Reklama
 
 
 
Chłodzenie adiabatyczne – kierunki i perspektywy rozwoju
Ocena użytkowników: / 3
SłabyŚwietny 
Data dodania: 27.12.2016

Sposób chłodzenia powietrza (także przedmiotów), w którym wykorzystuje się ciepło parowania wody (tj. chłodzenie adiabatyczne) jest stosowany od dawna świadomie przez ludzi, jak i instynktownie przez zwierzęta.

 

 

2016 11 39 1

Fot: FRIGA-BOHN

 

 

Chłodzenie wyparne znane już było w czasach faraonów w Egipcie, a w połączeniu z oziębianiem przez wypromieniowanie ciepła nocą stosowane było do produkcji lodu za czasów Aleksandra Wielkiego. Starożytni Grecy rozwieszali w wejściach domów mokre zasłony, a przechodzące przez nie gorące powietrze odparowywało wodę i obniżało swoją temperaturę. Na dziedzińcach i patiach budowano fontanny i sadzawki, dzięki którym mieszkańców owiewała przyjemna bryza. Wykorzystywano w ten sposób siły natury do poprawy warunków życia.

 

Do roku 1960 chłodzenie wyparne stosowano powszechnie w klimatyzacji na suchych obszarach USA. W latach 60. stosunkowo niskie koszty energii elektrycznej spowodowały (poza szczególnymi przypadkami) odejście od naturalnego, adiabatycznego sposobu chłodzenia powietrza. Powszechnie zaczęto stosować urządzenia ziębnicze, niewrażliwe na warunki klimatyczne [1]. Dopiero znaczny wzrost cen paliw wpłynął na opracowanie nowych technologii w budowie tanich wymienników ciepła przeznaczonych dla techniki klimatyzacyjnej, gdzie występują duże objętościowe strumienie powietrza i niewielkie siły napędowe wymiany ciepła i masy. Pojawiły się wysokosprawne urządzenia do odzyskiwania energii cieplnej o bardzo rozwiniętych powierzchniach [2]. Energooszczędność wspomnianych systemów z użyciem dostępnych odnawialnych źródeł energii wynika z zastosowania naturalnych zjawisk fizycznych, niewymagających dostarczania energii zewnętrznej, poprzez odzysk energii (ciepła/chłodu), chłodzenia adiabatycznego z odparowania wody, naturalnego przewietrzania (free-cooling).

 

Wyparne chłodzenie powietrza, którego źródłem energii jest ciepło parowania wody, jak wykazano w wielu publikacjach, okazało się tańsze eksploatacyjnie od kilkunastu do kilkudziesięciu razy od ochładzania go w sprężarkowych urządzeniach chłodniczych. Od kilkunastu lat trwają intensywne prace nad doskonaleniem systemów chłodzenia wykorzystujących tę przemianę termodynamiczną. Związane jest to głównie z zapewnieniem odpowiednich warunków pracy w obiektach przemysłowych, co wiąże się często z koniecznością zastosowania skomplikowanej instalacji wentylacyjno- klimatyzacyjnej oraz z zapewnieniem odpowiednich warunków użytkownikom współcześnie projektowanych budynkach latem, które są coraz szczelniejsze i w większym stopniu udaje się odzyskiwać ciepło – a co za tym idzie ogrzewanie budynków zimą bez ponoszenia nadmiernych kosztów stanowi coraz mniejszy problem [6].

 

Jakość powietrza w pomieszczeniach zamkniętych zależna jest od bardzo wielu czynników. Najlepsze samopoczucie osiągamy przy wilgotności powietrza pomiędzy 40 a 60% oraz temperaturze od 20 do 22°C. Optymalna wilgotność powietrza jest niezbędnym warunkiem dla zachowania zdrowia i sprawności człowieka [9]. Aby uzyskać i utrzymać warunki komfortu wewnętrznego, należy stale wymieniać powietrze w pomieszczeniach użytkowanych. W trakcie wentylowania spełniane są dwie podstawowe funkcje: higieniczna i kaloryczna [7].

 

Zapotrzebowanie budynku na energię chłodniczą zależy zasadniczo od aktualnego promieniowania słonecznego oraz wewnętrznego obciążenia cieplnego przez osoby, urządzenia oraz instalacje oświetleniowe. W celu zachowania dopuszczalnych wartości wilgotności powietrza w pomieszczeniach niezbędna jest – w zależności od stanu powietrza otoczenia oraz występujących wewnętrznie źródeł wilgoci – dodatkowa, utajona energia chłodnicza [5]. Efektywność tych układów bywa niewystarczająca w zakładach, w których występują duże zyski ciepła. Rozwiązaniem nieskomplikowanym technologicznie, a przy tym umożliwiającym osiągnięcie odczuwalnych efektów chłodzenia w strefie przebywania ludzi, jest zastosowanie chłodzenia adiabatycznego. Prosta i tania metoda chłodzenia adiabatycznego coraz chętniej wykorzystywana jest w systemach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, gdyż charakteryzuje się bardzo niskim zapotrzebowaniem na energię elektryczną, a co za tym idzie niską emisją dwutlenku węgla do atmosfery. Ponadto w procesie chłodzenia adiabatycznego czynnikiem chłodzącym jest woda, zatem nie używa się żadnych szkodliwych dla środowiska naturalnego czynników chłodzących [8]. Dobrze zaprojektowany system wentylacji z funkcją chłodzenia adiabatycznego może być nawet 7-krotnie tańszy niż konwencjonalna klimatyzacja. Dodatkowo efektywność chłodzenia adiabatycznego wzrasta, gdy wzrasta temperatura na zewnątrz [6].

 

 

 

Naturalną zasadę chłodzenia przez odparowanie w sposób niekontrolowany wykorzystuje się od tysięcy lat w Indiach i na Bliskim Wschodzie. Woda aby parować, potrzebuje energii. Dokładniej, 2501 kJ na każdy kilogram odparowującej wody. W wyniku tego, powietrze jest schładzane. Można powiedzieć, że parowanie wody przekształca ciepło jawne powietrza (temperaturę) na ciepło utajone (wilgotność). Taki rodzaj chłodzenia nazywamy „chłodzeniem wyparnym” lub chłodzeniem adiabatycznym [10].

 

 

 

Chłodzenie adiabatyczne (wyparne)

 

Proces chłodzenia adiabatycznego polega na nawilżaniu powietrza, w warunkach adiabatycznych (energia nie jest ani doprowadzana ani pobierana z powietrza). Ciepło niezbędne do odparowania wody jest pobierane z powietrza i dzięki temu jego temperatura spada. Przemiana adiabatyczna przebiega w kierunku izotermy w obszarze mgły (w przybliżeniu po linii stałej entalpii). Granicą chłodzenia jest minimalna możliwa temperatura osiągana na linii nasycenia (rys. 1.) [11]. Główną cechą nawilżania adiabatycznego jest niski pobór mocy – jedyna energia wymagana jest do atomizacji wody [10].

 

 

2016 11 40 1

Rys. 1. Bezpośrednie nawilżanie adiabatyczne powietrza [11]

 

 

Chłodzenie adiabatyczne można podzielić na trzy główne kategorie:

  • system bezpośredniego chłodzenia wyparnego (DEC),
  • system pośredniego chłodzenia wyparnego (IEC),
  • system kombinowanego pośredniego i bezpośredniego chłodzenia wyparnego [10].

 

 

System bezpośredniego chłodzenia wyparnego (DEC)

 

(...)

 

System pośredniego chłodzenia wyparnego (IEC)

 

Innym procesem zyskującym coraz większą popularność w ostatnich latach jest ochładzanie pośrednie wyparne [1]. W chłodzeniu pośrednim występują dwa przepływy powietrza: pierwszy (nazywany głównym lub procesowym) kontaktuje się z wodą poprzez nieprzepuszczającą wody przeponę. Drugi strumień (nazywany pomocniczym lub roboczym) prowadzony jest w kanale mokrym, gdzie realizuje ochładzanie wyparne warstwy cieczy. Strumień główny oddaje ciepło do warstwy wody przez przeponę, czego efektem jest spadek jego temperatury przy niezmiennej zawartości wilgoci. Przepływ procesowy staje się źródłem energii chłodniczej, a dostarczone od niego ciepło zwiększa efektywność parowania. Uzdatnione w tym procesie powietrze doprowadzane do pomieszczenia nie jest nawilżone (rys. 3.); wykluczone jest zatem skażenie powietrza. Część przepływu głównego (nazywana pomocniczą lub roboczą) zawracana jest do kanałów mokrych, gdzie realizuje ochładzanie wyparne warstwy cieczy. Realizacja pośredniego ochładzania wyparnego (w odróżnieniu od bezpośredniego) daje możliwość pełnego wykorzystania nierównowagi termodynamicznej powietrza atmosferycznego do wytwarzania chłodu. Ponadto nowoczesne wymienniki pośrednie cechuje wyższa skuteczność niż jednostek bezpośrednich, co w połączeniu z możliwością lepszej asymilacji zysków wilgoci w pomieszczeniach przez powietrze nawiewane czyni rekuperatory pośrednie bardziej atrakcyjnymi dla inwestorów i inżynierów. Zaletami urządzeń wykorzystujących chłodzenie wyparne pośrednie są niskie nakłady inwestycyjne i eksploatacyjne, bezawaryjność oraz prostota rozwiązań.

 

Ogólne zalety systemu chłodzenia adiabatycznego:

  • prosta, naturalna i tania technologia,
  • przyjazne dla środowiska naturalnego,
  • energooszczędne,
  • wydajne,
  • zapewnia stały dopływ świeżego powietrza,
  • zapewnia całkowitą wymianę powietrza wewnętrznego,
  • nawilża powietrze,
  • oczyszcza powietrze z kurzu, bakterii, grzybów i innych zanieczyszczeń,
  • do chłodzenia wykorzystywana jest woda, a nie szkodliwe czynniki chłodzące,
  • łatwe w montażu,
  • uniwersalne: chłodzenie dużych obiektów o różnorodnym przeznaczeniu lub wydzielonych stref, 
  • do 7 razy niższe koszty eksploatacyjne niż w systemach konwencjonalnej klimatyzacji.

 

Pośrednie wymienniki wyparne mogą być wykorzystywane jako indywidualne jednostki chłodnicze oraz jako element bardziej złożonych systemów klimatyzacyjnych (rys. 4.). W poniższych przykładach zaprezentowane zostaną wybrane układy klimatyzacyjne z pośrednimi rekuperatorami wyparnymi.

 

 

2016 11 42 1

Rys. 4. Urządzenie oparte na pośrednim wymienniku wyparnym: a) Klimanaut Indoor 400 WRG o wydajności 400 m3/h; b) chłodzenie przez odparowanie w wymienniku ciepła Oxycell wraz z przykładowymi parametrami pracy [3]

 

 

Jedną z bardzo wielu możliwości wykorzystania pośredniego chłodzenia wyparnego do klimatyzacji jest hybrydowy system z pompą ciepła. Jest to kompaktowe urządzenie do klimatyzacji pomieszczeń, łączące tradycyjny układ sprężarkowy, oparty na chemicznym czynniku chłodniczym (R410A) z pośrednim wymiennikiem wyparnym, który wykorzystuje zjawisko nierównowagi termodynamicznej powietrza do pozyskiwania odnawialnej energii. Wymiennik wyparny wykorzystuje obieg Maisotsenki a jego konstrukcja opiera się na materiale porowatym, w którym woda rozprowadzana jest równomiernie za pomocą sił kapilarnych. Eliminuje to obecność dysz zaburzających przepływ powietrza. Pośredni wymiennik wyparny wykorzystujący M-obieg (obieg Maisotsenk) pozwala na schłodzenie powietrza poniżej temperatury termometru mokrego. Dzięki zastosowaniu perforacji do mokrych kanałów napływa powietrze wstępnie ochłodzone, które nawilżając się, obniża swoją temperaturę. Należy zaznaczyć, że ograniczeniem efektywności urządzenia jest poziom zawartości wilgoci w strumieniu zewnętrznym. Powietrze pomocnicze po realizacji procesów wymiany ciepła i masy w typowym rozwiązaniu jest usuwane z układu [2]. 

 

Kolejną możliwością wykorzystania pośredniego ochładzania wyparnego jest wstępne ochładzanie powietrza dla jednostek typu rooftop. Rekuperatory wyparne obniżają temperaturę świeżego powietrza, stając się chłodnicą pierwszego stopnia. W przypadku, gdy w klimatyzowanym obiekcie występują maksymalne zyski ciepła, nawiewany strumień jest dodatkowo schładzany w jednostce rooftop na chłodnicy przeponowej. W czasie częściowego obciążenia cieplnego klimatyzatory wyparne pracują jako moduł do free-coolingu: powietrze prowadzone jest bypassem omijającym chłodnicę. Moc chłodnicza rekuperatorów wystarcza na pokrycie większości z całodniowego zapotrzebowania dla typowych obiektów handlowych i użyteczności publicznej [2].

 

Pośrednie wymienniki wyparne wykorzystywane w indywidualnych jednostkach klimatyzacyjnych cechuje bardzo niskie zużycie energii elektrycznej. Prąd zużywany jest jedynie na napęd wentylatora oraz pompy, dostarczającej wodę do rekuperatora (chłodnicy). Następstwem tego, zużycie energii elektrycznej (brak sprężarek, zaworów regulacyjnych etc.) daje możliwość całkowitego pokrycia zapotrzebowania na prąd przez energię wytwarzaną z ogniw fotowoltaicznych.

 

 

System kombinowanego pośredniego i bezpośredniego chłodzenia wyparnego

 

(...)

 

Podsumowanie

 

Cały czas trwają prace nad udoskonaleniem rozwiązania wykorzystania chłodzenia adiabatycznego (wyparnego) i należy się spodziewać stopniowej ekspansji tej technologii, ze względu na korzyści oraz szeroką gamę zastosowań pośrednich rekuperatorów wyparnych. Technika ta pozwala na możliwość realizacji efektywnego chłodzenia powietrza bez konieczności instalowania chłodziarek sprężarkowych. Tym samym spada zapotrzebowanie na energię elektryczną niezbędną do funkcjonowania sprężarki i urządzeń pomocniczych. Nie bez znaczenia pozostaje również fakt, że w przypadku zastosowania tych procesów nie dochodzi do wykorzystania ekologicznie nieprzyjaznych dla środowiska naturalnego czynników chłodzących.

 

 

Dr inż. Beata GRABOWSKA
Zakład Podstaw Konstrukcji
i Maszyn Przepływowych, Wydział
Mechaniczno-Energetyczny,
Politechnika Wrocławska

 

 

LITERATURA:

[1]. ANISIMOV S., PANDELIDIS D.: Kierunki rozwoju wyparnego chłodzenia powietrza. Rynek Instalacyjny, Nr 10/2012.

[2]. DANIELAK M.: Analiza ekonomiczna chłodzenia wyparnego. Chłodnictwo&Klimatyzacja, Nr 12/2015.

[3]. KRAJNIK-ŻUK E.: Chłodzenie adiabatyczne w zakładach przemysłowych. Rynek Instalacyjny, Nr 9/2011.

[4]. MAŁECKI Z.J., STASZEWSKI Z, MAŁECKA I.: Uwarunkowania dotyczące stosowania nawilżania powietrza w układach klimatyzacyjnych w przemyśle spożywczym. Zeszyty Naukowe Inżynieria Lądowa i Wodna w Kształtowaniu Środowiska, 2009, 1, 15-21

[5]. http://www.condair.pl/know-how/adiabatic-cooling

[6]. http://www.coolstream.pl/chlodzenie-adiabatyczne.html

[7]. https://www.kampmann.pl: Danielak M.: „Wentylacja z funkcją chłodzenia”,

[8]. http://www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/id3266,chlodzenie-adiabatyczne-w-zakladach-przemyslowych

[9]. http://www.sternal.com.pl/oferta/chlodzenie-adiabatyczne/

[10]. http://www.carel.pl/evaporative-cooling

[11]. http://www.chlodnictwoiklimatyzacja.pl/artykuly/96-wydanie-52007/262-recyrkulacyjne-chlodzenie-adiabatyczne.html

 

 

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2017

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2015

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2016

  • Pompy ciepła 2014

  • Pompy ciepła 2012

  • Pompy ciepła 2013

  • Termografia w podczerwieni 2009

  • Pompy ciepła 2010

Reklama

 

 

  02 ss2  omii   kig 134x45 left  

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.