Применение адиабатного увлажнения для охлаждения воздуха

Как известно, адиабатное увлажнение позволяет не только повысить влажность воздуха, но и понизить его температуру, тем самым совместив воедино процессы увлажнения и охлаждения. При этом для реализации адиабатного увлажнения практически не требуется затрат электроэнергии — расходуется только вода. Таким образом, стоимость охлажденного и увлажненного воздуха низка, что при правильном его использовании может существенно повысить энергоэффективность различных систем.
 
Адиабатное увлажнение воздуха в помещении
Наиболее простым применением процесса адиабатного увлажнения является охлаждение вентиляционного воздуха — как приточного, так и рециркуляционного. Охлаждение происходит без применения парокомпрессионного холодильного цикла и существенных энергозатрат. Однако полученный воздух содержит много влаги, и непосредственная подача его в помещение создаст некомфортные для человека условия.
Например, при адиабатном увлажнении стандартного для Московского региона наружного воздуха с температурой 28 °C и энтальпией 54 кДж/кг (относительная влажность 43%) до комфортных для человека 22 °C влажность возрастет до 74%, что выше рекомендуемого максимума в 60%.
Ситуация становится еще хуже, если наружный воздух будет еще более теплым или влажным (адиабатное охлаждение с 26 °C/55% до 22 °C приведет к 78% на выходе, а с 30 °C/40% — к 82%).
Таким образом, прямое охлаждение воздуха методом адиабатного увлажнения ограничивается предельной влажностью воздуха 60%, поэтому его приходится рассматривать лишь в качестве вспомогательного процесса при создании комфортного микроклимата в помещении. Один из способов создания комфортных условий с участием адиабатного увлажнения — косвенно-испарительное охлаждение — был рассмотрен в статье «Расчет косвенно-испарительной системы охлаждения» («Мир климата» № 71). 
 
Рис. 1. Принципиальная схема адиабатного охлаждения воздуха перед конденсатором холодильной установки.
    alt    
    

 
Адиабатное увлажнение воздуха перед конденсатором
Другой вариант использования адиабатного увлажнения — предварительное охлаждение воздуха, который подается к конденсатору системы кондиционирования. Этот способ наиболее востребован в теплое время года.
При этом нет разницы, какая именно систем кондиционирования рассматривается — бытовая сплит-система, мультизональная система или система холодоснабжения на основе чиллеров. Также не имеет значения и исполнение конденсатора (встроенный или выносной), хотя, безусловно, подобные решения проще применять в сочетании с выносным конденсатором. Более того, рассматриваемая система пригодна для использования не только с конденсаторами, но и с сухими градирнями (драйкулерами).
В основе решения — тот факт, что от температуры воздуха, охлаждающего конденсатор, зависит температура конденсации хладагента в парокомпрессионном холодильном цикле и чем ниже эта температура, тем ниже энергозатраты системы охлаждения, то есть выше ее энергоэффективность.
 
Рис. 2. Система адиабатного увлажнения воды перед конденсатором в работе (фото взято с сайта компании ES-engineering und Service).
alt
 
Как известно, снижение температуры конденсации на 1 °C ведет к повышению холодильного коэффициента на 3%. Отталкиваясь от ID-диаграммы, можно сделать вывод, что адиабатное увлажнение вполне способно понизить температуру конденсации даже на 10 °C. А это уже на треть возросшая энергоэффективность системы кондиционирования.
 
Принципиально схема адиабатного увлажнения воздуха перед конденсатором выглядит следующим образом (рис. 1): вода из источника водоснабжения проходит через систему очистки, далее она нагнетается насосом и распыляется через форсунки в поток воздуха перед конденсатором. Внешний вид установки представлен на рис. 2.
 
Состав системы
В общем случае система адиабатного увлажнения воздуха перед конденсатором состоит из следующих элементов:
- система управления со встроенным регулятором;
- трубы с изготовленными на заказ инжекторами (форсунками) — на рис. 3, смонтированными на стороне забора воздуха;
- электрический клапан для дренажа воды;
- редуктор с манометром для установления нужного давления воды для эффективного распыления;
- Softwater (умягчитель воды) — электронный прибор, уменьшающий жесткость воды для предотвращения * отложения известкового осадка на оребренной поверхности теплообменного аппарата (конденсатора);
 - электрический клапан для управления подачей воды; 
- термостат защиты от замерзания воды в холодное время года;
- шкаф управления, защищенный от воздействия воды (исполнение IP65 при установке на улице возле системы увлажнения).
 
Эффективность увлажнения напрямую зависит от степени распыления воды, то есть от диаметра получаемых капель. В форсунках, применяемых в системах адиабатного увлажнения, диаметр капель, как правило, лежит в диапазоне 0,06–0,08 мм.
 
Еще одной важной для оценки течения смеси воздуха с каплями воды характеристикой является скорость витания капли. Если скорость витания капли меньше скорости воздушного потока, создаваемой вентилятором конденсатора, то капля уносится воздухом. Вынос капли за границу теплообменника, очевидно, нежелателен. В табл. 1 приведены характерные скорости витания капли в зависимости от диаметра.
 
Таблица 1. Зависимость скорости витания капли от ее диаметра
d капли, мм / v ВИТ, м/с
0,01 / 0,47
0,05 / 1,06
0,1 / 1,48
0,2 / 2,1
0,3 / 2,57
0,5 / 3,32
0,8 / 4,2
1,0 / 4,7
2 / 6,62
3 / 8,12
4 / 9,35
5 / 10,5
7 / 12,4
8 / 13,3
9 / 14,1
10 / 14,8
Для уменьшения выноса капель за конденсатор скорость воздуха рекомендуется ограничивать 2–2,3 м/с.
 
Расчет системы адиабатного увлажнения с использованием форсунок
Тепло- и массообмен в камерах характеризуется отношением реального теплообмена к максимально возможному теплообмену в идеальной камере. Это отношение в общем случае выражается формулой:
                             alt                             
где:
I1 , I2 — начальная и конечная энтальпии воздуха, кДж/кг;
I”в.н. — энтальпия насыщенного воздуха у поверхности воды при ее начальной температуре;
ΔI, ΔIи — соответственно реальный и максимальный (идеальный) перепады энтальпий.
 
Совместное использование уравнений, описывающих изменения коэффициентов Е’ и Е, и уравнения теплового баланса позволяет выполнять любые расчеты, включая отыскание неизвестных конечных или начальных параметров воздуха. Основными параметрами, которые следует определить при расчете рассматриваемых систем адиабатного увлажнения, являются температура увлажненного воздуха, количество необходимой для увлажнения воды.
 
Практические аспекты реализации системы
С практической точки зрения немаловажными являются характеристики подаваемой воды.
Максимальная жесткость воды должна быть в пределах 8–12°Ж (°Ж — градус жесткости, единица измерения жесткости воды, введенная в России с 2005 года и соответствующая концентрации щелочно-земельного элемента, численно равной 1/2 его моля, выраженной в мг/дм 3; 1°Ж = 1 мг-экв/л). Другими словами, максимальное содержание CaCО 3 составляет 80–120 частей на миллион.
Значение рН (рH — водородный показатель; величина, характеризующая концентрацию ионов водорода) воды должно быть менее 7 для предотвращения появления коррозии на оребренной поверхности теплообменника.
Для правильной работы распылительной системы, избыточное давление воды перед форсункой должно быть не менее 2,5 бара. Расход воды для одной форсунки зависит от конкретной модели инжектора, при давлении 2,5 бара он может колебаться от 1,15 до 1,9 л/мин. (69–114 кг/ч).
С точки зрения компоновки системы необходимо, чтобы распыленная вода не долетала до конденсатора, так как ее появление на поверхности теплообменника ухудшит теплоотдачу и, следовательно, затруднит процесс конденсации. Поэтому рекомендуемое расстояние от форсунок до границы теплообменника составляет 20–50 см.
Кроме того, отметим, что на практике далеко не всегда удается добиться полного испарения распыленной воды. Поэтому, если установка расположена на высоте, а падение неиспарившейся воды вниз нежелательно, необходимы установка поддона и отвод дренажа в систему канализации. Однако чаще всего подобные схемы реализуются для конденсаторов, расположенных либо непосредственно на земле, либо на кровле здания. В этих случаях, как правило, наличие поддона не требуется.
 
Дополнительные преимущества
Использование системы увлажнения воздуха перед конденсатором дает ряд дополнительных преимуществ. В частности, сухая градирня или выносной воздушный конденсатор подбирается с расчетом на использование при более низкой температуре наружного воздуха, что позволяет уменьшить размеры теплообменной поверхности, а значит, и размеры самого аппарата. Отметим и возможность охлаждения жидкости при более высокой температуре наружного воздуха. Это позволяет использовать оборудование при наружной температуре, превышающей допустимый производителем лимит, ведь фактически подается более холодный воздух, температура которого находится в допустимых пределах.
Кроме того, сочетание адиабатической системы с инверторным частотным регулятором вентиляторов позволяет снизить электропотребление двигателей, значительно снизить уровень звукового давления и оптимизировать водопотребление. 
 
Адиабатное увлажнение воздуха и рекуперация
Еще одной важной сферой применения адиабатного увлажнения являются рекуперативные теплообменники.
Как известно, в теплое время года рекуперация предназначена для охлаждения наружного, более теплого, приточного воздуха за счет вытяжного, более холодного. При этом вытяжной воздух выбрасывается в окружающую среду, и, следовательно, с ним можно делать «все что угодно». В нашем случае предлагается его увлажнить адиабатным методом, в результате, благодаря одновременно полученному охлаждению, рекуперация тепла (или, в нашем случае, холода) станет более эффективной.
 
Рис. 4. Схема рекуперативной установки с адиабатным увлажнением вытяжного воздуха
alt
 
Схема рассматриваемой системы представлена на рис. 4. Вытяжной воздух попадает сначала в секцию увлажнения («1» на рис. 4), где охлаждается, и поступает в секцию рекуперации («2»), в которой охлаждает приточный теплый воздух.
Чтобы оценить выгоду от использования секции адиабатного увлажнения перед рекуператором, проведем расчет данной системы.
 
Рис. 5. Id-диаграмма для расчета эффекта от введения секции адиабатного увлажнения перед рекуператором
 
alt
 
Параметры наружного воздуха (точка «1», рис. 5): 
Расчетное давление: Р расч = 0,1 МПа.
Температура наружного воздуха: t нар = +28 °C.
Энтальпия наружного воздуха: i нар = +54 кДж/кг.
Влажность наружного воздуха (определяется по I-d-диаграмме): φ нар = 43%.
 
Параметры внутреннего воздуха (точка «3», рис. 5):
Поддерживаемая в помещении температура: t пом = 22 °C.
Влажность, поддерживаемая в помещении: φ пом = 55%
Энтальпия воздуха в помещении (определяется по I-d диаграмме): i пом = 45,5 кДж/кг.
 
Адиабатное увлажнение теоретически позволит добиться относительной влажности до φ = 100%, на практике же значение этого параметра будет около 90%. Таким образом, параметры точки после увлажнителя (точка «4», рис. 5):
Влажность φ увл = 55%.
Энтальпия i увл = 45,5 кДж/кг.
Температура (определяется по I-d-диаграмме): t увл = 17 °C.
 
Для расчета выходных параметров можно воспользоваться параметром эффективности рекуперации (η=30…85% в зависимости от вида рекуператора). Для нашего случая примем η=45% и определим температуру приточного воздуха после рекуператора t рек (точка «2», рис. 5):
alt
 tрек = 28 - 0,45 х (28 - 17) = 23°C.
 
Отметим, что температуру tрек можно определить и исходя из разности температур на холодном конце рекуператора (разность температур между точками «2» и «4»). Опыт показывает, что в системах с малым перепадом температур она составляет 2–6 °C.
В нашем случае получилось Δt = t рек — t увл = 28–23 = 5 °C, что хорошо коррелирует с опытными данными.
Если же секция адиабатного увлажнения вытяжного потока перед рекуператором отсутствовала, температура приточного воздуха после рекуператора составила бы: 25.3 °C.
alt
Таким образом, введение секции адиабатного увлажнения позволило понизить температуру подаваемого воздуха на 2.3°C.
alt

При расходе приточного воздуха G возд = 10 000 м  3/ч экономия в холодильной мощности составит: 27.7 кВт.
alt
С одной стороны, это позволяет сэкономить на капитальных затратах, выбрав холодильную установку мощностью почти на 30 кВт меньше (при общей потребной холодопроизводительности в 51,8 кВт экономия в 27,7 кВт составляет более 50%).
С другой стороны, если учесть, что на производство 3 кВт холодильной мощности тратится 1 кВт электроэнергии, обеспечивается экономия 9 кВт электроэнергии.
 
Заключение
Таким образом, эффект охлаждения в процессе адиабатного увлажнения трудно применить для непосредственного охлаждения воздуха в помещении в связи с тем, что полученный воздух хотя и будет обладать необходимой температурой, но его влажность заметно превысит верхнюю границу комфортного диапазона.
Однако существует ряд возможностей косвенного использования эффекта охлаждения при адиабатном увлажнении — там, где влажность полученного воздуха не имеет значения, а интерес представляет только низкая температура.
Это в полной мере относится к воздуху, который охлаждает конденсатор или драйкулер холодильных установок. За счет установки для распыления воды возможно понизить температуру конденсации хладагента на величину до 10 °C, а следовательно, повысить энергоэффективность системы кондиционирования до 30%.
Еще одной сферой применения адиабатного увлажнения является охлаждение вытяжного потока перед секцией рекуперации приточной установки в теплое время года. За счет увлажнения в рекуператор поступает более холодный воздух и, следовательно, появляется возможность получить на выходе более холодный приточный воздух.
Как показывают практика и расчеты, введение секции увлажнения перед рекуператором позволяет сэкономить более 50% холодильной мощности, требуемой для охлаждения приточного воздуха, что даст положительный экономический эффект как с точки зрения капитальных затрат на холодильное оборудование, так и с точки зрения эксплуатационных расходов на электроэнергию и энергоснабжение системы кондиционирования.
Из всего вышесказанного следует, что для энергоэффективных решений в области систем кондиционирования всегда следует иметь в виду такой инструмент, как адиабатное увлажнение воздуха.
 
Юрий Хомутский, технический редактор журнала «Мир климата»
В статье использована методика НИИ санитарной техники для расчета адиабатной системы увлажнения с использованием форсунок.
JoomlaWatch 1.2.12 - Joomla Monitor and Live Stats by Matej Koval
YOOtheme design - Powered by Joomla