Принципиальная схема системы кондиционирования воздуха с применением двухступенчатого испарительного охлаждения. Кондиционер двухступенчатого испарительного охлаждения для транспортного средства Каким достоинством обладает двухступенчатое испарительное ох

В системах отопления, вентиляции и кондиционирования адиабатическое испарение обычно ассоциируется с увлажнением воздуха, однако в последнее время данный процесс приобретает растущую популярность в самых разных странах мира и все чаще применяется для «естественного» охлаждения воздуха.

ЧТО ТАКОЕ ИСПАРИТЕЛЬНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ?

Испарительное охлаждение лежит в основе одной из самых первых придуманных человеком систем охлаждения пространства, где охлаждение воздуха происходит за счет естественного испарения воды. Данное явление очень распространено и встречается повсеместно: одним из примеров может быть ощущение холода, которое вы испытываете, когда вода испаряется с поверхности вашего тела под воздействием ветра. То же самое происходит и с воздухом, в котором распыляется вода: поскольку данный процесс происходит без внешнего источника энергии (именно это и означает слово «адиабатический»), тепло, необходимое для испарения воды, берется из воздуха, который, соответственно, становится холоднее.

Использование такого способа охлаждения в современных системах кондиционирования обеспечивает высокую холодопроизводительность при низком электропотреблении, поскольку в этом случае электричество расходуется только для поддержания процесса испарения воды. В то же время в качестве охладителя вместо химических составов используется обычная вода, что делает испарительное охлаждение более выгодным экономически и не наносит вреда экологии.

ВИДЫ ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Существует два основных способа испарительного охлаждения - прямое и косвенное.

Прямое испарительное охлаждение

Прямое испарительное охлаждение – это процесс снижения температуры воздуха в помещении с помощью его непосредственного увлажнения. Другими словами, за счет испарения распыленной воды происходит охлаждение окружающего воздуха. При этом раздача влаги осуществляется либо непосредственно в помещении с помощью промышленных увлажнителей и форсунок, либо за счет насыщения приточного воздуха влагой и его охлаждения в секции вентиляционной установки.

Следует заметить, что в условиях прямого испарительного охлаждения неизбежно значительное повышение влажности приточного воздуха внутри помещения, поэтому для оценки применимости данного способа рекомендуется брать за основу формулу, известную как «показатель температуры и дискомфорта». По формуле вычисляется комфортная температура в градусах Цельсия с учетом влажности и показаний температуры по сухому термометру (таблица 1). Забегая вперед, отметим, что система прямого испарительного охлаждения применяется только в тех случаях, когда уличный воздух в летний период имеет высокие значения температуры по сухому термометру и низкий абсолютный уровень влажности.

Косвенное испарительное охлаждение

Для повышения эффективности испарительного охлаждения при высокой влажности уличного воздуха рекомендуется сочетать испарительное охлаждение с рекуперацией тепла. Данная технология известна как «косвенное испарительное охлаждение» и подходит практически для любой страны мира, включая страны с очень влажным климатом.

Общая схема работы приточно-вентиляционной системы с рекуперацией заключается в том, что горячий приточный воздух, проходя через специальную теплообменную кассету, охлаждается за счет прохладного воздуха, удаляемого из помещения. Принцип работы косвенного испарительного охлаждения заключается в установке системы адиабатического увлажнения в вытяжном канале приточно-вытяжных центральных кондиционеров, с последующей передачей холода через рекуператор приточному воздуху.

Как показано на примере, за счет использования пластинчатого рекуператора уличный воздух в системе вентиляции охлаждается на 6 °С. Применение испарительного охлаждения вытяжного воздуха увеличит разность температур с 6°C до 10°C без роста потребления электроэнергии и уровня влажности в помещении. Применение косвенного испарительного охлаждения эффективно при высоких теплопритоках, например в офисных и торговых центрах, ЦОДах, производственных помещениях и т.д.

Система косвенного охлаждения с применением адиабатического увлажнителя CAREL серии humiFog:

Кейс: Оценка затрат косвенной системы адиабатического охлаждения по сравнению с охлаждением с использованием чиллеров.

На примере офисного центра с постоянным пребыванием 2000 человек.

Условия расчета
Уличная температура и влагосодержание:	+32ºС, 10,12 г/кг (показатели взяты для г. Москвы)
Температура воздуха в помещении:	+20 ºС
Вентиляционная система:	4 приточно-вытяжные установки производительностью 30 000 м3/ч (подача воздуха по санитарным нормам)
Мощность системы охлаждения с учетом вентиляции:	2500 кВт
Температура приточного воздуха:	+20 ºС
Температура вытяжного воздуха:	+23 ºС
Эффективность рекуперации по явному теплу:	65%
Централизованная система охлаждения:	Система чиллер-фанкойл с температурой воды 7/12ºС

Расчет

Для расчета вычисляем относительную влажность воздуха на вытяжке.
При температуре в системе охлаждения 7/12 °С точка росы вытяжного воздуха с учетом внутренних влаговыделений составит +8 °С.
Относительная влажность воздуха на вытяжке составит 38%.

*Необходимо учитывать, что стоимость монтажа системы холодоснабжения с учетом всех затрат существенно выше по сравнению с системами косвенного охлаждения.

Капитальные затраты

Для анализа берем стоимость оборудования – чиллеров для системы холодоснабжения и системы увлажнения для косвенного испарительного охлаждения.

Капитальные затраты на охлаждение приточного воздуха для системы с косвенным охлаждением.

Стоимость одной стойки увлажнения Optimist производства Carel (Италия) в приточно-вытяжной установке составляет 7570 €.

Капитальные затраты на охлаждение приточного воздуха без системы косвенного охлаждения.

Стоимость чиллера мощностью охлаждения 62,3 кВт составляет примерно 12 460 €, исходя из стоимости 200 € за 1 кВт холодильной мощности. Необходимо учитывать, что стоимость монтажа системы холодоснабжения с учетом всех затрат существенно выше по сравнению с системами косвенного охлаждения.

Эксплуатационные затраты

Для анализа принимаем стоимость водопроводной воды 0,4 € за 1 м3 и стоимость электроэнергии 0,09 € за 1 кВт/ч.

Эксплуатационные расходы на охлаждение приточного воздуха для системы с косвенным охлаждением.

Расход воды на косвенное охлаждение составляет 117 кг/ч для одной приточно-вытяжной установки, с учетом потерь 10% примем ее как 130 кг/ч.

Потребляемая мощность системы увлажнения составляет 0,375 кВт для одной приточно-вытяжной установки.

Итоговые затраты в час составляют 0,343 € за 1 час эксплуатации системы.

Эксплуатационные расходы на охлаждение приточного воздуха без системы косвенного охлаждения.

Требуемая холодильная мощность составляет 62,3 кВт на одну приточно-вытяжную установку.

Холодильный коэффициент берем равным 3 (соотношение мощности охлаждения к потребляемой мощности).

Итоговые затраты в час составляют 7,48 € за 1 час эксплуатации.

Вывод

Использование косвенного испарительного охлаждения позволяет:

Снизить капитальные затраты на охлаждение приточного воздуха на 39%.

Снизить энергопотребление на системы кондиционирования здания с 729 кВт до 647 кВт, или на 11,3%.

Снизить эксплуатационные расходы на системы кондиционирования здания с 65,61 €/час до 58,47 €/час, или на 10,9%.

Таким образом, несмотря на то, что охлаждение свежего воздуха составляет примерно 10–20% от общей потребности в охлаждении офисных и торговых центров, именно здесь имеются наибольшие резервы в повышении энергоэффективности здания без существенного роста капитальных затрат.

Статья подготовлена специалистами компании ТЕРМОКОМ для публикации в журнале ON №6-7 (5) июнь-июль 2014 (стр.30-35)

Для помещений с большими избытками явного тепла, где требуется поддержание высокой влажности внутреннего воздуха, применяются системы кондиционирования воздуха, использующие принцип косвенного испарительного охлаждения.

Схема состоит из системы обработки основного потока воздуха и системы испарительного охлаждения (рис 3.3. рис. 3.4). Для охлаждения воды могут использоваться оросительные камеры кондиционеров или другие контактные аппараты, брызгальные бассейны, градирни и другие.

Вода, охлажденная испарением в потоке воздуха, с температурой, поступает в поверхностный теплообменник – воздухоохладитель кондиционера основного протока воздуха, где воздух изменяет свое состояние от значений до значений (т.), температура воды при этом повышается до. Нагревшаяся вода поступает в кон тактный аппарат, где охлаждается путем испарения до температуры и цикл повторяется вновь. Воздух, проходящий через контактный аппарат, изменяет свое состояние от параметров до параметров (т.). Приточный воздух, ассимилируя тепло и влагу, изменяет свои параметры до состояния т., а затем до состояния.

Рис.3.3. Схема косвенного испарительного охлаждения

1-теплообменник-воздухоохладитель; 2- контактный аппарат

Рис.3.4. диаграмма косвенного испарительного охлаждения

Линия - прямое испарительное охлаждение.

Если в помещении избытки тепла составляют, то при косвенном испарительном охлаждении расход приточного воздуха составит

при прямом испарительном охлаждении

Поскольку >, то <.

<), что позволяет расширить область возможного использования принципа испарительного охлаждения воздуха.

Сопоставление процессов показывает, что при косвенном испарительном охлаждении производительность СКВ оказывается ниже, чем при прямом. Кроме того, при косвенном охлаждении влагосодержание приточного воздуха более низкое (<), что позволяет расширить область возможного использования принципа испарительного охлаждения воздуха.

В отличие от раздельной схемы косвенного испарительного охлаждения разработаны аппараты совмещенного типа (рис 3.5). Аппарат включает две группы чередующихся каналов, разделенных стенками. Через группу каналов 1 проходит вспомогательный поток воздуха. По поверхности стенок канала стекает вода, подаваемая через водораспределительное устройство. Некоторое количество воды подается к водораспределительному устройству. При испарении воды понижается температура вспомогательного потока воздуха (при увеличении его влагосодержания), а также охлаждается стенка канала.

Для повышения глубины охлаждения основного потока воздуха разработаны многоступенчатые схемы обработки основного потока, применяя которые теоретически можно достичь температуры точки росы (рис. 3.7).

Установка состоит из кондиционера и градирни. В кондиционере производится косвенное и прямое изоэнтальпийное охлаждение воздуха обслуживаемых помещений.

В градирне происходит испарительное охлаждение воды, питающей поверхностный воздухоохладитель кондиционера.

Рис. 3.5. Схема устройства совмещенного аппарата косвенного испарительного охлаждения: 1,2- группа каналов; 3- водораспределительное устройство; 4- поддон

Рис. 3.6. Схема СКВ двухступенчатого испарительного охлаждения. 1-поверхностный воздухоохладитель; 2-оросительная камера; 3- градирня; 4-насос; 5-байпас с воздушным клапаном; 6-вентилятор

С целью унификации оборудования для испарительного охлаждения вместо градирни можно использовать оросительные камеры типовых центральных кондиционеров.

Наружный воздух поступает в кондиционер и на первой ступени охлаждения (воздухоохладителе) охлаждается при неизменном влагосодержании. Второй ступенью охлаждения является оросительная камера, работающая в режиме изоэнтальпийного охлаждения. Охлаждение воды, питающей поверхности водоохладителя, производится в градирне. Вода в этом контуре циркулирует с помощью насоса. Градирня – устройство для охлаждения воды атмосферным воздухом. Охлаждение происходит за счет испарения части воды, стекающей по оросителю под действием силы тяжести (испарение 1% воды понижает ее температуру примерно на 6).

Рис. 3.7. диаграмма с режимом двухступенчатого испарительного

охлаждения

Камера орошения кондиционера оснащается байпасным каналом с воздушным клапаном или имеет регулируемый процесс, что обеспечивает регулирование воздуха, направляемого в обслуживаемое помещение вентилятором.

2018-08-15

Использование систем кондиционирования воздуха (СКВ) с испарительным охлаждением, как одно из энергоэффективных решений при проектировании современных зданий и сооружений.

На сегодняшний день наиболее распространёнными потребителями тепловой и электрической энергии в современных административных и общественных зданиях являются системы вентиляции и кондиционирования воздуха. При проектировании современных зданий общественного и административного назначения для снижения энергопотребления в системах вентиляции и кондиционирования воздуха имеет смысл особое предпочтение уделять снижению мощности на стадии получения технических условий и уменьшению эксплуатационных затрат. Сокращение эксплуатационных затрат наиболее важно для собственников объектов или арендаторов. Известно много готовых способов и различных мероприятий — по снижению энергозатрат в системах кондиционирования воздуха , но на практике выбор энергоэффективных решений очень сложен.

Одни из многих систем вентиляции и кондиционирования воздуха, которые можно отнести к энергоэффективным системам, — это рассмотренные в данной статье системы кондиционирования воздуха с испарительным охлаждением.

Они применяются в жилых, общественных, производственных помещениях. Процесс испарительного охлаждения в системах кондиционирования обеспечивают форсуночные камеры, плёночные, насадочные и пенные аппараты. Рассматриваемые системы могут иметь прямое, косвенное, а также двухступенчатое испарительное охлаждение.

Из приведённых вариантов наиболее экономичным оборудованием для охлаждения воздуха являются системы с прямым охлаждением. Для них предполагается использование стандартной техники без применения дополнительных источников искусственного холода и холодильного оборудования.

Принципиальная схема системы кондиционирования воздуха с прямым испарительным охлаждением представлена на рис. 1.

К преимуществам таких систем можно отнести минимальные затраты на обслуживание систем при эксплуатации, а также надёжность и конструктивную простоту. Их основные недостатки — невозможность поддержания параметров приточного воздуха, исключение рециркуляции в обслуживаемом помещении и зависимость от внешних климатических условий.

Энергозатраты в таких системах сводятся к перемещению воздуха и рециркуляционной воды в адиабатических увлажнителях, установленных в центральном кондиционере . При использовании адиабатического увлажнения (охлаждения) в центральных кондиционерах требуется использовать воду питьевого качества. Применение таких систем может ограничиваться в климатических зонах с преобладающим сухим климатом.

Областями применения систем кондиционирования воздуха с испарительным охлаждением являются объекты, которые не требуют точного поддержания тепловлажностного режима. Обычно они находятся в ведении предприятий различных отраслей промышленности, где необходим дешёвый способ охлаждения внутреннего воздуха при высокой теплонапряжённости помещений .

Следующий вариант экономичного охлаждения воздуха в системах кондиционирования — использование косвенного испарительного охлаждения.

Система с таким охлаждением чаще всего применяется в тех случаях, когда параметры внутреннего воздуха невозможно получить используя прямое испарительное охлаждение, увеличивающее влагосодержание приточного воздуха. В «косвенной» схеме приточный воздух охлаждается в теплообменном аппарате рекуперативного или регенеративного типа, контактирующего со вспомогательным потоком воздуха, охлаждаемым испарительным охлаждением.

Вариант схемы системы кондиционирования воздуха с косвенным испарительным охлаждением и использованием роторного теплообменника представлен на рис. 2. Схема СКВ с косвенным испарительным охлаждением и применением теплообменников рекуперативного типа показана на рис. 3.

Системы кондиционирования воздуха с косвенным испарительным охлаждением применяются, когда требуется подавать приточный воздух без осушения. Требуемые параметры воздушной среды поддерживают местные доводчики, установленные в помещении. Определение расхода приточного воздуха осуществляется в санитарными нормами, либо по воздушному балансу в помещении.

В системах кондиционирования воздуха с косвенным испарительным охлаждением в качестве вспомогательного используется либо наружный, либо вытяжной воздух. При наличии местных доводчиков последнему отдаётся предпочтение, так как он повышает энергетическую эффективность процесса. Необходимо отметить, что использование вытяжного воздуха в качестве вспомогательного не допускается при наличии ядовитых, взрывоопасных примесей, а также высокого содержания взвешенных частиц, загрязняющих поверхность теплообмена.

Наружный воздух в качестве вспомогательного потока используется в том случае, когда недопустимо перетекание вытяжного воздуха в приточный через неплотности теплообменника (то есть теплоутилизатора).

Вспомогательный поток воздуха перед подачей на увлажнение очищают в воздушных фильтрах. Схема системы кондиционирования воздуха с регенеративными теплообменниками обладает большей энергетической эффективностью и меньшей стоимостью оборудования.

При проектировании и выборе схем систем кондиционирования воздуха с косвенным испарительным охлаждением требуется учитывать мероприятия по регулированию процессов утилизации теплоты в холодный период года с целью исключения обмерзания теплообменников . Следует предусматривать догрев вытяжного воздуха перед утилизатором, обвод части приточного воздуха в пластинчатом теплообменнике и регулирование частоты вращения в роторном утилизаторе.

Использование данных мероприятий позволит исключить обмерзание теплообменников. Также в расчётах при использовании вытяжного воздуха в качестве вспомогательного потока необходимо проверять систему на работоспособность в холодный период года.

Ещё одна из энергоэффективных систем кондиционирования воздуха — система с двухступенчатым испарительным охлаждением. Охлаждение воздуха в данной схеме предусматривается в два этапа: прямым испарительным и косвенно-испарительным методами.

«Двухступенчатые» системы предусматривают более точную регулировку параметров воздуха при выходе из центрального кондиционера. Такие системы кондициониования воздуха применяются в случаях, когда требуется более глубокое охлаждение приточного воздуха по сравнению с охлаждением в прямом или косвенном испарительном охлаждении.

Охлаждение воздуха в двухступенчатых системах предусматривают в регенеративных, пластинчатых утилизаторах или же в поверхностных теплообменниках промежуточным теплоносителем с помощью вспомогательного потока воздуха — в первой ступени. Охлаждение воздуха в адиабатических увлажнителях — во второй ступени. Основные требования к вспомогательному потоку воздуха, а также к проверке работы СКВ в холодный период года аналогичны применяемым к схемам СКВ с косвенным испарительным охлаждением.

Применение систем кондиционирования воздуха с испарительным охлаждением позволяет достичь лучших результатов, которые невозможно получить при использовании холодильных машин.

Применение схем СКВ с испарительным, косвенным и двухступенчатым испарительным охлаждением позволяет в некоторых случаях отказаться от использования холодильных машин и искусственного холода, а также значительно снизить холодильную нагрузку.

За счёт использования трёх этих схем часто достигается энергоэффективность обработки воздуха, что очень важно при проектировании современных зданий.

История систем испарительного охлаждения воздуха

На протяжении веков цивилизации находили оригинальные методы борьбы со зноем на своих территориях. Ранняя форма охлаждающей системы — «ловец ветра» — была изобретена много тысяч лет назад в Персии (Иран). Это была система ветряных валов на крыше, которые улавливали ветер, пропускали его через воду и задували охлаждённый воздух во внутренние помещения. Примечательно, что многие из этих зданий также имели дворы с большими запасами воды, поэтому, если не было ветра, то в результате естественного процесса испарения воды горячий воздух, поднимаясь вверх, испарял воду во дворе, после чего уже охлаждённый воздух проходил через здание. В наши дни Иран заменил «ловцов ветра» на испарительные охладители и широко их использует, а иранский рынок за счёт сухого климата достигает оборота в 150 тыс. испарителей в год.

В США испарительный охладитель в XX веке был объектом многочисленных патентов. Многие из них, начиная ещё с 1906 года, предлагали использовать древесную стружку как прокладку, переносящую большое количество воды при контакте с движущимся воздухом и поддерживающую интенсивное испарение. Стандартная конструкция из патента 1945 года включает водяной резервуар (обычно оснащённый поплавковым клапаном для регулировки уровня), насос для циркуляции воды через прокладки из древесных стружек и вентилятор для подачи воздуха через прокладки в жилые помещения. Эта конструкция и материалы остаются основными в технологии испарительных охладителей на юго-западе США. В этом регионе они дополнительно используются для увеличения влажности.

Испарительное охлаждение было распространено в авиационных двигателях 1930-х годов, например, в двигателе для дирижабля Beardmore Tornado. Эта система была использована для уменьшения или полного исключения радиатора, который в ином случае мог бы создать существенное аэродинамическое сопротивление. Внешние приборы испарительного охлаждения устанавливались на некоторые автомобили для охлаждения салона. Зачастую они продавались как дополнительные аксессуары. Использование приборов испарительного охлаждения в автомобилях продолжалось до тех пор, пока не приобрело широкое распространение парокомпрессионное кондиционирование воздуха.

Принцип испарительного охлаждения отличается от того, на котором работают аппараты парокомпрессионного охлаждения, хотя они также требуют испарения (испарение является частью системы). В парокомпрессионном цикле после испарения хладагента внутри испарительного змеевика, охлаждающий газ, сжимается и охлаждается, под давлением конденсируясь в жидкое состояние. В отличие от этого цикла, в испарительном охладителе вода испаряется только один раз. Испарённая вода в охладительном приборе выводится в пространство с охлаждённым воздухом. В градирне испарившаяся вода уносится потоком воздуха.

Богословский В.Н., Кокорин О.Я., Петров Л.В. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. - М.: Стройиздат, 1985. 367 с.
Баркалов Б.В., Карпис Е.Е. Кондиционирование воздуха в промышленных, общественных и жилых зданиях. - М.: Стройиздат, 1982. 312 с.
Королева Н.А., Тарабанов М.Г., Копышков А.В. Энергоэффективные системы вентиляции и кондиционирования воздуха крупного торгового центра // АВОК, 2013. №1. С. 24–29.
Хомутский Ю.Н. Применение адиабатного увлажнение для охлаждения воздуха // Мир климата, 2012. №73. С. 104–112.
Участкин П.В. Вентиляция, кондиционирование воздуха и отопление на предприятиях лёгкой промышленности: Учеб. пособ. для вузов. - М.: Лёгкая индустрия, 1980. 343 с.
Хомутский Ю.Н. Расчёт косвенно-испарительной системы охлаждения // Мир климата, 2012. №71. С. 174–182.
Тарабанов М.Г. Косвенное испарительное охлаждение приточного наружного воздуха в СКВ с доводчиками // АВОК, 2009. №3. С. 20–32.
Кокорин О.Я. Современные системы кондиционирования воздуха. - М.: Физматлит, 2003. 272 с.

В современной климатической технике большое внимание уделяется энергоэффективности оборудования. Этим объясняется возросший в последнее время интерес к водоиспарительным системам охлаждения на основе косвенно-испарительных теплообменных аппаратов (косвенно-испарительные системы охлаждения). Водоиспарительные системы охлаждения могут оказаться эффективным решением для многих регионов нашей страны, климат которых отличается относительно низкой влажностью воздуха. Вода как хладагент уникальна — она обладает большой теплоемкостью и скрытой теплотой парообразования, безвредна и доступна. Кроме того, вода хорошо изучена, что позволяет достаточно точно предсказывать ее поведение в различных технических системах.

Особенности систем охлаждения с косвенно-испарительными теплообменниками

Главной особенностью и преимуществом косвенно-испарительных систем является возможность охлаждения воздуха до температуры ниже температуры мокрого термометра. Так, технология обычного испарительного охлаждения (в увлажнителях адиабатного типа), когда в поток воздуха впрыскивается вода, не только понижает температуру воздуха, но и увеличивает его влагосодержание. При этом линия процесса на I d-диаграмме влажного воздуха идет по адиабате, а минимально возможная температура соответствует точке «2» (рис. 1).

В косвенно-испарительных же системах воздух может быть охлажден до точки «3» (рис. 1). Процесс на диаграмме в данном случае идет вертикально вниз по линии постоянного влагосодержания. В результате получаемая температура оказывается ниже, а влагосодержание воздуха не растет (остается постоянным).

Кроме того, водоиспарительные системы обладают следующими положительными качествами:

Возможность совместного получения охлажденного воздуха и холодной воды.
Малое энергопотребление. Основными потребителями электроэнергии являются вентиляторы и водяные насосы.
Высокая надежность, обусловленная отсутствием сложных машин и использованием неагрессивного рабочего тела — воды.
Экологическая чистота: низкий уровень шума и вибраций, неагрессивное рабочее тело, малая экологическая вредность промышленного производства системы в силу малой трудоемкости изготовления.
Простота конструктивного исполнения и относительно низкая стоимость, связанные с отсутствием жестких требований к герметичности системы и ее отдельных узлов, отсутствием сложных и дорогих машин (холодильных компрессоров), малыми избыточными давлениями в цикле, низкой металлоемкостью и возможностью широкого использования пластмасс.

Системы охлаждения, использующие эффект поглощения теплоты при испарении воды, известны очень давно. Однако на данный момент водоиспарительные системы охлаждения распространены недостаточно широко. Практически вся ниша промышленных и бытовых систем охлаждения в области умеренных температур заполнена хладоновыми парокомпрессионными системами.

Такая ситуация, очевидно, связана с проблемами эксплуатации водоиспарительных систем при отрицательных температурах и их непригодностью к эксплуатации при высокой относительной влажности наружного воздуха. Сказалось и то, что основные аппараты подобных систем (градирни, теплообменники), использовавшиеся ранее, обладали большими габаритами, массой и другими недостатками, связанными с работой в условиях высокой влажности. Кроме того, им требовалась система водоподготовки.

Однако сегодня благодаря техническому прогрессу получили распространение высокоэффективные и компактные градирни, способные охладить воду до температур, всего на 0,8 … 1,0° С отличающихся от температуры входящего в градирню воздушного потока по мокрому термометру.

Здесь особым образом следует отметить градирни компаний Muntes и SRH-Lauer . Такой малый температурный напор удалось обеспечить главным образом за счет оригинальной конструкции насадки градирни, обладающей уникальными свойствами — хорошей смачиваемостью, технологичностью, компактностью.

Описание системы косвенно-испарительного охлаждения

В системе косвенно-испарительного охлаждения атмосферный воздух из окружающей среды с параметрами, соответствующими точке «0» (рис. 4), нагнетается вентилятором в систему и охлаждается при постоянном влагосодержании в косвенно-испарительном теплообменнике.

После теплообменника основной поток воздуха разделяется на два: вспомогательный и рабочий, направляемый к потребителю.

Вспомогательный поток одновременно играет роль и охладителя, и охлаждаемого потока — после теплообменника он направляется обратно, навстречу основному потоку (рис. 2).

При этом в каналы вспомогательного потока подается вода. Смысл подачи воды заключается в «замедлении» роста температуры воздуха за счет параллельного его увлажнения: как известно, одного и того же изменения тепловой энергии можно достичь как изменением только температуры, так и изменением температуры и влажности одновременно. Поэтому при увлажнении вспомогательного потока тот же обмен теплом достигается меньшим изменением температуры.

В косвенно-испарительных теплообменниках другого вида (рис. 3) вспомогательный поток направляется не в теплообменник, а в градирню, где охлаждает воду, циркулирующую через косвенно-испарительный теплообменник: вода нагревается в нем за счет основного потока и остывает в градирне за счет вспомогательного. Перемещение воды по контуру осуществляется с помощью циркуляционного насоса.

Расчет косвенно-испарительного теплообменника

Для того чтобы рассчитать цикл косвенно-испарительной системы охлаждения с циркулирующей водой, необходимы следующие исходные данные:

φ ос — относительная влажность воздуха окружающей среды, %;
t ос — температура воздуха окружающей среды, ° С;
∆t х — разность температур на холодном конце теплообменника, ° С;
∆t m — разность температур на теплом конце теплообменника, ° С;
∆t wгр — разность между температурой воды, выходящей из градирни, и температурой подаваемого в нее воздуха по мокрому термометру, ° С;
∆t min — минимальная разность температур (температурный напор) между потоками в градирне (∆t min <∆t wгр), ° С;
G р — требуемый потребителем массовый расход воздуха, кг/с;
η в — КПД вентилятора;
∆P в — потеря давления в аппаратах и магистралях системы (требуемый напор вентилятора), Па.

Методика расчета основана на следующих допущениях:

Процессы тепло-массообмена приняты равновесными,
На всех участках системы отсутствуют внешние теплопритоки,
Давление воздуха в системе равно атмосферному (локальные изменения давления воздуха вследствие его нагнетания вентилятором или прохождения через аэродинамические сопротивления пренебрежимо малы, что позволяет использовать I d диаграмму влажного воздуха для атмосферного давления на всем протяжении расчета системы).

Порядок инженерного расчета рассматриваемой системы заключается в следующем (рисунок 4):

1. По I d диаграмме или с помощью программы расчета влажного воздуха определяются дополнительные параметры окружающего воздуха (точка «0» на рис. 4): удельная энтальпия воздуха i 0 , Дж/кг и влагосодержание d 0 , кг/кг.
2. Приращение удельной энтальпии воздуха в вентиляторе (Дж/кг) зависит от типа вентилятора. Если электродвигатель вентилятора не обдувается (не охлаждается) основным потоком воздуха, тогда:

Если в схеме используется вентилятор канального типа (когда электродвигатель охлаждается основным потоком воздуха), то:

где:
η дв — КПД электродвигателя;
ρ 0 — плотность воздуха на входе в вентилятор, кг/м 3

где:
B 0 — барометрическое давление окружающей среды, Па;
R в — газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/(кг.К).

3. Удельная энтальпия воздуха после вентилятора (точка «1»), Дж/кг.

i 1 = i 0 +∆i в; (3)

Поскольку процесс «0-1» происходит при постоянном влагосодержании (d 1 =d 0 =const), то по известным φ 0 , t 0 , i 0 , i 1 определяем температуру воздуха t1 после вентилятора (точка «1»).

4. Точка росы окружающего воздуха t рос, °С, определяется по известным φ 0 , t 0 .

5. Психрометрическая разность температур воздуха основного потока на выходе из теплообменника (точка «2») ∆t 2-4 , °С

∆t 2-4 =∆t x +∆t wгр; (4)

где:
∆t х назначается, исходя из конкретных условий работы в диапазоне ~ (0,5…5,0), °С. При этом следует иметь в виду, что малые значения ∆t х повлекут за собой относительно большие размеры теплообменного аппарата. Для обеспечения малых значений ∆t х необходимо использовать высокоэффективные теплопередающие поверхности;

∆t wгр выбирается в диапазоне (0,8…3,0), °С; меньшие значения ∆t wгр следует принимать в случае необходимости получения минимально возможной температуры холодной воды в градирне.

6. Принимаем, что процесс увлажнения вспомогательного воздушного потока в градирне от состояния «2-4», с достаточной точностью для инженерных расчетов, идет по линии i 2 =i 4 =const.

В этом случае, зная величину ∆t 2-4 , определяем температуры t 2 и t 4 , точек «2» и «4» соответственно, °С. Для этого найдем такую линию i=const, чтобы между точкой «2» и точкой «4» разность температур составляла найденную ∆t 2-4 . Точка «2» при этом находится на пересечении линий i 2 =i 4 =const и постоянного влагосодержания d 2 =d 1 =d ОС. Точка «4» находится на пересечении линии i 2 =i 4 =const и кривой φ 4 = 100 % относительной влажности.

Таким образом, используя приведенные диаграммы, определяем оставшиеся параметры в точках «2» и «4».

7. Определяем t 1w — температуру воды на выходе из градирни, в точке «1w», °С. В расчетах можно пренебречь нагревом воды в насосе, следовательно, на входе в теплообменник (точка «1w’») вода будет иметь ту же температуру t 1w

t 1w =t 4 +.∆t wгр; (5)

8. t 2w — температура воды после теплообменника на входе в градирню (точка «2w»), °С

t 2w =t 1 -.∆t m ; (6)

9. Температура воздуха, выбрасываемого из градирни в окружающую среду (точка «5») t 5 определяется графоаналитическим методом с использованием i d диаграммы (c большим удобством может быть использована совокупность Q t и i t-диаграмм, однако они менее распространены, поэтому в данном расчете использована i d диаграмма). Указанный метод заключается в следующем (рис. 5):

точка «1w», характеризующая состояние воды на входе в косвенно-испарительный теплообменник, cо значением удельной энтальпии точки «4» помещается на изотерму t 1w , отстоящую от изотермы t 4 на расстоянии ∆t wгр.
От точки «1w» вдоль изоэнтальпы откладываем отрезок «1w — p» так, чтобы t p = t 1w — ∆t min .
Зная, что процесс нагрева воздуха в градирне происходит по φ=const=100 %, строим из точки «p» касательную к φ пр =1 и получаем точку касания «k».
От точки касания «k» по изоэнтальпе (адиабате, i=const) откладываем отрезок «k — n» так, чтобы t n = t k + ∆t min . Таким образом, обеспечивается (назначается) минимальная разность температур между охлаждаемой водой и воздухом вспомогательного потока в градирне. Эта разность температур гарантирует работоспособность градирни в расчетном режиме.
Проводим из точки «1w» через точку «n» прямую до пересечения с прямой t=const= t 2w . Получаем точку «2w».
Из точки «2w» проводим прямую i=const до пересечения с φ пр =const=100%. Получаем точку «5», характеризующую состояние воздуха на выходе из градирни.
По диаграмме определяем искомую температуру t5 и остальные параметры точки «5».

10. Составляем систему уравнений для нахождения неизвестных массовых расходов воздуха и воды. Тепловая нагрузка градирни по вспомогательному воздушному потоку, Вт:

Q гр =G в (i 5 - i 2) ; (7)

Q wгр =G ow C pw (t 2w - t 1w) ; (8)

где:
С pw — удельная теплоемкость воды, Дж/(кг.К).

Тепловая нагрузка теплообменника по основному воздушному потоку, Вт:

Q mo =G o (i 1 - i 2) ; (9)

Тепловая нагрузка теплообменника по водяному потоку, Вт:

Q wmo =G ow C pw (t 2w - t 1w) ; (10)

Материальный баланс по воздушным потокам:

G o =G в +G p ; (11)

Тепловой баланс по градирне:

Q гр =Q wгр; (12)

Тепловой баланс теплообменника в целом (количество переданной теплоты каждым из потоков одинаково):

Q wmo =Q mo ; (13)

Совместный тепловой баланс градирни и теплообменника по воде:

Q wгр =Q wmo ; (14)

11. Решая совместно уравнения с (7) по (14), получим следующие зависимости:
массовый расход воздуха по вспомогательному потоку, кг/с:

массовый расход воздуха по основному воздушному потоку, кг/с:

G o =G p ; (16)

Массовый расход воды через градирню по основному потоку, кг/с:

12. Количество воды, необходимое для подпитки водяного контура градирни, кг/с:

G wn =(d 5 -d 2)G в; (18)

13. Потребляемая мощность в цикле определяется мощностью, затрачиваемой на привод вентилятора, Вт:

N в =G o ∆i в; (19)

Таким образом, найдены все параметры, необходимые для конструктивных расчетов элементов системы косвенно-испарительного охлаждения воздуха.

Отметим, что подаваемый потребителю рабочий поток охлажденного воздуха (точка «2») может быть дополнительно охлажден, например, адиабатным увлажнением либо любым другим способом. В качестве примера на рис. 4 обозначена точка «3*», соответствующая адиабатному увлажнению. В этом случае точки «3*» и «4» совпадают (рис. 4).

Практические аспекты косвенно-испарительных систем охлаждения

Исходя из практики расчетов косвенно-испарительных систем охлаждения, следует заметить, что, как правило, расход вспомогательного потока составляет 30-70% от основного и зависит от потенциальной способности к охлаждению подаваемого в систему воздуха.

Если сравнить охлаждение адиабатным и косвенно-испарительным методами, то из I d-диаграммы видно, что в первом случае воздух с температурой 28 °С и относительной влажностью 45% может быть охлажден до 19,5°С, в то время как во втором случае — до 15°С (рис. 6).

«Псевдокосвенное» испарение

Как уже говорилось выше, косвенно-испарительная система охлаждения позволяет добиться более низкой температуры, чем традиционная система адиабатного увлажнения воздуха. Немаловажно также подчеркнуть, что влагосодержание искомого воздуха не изменяется. Подобных преимуществ по сравнению с адиабатным увлажнением удается достигнуть за счет внедрения вспомогательного потока воздуха.

Практических применений системы косвенно-испарительного охлаждения на данный момент мало. Однако появились аппараты сходного, но несколько другого принципа действия: воздухо-воздушных теплообменных аппаратов с адиабатным увлажнением наружного воздуха (системы «псевдокосвенного» испарения, где вторым потоком в теплообменнике служит не некоторая увлажненная часть основного потока, а другой, абсолютно независимый контур).

Подобные устройства находят применение в системах с большим объемом рециркуляционного воздуха, нуждающегося в охлаждении: в системах кондиционирования воздуха поездов, зрительных залов различного назначения, центрах обработки данных и на других объектах.

Цель их внедрения — максимально возможное снижение длительности работы энергоемкого компрессорного холодильного оборудования. Вместо этого при наружных температурах вплоть до 25°С (а иногда и выше), используется воздухо-воздушный теплообменник, в котором рециркуляционный воздух помещения охлаждается наружным воздухом.

Для большей эффективности работы аппарата наружный воздух предварительно увлажняется. В более сложных системах увлажнение производится и в процессе теплообмена (впрыск воды в каналы теплообменника), чем достигается дополнительное повышение его эффективности.

Благодаря использованию таких решений текущее энергопотребление системы кондиционирования снижается на величину до 80%. Общегодовое энергопотребление зависит от климатического района эксплуатации системы, в среднем оно снижается на 30-60%.

Юрий Хомутский, технический редактор журнала «Мир климата»

В статье использована методика МГТУ им. Н. Э. Баумана для расчета косвенно-испарительной системы охлаждения.

Категории

Выбор редакции