Двухступенчатое испарительное охлаждение на h d диаграмме. Как работают кондиционеры на воде. Испарительное охлаждение воздуха. Особенности систем охлаждения с косвенно-испарительными теплообменниками

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.

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

При построении процессов на i - d диаграмме и выборе технологической схемы обработки воздуха необходимо стремиться к рациональному использованию энергии, обеспечивая экономное расходование холода, теплоты, электроэнергии, воды, а также экономию строительной площади, занимаемой оборудованием. С этой целью следует проанализировать возможность экономии искусственного холода путем применения прямого и косвенного испарительного охлаждения воздуха, применения схемы с регенерацией теплоты удаляемого воздуха и утилизацией теплоты вторичных источников, при необходимости - использования первой и второй рециркуляции воздуха, схемы с байпасом, а также управляемых процессов в теплообменных аппаратах.

Рециркуляция применяется в помещениях со значительными теплоизбытками, когда расход приточного воздуха, определенный на удаление избыточной теплоты, больше, чем необходимый расход наружного воздуха. В теплый период года рециркуляция позволяет сократить затраты холода по срав нению с прямоточной схемой той же производительности, если энтальпия наружного воздуха выше, чем энтальпия удаляемого воздуха, а также отказаться от второго подогрева. В холодный период - существенно сократить затраты теплоты на нагревание наружного воздуха. При использовании испарительного охлаждения, когда энтальпия наружного воздуха ниже, чем внутреннего и удаляемого, рециркуляция не целесообразна. Перемещение рециркуляционного воздуха по сети воздуховодов всегда связано с дополнительными затратами электроэнергии, требует строительный объем для размещения рециркуляционных воздуховодов. Рециркуляция будет целесообразна, если затраты на ее устройство и функционирование будут меньше, чем получаемая экономия теплоты и холода. Поэтому при определении расхода приточного воздуха всегда следует стремиться приблизить его к минимально необходимому значению наружного воздуха, принимая соответствующую схему воздухораспределения в помещении и тип воздухораспределителя и, соответственно, прямоточную схему. Рециркуляция также не совместима с регенерацией теплоты удаляемого воздуха. С целью сокращения расхода теплоты на нагревание наружного воздуха в холодный период года следует проанализировать возможность использования вторичной теплоты от низкопотенциальных источников, а именно: теплоты удаляемого воздуха, отходящих газов теплогенераторов и технологического оборудования, теплоты конденсации холодильных машин, теплоты осветительной арматуры, теплоты сточных вод и т.д. Теплообменники регенерации теплоты удаляемого воздуха позволяют также несколько снизить расход холода в теплое время года в районах с жарким климатом.

Чтобы сделать правильный выбор, необходимо знать возможные схемы обработки воздуха и их особенности. Рассмотрим наиболее простые процессы изменения состояния воздуха и их последовательность в центральных кондиционерах, обслуживающих одно помещение большого объема.

Обычно определяющим режимом для выбора технологической схемы обработки и определения производительности системы кондиционирования воздуха является теплый период года. В холодный период года стремятся сохранить расход приточного воздуха, определенный для теплого периода года, и схему обработки воздуха.

Двухступенчатое испарительное охлаждение

Температура мокрого термометра основного потока воздуха после охлаждения в поверхностном теплообменнике косвенного испарительного охлаждения имеет более низкое значение по сравнению с температурой мокрого термометра наружного воздуха, как естественный предел испарительного охлаждения. Поэтому при последующей обработке основного потока в контактном аппарате методом прямого испарительного охлаждения можно получить более низкие параметры воздуха по сравнению с естественным пределом. Такая схема последовательной обработки воздуха основного потока воздуха методом косвенного и прямого испарительного охлаждения называется двухступенчатым испарительным охлаждением. Схема компоновки оборудования центрального кондиционера, соответствующая двухступенчатому испарительному охлаждению воздуха, представлена на рисунке 5.7 а. Для нее также характерно наличие двух потоков воздуха: основного и вспомогательного. Наружный воздух, имеющий более низкую температуру по мокрому термометру, чем внутренний воздух в обслуживаемом помещении, поступает в основной кондиционер. В первом воздухоохладителе он охлаждается с помощью косвенного испарительного охлаждения. Далее он поступает в блок адиабатного увлажнения, где охлаждается и увлажняется. Испарительное охлаждение воды, циркулирующей через поверхностные воздухоохладители основного кондиционера, осуществляется при ее распылении в блоке адиабатного увлажнения во вспомогательном потоке. Циркуляционный насос забирает воду из поддона блока адиабатного увлажнения вспомогательного потока и подает ее в воздухоохладители основного потока и далее - на распыление во вспомогательном потоке. Убыль воды от испарения в основном и вспомогательном потоке восполняется через поплавковые клапаны. После двух ступеней охлаждения воздух подается в помещение.

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.

Экология потребления. История создания кондиционера прямого испарительного охлаждения. Отличия прямого и косвенного охлаждения. Варианты применения кондиционеров испарительного типа

Охлаждение и увлажнение воздуха посредством испарительного охлаждения - это абсолютно естественный процесс, в котором вода используется как охлаждающая среда, а тепло эффективно рассеивается в атмосфере. Используются простые закономерности - при испарении жидкости происходит поглащение тепла или выделение холода. Эффективность испарения - увеличивается при увеличении скорости воздуха, что обеспечивает принудительная циркуляция вентилятора.

Температура сухого воздуха может быть существенно снижена с помощью фазового перехода жидкой воды в пар, и этот процесс требует значительно меньше энергии, чем компрессионное охлаждение. В очень сухом климате испарительное охлаждение имеет также то преимущество, что при кондиционировании воздуха увеличивает его влажность, и это создаёт больше комфорта для людей, находящихся в помещении. Однако, в отличие от парокомпрессионного охлаждения, оно требует постоянного источника воды, и в процессе эксплуатации постоянно её потребляет.

История развития

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 охлажденный воздух проходил через здание. В наши дни Иран заменил ловцов ветра на испарительные охладители и широко их использует, а рынок за счет сухого климата - достигает оборота за год в 150.000 испарителей.

В США испарительный охладитель в двадцатом веке был объектом многочисленных патентов. Многие из которых, начиная с 1906г., предлагали использовать древесную стружку, как прокладку переносящую большое количество воды при контакте с движущимся воздухом, и поддерживающую интенсивное испарение. Стандартная конструкция, как показано в патенте 1945г., 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. В этих системах вода в двигателе поддерживалась под давлением с помощью насосов, позволявших ей нагреваться до температуры более 100°C, поскольку фактическая точка кипения зависит от давления. Перегретая вода распылялась через сопло на открытую трубу, где мгновенно испарялась, принимая её тепло. Эти трубы могли быть расположены под поверхностью самолёта для создания нулевого сопротивления.

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 охлажденным воздухом. В градирне испарившаяся вода уносится потоком воздуха.

Варианты применения испарительного охлаждения

Различают испарительное охлаждение воздуха прямое, косое, и двухступенчатое (прямое и косвенное). Прямое испарительное охлаждение воздуха основано на изоэнтальпийном процессе и используется в кондиционерах в холодное время года; в теплое время оно возможно лишь при отсутствии или незначительных влаговыделениях в помещении и низком влагосодержании наружного воздуха. Несколько расширяет границы его применения байпасирование камеры орошения.

Прямое испарительное охлаждение воздуха целесообразно в условиях сухого и жаркого климата в приточной системе вентиляции.

Косвенное испарительное охлаждение воздуха осуществляется в поверхностных воздухоохладителях. Для охлаждения воды, циркулирующей в поверхностном теплообменнике, используют вспомогательный контактный аппарат (градирню). Для косвенного испарительного охлаждения воздуха можно использовать аппараты совмещенного типа, в которых теплообменник выполняет одновременно обе функции - нагрев и охлаждение. Такие аппараты аналогичны воздушным рекуперативным теплообменникам.

По одной группе каналов проходит охлаждаемый воздух, внутренняя поверхность второй группы орошается водой, стекающей в поддон, а затем вновь разбрызгиваемой. При контакте с проходящим во второй группе каналов выбросным воздухом происходит испарительное охлаждение воды, в результате чего воздух в первой группе каналов охлаждается. Косвенное испарительное охлаждение воздуха позволяет снизить производительность системы кондиционирования воэдуха по сравнению с ее производительностью при прямом испарительном охлаждении воздуха и расширяет возможности использования этого принципа, т.к. влагосодержание приточного воздуха во втором случае меньше.

При двухступенчатом испарительном охлаждении воздуха используют последовательное косвенное и прямое испарительное охлаждение воздуха в кондиционере. При этом установку для косвенного испарительного охлаждения воздуха дополняют оросительной форсуночной камерой, работающей в режиме прямого испарительного охлаждения. Типовые оросительные форсуночные камеры используют в системах испарительного охлаждения воздуха как градирни. Помимо одноступенчатого косвенного испарительного охлаждение воздуха возможно многоступенчатое, в котором осуществляется более глубокое охлаждение воздуха, - это так называемая бескомпрессорная система кондиционирования воэдуха.

Прямое испарительное охлаждение (открытый цикл) используется для снижения температуры воздуха с помощью удельной теплоты испарения, изменяя жидкое состояние воды на газообразное. В этом процессе энергия в воздухе не меняется. Сухой, тёплый воздух заменяется на прохладный и влажный. Тепло внешнего воздуха используется для испарения воды.

Непрямое испарительное охлаждение (закрытый цикл) процесс похожий на прямое испарительное охлаждение, но использующий определённый тип теплообменника. В этом случае влажный, охлаждённый воздух не контактирует с кондиционируемой средой.

Двухстадийное испарительное охлаждение, или непрямое/прямое .

Традиционные испарительные охладители используют только часть энергии необходимой аппаратам парокомпрессионного охлаждения или системам адсорбционного кондиционирования. К сожалению, они повышают влажность воздуха до дискомфортного уровня (за исключением очень сухих климатических зон). Двухстадийные испарительные охладители не повышают уровень влажности настолько, насколько это делают стандартные одноступенчатые испарительные охладители.

На первой стадии двухстадийного охладителя, тёплый воздух охлаждается непрямым путём без увеличения влажности (с помощью прохождения через теплообменник, охлаждаемый испарением снаружи). В прямой стадии предварительно охлаждённый воздух проходит через пропитанную водой прокладку, дополнительно охлаждается и становится более влажным. Поскольку в процесс включена первая, предохлаждающая стадия, на стадии прямого испарения необходимо меньше влажности для достижения требуемых температур. В результате, по словам производителей, процесс охлаждает воздух с относительной влажностью в пределах 50 - 70 %, в зависимости от климата. Для сравнения традиционные системы охлаждения повышают влажность воздуха до 70 - 80 %.

Назначение

При проектировании центральной приточной системы вентиляции возможно оснастить воздухозабор испарительной секцией и так существенно снизить затраты на охлаждение воздуха в теплый период года.

В холодный и переходной периоды года, при нагреве воздуха приточными калориферами систем вентиляции или воздуха внутри помещения системами отопления - воздух нагревается и растет его физическая возможность ассимилировать (впитать) в себя, при увеличении температуры - влагу. Или, чем выше температура воздуха - тем больше влаги он может в себя ассимилировать. Например, при нагреве наружного воздуха калорифером системой вентиляции с температуры -22 0 С и влажности 86% (параметр наружного воздуха для ХП г.Киева), до +20 0 С - влажность падает ниже граничных пределов для биологических организмов до недопустимых 5-8% влажности воздуха. Низкая влажность воздуха - негативно влияет на кожу и слизистые оболочки человека, особенно больных астмой или легочными заболеваниями. Нормированная для жилых и административных помещений влажность воздуха: от 30 до 60%.

Испарительное охлаждение воздуха сопровождается выделением влаги или увеличения влажности воздуха, до высокого насыщения влажности воздуха 60-70%.

Преимущества

Объем испарения – и, соответственно, теплоперенос – зависит от температуры наружного воздуха по мокрому термометру которая, особенно летом, намного ниже, чем эквивалентная температура по сухому термометру. Например, в жаркие летние дни, когда температура по сухому термометру превышает 40°C, испарительное охлаждение может охладить воду до 25°C или охлаждать воздух.
Поскольку испарение удаляет намного больше тепла, чем стандартный физический теплоперенос, для теплопереноса используется в четыре раза меньший расход воздуха по сравнению с обычными методами охлаждения воздуха, что сохраняет значительное количество энергии.

Испарительное охлаждение в сравнении с традиционными способами кондиционирования воздуха В отличие от других видов кондиционирования воздуха охлаждение воздуха испарительного типа (био-охлаждение) не использует в качестве хладагентов вредные газы (фреон и другие), которые наносят вред окружающей среде. Оно также потребляет меньше электричества, экономя таким образом электроэнергию, природные ресурсы и до 80 % эксплутационных затрат по сравнению с кондиционированием воздуха другими системами.

Недостатки

Низкая эффективность работы во влажном климате.
Повышение влажности воздуха, что в некоторых случаях нежелательно - выход двухстадийное испарение, где воздух не контактирует и не насыщается влагой.

Принцип работы (вариант 1)

Процесс охлаждения осуществляется за счет тесного контакта вода и воздуха, и переноса тепла в воздух путем испарения небольшого количества воды. Далее тепло рассеивается через выходящий из установки теплый и насыщенный влагой воздух.

Принцип работы (вариант 2) - установка на воздухозаборе

Установки испарительного охлаждения

Существуют различные типы установок для испарительного охлаждения, но все они имеют:
- секцию теплообмена или теплопереноса, постоянно смачиваемую водой методом орошения,
- систему вентиляторов для принудительной циркуляции наружного воздуха через секцию теплообмена,

полнительное к авт. свид-ву Кл,В 60 Ь 3/04 210627 22) Заявлено 03.01.7 присоединением заявки3) Приоритет судврственныи нвмитетавета Министрав СССРпо делам изоервтенийн открытий Бюллетень47 3) Опубликовано 25.1 629,113.06,628.) Дата опубликования описания О 3 О 3 2) Автор изобре В. В. Уткин Специализированное конструкторское баро по специальным гусеничным тракторам класса 2 Г тяги(54) КОНДИЦИОНЕР ДВУСТУПЕНЧАТОГО ИСПАРИТЕЛЫ 1 ОГО ОХЛАЖДЕ 11 И пенчатогожашие воун очную й в теп наломОднако ения 10 ффективности испарительуночная камера для шей в теплообменник Изобретение касается транспортсредств,Известны кондиционеры двустуиспарительного охлаждения, содердовоздушный теплообменник и форскамеру для охлаждения поступаюшелообменник воды, выполненную с кподачи воздуха от теплообменника.эффективность испарительного охланедостаточна.Для повышения эное охлаждение 1 форсохлаждения поступаю воды снабжена каналом для подачи воздухаиз внешней среды, отделенным волнообраз- цной перегородкой от канала подачи воздухаот теплообменника, при эом оба каналавыполнены сужаюшимися по направлению ковходному отверстию форсуночной камеры.На фиг, 1 изображен предлагаемый кон диционер, продольный разрез; на фиг. 2 -разрез по А-А на фиг. 1.Кондиционер состоит из вентилятора 1,приводимого во вращение двигателем 2;водовоздушного теплообменника 3 и форсу- б ночной камеры 4, снабженной каплеуловите лем 5, В форсуночной камере 4 установлены два ряда форсунок 6, Форсуночная камера имеет входное 7 и выходное 8 отверстия и воздушный канал 9. Для циркуляции воды в первой ступени соосно с двигателем установлен водяной насос 10, подающий воду по трубопроводам 11 и 12 из бака 13 в форсунки 6,. Во второй ступени кондиционера установлен водяной насос 14, подаюший воду по трубопроводам 15 и 16 из бака 17 в распыливаюшее устройство 18, смачиваюшее орошаемую башню 19. Здесь же установлен каплеуловитель 2 О.При работе кондиционера вентилятор 1 прогоняет воздух через теплообменник 3, При этом воздух охлаждается, и часть его направляется во вторую ступень (основной поток), а часть через канал 9 - в форсуночную камеру 4, Канал 9 выполнен плавно сужаюшимся в направлении ко входному отверстию форсуночной камеры, благодаря чему скорость потока увеличивается и в зазоры 21 между каналом 9 и входным отверстием камеры 7 подсасывается3наружйый воздух, увеличивая массу вспомо гательного потока, который, пройдя камеру 4, выбрасывается в атмосферу через от верстие 8. Основной поток во второй ступени проходит башню 19 орошаемого слоя, где дополнительно охлаждается и увлажняется и через каплеуловитель 20 направляется в обслуживаемое помещение, Вода, циркулирующая в первой ступени, нагревается в теплообменнике 3, охлаждается в форсуночной камере 4, сепарируется в каплеуловителе 5 и через отверстие 22 стекает снова в бак 13. Вода во второй ступени после орошения башни 19 и сепарации в каплеуловителе 20 через отверстие 28 стекает в бак 17.Формула изобретения1, Кондиционер двуступенчатого испарительного охлаждения, преимушественно для. 4транспортного средства, содержаший водовоздушный теплообменник и форсуночнуюкамеру для охлаждения поступающего в: теплообменник воды, выполненного с кана лом подачи воздуха от теплообменника,о т л и ч а ю ш ий с я тем, что, сцелью повышения эффективности испарительного охлаждения, форсуночная камера дляохлаждения поступаюшей в теплообменник 10 воды снабжена каналом для подачи воздуха из внешней среды, отделенным перегородкой от канала подачи воздуха от теплообменника, при атом оба канала выполнены сужающимися по направлению ко 15 входному отверстию камеры.2. Кондицйонер по п. 1, о т л и ч аю ш и й с я тем, чтоперегородка выпол нена волнообразной.а

Заявка

1982106, 03.01.1974

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЕ КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО ПО СПЕЦИАЛЬНЫМ ГУСЕНИЧНЫМ ТРАКТОРАМ КЛАССА 2Т ТЯГИ

УТКИН ВЛАДИМИР ВИКТОРОВИЧ

МПК / Метки

Код ссылки

Кондиционер двухступенчатого испарительного охлаждения

Похожие патенты

13 - 15 теплообменников 10 - 12 сообщены с полостью А отливной камеры 16, полость Б которой со- з общена трубопроводом 17 с кингстонным каналом 3. Коллектор 6 гидравлическим связан с емкостью 18, которая трубопроводом 19 сообщена с отливной камерой 16, имеющей забортное отверстие 20 и отверстие 21 в перегородке между полостями А и Б.Система работает следующим образом.Охлаждающий насос 4 принимает воду, поступающую в кингстонный канал 3 через перемычку 2 из кингстонного ящика 1, и подает ее по напорным трубопроводам 5 и 7 -- 9 через коллектор 6 к теплообменникам 10 - 12, из которых подогретая вода по отливным трубопроводам 13 - 15 поступает в полость А отливной камеры 16. При заполнении полости А вода через отверстие 21 переливается в...

Эа счет теплового излучения от поверхности нагретой полосы непосредственно к рабочей поверхности холодильника, расположенной сверху и снизу обрабатываемого металла с максимальными угловыми коэффициентами излучения,На фиг,1 показано устройство для охлаждения полось в ермической печи, разрез Б-Б на фиг.2; ия Фиг,2камера конвективного охлаждения по" лосы, разрез А-А на Фиг.1; на фиг.3- конструкция кольцевого газового сопла.Устройство для охлаждения полосы 1, движущейся по Роликам 2, уста" навливается в термическом агрегате после камеры радиационного охлажде" ния 3 и уплотняется при выходе полосы затвором 4, По обе стороны от обрабатываемой полосы расположены цилиндрические водоохлаждаемые поверхности 5, Циркуляционный вентилятор 6...

6 с охладителями 7 и 8 масла и пресной воды и ветвь 9 с охладителем 10 наддувочного воздуха и глушителем 11. Вода из ветви 6 сливается через отливной киигстон 12, а из ветви 9 - через трубу 13 в бортовой патрубок 14 глушителя 11. Автоматическое гидравличес О кое сопротивление 15, установленное на ветви 6, состоит из корпуса 16 переменного проходного сечения, конусообразной тарелки 17 со штоком 18, направляющей втулки 19, закрепленной на корпусе 16 стойками 20, пружины 21 и регулировочных гаек 22.Система работает следующим образом.Насос 4 забортной воды забирает воду через приемный кингстон 2 и фильтр 3 и нагнетает ее по ветви 6 на охладители 7 и 8 масла и пресной воды. По другой параллель- ЗО ной ветви 9 вода подается на охладитель...