Wstęp

Dobór chłodnicy w centrali wentylacyjnej aktualnie najczęściej sprowadza się do kilku liczb wpisanych do programu doboru. Problem pojawia się wtedy, gdy trzeba zweryfikować wynik, ocenić poprawność procesu obróbki powietrza albo zrozumieć, dlaczego rzeczywista praca układu odbiega od założeń projektowych.

Właśnie wtedy wracamy do podstawowego narzędzia inżyniera HVAC — wykresu Molliera.

W praktyce dla wielu inżynierów, szczególnie kierunków i specjalności innych niż wentylacja i klimatyzacja, diagram I-X częstoo wygląda jak skomplikowana mapa pełna linii przecinających się pod dziwnymi kątami.

W praktyce jednak wykres Molliera to bardzo przydatne narzędzie, które pozwala bardzo szybko ocenić:
• rzeczywistą moc chłodnicy,
• udział chłodzenia jawnego i utajonego,
• proces osuszania,
• ilość wykraplanych skroplin,
• temperaturę punktu rosy,
• końcowy stan powietrza za chłodnicą.

I właśnie dlatego projektanci, wykonawcy oraz a także kadra techniczna związana z utrzymaniem ruchu wracają do wykresu Molliera niego zawsze wtedy, gdy zaczynają się problemy z wilgotnością, skroplinami lub niewystarczającą wydajnością chłodzenia.

W niniejszym artykule wytłumaczymy krok po kroku jak korzystając z tego narzędzia w kilka minut obliczyć moc chłodnicy, a także ilość powstających skroplin i wilgotność powietrza po ochłodzeniu.

Co właściwie pokazuje wykres Molliera?

Wykres Molliera (tutaj możesz pobrać wersję w pdf), przedstawia stan powietrza wilgotnego. Możemy z niego odczytać między innymi:
• temperaturę,
• wilgotność względną w procentach,
• wilgotność bezwzględną – rzeczywistą zawartość pary wodnej w powietrzu [g/kg],
• temperaturę punktu rosy,
• oraz entalpię powietrza.

Przy obliczaniu mocy chłodnicy kluczowa jest właśnie entalpia.

To ona określa całkowitą energię zawartą w powietrzu — zarówno wynikającą z temperatury, jak i z zawartości pary wodnej.

Dlatego poprawny dobór chłodnicy zawsze odbywa się na podstawie różnicy entalpii, a nie wyłącznie różnicy temperatur.

Czym jest entaplia?

Entalpia to całkowita ilość energii zawartej w powietrzu. Składa się z:

  • energii wynikającej z temperatury,
  • oraz energii wynikającej z zawartości pary wodnej.

Dlatego dwa strumienie powietrza o tej samej temperaturze mogą mieć zupełnie inną entalpię — wszystko zależy od wilgotności.

Przykładowo:

  • powietrze 30°C i 30% RH,
  • oraz powietrze 30°C i 45% RH

mają tę samą temperaturę, ale drugie zawiera znacznie więcej energii, ponieważ zawiera więcej pary wodnej.

I właśnie dlatego przy doborze chłodnicy analizuje się różnicę entalpii przed i za chłodnicą, a nie tylko samą temperaturę.

Na wykresie Molliera entalpia oznaczana jest symbolem i:

i [kJ/kg]

Proces chłodzenia na wykresie Molliera

Aby precyzyjnie wyjaśnić co się dzieje na chłodnicy centrali wentylacyjnej podczas procesu chłodzenia przeanalizujmy chłodzenie powietrza wentylacyjnego w ilości 9 000 m3/h od punktu P1 do punktu P3.

Punktem pośrednim chłodzenia będzie punkt P2. Punkt 2 to tzw. Punkt Rosy – do tego momentu będziemy mieli do czynienia z chłodzeniem suchym, a od punktu P2 do P3 – z chłodzeniem mokrym, podczas którego będą powstawać skropliny.

Proces chłodzenia na wykresie Molliera:
P1 – P2 – zakres chłodzenia suchego P2 – P3 – zakres chłodzenia mokrego

Punkt P1:

T= 32°C, Rh=50%

Punkt P3:

T= 12°C, Rh=100%

W pierwszym etapie chłodzenia – od P1 do P2 temperatura powietrza będzie spadała, wilgotność względna wyrażona w procentach będzie rosła, ale wilgotność bezwzględna, czyli faktyczna zawartość pary wodnej w powietrzu będzie stała.

Na tym odcinku moc chłodzenia można obliczyć w sposób identyczny jak liczymy moc nagrzewnicy. Wyjaśniliśmy to szczegółowo w inny m naszym artykule: „Jak obliczyć moc nagrzewnicy korzystając z wykresu Molliera?„

W drugim etapie chłodzenia, po osiągnięciu temperatury punktu rosy w punkcie P2, od punktu P2 do P3 będzie spadała zarówno temperatura jak i wilgotność a moc potrzebna do ochłodzenia takiego powietrza będzie znacznie większa, gdyż znaczna jej część będzie potrzebna do dokonania przemiany fazowej części pary wodnej w wodę.

Jak obliczyć moc chłodnicy?

Uzbrojeni w wiedzę opisaną powyżej możemy obliczyć moc chłodzenia.

Liczymy ją ze wzoru:

Qch = ṁp · (i1 – i2) = V̇ · ρ · (i1 – i2)

Qch – moc chłodnicy [kW]

ṁp – strumień masy powietrza [kg/s] (V̇ · ρ)

i1 – entalpia właściwa powietrza przed chłodnicą [kJ/kg]

i2 – entalpia właściwa powietrza za chłodnicą [kJ/kg]

V̇ – strumień objętości powietrza [m³/s]

ρ – gęstość powietrza (≈ 1.2 kg/m³)

W powyższym przykładzie nie będziemy uwzględniać z zmiany gęstości powietrza, która także nieznacznie wpływa na moc chłodnicy i przyjmiemy stałą wartość gęstości 1.2 kg/m³.

Odczytanie wartości entalpii z wykresu Molliera

Mając oznaczone punkty początkowy i końcowy oznaczamy na wykresie Molliera i odczytujemy wartości entalpii.

Wartości entalpii dla punktów P1, P2 i P3

Odczytujemy następujące wartości entalpii:

i1 (w punkcie P1) = 70 [kJ/kg]

i2 (w punkcie P2) = 58,5 [kJ/kg]

i3 (w punkcie P3) = 34,5 [kJ/kg]

Jak widzimy w praktyce – przy chłodzeniu suchym o 12 stopni (od P1 do P2) wartość entalpii spadła tylko o 11,5 kJ/kg, natomiast przy chłodzeniu mokrym o kolejne 8 stopni (od P2 do P3) ponad dwukrotnie więcej: 24,5 kJ/kg. Znaczna część energii została pochłonięta w procesie przemiany fazowej H2O z postaci lotnej do postaci ciekłej.

Obliczenie mocy chłodnicy

Odczytane wartości entalpii podstawiamy do wzoru:

Qch = V · ρ · (i1 – i2)

V = 9 000 m3/h = 2,5 m3/s

ρ = 1,2 kg/m³

i1 = 70 kJ/kg

i3 = 34,5 kJ/kg

Qch = 2,5 · 1,2 · (70 – 34,5) = 106,5 kW

I to jest całkowita moc chłodnicy:
• uwzględniająca chłodzenie jawne,
• oraz osuszanie powietrza (ciepło utajone).

Co daje nam wiedza o wartości entalpii?

W praktyce przemysłowej bardzo często największym problemem nie jest temperatura, lecz wilgoć. Mając wiedzę przedstawioną na wykresie możemy w łatwy sposób obliczyć do jakiej temperatury należy ochłodzić powietrze by osiągnąć wymagany poziom wilgotności.

Dotyczy to szczególnie:
• zakładów spożywczych,
• hal produkcyjnych,
• pomieszczeń mycia w zakładach spożywczych,
• kuchni przemysłowych,
• chłodni,
• obiektów o dużych zyskach wilgoci technologicznej.

W takich warunkach chłodnica może znaczną część swojej mocy przeznaczać właśnie na wykraplanie wilgoci.

Im bardziej proces „schodzi w dół” wykresu, tym większy udział chłodzenia utajonego.

Na co uważać przy odczycie z wykresu Molliera?

Przy korzystaniu z wykresu Molliera najważniejsze jest poprawne wyznaczenie obu punktów procesu: przed chłodnicą i za chłodnicą. Sama metoda jest prosta, ale wynik będzie poprawny tylko wtedy, gdy dane wejściowe są dobrze określone.

Najczęściej trzeba zwrócić uwagę na trzy rzeczy.

Po pierwsze: czy analizujemy powietrze zewnętrzne, powietrze po zmieszaniu, czy powietrze po odzysku ciepła. Punkt przed chłodnicą musi odpowiadać rzeczywistemu stanowi powietrza na wlocie do chłodnicy, a nie tylko parametrom zewnętrznym przyjętym do projektu.

Po drugie: czy punkt za chłodnicą jest realny do uzyskania dla konkretnej chłodnicy i parametrów czynnika chłodniczego. Wykres Molliera pozwala policzyć wymaganą moc, ale nie zastępuje doboru wymiennika. Ostatecznie trzeba jeszcze sprawdzić powierzchnię wymiany, liczbę rzędów, spadki ciśnienia, temperaturę czynnika i warunki pracy urządzenia.

Po trzecie: należy rozróżnić moc całkowitą i moc jawną. Jeżeli proces obejmuje osuszanie, część mocy chłodnicy zostanie zużyta na wykroplenie pary wodnej. Dlatego w danych technicznych chłodnicy warto sprawdzić nie tylko moc całkowitą, ale również moc jawną i ilość kondensatu.

Wykres Molliera nadal pozostaje podstawowym narzędziem projektanta HVAC

Programy doborowe bardzo ułatwiają i przyspieszają pracę, ale wykres Molliera nadal pozostaje jednym z najlepszych narzędzi do analizy procesu obróbki powietrza.

Pozwala szybko ocenić:

  • kierunek procesu,
  • udział chłodzenia jawnego i utajonego,
  • możliwość osuszania,
  • ilość skroplin,
  • oraz rzeczywiste obciążenie chłodnicy.

I właśnie dlatego znajomość wykresu Molliera i obliczeń związanych z wentylacją i klimatyzacją tylko i wyłącznie na podstawie tego wykresu to coś, co odróżnia prawdziwego specjalistę od amatora.

Bo w praktyce rozwiązanie większości problemów z nadmierną wilgotnością jest widoczna po zwizualizowaniu parametrów panujących w zakładzie na wykresie Molliera.