Cooling-based vs Desiccant: kuru sausināšanas metodi izvēlēties jūsu projektam

Autors: Mycond tehniskā nodaļa

Optimālās gaisa sausināšanas metodes izvēle ir svarīgs inženiertehnisks uzdevums daudziem projektiem. No pareiza lēmuma ir atkarīga ne tikai sistēmas efektivitāte, bet arī enerģijas patēriņš, iekārtu ilgmūžība un mikroklimata kvalitāte. Šodien tirgū dominē divas pamatpieejas, kas būtiski atšķiras pēc darbības principa un pielietojuma.

Pirmā pieeja, kas balstīta uz dzesēšanu (cooling-based dehumidification), izmanto fizisko principu — mitruma kondensāciju, pazeminot gaisa temperatūru zem rasas punkta. Otrā metode — desikanta (desiccant dehumidifier) — balstās uz adsorbcijas parādību, kur speciāli materiāli ar zemu tvaika spiedienu piesaista ūdens molekulas no gaisa. Abas metodes risina vienu uzdevumu, taču to dara principiāli atšķirīgos veidos, kas nosaka to raksturīgās priekšrocības un ierobežojumus.

Izpratne par katras metodes tehnoloģiskajām īpatnībām palīdz pieņemt pamatotu lēmumu, projektējot kondicionēšanas un ventilācijas sistēmas. Šis raksts paredzēts inženieriem, projektētājiem un tehniskajiem speciālistiem, kuri vēlas izvēlēties optimālu risinājumu saviem projektiem Latvijā un citos reģionos ar līdzīgiem klimatiskajiem apstākļiem.

Dzesēšanas metode (cooling-based): procesa fizika un darbības princips

Kondensācijas sausinātājs darbojas pēc principa, kas balstās uz fundamentāliem termodinamikas likumiem. Gaisa sausināšanas process, kas balstīts uz dzesēšanu, norit vairākos posmos:

• Gaiss no telpas plūst caur aukstu siltummaini (iztvaikotāju)
• Gaisa temperatūra tiek pazemināta līdz rasas punktam un zem tā
• Ūdens tvaiks kondensējas uz siltummaiņa aukstajām virsmām
• Kondensāts tiek savākts un novadīts drenāžas sistēmā
• Atdzesēts un sausāks gaiss bieži jāuzsilda, lai sasniegtu komforta temperatūru un samazinātu relatīvo mitrumu

Galvenais parametrs šajā procesā ir rasas punkts (dew point temperature) — temperatūra, pie kuras gaiss kļūst piesātināts ar ūdens tvaiku un sākas kondensācija. Jo zemāk mēs atdzesējam gaisu attiecībā pret sākotnējo rasas punktu, jo vairāk mitruma tiek no tā izvadīts.

Dzesēšanas tipa sausināšanas sistēmu veidi

Inženierpraksē izmanto trīs galvenos cooling-based sausināšanas sistēmu tipus:

1. Tiešās izplešanās sistēmas (DX) — aukstumaģents tieši izplešas iztvaikotājā, atdzesējot gaisu. Tas ir visizplatītākais risinājums maziem un vidējiem objektiem.
2. Ar dzesētu šķidrumu (chilled water vai glikols) — izmanto starpnesēju (ūdeni vai glikolu), ko atdzesē centralizēta dzesēšanas iekārta. Efektīvi lieliem objektiem ar plašu tīklu.
3. Dehumidification-reheat sistēmas — ietver papildu sildītāju pēc dzesēšanas, kas izmanto kondensatora siltumu vai citu avotu sausinātā gaisa uzsildīšanai. Tas ļauj neatkarīgi kontrolēt temperatūru un mitrumu.

Cooling-based sausināšanas sistēmu priekšrocības

Kondensācijas gaisa sausinātājiem ir virkne būtisku priekšrocību, kas nodrošinājušas to plašu izplatību:

• Augsta energoefektivitāte pie augsta mitruma (COP parasti 2.0-4.5)
• Vienlaicīga gaisa dzesēšana un sausināšana vienā procesā
• Pārbaudīta tehnoloģija ar daudzu gadu lietošanas pieredzi
• Salīdzinoši zemas iekārtu sākotnējās izmaksas
• Vienkārša parametru vadība un uzticama darbība
• Komponentu un servisa pieejamība

Dzesēšanas metodes ierobežojumi

Neskatoties uz priekšrocībām, cooling-based sausināšanas metodei ir būtiski tehnoloģiski ierobežojumi, kas jāņem vērā projektējot:

• Ierobežots minimālais rasas punkts — parasti ne zemāks par +4...+7°C saistībā ar kondensāta sasalšanas risku siltummainī
• Efektivitātes krišanās pie zemām temperatūrām — kondensācijas sausinātāji neefektīvi darbojas aukstajā sezonā
• Piesātināts gaiss pie izejas — sausinātais gaiss ir ar augstu relatīvo mitrumu un prasa uzsildīšanu
• Neefektivitāte daļējas slodzes režīmos — veiktspējas svārstības pie mainīgas sausināšanas vajadzības
• Aukstumaģentu ekoloģiskie jautājumi — vielu izmantošana ar globālās sasilšanas potenciālu

Īpaši kritiska ir nespēja sasniegt zemus rasas punktus, kas ierobežo cooling-based sausinātāju izmantošanu daudzos rūpnieciskos procesos un specializētās vidēs.

Desikanta sausināšana (desiccant): adsorbcijas principi un konstrukcija

Adsorbcijas sausinātājs darbojas pēc principa, kas kardināli atšķiras no kondensācijas tipa. Tā vietā, lai dzesētu, tiek izmantotas desikantu — speciālu materiālu — fizikāli ķīmiskās īpašības mitruma uzsūkšanai.

Adsorbcijas fizika

Desiccant dehumidifier darbības pamatā ir adsorbcijas parādība, kas balstās uz tvaika spiedienu atšķirību. Desikantiem uz virsmas ir ārkārtīgi zems tvaika spiediens, tāpēc ūdens tvaiks no gaisa, kur spiediens ir augstāks, dabiski migrē uz desikanta virsmu. Ūdens molekulas pieķeras virsmai vai iekļūst materiāla struktūrā.

Šo procesu pavada siltuma izdalīšanās (adsorbcijas siltums), kas palielina izejošā gaisa temperatūru. Atšķirībā no cooling-based metodes desikanta sausināšana nav atkarīga no dzesēšanas un var darboties pie jebkurām temperatūrām.

Rotācijas sausinātāja darbības cikls

Visizplatītākā desikanta sausinātāja konstrukcija ir rotācijas sausinātājs ar griežamu riteni. Ritenis ir sadalīts divās zonās:

1. Procesa zona (70-80% riteņa laukuma) — šeit mitrais telpas gaiss iziet caur desikantu un tiek sausināts, atdodot mitrumu adsorbentam
2. Reģenerācijas zona (20-30% riteņa laukuma) — caur šo zonu tiek padots uzkarsēts gaiss (120-250°C), kas iztvaicē desikantā uzsūkto mitrumu un “reģenerē” materiālu

Ritenis nepārtraukti griežas ar ātrumu 3-20 apgriezieni stundā, nodrošinot nepārtrauktu adsorbcijas un reģenerācijas ciklu. Šis princips ļauj sasniegt ļoti zemus rasas punktus, kas cooling-based sistēmām nav pieejami.

Desikantu tipi

Rūpnieciskajās sistēmās izmanto trīs galvenos desikantu materiālu tipus, katram ir savas īpatnības:

• Silikagels — visizplatītākais tips, amorfs silīcija dioksīds ar porainu struktūru. Adsorbcijas spēja 10-40% no paša masas, visefektīvākais pie 20-70% relatīvā mitruma. Silikagela adsorbcija — optimāla izvēle lielākajai daļai komerciālo pielietojumu.
• Molekulārie sieti — kristāliskie alumosilikāti ar vienmērīgām porām molekulārā izmēra. Ļauj sasniegt ļoti zemus rasas punktus (līdz -40°C un zemāk). Molekulārie sieti ir īpaši efektīvi pie zema relatīvā mitruma.
• Litija hlorīds — higroskopiska sāls ar ļoti augstu mitruma uzsūkšanas spēju (līdz 1000% no savas masas). Efektīvs pie augsta relatīvā mitruma, taču korozīvs, kas sarežģī ekspluatāciju.

Desikanta sausināšanas priekšrocības

Adsorbcijas sausinātājiem ir virkne unikālu priekšrocību, kas padara tos neaizstajamus daudzās jomās:

• Neierobežots sasniedzamo rasas punktu diapazons (līdz -70°C)
• Efektīva darbība pie jebkurām temperatūrām, tostarp zem nulles
• Ļoti sauss gaiss pie izejas (iespējams RH < 1%)
• Neatkarība no elektroenerģijas tīkla — iespēja izmantot gāzi, tvaiku vai atkritumsiltumu reģenerācijai
• Sausināšanas apvienojums ar sildīšanu (noderīgi aukstajā periodā)
• Augsta uzticamība un ilgmūžība (15-25 gadi)

Desikanta sistēmu trūkumi

Projektējot svarīgi ņemt vērā arī desikanta sistēmu ierobežojumus:

• Liels siltumenerģijas patēriņš desikanta reģenerācijas procesam
• Paaugstināta gaisa temperatūra pie izejas (komfortam nepieciešama papildu dzesēšana)
• Sarežģītāka parametru vadība salīdzinājumā ar cooling-based sistēmām
• Desikanta piesārņojuma risks ar daļiņām un gaistošajām organiskajām vielām
• Augstākas sākotnējās iekārtu un montāžas izmaksas

Sausināšanas metožu salīdzinošā tabula

Kombinētās sausināšanas sistēmas: tehnoloģiju apvienošana

Maksimālai energoefektivitātei un veiktspējai arvien biežāk tiek izmantotas kombinētās sistēmas, kas apvieno abu sausināšanas metožu priekšrocības. Apskatīsim trīs efektīvākās shēmas:

Iepriekšēja dzesēšana pirms desikanta

Šajā shēmā gaiss vispirms plūst caur cooling-based sistēmu, kas samazina mitrumu līdz rasas punktam ap +4°C, pēc tam desiccant sistēma dosusina gaisu līdz mērķa zemajam rasas punktam. Tas ļauj:

• Samazināt slodzi uz desikanta sistēmu, kas pazemina siltumenerģijas patēriņu reģenerācijai
• Sasniegt ļoti zemus rasas punktus ar salīdzinoši nelielām enerģijas izmaksām
• Nodrošināt 30-50% enerģijas ietaupījumu salīdzinājumā ar tikai desikanta sistēmu

Sezonāla pārslēgšana

Reģionos ar izteiktu sezonālitāti (tostarp Latvijā) efektīvs risinājums var būt sistēma ar iespēju sezonāli pārslēgties starp metodēm:

• Cooling-based sausināšana tiek izmantota vasarā, kad nepieciešama vienlaicīga dzesēšana un sausināšana
• Desiccant sausināšana tiek pielietota ziemā, kad kondensācijas sausināšana ir neefektīva, bet reģenerācijas siltumu var daļēji izmantot apkurei

Šāda shēma nodrošina optimālu enerģijas patēriņu visa gada garumā.

Atkritumsiltuma izmantošana

Viena no energoefektīvākajām pieejām — izmantot dzesēšanas iekārtu atkritumsiltumu desikanta reģenerācijai:

• Dzesēšanas sistēmu kondensatora siltums, ko parasti atvada apkārtējā vidē, tiek izmantots reģenerācijas gaisa uzkarsēšanai
• Īpaši efektīvi lielveikalos un rūpnieciskos objektos ar jaudīgām dzesēšanas sistēmām
• Ļauj sasniegt līdz 40% enerģijas ietaupījumu reģenerācijā

Ekonomiskie aspekti, izvēloties sausināšanas metodi

Lēmums par sausinātāja tipu jābalsta ne tikai tehniskajos parametros, bet arī ekonomiskajos faktoros. Apskatīsim divus raksturīgus scenārijus:

Gadījums 1: Dzīvojamās mājas pagrabs ar augstu mitrumu

Tipiskam dzīvojamam pagrabam Rīgā vai Jūrmalā ar paaugstināta mitruma problēmu raksturīgas šādas prasības:

• Mērķa rasas punkts: +10...+15°C
• Mērena sausināšanas nepieciešamība
• Ierobežots budžets
• Vienkārša ekspluatācija

Optimālais risinājums: Kondensācijas sausinātājs (cooling-based). Tas nodrošina pietiekamu sausināšanu ar zemākām sākotnējām izmaksām, ir vienkāršāks ekspluatācijā un ar mazākām uzturēšanas izmaksām.

Gadījums 2: Farmaceitiskā laboratorija

Farmācijas ražošanai vai laboratorijai Daugavpilī ar stingrām prasībām mikroklimatam raksturīgi šādi parametri:

• Mērķa rasas punkts: zem 0°C
• Augsta parametru stabilitāte
• Darbs visu gadu
• Stingra atbilstība GMP standartiem

Optimālais risinājums: Desikanta vai kombinēts sausinātājs. Cooling-based nav iespējams rasas punkta prasības zem +4°C dēļ (kondensāts sasalst). Desiccant vai kombinētā sistēma nodrošinās nepieciešamos parametrus jebkuros apstākļos.

Lēmumu pieņemšanas blokshēma sausināšanas metodes izvēlei

Lai vienkāršotu sausināšanas metodes izvēli, var izmantot šādu loģisku secību:

1. Ja mērķa rasas punkts ir virs +5°C un ārējais mitrums ir augsts:
   • Optimālais risinājums: cooling-based sausinātājs
   • Priekšrocības: augsta energoefektivitāte, zemākas izmaksas, vienlaicīga dzesēšana
2. Ja mērķa rasas punkts ir zem +5°C un pieejama lēta siltumenerģija:
   • Optimālais risinājums: desiccant sausinātājs
   • Priekšrocības: ļoti zemu rasas punktu sasniegšana, darbs pie jebkurām temperatūrām
3. Ja nepieciešami zemi rasas punkti ar augstu efektivitāti:
   • Optimālais risinājums: kombinētā sistēma (cooling + desiccant)
   • Priekšrocības: energoefektivitāte, elastīgums, uzticamība jebkuros apstākļos

Biežāk uzdotie jautājumi (FAQ) par sausināšanas metodēm

Kāpēc kondensācijas sausinātājs ziemā ir neefektīvs?

Pie zemām temperatūrām gaisa absolūtais mitrums dabiski samazinās, un pat bez papildu sausināšanas gaiss satur maz mitruma. Šādos apstākļos gaisa dzesēšana mitruma kondensācijai ir enerģētiski neizdevīga. Turklāt pie āra temperatūrām zem 0°C pieaug iztvaikotāja apledodēšanas risks, kas samazina efektivitāti un var izraisīt bojājumus.

Kāds ir minimālais rasas punkts cooling-based sistēmām?

Tehnoloģiski minimālais sasniedzamais rasas punkts cooling-based sistēmām ir aptuveni +4...+7°C. Tas ir saistīts ar to, ka atdzesējot siltummaini zem 0°C, kondensāts uz tā virsmas sasalst, veidojot ledus kārtu, kas bloķē siltuma apmaiņu un gaisa plūsmu. Sistēmas ar atkausēšanu var darboties pie zemākām temperatūrām, taču tas būtiski samazina to energoefektivitāti.

Kad desiccant sausinātājs ir ekonomiski izdevīgāks?

Desikanta sistēmas ir ekonomiski izdevīgākas šādos gadījumos:

• Ja nepieciešami rasas punkti zem +5°C
• Ja pieejams lēts siltumenerģijas avots (ražošanas atlikumsiltums, saules kolektori, gāzes katli)
• Aukstā klimatā, kur kondensācijas sistēmas ir mazefektīvas
• Kombinācijā ar siltuma rekuperācijas sistēmām
• Specializētos ražošanas procesos, kur kritiski svarīgs ir stabils zems mitrums

Vai var apvienot abas sausināšanas metodes?

Jā, kombinētās sistēmas ir ne tikai iespējamas, bet bieži vien arī optimālas no energoefektivitātes viedokļa. Tipiska shēma: gaiss vispirms iziet caur cooling-based sistēmu, kas noņem galveno mitruma daļu, bet pēc tam caur desiccant sistēmu, lai sasniegtu ļoti zemu rasas punktu. Šāda pieeja ļauj samazināt enerģijas patēriņu par 30-50% salīdzinājumā ar tikai desikanta sistēmu.

Kā temperatūra ietekmē sausināšanas metodes izvēli?

Temperatūra ir viens no noteicošajiem faktoriem:

• Pie augstām temperatūrām (>25°C) un augsta mitruma cooling-based sistēmas ir visefektīvākās
• Pie zemām temperatūrām (<15°C) cooling-based sistēmu efektivitāte krītas, bet desiccant sistēmas saglabā veiktspēju
• Pie negatīvām temperatūrām desiccant sistēmas ir vienīgais uzticamais risinājums

Kuras nozares prasa desikanta sausināšanu?

Desikanta sistēmas ir neaizstājamas šādās nozarēs:

• Farmācijas industrija (GMP prasības parametru stabilitātei)
• Elektronikas un mikroshēmu ražošana (rasas punkti līdz -40°C un zemāk)
• Litija bateriju ražošana (“sausās telpas” ar RH <1%)
• Aukstās noliktavas (ledus veidošanās novēršana)
• Aizsardzības rūpniecība (jutīgu materiālu glabāšana)
• Zinātniski pētnieciskās laboratorijas ar precīziem instrumentiem

Secinājumi: kā izdarīt pareizo izvēli

Izvēle starp cooling-based un desiccant sausināšanas metodēm ir atkarīga no vairākiem faktoriem, kas jānovērtē katram konkrētam projektam:

1. Tehniskās prasības: Mērķa rasas punkts ir galvenais parametrs. Ja tas ir virs +7°C, cooling-based sistēmas būs optimālas; ja zemāk — nepieciešama desiccant vai kombinētā sistēma.
2. Klimatiskie apstākļi: Latvijas klimatā ar izteiktu sezonālitāti visu gadu darbībai bieži optimālas ir kombinētās vai pārslēdzamās sistēmas.
3. Energoresursi: Lētas siltumenerģijas pieejamība veicina desiccant sistēmu izvēli; pie augstām siltuma cenām un pieejamas elektroenerģijas priekšroka ir cooling-based risinājumiem.
4. Projekta ekonomika: Cooling-based sistēmām ir zemākas sākotnējās izmaksas, taču noteiktos apstākļos ekspluatācija var būt dārgāka; desiccant sistēmas ir dārgākas iegādē, bet ilgmūžīgākas un ilgtermiņā var būt efektīvākas.

Abām gaisa sausināšanas tehnoloģijām ir savas optimālās pielietojuma jomas. Pareizā sausināšanas metodes izvēle ir inženierisks lēmums, kas balstās uz dziļu tehnoloģiju izpratni un konkrēta projekta prasībām.

Sarežģītos gadījumos optimāli var būt piesaistīt specializētas inženierkompānijas ar pieredzi sausināšanas sistēmu projektēšanā, lai veiktu detalizētu analīzi un izstrādātu visefektīvāko risinājumu, ņemot vērā visas objekta īpatnības.