 2,7 % глобального бремени болезней.

Уровень загрязнения взвешенными частицами, измеряемый обычно в микрограммах на кубический метр, является одним из важнейших показателей качества воздуха, которым дышат люди. Согласно стандартам качества воздуха, разработанным ВОЗ, этот показатель не должен превышать 90 мкг/м³. В действительности, как это видно на карте, во многих городах этот показатель значительно превышается.

По данным российских экологов, домашний воздух зачастую в 4-6 раз грязнее и в 8-10 раз токсичнее уличного, в связи с тем, что современные строительные нормы требуют осуществлять тщательную герметизацию жилых и рабочих помещений в целях сбережения энергии. При отсутствии вентиляционных систем и систем фильтрации в воздухе закрытых помещений накапливаются различные вещества, многие из которых могут оказывать крайне негативное влияние на здоровье человека. В настоящее время помимо «естественных» загрязнителей – пыли, бактерий, пыльцы и шерсти животных - нередко источником токсичных соединений являются различные материалы, которые применяются в строительстве жилых и других зданий, а также мебель, изготовленная из синтетики. В помещении, в котором воздух не очищается, в одном литре воздуха содержится до 300 тысяч пылинок размером 0,5 микрона.

Увлажнители с функцией очистки воздуха различают по методу очистки воздуха: с помощью фильтрующего элемента или водяного фильтра. Уровень современных технологий увлажнителей-очистителей известных производителей позволяет на должном уровне очищать воздух прибором, использующим любой из методов очистки, поэтому главная задача, стоящая при выборе увлажнителя очистителя воздуха: правильно подобрать прибор с учетом необходимой производительности.

При выборе увлажнителей-очистителей воздуха, важное значение имеет объем помещения, для которого подбирается очиститель - увлажнитель воздуха. Поэтому необходимо рассчитать нужную производительность прибора. Для эффективной очистки, воздухоочиститель должен весь объем воздуха в помещении, пропустить через свою систему фильтров 2-3 раза в течение часа.

Некоторые производители в технических характеристиках указывают максимальный объем помещения на который рассчитан прибор (м³), а некоторые производительность прибора (м³/час). Выбирать прибор надо с некоторым запасом по производительности

Примером климатического комплекса являются увлажнители с функцией очистки воздуха BONECO, сочетающие в себе воздухоочиститель и увлажнитель, для очистки от пыли, неприятных запахов и аллергенов, а также для эффективного увлажнения воздуха.

Обеззараживание воды в поддоне осуществляется с помощью новейшей технологической разработки швейцарской компании PLASTON уникальной антибактериальной системы с ионизирующим серебряным стержнем. Ионизирующий стержень имеет тонкоструктурированную поверхность и состоит из антисептических волокон с молекулами серебра.

При контакте стержня с водной средой быстро достигается необходимая концентрация ионов серебра, которые освобождаются и заполняют объем сосуда. В результате происходит эффективное обеззараживание воды и гибель вирусов, бактерий и прочих болезнетворных микроорганизмов. Серебро убивает около 650 различных видов бактерий, известных человечеству.

Постоянная концентрация ионов сохраняется продолжительное время в течение всего срока действия стержня благодаря тому, что отрывающиеся с поверхности ионы серебра заменяются поступающими из глубины стержня новыми ионами, сохраняя неизменными свойства поверхности.

В некоторых моделях увлажнителей с функцией очистки воздуха (Air-O-Swiss 2055 и 2055D) для более эффективной очистки воздуха встроено устройство предварительной ионизации, придающее микрочастицам, поступающим с воздушным потоком, отрицательный заряд. Эти частицы притягиваются к увлажняющим дискам, имеющим положительный заряд, а затем при их вращении смываются водой в поддон. Сам поддон легко снимается и моется. Таким образом, функция предварительной ионизации позволяет очищать воздух с максимальной эффективностью, а также устранять неприятные запахи и табачный дым.

В других приборах такого типа сочетается профессиональная очистка воздуха, устранение неприятных запахов с увлажнением и дополнительной функцией ароматизации помещения. В основе механизма работы климатического комплекса лежит система фильтров. Воздух проходит через HEPA-фильтр, на котором оседают частицы размером до 0,001 мкм, часто являющиеся причиной возникновения аллергий (домашняя пыль, цветочная пыльца, шерсть животных и т. д.). Угольный фильтр поглощает вредные газы, табачный дым и неприятные запахи. После этого воздух увлажняется с помощью специального увлажняющего фильтра. В помещение возвращается увлажненный и очищенный от аллергенов и бактерий воздух.

3.4.2. ПРОЦЕССЫ В АДИАБАТИЧЕСКИХ УВЛАЖНИТЕЛЯХ ВОЗДУХА

Требования ГОСТ 30494–96 к параметрам микроклимата помещений жилых и общественных зданий ограничивают нижний предел допустимой относительной влажности в 30 %, что предполагает необходимость увлажнения воздуха в зимний период. В цехах предприятий бумажного, табачного, кожевенного производства, в типографиях и теплицах, где большой дефицит влаги, широко используются местные и централизованные увлажнительные установки большой производительности.

Анализ показывает, что из-за высокого потребления энергии (около 700 Вт на 1 кг влаги в час) гигиеничные, бесшумные и простые по конструкции паровые увлажнители заметно уступают на рынке менее энергоемким (40–70 Вт на 1 кг влаги в час) аппаратам распылительного типа. Кроме того, у последних процесс испарения сопровождается адиабатическим охлаждением воздуха. В отдельных случаях это позволяет одновременно с увлажнением проводить ассимиляцию теплоизбытков без использования искусственного холода.

В современных распылительных аппаратах, работающих на основе гидравлических форсунок и вращающихся дисков, размер образующихся капель составляет 10–100 мкм, из которых до 90 % испаряется в пределах камеры орошения. Лишь незначительная часть наиболее крупных капель осаждается в поддоне, а мелкие капли, не успевшие испариться в камере, задерживаются в каплеуловителе.

Эффективность увлажнения в аппаратах распылительного типа существенно зависит от возможности регулирования тонкости и качества распыления, под которым понимают степень дисперсности факела капель. Наиболее высокие показатели монодисперсности имеют дисковые вращающиеся распылители. При разных соотношениях расхода и скорости вращения механизм каплеобразования и степень монодисперсности у них различны (рис. 1).

Рисунок 1. Режимы распыливания вращающимися гладкими дисками: а) режим жидкого валика; б) струйный; в) пленочный

При малых расходах (до 0,1 л/ч) и небольшой скорости вращения (до 1 000 об/мин) распыление с кромки диска происходит в виде крупных «основных» монокапель (рис. 1а). Из-за низкой производительности этот режим практически не используется.

С увеличением скорости до 3 000 об/мин с кромки диска вытягиваются длинные струи, распадающиеся на более мелкие «вторичные» капли приблизительно одинакового размера (рис. 1б). Струйный режим более производителен (до 1,0 л/ч), но очень неустойчив. При ухудшении динамической балансировки (например, в результате известковых отложений), при нарушении сплошности течения по поверхности диска, при воздействии обдувающего потока воздуха и т. п. происходит срыв воды в виде пленки, разрушающейся на полидисперсную систему капель (рис. 1в).

По указанным причинам диапазон устойчивой работы дисков очень небольшой. Узок и капельный факел, что уменьшает время контакта воды с обрабатываемым воздухом. Увеличение количества дисков на оси электродвигателя увеличивает объемность факела и время контакта, но при этом существенно растет и стоимость увлажнителя.

Механизм каплеобразования у гидравлических форсунок высокого давления основан на нерегулярном распаде пленки воды, формирующейся на выходе из сопла диаметром 0,15–0,2 мм. При этом образуется крайне полидисперсная система капель с большим содержанием крупных фракций (рис. 2). Регулирование производительности увлажнительной установки обычно достигается изменением количества попеременно включаемых форсунок и требует затрат на блок управления.

Рисунок 2. Картина разрушения водяной пленки на выходе из форсунки и формирование зон с пересечением факелов в камере орошения

Получаемый на выходе из форсунок факел имеет форму полого конуса. При совместной работе нескольких распылителей неизбежно происходит пересечение факелов и столкновение капель друг с другом. В результате еще больше увеличивается полидисперсность распыла, в контактной камере образуются зоны с неодинаковыми показателями степени орошения. Все это дополнительно усложняет регулирование процесса увлажнения и снижает его эффективность.

Эксплуатация современных форсунок с малым размером сопла, подчас изготовленного с использованием лазерных технологий, требует применения деминерализованной воды для избежания его закупоривания солевыми отложениями.

Стоимость форсунок высокого давления и арматуры для подачи воды также высока. Это во многом объясняется требуемой прочностью всех элементов системы высокого давления. Несмотря на применение высокопрочных материалов, форсунки и различного рода управляющие элементы (клапаны, вентили и т. п.) часто изнашиваются и в процессе эксплуатации требуют замены. Запасные части стоят дорого. Монтаж систем высокого давления также дорог.