Zasada działania nawilżacza wirowego: Kompleksowy przewodnik
- Szczegóły
Czy zdarzyło Ci się wysiąść z samolotu z wysuszoną skórą, podrażnionymi oczami i uczuciem zmęczenia, jakbyś spędził dzień na pustyni? Suchość w gardle i zatkany nos po długim locie to częste doświadczenie pasażerów. Winowajcą jest specyficzny mikroklimat kabiny - suche, rozrzedzone powietrze na wysokości przelotowej.
Aby zrozumieć rekuperację w lotnictwie, najpierw przyjrzyjmy się, skąd bierze się powietrze w kabinie na wysokości 10-12 km nad ziemią. Otóż samolot podczas lotu musi sztucznie wytworzyć warunki zdatne do oddychania - zapewnić odpowiednie ciśnienie, temperaturę i jakość powietrza wewnątrz hermetycznej kabiny. W klasycznych rozwiązaniach stosowanych od dekad, wykorzystuje się tzw. bleed air - powietrze upuszczane z silników odrzutowych. Na etapie sprężarki silnika część powietrza zostaje odprowadzona zanim trafi do komór spalania i przekazana do systemu klimatyzacji. To powietrze jest jednak ekstremalnie gorące i pod wysokim ciśnieniem (może przekraczać 150 °C przy ~2-3 atm).
Air Cycle Machine (ACM) - serce systemu klimatyzacji
Sercem systemu klimatyzacji w samolocie jest tzw. Air Cycle Machine (ACM) - dosłownie „maszyna obiegowa powietrza”. To sprytny układ działający na zasadzie odwróconego cyklu Braytona (stosowanego w turbinach gazowych) - można go też porównać do lodówki wykorzystującej jako czynnik chłodzący powietrze zamiast freonu. Jak to działa krok po kroku?
- Gorące sprężone powietrze z silnika najpierw trafia do wymiennika ciepła (ang. heat exchanger), gdzie schładzane jest przez zimne powietrze z zewnątrz (tzw. ram air).
- Następnie częściowo schłodzone powietrze przechodzi przez sprężarkę odśrodkową ACM, która ponownie je spręża, podnosząc jego ciśnienie, ale niestety znów je nagrzewając (nawet do ~250 °C).
- Dlatego zaraz za sprężarką jest drugi wymiennik ciepła, gdzie powietrze jest chłodzone po raz kolejny przy utrzymaniu wysokiego ciśnienia.
- Teraz następuje kluczowy etap: powietrze kierowane jest na turbinkę rozprężną. Gwałtowne rozprężenie powietrza w turbinie powoduje drastyczny spadek temperatury - powietrze wychładzane jest nawet do -20 °C ÷ -30 °C.
- Turbina nie marnuje jednak energii - odzyskuje ją (oto nasza rekuperacja!), napędzając na wspólnym wale sprężarkę i specjalny wentylator zasysający chłodne powietrze zewnętrzne do wymienników ciepła. Innymi słowy, energia odebrana powietrzu przy rozprężaniu jest użyta do wspomagania procesu chłodzenia - sprężania i zasysania powietrza z otoczenia.
Po etapach sprężania i rozprężania otrzymujemy bardzo zimne, gęste powietrze, z którego zaczyna się nawet skraplać wilgoć (niczym para na zimnej puszce napoju). Trzeba tę wodę usunąć, aby nie zamroziła nam instalacji ani nie zamgliła kabiny. Służy do tego separator wody - powietrze wprawiane jest w ruch wirowy (cyklonowy), a krople wody odrzucane są na ścianki i wyłapywane przez specjalny filtr (zwany potocznie „skarpetą”), który przy okazji zatrzymuje też drobiny oleju i brudu pochodzące z silnika.
Odprowadzone w ten sposób skropliny w starszych samolotachbyły po prostu wyrzucane za burtę, tworząc czasem charakterystyczne kłęby pary pod kadłubem na postoju. Natomiast nowsze systemy robią z tą wodą coś sprytnego - rozpylają ją ponownie w strumieniu zimnego powietrza zewnętrznego w wymiennikach ciepła, zwiększając ich wydajność (wilgotniejsze powietrze ma większą pojemność cieplną).
Przeczytaj także: Cronos Blue Water - czy warto?
Ostatecznie suche, przefiltrowane i zimne powietrze może być dogrzane do komfortowej temperatury przez domieszkę niewielkiej ilości gorącego powietrza omijającego ACM (tzw. trim air). Tak przygotowane powietrze jest wprowadzane do kabiny przez system kanałów wentylacyjnych. Typowy samolot pasażerski ma 2-3 tzw. „packi” klimatyzacyjne (AC Packs) zawierające opisaną maszynerię, zwykle zlokalizowane pod podłogą w okolicy centropłata lub silników.
Warto podkreślić, że rekuperacja w tym systemie przejawia się dwojako: po pierwsze, turbina chłodząca odzyskuje energię do napędu sprężarki (czyli chłodzimy powietrze robiąc przy tym użyteczną pracę), a po drugie - w nowoczesnych rozwiązaniach odzyskuje się wodę do wspomagania chłodzenia. Efekt? Maksimum chłodu przy minimum straty energii.
Na koniec tej sekcji warto wspomnieć o cyrkulacji powietrza. W kabinie samolotu nie cała mieszanka jest non-stop wymieniana na świeżą - połowa powietrza krążącego w kabinie to zwykle powietrze recyrkulowane przez specjalne filtry, a tylko ~50% stanowi świeży napływ z zewnątrz. To celowy zabieg: ponowne wykorzystanie już ogrzanego/ochłodzonego powietrza to także forma rekuperacji, pozwalająca ograniczyć obciążenie systemu klimatyzacji. Oczywiście takie powietrze musi być dobrze oczyszczone - współczesne samoloty wyposażone są w filtry HEPA, które wyłapują >99% bakterii i nawet wirusy niesione w aerozolach.
Komfort mikroklimatu na pokładzie samolotu
Skoro wiemy już, jak samolot produkuje sobie powietrze do oddychania, przyjrzyjmy się, jak te systemy przekładają się na komfort pasażerów. Komfort mikroklimatu na pokładzie to głównie trzy czynniki: temperatura, ciśnienie oraz wilgotność i jakość powietrza.
Linie lotnicze od dawna dbają o to pierwsze - temperatura jest utrzymywana w okolicach 22-24°C, z możliwością lokalnych regulacji (inne strefy w kabinie mogą mieć nieco inny nadmuch). Dzięki precyzyjnym czujnikom i sterowaniu przepływem powietrza system klimatyzacji utrzymuje zadaną temperaturę dość dokładnie, unikając przeciągów czy przegrzewania. Nowoczesne maszyny, zwłaszcza te o elektrycznych systemach sterowania klimatyzacją, pozwalają na bardzo precyzyjną kontrolę - np. dzięki elektrycznym sprężarkom i zaworom można płynniej dozować chłód czy ciepło.
Przeczytaj także: Poradnik: Wybór nawilżacza
Drugim ważnym czynnikiem jest ciśnienie powietrza w kabinie, czyli tzw. wysokość kabinowa. Kabina pasażerska na dużej wysokości jest utrzymywana na ciśnieniu odpowiadającym przebywaniu na określonej wysokości nad poziomem morza. W starszych samolotach przyjęto, że maksymalna wysokość kabiny to około 8000 stóp (ok. 2400 m). Taki spadek ciśnienia był kompromisem między względami konstrukcyjnymi (im niższe ciśnienie wewnątrz na dużym pułapie, tym mniejsze naprężenia kadłuba) a komfortem pasażerów. Jednak 2400 m to wciąż wysoko - mniej więcej jak szczyt Kasprowego Wierchu - co oznacza odczuwalnie rzadsze powietrze.
Pasażerowie mogą doświadczać przez to lekkiego niedotlenienia, bólu głowy, szybszego zmęczenia, a osoby z problemami krążeniowo-oddechowymi - nawet poważniejszych dolegliwości. Nowa generacja samolotów dalekodystansowych postanowiła poprawić i ten aspekt. Dzięki wytrzymalszym materiałom (kadłuby z kompozytów węglowych) można bezpiecznie utrzymywać wyższe ciśnienie w kabinie. I tak Boeing 787 Dreamliner oraz Airbus A350 obniżyły wysokość kabiny do około 6000 stóp (ok. 1800 m). To tak, jakbyśmy zamiast siedzieć na Kasprowym, przenieśli się na wysokość Zakopanego. Różnica jest naprawdę odczuwalna.
Najwięcej emocji (i dyskomfortu) budzi jednak wilgotność powietrza na pokładzie. Każdy, kto latał kilka godzin, zna uczucie suchych oczu, skóry i śluzówek. Dlaczego w samolocie jest tak sucho? Powód jest prosty: powietrze na wysokości przelotowej jest ekstremalnie suche - praktycznie nie zawiera pary wodnej (temperatura na zewnątrz rzędu -50 °C sprawia, że wilgoć się wykrapla i zamarza). Gdy to suche jak pieprz powietrze jest sprężane i ogrzewane w systemie klimatyzacji, jego wilgotność bezwzględna pozostaje minimalna. Dodatkowo, skuteczna klimatyzacja usuwa wilgoć (pamiętamy separator wody). Ostatecznie w kabinie tradycyjnego samolotu wilgotność względna może spaść do poniżej 10% - czyli mniej niż w większości pustyń!
Sucha atmosfera w kabinie to nie tylko kwestia wygody, ale i zdrowia. Zbyt niska wilgotność powoduje wysychanie błon śluzowych nosa i gardła, co obniża ich naturalną ochronę przed drobnoustrojami. W suchym powietrzu wirusy (np. grypy czy SARS-CoV-2) utrzymują się dłużej i łatwiej się przenoszą, a my jesteśmy na nie bardziej podatni. Badania wśród załóg samolotów wykazały, że większość stewardess i stewardów odczuwa negatywne skutki bardzo niskiej wilgotności podczas lotu - od podrażnień po chroniczne zmęczenie.
Przełom przyszedł wraz z nową generacją samolotów dalekiego zasięgu. Boeing 787 jako pierwszy wprowadził rozwiązania pozwalające nieco podnieść wilgotność w kabinie, a Airbus A350 dołączył do niego kilka lat później. Sekretem ponownie okazały się kompozytowe materiały kadłuba i usprawnione systemy klimatyzacji.
Przeczytaj także: Ultradźwiękowy nawilżacz powietrza
W praktyce w kabinach 787 i A350 wilgotność względna może sięgać około 15-20% podczas długiego lotu. Niektóre źródła podają, że te maszyny utrzymują typowo ~25% wilgotności w powietrzu pasażerskim - to wciąż tylko połowa ideału, ale jednak istotny postęp względem np. 5-10% w poprzedniej generacji. Airbus deklaruje oficjalnie, że kabina A350 ma optymalną temperaturę i wilgotność około 20% RH, niemożliwą wcześniej do uzyskania.
Pasażerowie rzeczywiście to odczuwają - wielu relacjonuje, że lot Dreamlinerem czy A350 jest mniej męczący, skóra nie jest aż tak przesuszona, a komfort oddychania wyraźnie lepszy. W ankietach 80% podróżnych zauważyło wyższą wilgotność i lepsze samopoczucie na pokładzie 787, a 25% było skłonnych specjalnie wybierać ten samolot, by znów doświadczyć różnicy.
Co ciekawe, pojawiły się też opcjonalne nawilżacze powietrza dla najbardziej wymagających. Linie lotnicze obsługujące ultradługie trasy albo oferujące luksusowe klasy pierwsze coraz częściej instalują dodatkowe systemy nawilżania powietrza. Przykładowo, w Airbusach A350 można opcjonalnie zamontować nawilżacze w kabinach premium, by podnieść tam wilgotność do ~30-40% - z tego skorzystał m.in. bliżej nieujawniony przewoźnik zamawiający A350-900 w konfiguracji z ulepszonym powietrzem w klasie biznes.
Ostatnim elementem składającym się na środowisko na pokładzie jest jakość i czystość powietrza. Tutaj również zaszły spore zmiany. Wspomnieliśmy już o filtrach HEPA wyłapujących mikroby - stały się one standardem i dzięki nim powietrze w samolocie jest często czystsze niż w biurach czy centrach handlowych.
Mimo to, producenci poszli o krok dalej. Boeing 787 jako pierwszy zastosował dodatkowe filtry katalityczne usuwające z powietrza ozon oraz lotne związki chemiczne odpowiedzialne za zapachy i potencjalne podrażnienia. Ozon na dużej wysokości występuje w sporym stężeniu i kiedyś bywał zmorą pasażerów (powodując bóle głowy czy podrażnienia układu oddechowego). Teraz przechodzi on przez konwertery ozonu, gdzie jest neutralizowany.
Dzięki temu w kabinie unosi się praktycznie tylko neutralny zapach czystego powietrza. Dodatkowo, w odpowiedzi na wyzwania pandemii, pojawiły się systemy dezynfekcji powietrza UV oraz jonizatory montowane w kanałach klimatyzacji, które potrafią niemal sterylizować obiegające powietrze z wirusów i bakterii.
Anemostat wirowy kasetonowy SAC HAVACO
Anemostat wirowy kasetonowy SAC HAVACO to nowoczesny i starannie zaprojektowany element systemów wentylacyjnych, stworzony do równomiernego rozprowadzania powietrza w pomieszczeniach o różnej wielkości. Jego konstrukcja opiera się na stalowej płycie oraz plastikowych kierownicach, które generują intensywny ruch wirowy powietrza. Model SAC wyposażono w od kilku do kilkudziesięciu kierownic, zależnie od średnicy anemostatu. Każda z nich może być ustawiona indywidualnie, co pozwala na precyzyjną regulację kierunku strumienia powietrza.
Anemostat SAC został zaprojektowany specjalnie do montażu w sufitach modułowych i kasetonowych. Jego powierzchnia licuje się z powierzchnią sufitu, co zapewnia estetyczny i spójny wygląd wnętrza. Stalowa konstrukcja malowana proszkowo sprawia, że urządzenie jest odporne na korozję i uszkodzenia mechaniczne. Ma to szczególne znaczenie w miejscach o podwyższonej wilgotności lub większym natężeniu przepływu powietrza.
SAC HAVACO doskonale sprawdza się jako element nawiewu powietrza w systemach wentylacji mechanicznej, rekuperacji oraz klimatyzacji. Dzięki wirowemu sposobowi rozprowadzania powietrza anemostat zapewnia wyjątkowo efektywne mieszanie powietrza w pomieszczeniu. Pozwala to uniknąć niekomfortowych stref zimna lub gorąca.
Rodzina SAC obejmuje liczne warianty średnic, dzięki czemu można łatwo dopasować model do wielkości konkretnego kanału wentylacyjnego lub kształtki. Anemostat wirowy kasetonowy SAC HAVACO to funkcjonalne, trwałe i estetyczne rozwiązanie do skutecznej dystrybucji powietrza w różnego rodzaju systemach wentylacyjnych. Dzięki regulowanym kierownicom, trwałej stalowej obudowie oraz możliwości dyskretnego montażu w suficie, model ten wpisuje się zarówno w wymagania techniczne, jak i wizualne nowoczesnych obiektów.
Nawilżacze przemysłowe
W obiektach produkcyjnych systemy nawilżania powietrza stosowane są w przemyśle elektronicznym, drzewnym, meblowym, spożywczym, tekstylnym, tworzyw sztucznych, garbarskim, chemicznym, tytoniowym, zbrojeniowym, papierniczym, w lakierniach, drukarniach i introligatorniach, w obiektach inwentarskich (fermy drobiarskie), piekarniach, szklarniach, chłodniach [7], [3].
Nawilżacze przemysłowe (a dokładniej jednostki nawilżające) instaluje się w górnej części nawilżanego pomieszczenia, czyli tam, gdzie jest najcieplejsze powietrze. W systemach wysokociśnieniowych woda, za pomocą instalacji wysokociśnieniowej, rozprowadzana jest do dysz lub dyfuzorów nawilżających, zainstalowanych bezpośrednio w nawilżanych pomieszczeniach, a następnie wprowadzana jest do powietrza w postaci mikro-mgły.
Do nawilżacza należy doprowadzić odpowiednio przygotowaną wodę - pozbawioną zanieczyszczeń i związków mineralnych. Dlatego, poza agregatem wysokiego ciśnienia, system musi być wyposażony w stację fi ltrów. Do oczyszczania wody na potrzeby nawilżania stosowana jest także odwrócona osmoza. Najbardziej intensywne systemy nawilżania mogą rozpylać do 10 000 litrów wody w ciągu godziny.
Nawilżacze niskociśnieniowe działają na zasadzie rozpylenia wody poprzez siłę odśrodkową wirnika. Woda rozpylana jest w powietrzu w pomieszczeniu w postaci bardzo drobnej mgiełki (która natychmiast paruje). Relatywnie wysoki koszt urządzeń jest kompensowany prostotą montażu (bezpośrednie zasilanie wodą wodociągową), odpornością na osady wapienne i niewielkim zużyciem energii elektrycznej.
Stosowane w nawilżaczach dysze wykonywane są ze stali nierdzewnej. Mają wymiary od 0,10 do 0,50 mm.
tags: #nawilżacz #wirowy #zasada #działania
