Wykres Moliera dla powietrza wilgotnego w graficzny sposób umożliwia przedstawienie relacji pomiędzy wielkościami fizycznymi opisującymi jego stan. Jest to podstawowe narzędzie wykorzystywane podczas projektowania układów klimatyzacyjnych i wentylacyjnych oraz w chłodnictwie.

Umiejętne korzystanie z niego znacznie ułatwia i przyspiesza dobór urządzeń grzewczych i chłodniczych oraz umożliwia analizę pracy tych systemów w dowolnych warunkach klimatycznych. Podstawowe parametry powietrza wilgotnego, będącego mieszaniną powietrza suchego oraz pary wodnej, przy znanym ciśnieniu atmosferycznym to:

  • temperatura (t),
  • zawartość wilgoci (x),
  • wilgotność względna (j),
  • entalpia (i),
  • ciśnienie cząstkowe pary wodnej (ppw),
  • gęstość powietrza wilgotnego (r).

Znając dwa parametry opisujące powietrze wilgotne, można w sposób jednoznaczny określić jego stan i na tej podstawie wyznaczyć pozostałe wielkości. Do tego celu mogą posłużyć wyrażenia matematyczne właściwe dla przemian powietrza wilgotnego. W celu uproszczenia czasochłonnych i skomplikowanych procesów obliczeniowych wprowadzono nomogramy oraz wykresy własności czynników termodynamicznych. Szczególnie w branży klimatyzacyjnej przydatnym i często używanym jest wykres w układzie entalpia (i)–zawartość wilgoci (x). Od początku lat trzydziestych wykres przedstawiony przez Richarda Molliera na konferencji w Los Angeles przeszedł wiele modyfikacji i ulepszeń. W krajach anglojęzycznych posługuje się wykresem psychometrycznym, w układzie: temperatura (t)–zawartość wilgoci (x). Obydwa wykresy skonstruowane są dla określonej wartości ciśnienia powietrza wilgotnego. Zmiana całkowitego ciśnienia powietrza wilgotnego powoduje zmienność pozostałych parametrów opisujących jego stan. W systemach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych najczęściej zachodzą przemiany praktycznie izobaryczne występujące przy różnych wartościach ciśnienia atmosferycznego [1, 2].

Konstrukcja wykresu Moliera i-x

Obecnie spotyka się kilka wersji wykresu Moliera, jednak różnice są niewielkie, a zasada konstrukcji jednakowa. W celu uzyskania przejrzystej formy, wykres sporządzany jest w tzw. ukośnokątnym układzie współrzędnych [1]. Na osi rzędnych zaznaczona jest entalpia (i), natomiast oś odciętych to zawartość wilgoci (x). Linie entalpii, które tworzą sieć prostych nachylonych, przebiegają pod kątem 135° względem osi odciętych, bez określenia początku układu współrzędnych. Siatkę wykresu i-x uzupełniają linie stałej objętości właściwej (n) lub gęstości powietrza wilgotnego (r), linie opisujące wartości wilgotności względnej (j), krzywa zależności ciśnienia cząstkowego pary w funkcji x oraz linie temperatur określonych za pomocą termometru mokrego oraz suchego [1].

Charakterystyczną krzywą na wykresie jest tzw. linia nasycenia, która zaznaczona jest jako j=100%. Przyjmuje się, że linia nasycenia, nazywana także krzywą graniczną, oddziela od siebie obszary odpowiadające stanom powietrza. Nad linią j=100% powietrze jest nienasycone parą wodną, co oznacza, że jest jeszcze w stanie zasymilować określoną ilość wilgoci. Natomiast poniżej linii nasycenia znajduje się obszar mgły, w którym powietrze stanowi mieszaninę mgły wodnej lub śnieżnej oraz powietrza nasyconego [3]. Linie stałych temperatur (izotermy) w obszarze powietrza nienasyconego stanowią wznoszące się linie proste. Po przecięciu się z krzywą graniczną izotermy w obszarze mgły załamują się w dół i są praktycznie równoległe do linii stałej entalpii. Niektóre wersje wykresu uzupełnione są o wartości charakteryzujące przemiany powietrza wilgotnego.

Do tego celu służy współczynnik kątowy ε, który wyrażony jest jako iloraz zysków ciepła (Q) do strumienia pary wodnej (mo). Przykładowo, w trakcie ogrzewania, np. w nagrzewnicy powierzchniowej, współczynnik ε przyjmować może wartości od +Ą do -Ą, natomiast dla przemiany adiabatycznej – bez zmiany entalpii (i=idem) oraz bez dostarczania lub odbierania ciepła (Q=0) – wartość współczynnika ε = 0 [4]. Istotnym jest fakt, że dostarczana lub odprowadzana ilość strumienia ciepła i pary wodnej do powietrza zmienia jego stan. Zanim powietrze osiągnie stan końcowy, może przejść przez pewną liczbę etapów pośrednich. Na wykresach i-x konkretne etapy pośrednie przemian powietrza przedstawia się prostą łączącą stany pierwotny z końcowym.

Analiza procesów

Zadaniem urządzeń klimatyzacyjnych jest odpowiednie przygotowanie powietrza w celu dostosowania parametrów do zmieniających się warunków zewnętrznych i wewnętrznych. Uzyskanie żądanego stanu powietrza nawiewanego wymaga zrealizowania jednej lub kilku występujących po sobie przemian zachodzących w określonej kolejności (np. mieszanie, podgrzewanie, chłodzenie, nawilżanie). Podgrzanie powietrza zewnętrznego, mieszaniny powietrza zewnętrznego i wywiewanego (z pomieszczenia) lub powietrza za układem do odzysku ciepła do wymaganej temperatury powietrza nawiewanego realizowane jest w nagrzewnicy (wodnej, parowej, elektrycznej) lub za pomocą aparatu grzewczo-wentylacyjnego [4].

Podczas ogrzewania powietrza wilgotnego nie jest doprowadzana ani odbierana para wodna, dlatego na wykresie Molliera przemianę zachodzącą w nagrzewnicy zaznaczono prostą pionową, skierowaną do góry (rys. 1). Stan początkowy powietrza przed ogrzaniem w wymienniku ciepła określa punkt O1, natomiast koniec przemiany (stan powietrza za nagrzewnicą) oznaczono jako punkt O2. Przy stałej zawartości wilgoci (x=idem) nastąpiła zmiana temperatury od t1=-20°C do t2= 20°C oraz wilgotności względnej z j1=100% na j2=10%. Należy mieć na uwadze, że ilość wody, jaką powietrze jest w stanie zaabsorbować, zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury. Zdarza się, że w okresie zimowym użytkownicy obiektów o zbyt niskiej zawartości wilgoci w powietrzu (poniżej 30%) skarżą się na dolegliwości związane z dyskomfortem cieplno-wilgotnościowym. Objawiać się to może odczuciem suchości przegrody nosowej, przekrwieniem spojówek, zapaleniem skóry oraz obniżoną naturalną odpornością organizmu [3].

Kolejną typową przemianą przedstawioną na wykresie Molliera, która zachodzi w urządzeniach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, jest ochładzanie powietrza (rys.). Oziębianie powietrza nienasyconego w celu dostosowania temperatury do wymaganych warunków powietrza nawiewanego można zrealizować w dwojaki sposób – jako proces z wykropleniem oraz bez wykroplenia pary wodnej. W celu określenia, który typ chłodzenia nastąpił, ustalić należy relacje pomiędzy temperaturą powierzchni chłodnicy a tzw. punktem rosy. Punkt rosy (punkt R na rys.) określany jest jako temperatura powietrza, w której przy znanym składzie gazu i danym ciśnieniu rozpoczyna się proces wykraplania pary wodnej z powietrza. W przypadku, gdy temperatura ścianki chłodnicy jest wyższa od temperatury punktu rosy powietrza wprowadzonego do wymiennika (tśc>tr), następuje tzw. chłodzenie suche

Graficzną ilustracją tej przemiany jest odcinek prosty oznaczony jako linia łącząca punkty CH1 i CH2. Punkt CH1 obrazuje warunki obliczeniowe właściwe dla okresu letniego Wrocławia (temperatura okresu ciepłego tCH1=30°C, wilgotność względna jCH1=45%). Po schłodzeniu powietrza atmosferycznego w chłodnicy suchej, przy niezmiennej zawartości wilgoci xCH2=10 g/kg, do temperatury tCH2=20°C nastąpiła asymilacja pary wodnej do wartości równej jCH2=81%. Należy być świadomym, że zbyt wysoka zawartość wilgoci w powietrzu może wywoływać uczucie duszności u użytkowników pomieszczeń oraz pojawienie się wilgoci lub pleśni na elementach oraz przegrodach w budynku. W sytuacji, gdy temperatura powierzchni chłodnicy jest niższa od temperatury punktu rosy…

(całość w drukowanym wydaniu „Magazynu Instalatora”)

Beata Śniechowska

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij