Nowe możliwości pośredniego chłodzenia wyparnego

Nowe możliwości pośredniego chłodzenia wyparnego – badania wymienników wyparnych na Politechnice Wrocławskiej

Demis PANDELIDIS, Sergey ANISIMOV

W niniejszym artykule przedstawiono wstępne wyniki badań wymienników wyparnych na nowo wybudowanym stanowisku Politechniki Wrocławskiej. Badania mają na celu opracowanie nowego wymiennika przeznaczonego do wdrożenia w systemach klimatyzacyjnych. Wyniki badań eksperymentalnych zostały porównane także z danymi uzyskanymi z opracowanych autorskich modeli matematycznych.

Nowoczesne budownictwo cechuje się dużą szczelnością przegród zewnętrznych i okien. W związku z tym, w celu zapewnienia niezbędnej ilości świeżego powietrza użytkownikom pomieszczeń, powszechne staje się stosowanie wentylacji mechanicznej. Obecnie, przy procesach uzdatniania powietrza w okresie letnim, stałym elementem systemu klimatyzacji są urządzenia chłodzące powietrza (chłodnice), które umożliwiają obniżenie temperatury ciepłego powietrza do żądanej, niskiej wartości. Jednakże konwencjonalne jednostki chłodzące, wykorzystujące układy sprężarkowe, cechują się niską efektywnością energetyczną – stratami. W związku z tym istotne staje się zadanie częściowej wymiany urządzeń chłodniczych i obniżenie zużycia przez nie energii dzięki zastosowaniu, jako odnawialnego źródła energii, nierównowagi termodynamicznej powietrza atmosferycznego.

Potencjał termodynamiczny zawarty w powietrzu pozwala na obniżenie jego temperatury przy kontakcie z wodą. Realizowany w trakcie kontaktu obieg bezpośredniego chłodzenia wyparnego prowadzi do odparowania cieczy i nawilżeniu powietrza przy praktycznie niezmiennej entalpii. Z tego powodu wydajność chłodnicza bezpośrednich obiegów wyparnych (odniesiona do ciepła całkowitego) jest równa zeru. Pośrednie ochłodzenie za pomocą parowania jest procesem, podczas którego powietrze nie ma bezpośredniego kontaktu z wodą, a jego chłodzenie odbywa się przez nieprzepuszczającą wody przegrodę. W tym przypadku występują dwa strumienie powietrza: pierwszy (nazywany głównym), przepływa przez suchą część powierzchni wymiany ciepła i obniża swoją temperaturę przy niezmiennej zawartości wilgoci, drugi strumień, akumulujący w sobie ciepło od przepływu głównego (nazywany pomocniczym lub roboczym), płynie kanałem mokrym, w którym zachodzi parowanie wody, po czym jest usuwany poza system (rys. 1b). W takich obiegach termodynamicznych proces ochładzania strumienia głównego odbywa się w suchych kanałach wypełnienia przy obniżającej się entalpii i niezmiennej zawartości wilgoci kosztem parowania wody w przyległych kanałach, wzdłuż których przepływa strumień pomocniczy. Realizacja pośredniego ochładzania powietrza przez odparowanie (w odróżnieniu od bezpośredniego ochładzania) daje możliwość pełnego wykorzystania nierównowagi termodynamicznej powietrza atmosferycznego do wytwarzania chłodu.

Jednym z najnowszych osiągnięć w dziedzinie pośredniego chłodzenia wyparnego jest nowy obieg termodynamiczny, nazywany obiegiem Maisotsenki (skr. M-obieg), opierający się na złożonym, wielostopniowym wstępnym ochładzaniu powietrza roboczego w suchym kanale [1-3]. Pozwala to obniżyć temperaturę strumienia nawiewanego poniżej temperatury termometru mokrego (w typowych obiegach wyparnych jest to niemożliwe [1-2]), osiągając wartości temperatury bliskie temperatury punktu rosy ochładzanego powietrza [3]. Jego efektywność temperaturowa jest zatem porównywalna z typowymi sprężarkowymi układami klimatyzacyjnymi, przy czym do uzyskania chłodu wykorzystuje on tylko niewielką ilość wody (niewielkie zużycie wody potwierdzono eksperymentalnie [1]). Unikalne własności M-obiegu czynią go niezwykle atrakcyjnym dla Polski, gdzie typowe obiegi wyparne nie znajdują powszechnego zastosowania ze względu na stosunkowo wysoką wilgotność klimatu.

Wymiennik z obiegiem Maisotsenki stosowany do chłodzenia wyparnego (rys. 1.), opiera się na mieszanym schemacie przepływu powietrza, co pozwala na obniżenie temperatury powietrza poniżej temperatury termometru mokrego (jest to niewykonalne w urządzeniach bezpośrednich). Unikalne własności M-obiegu czynią go niezwykle atrakcyjnym dla państw takich jak Polska, gdzie typowe urządzenia wyparne nie znajdują powszechnego zastosowania ze względu na stosunkowo wysoką wilgotność klimatu. Sukces jednostki na terenie Stanów Zjednoczonych, a także otwarcie linii produkcyjnej na terenie Unii Europejskiej (Holandia) świadczy o wartości M-obiegu jako nowoczesnego, niskoenergetycznego systemu chłodniczego.

Zasada działania rekuperatora z M-obiegiem

Powietrze po wejściu do wymiennika jest dzielone na 2 części (przepływ główny i przepływ pomocniczy). Strumień główny płynie kanałami suchymi, gdzie jest ochładzany, a następnie dostarczany do użytkowników pomieszczeń. Przepływ pomocniczy płynie suchym kanałem pomocniczym, w którym poprzez otwory w ściance dostaje się do kanału mokrego (przepływ roboczy w kanałach mokrych), wypełnionego wilgotnym materiałem porowatym, gdzie realizuje ochładzanie wyparne. Część mokra wymiennika oddzielona jest od suchej cienką warstwą nieprzepuszczającego wody metalu. Suchy kanał pomocniczy pozwala na wstępne obniżenie temperatury strumienia roboczego, dzięki temu dostaje się do części mokrej ochłodzone w coraz większym stopniu [1]. Strumień pomocniczy w kanałach mokrych przepływa krzyżowo w stosunku do głównego.