Испарительные охладители комбинированного типа для систем кондиционирования воздуха

А. В. Дорошенко, Ю. И. Демьяненко, Одесская государственная академия холода;

С. Н. Филипцов, А. Н. Горин, Донецкий институт холодильной техники

Проблемы, свойственные парокомпрессионной холодильной технике и связанные с разработкой озононеразрушающих рабочих тел, вызвали значительный и все возрастающий интерес к возможностям испарительных методов охлаждения газов и жидкостей [1–7], использование которых обеспечивает создание нового поколения систем кондиционирования воздуха, отличающегося экологической чистотой и малым потреблением энергии.

Этому направлению в 2003 году был посвящен ряд докладов на состоявшемся в Вашингтоне 21-м Международном конгрессе по холоду [7–9].

Основными проблемами практического применения испарительного охлаждения в холодильной технике и системах кондиционирования воздуха являются необходимость снятия климатических ограничений применимости испарительных методов охлаждения (например, предварительное осушение воздуха и др. методы); снижение расхода свежей воды на подпитку испарительного контура охладителей; повышение эффективности испарительного охлаждения. Изучались также возможности использования полимерных материалов в конструкции испарительных охладителей [7–9].

Аппараты испарительного охлаж-дения основаны на прямом контактировании воздушного и водяного потоков (ПИО) либо на непрямом испарительном охлаждении «продуктового» потока воздуха (НИО). Поскольку, наряду с охлаждением воздуха в ПИО, он увлажняется, использование ПИО для обеспечения комфортных параметров воздуха затруднено и рассчитано, преимущественно, на условия сухого и жаркого климата.

Принцип действия испарительного охладителя непрямого типа заключается в том, что полный воздушный поток, поступающий в испарительный охладитель, делится на два потока, основной и вспомогательный, первый из которых охлаждается бесконтактно, т. е. при неизменном влагосодержании, а второй находится в непосредственном контакте с водяной пленкой и обеспечивает ее испарительное охлаждение (рис. 1а).

Рисунок 1. (подробнее) Принципиальные схемы кондиционера на основе НИО

Охлажденная вода, в свою очередь, отводит тепло от основного воздушного потока. Насадка НИО выполняется, как правило, в виде чередующихся сухих и смоченных каналов, предназначенных для движения основного и вспомогательного воздушных потоков соответственно.

Каналы насадки образованы замкнутыми элементами, во внутренней полости которых движется основной воздушный поток, охлаждаемый при неизменном влагосодержании. В пространстве между элементами насадки движется вспомогательный воздушный поток в прямом контакте со стекающей по внешним поверхностям элементов водяной пленкой.

При этом обеспечивается испарительное охлаждение воды, которая, в свою очередь, отводит тепло от основного воздушного потока через разделяющую каналы стенку.

Принцип НИО позволяет получить охлажденный и неувлажненный воздушный поток, что делает его перспективным для систем кондиционирования воздуха, но ограничения на климатические условия применимости здесь сохраняются.

На рис. 4а показаны процессы изменения состояния основного (A–E) и вспомогательного (A–F) воздушных потоков в НИО.

Наиболее перспективными для создания испарительных охладителей, используемых в холодильной технике и системах кондиционирования воздуха, являются насадки пленочного типа с регулярной структурой каналов (РН) [3–9].

Основные требования к РН для испарительных охладителей:

– насадочный слой должен иметь малое аэродинамическое сопротивление для комплектации охладителей низконапорными вентиляторами;

– насадка должна обладать большой удельной поверхностью и коррозионной стойкостью в рабочих средах, отличаться простотой конструктивного исполнения и технологичностью;

– поскольку для многоканальной пленочной РН принципиально важен вопрос о качестве распределения жидкости, слой РН должен способствовать равномерному вводу жидкости и благоприятному ее перераспределению между соседними каналами.

Плотность слоя выбирается с учетом явлений устойчивости в системе [4–5]. Выбор материала для изготовления насадки основан на результатах наших и зарубежных исследований [4–5].

Было отмечено, что РН из листов алюминиевой фольги и полистирола обеспечивают близкие результаты, и несколько лучшие характеристики первой объясняются хорошей смачиваемостью материала.

Изучалась возможность применения в конструкции пленочных ТМА полимерных материалов. Был проведен анализ полимерных материалов, которые могут быть использованы в конструкции ТМА, и показано, что перспективным материалом является поликарбонат.

Плита сотового поликарбоната представляет собой два параллельных листа с поперечными перегородками в цельной единой структуре. Температурный диапазон эксплуатации для поликарбоната составляет от –40 до +120 °С, что позволяет использовать его в «открытых» системах, к которым относятся испарительные охладители. Максимальное термическое расширение (при DТ = 80 °С) составляет 2,5 мм/м. Поликарбонат устойчив ко многим химическим веществам, включая минеральные кислоты высокой концентрации, многим органическим кислотам, нейтральным и кислым растворам солей. Сотовые плиты из поликарбоната отличаются высокими механическими характеристиками, такими как твердость и стойкость к ударным воздействиям при длительном содержании на открытом воздухе.

Рисунок 2. (подробнее) Автономный кондиционер на основе непрямого испарительного охладителя и холодильной машины. Обозначения по рис. 1: 14 – компрессор; 15 – конденсатор; 16 – испаритель

Насадка разработанного бытового кондиционера воздуха (рис. 1 и 2) представляет собой вертикально и эквидистантно установленные плиты из сотового поликарбоната, в каналах которых движется основной воздушный поток, а в межканальном пространстве – вспомогательный поток. Вода, рециркулирующая через насадку НИО, поступает в верхний канал каждой плиты и из этого канала через продольные узкие щели стекает по внешним поверхностям плиты.

Внешний профиль (поверхность) поликарбонатной многоканальной плиты имеет регулярную шероховатость, что способствует улучшению распределения стекающей водяной пленки и интенсификации процессов совместного теп-ломассообмена при испарительном охлаждении.

На участке распределения жидкости используется покрытие из капиллярно-пористого материала.

Вспомогательный воздушный поток поступает вначале в пространство аппарата под насадкой и далее в насадочную часть аппарата. Разделение воздушного потока на основной и вспомогательный происходит в аппарате и определяется аэродинамическими сопротивлениями «сухой» и «мокрой» частей насадки и воздушных коммуникаций. Могут использоваться отдельные вентиляторы для каждого из воздушных потоков.

На рис. 1б приведен вариант бытового кондиционера воздуха с теплообменником на отбросном вспомогательном воздушном потоке, покидающем НИО, поскольку этот поток достаточно холодный, но увлажненный.

Технико-экономические характеристики сравниваемых вариантов кондиционеров

Характеристики Крышный кондиционер CAAE/CAEN – 51 Комбинированный кондиционер I ступень НИО II ступень CAAE/CAEN – 31 Суммарные характе- ристики Холодопроизводительность, кВт 16,8 5,23 11,3 16,53 Мощность, кВт:   – компрессора 4,5 – 2,49 2,49 – вентилятора 0,515 0,46 0,245 0,59 – водяного насоса – 0,102 – 0,102 Расход воздуха, м3/ч 3 042 2 160 2 160 2160 Приведенная эффективность 3,35 11,37 4,13 5,2 Количество испарившейся (+) или сконденсировавшейся (–) влаги, кг –11,25 +7,52 –8,04 0,52

Двухступенчатая схема испарительного охладителя может быть реализована в составе модулей НИО/ПИО (рис. 1в) или НИО/градирни (рис. 1г). Здесь вода в градирне контактирует с предварительно охлажденным при неизменном влагосодержании воздухом, что существенно понижает естественный предел ее охлаждения.

Как отмечалось ранее, непосредственное использование аппаратов испарительного охлаждения в схемах систем кондиционирования воздуха ограничено регионами с сухим жарким климатом.

Для умеренных широт состояние воздуха после непрямого испарительного охлаждения не соответствует комфортному, т. к. лежит на границе комфортных и допустимых параметров.

Поэтому представляет практический интерес использование испарительного воздухоохладителя НИО в качестве первой ступени компрессионного кондиционера, что позволяет снять климатические ограничения применимости испарительных методов охлаждения и таким образом интегрировать достоинства методов естественного и искусственного охлаждения сред.

Вспомогательный воздушный поток, покидающий НИО, является достаточно холодным (но увлажненным) и может использоваться для охлаждения конденсатора холодильной машины.

Схема такого двухступенчатого бытового кондиционера воздуха (рис. 2) позволяет использовать единый вентилятор для организации движения воздуха в основных и вспомогательных каналах непрямого испарительного охладителя и далее через испаритель и конденсатор холодильной машины. Конденсатор и испаритель холодильной машины располагаются на выходе вспомогательного и основного потоков из НИО соответственно. Образовавшийся в испарителе конденсат сливается в поддон НИО.

Естественность компоновки и компактность – основные преимущества этой схемы.

Рисунок 3. (подробнее) Схема комбинированного охладителя с рециркуляцией

На рис. 3 приведены варианты испарительно-парокомпрессионного двухступенчатого автономного кондиционера с использованием воздушного потока, покидающего помещение (рециркуляционная схема системы кондиционирования воздуха) для предварительного охлаждения поступающего в кондиционер наружного воздуха (рис. 3а) или в качестве вспомогательного воздушного потока в НИО (рис. 3б).

На рис. 3в приведен вариант комбинированного охладителя на основе модулей НИО/градирни.

Рисунок 4. (подробнее) Ход процессов в комбинированной испарительно-парокомпрессионной системе и обозначения потоков теплоносителей соответственно схемам на рис. 2 и 3, дополнительно: A, B, G – полный, основной и вспомогательный воздушные потоки соответственно

На рис. 4 представлены результаты предварительного изучения возможностей комбинированных охладителей [4–5] для параметров наружного воздуха – t_Г = 34 °С и х_Г = 23 г/кг, заведомо выбранных для самых тяжелых, с точки зрения реализуемой задачи кондиционирования воздуха таких городов, как Рио-де-Жанейро, Сингапур, Майами, Бангкок, Бахрейн. Ход процессов на Н–Х диаграмме влажного воздуха представлен на рис. 4а: A–E и A–F – линии изменения состояний основного и вспомогательного воздушных потоков в I ступени комбинированного охладителя (НИО); E–B – охлаждение воздуха во II ступени, в испарителе холодильной машины (E–H и H–B – составляющие этого процесса); точка B характеризует состояние воздуха, поступающего в помещение, C – воздух в помещении с учетом ассимиляционных процессов, D – воздух, покидающий помещение (на Н–Х диаграмме выделена зона комфортных параметров воздуха).

Для схемы по рис. 4б процесс D–F выражает изменение состояния вспомогательного воздушного потока, в качестве которого здесь используется воздух, покидающий помещение, а процесс F–G – это прохождение воздуха через конденсатор холодильной машины; изменение состояния основного воздушного потока в НИО благодаря этому протекает с его охлаждением и некоторым осушением (А-H-E).

Принципиально важна возможность возврата влаги (конденсата из испарителя холодильной машины) в контур НИО, причем для значений относительной влажности наружного воздуха выше 35–40 % может иметь место, как показывают предварительные расчеты, полный возврат жидкости, затраченной на процесс испарительного охлаждения в НИО, что дает возможность создания полностью замкнутого цикла по воде.

Поскольку температура этой возвратной воды близка к температуре кипения в испарителе, это выгодно с термодинамической точки зрения и обеспечивает дополнительный рост холодопроизводительности комбинированного охладителя Q.

В таблице приведены результаты анализа возможностей комбинированного охладителя на основе НИО и кондиционера, основанного на использовании комбинированной схемы (в первой ступени НИО и во второй – крышный кондиционер CAAE/CAEN – 31). Для сравнения взят крышный кондиционер CAAE/CAEN – 51, чтобы холодопроизводительность у сравниваемых вариантов кондиционеров была примерно одинаковой. Относительно вентилятора в сравниваемых вариантах систем кондиционирования воздуха: поскольку каждая из ступеней снабжена своим вентилятором (мощность привода 0,46 и 0,245 кВт соответственно), в комбинированной схеме используется единый вентилятор с мощностью, равной 0,59 кВт, меньшей суммарной мощности штатных вентиляторов НИО и холодильной машины (принципиальная схема такого решения представлена на рис. 5).

Рисунок 5. (подробнее) Комбинированная система кондиционирования воздуха в составе НИО и крышного кондиционера. Обозначения: 1 – вентилятор; 2 – водяной насос; 3 – НИО; 4 – воздушный конденсатор холодильной машины; 5 – компрессор; 6 – регенеративный теплообменник; 7 – терморегулирующий вентиль; 8 – фильтр; 9 – калорифер; 10 – испаритель холодильной машины

Комбинированная схема позволяет снизить установленную мощность компрессора холодильной машины с 16,8 до 11,3 кВт.

Расположение конденсатора холодильной машины во вспомогательном воздушном потоке, покидающем НИО, обеспечивает понижение температуры конденсации в расчетном режиме от 45 до 35 °С и снижение расхода энергии на сжатие на 14 %. Очевидна возможность полного возврата жидкости в испарительный контур. Очевидны особые достоинства комбинированной схемы в условиях жаркого климата. Дополнительно отметим, что вне пределов рассмотрения остались экологические преимущества новой системы.

Выводы

1. Испарительное охлаждение эффективно при влагосодержании наружного воздуха хГ < 12 г/кг; использование этого метода при больших значениях влагосодержания возможно в комбинированных схемных решениях на основе предварительного осушения воздушного потока либо в испарительно-парокомпрессионных охладителях.

2. Наиболее перспективным направлением развития пленочных охладителей испарительного типа, обеспечивающих высокую интенсивность рабочих процессов при низких энергозатратах, является разработка ТМА пленочного типа с многоканальной регулярной насадкой из полимерных материалов.

3. Разработаны схемные решения комбинированных охладителей на основе совместной работы испарительного охладителя (первая ступень охлаждения) и парокомпрессионной холодильной машины и показаны преимущества новых решений.

Литература

1. Steimle F. Development in Air-Conditioning, International Conference of Research, Design and Conditioning Equipment in Eastern European Countries. September 10–13. Bucharest, Romania. IIF/IIR.

2. Foster R. E., Dijkastra E. Evaporative air-conditioning fundamentals: environmental and economic benefits world wide / International Conference of Applications for Natural Refrigerants' 96. September 3–6. Aarhus, Denmark. IIF/IIR. 1996.

3. Stoitchkov N. J., Dimirov G. J. Effectiveness of crossflow plate heat exchanger for indirect evaporative cooling / Int. J. Refrig., vol. 21, no. 6. 1998.

4. Дорошенко А., Ярмолович Ю. Косвенно-испарительные охладители // Холодильная техника. 1987. № 12.

5. Лавренченко Г., Дорошенко А. Разработка косвенно-испарительных воздухоохладителей для систем кондиционирования // Холодильная техника. 1988. № 10.

6. Watt J. R. Evaporative Air Conditioning Handbook. 1986.

7. Koltun P., Ramakrishnan S., Doroshenko A., Konsov M. Life Cycle Assessment of a Conventional and Alternantive Air-Conditioning Systems / 21h International Congress of Refrigeration IIR/IIF. Washington, D. C, ICR0140. 2003.

8. Maisotsenko V., Lelland Gillan. The Maisotsenko Cycle for Air Desiccant Cooling / 21h International Congress of Refrigeration IIR/IIF, Washington, D. C. 2003.

9. John L. McNab, Paul McGregor. Dual Indirect Cycle Air-Conditioner Uses Heat Concentrated Dessicant and Energy Recovery in a polymer Plate Heat Exchanger / 21h International Congress of Refrigeration IIR/IIF. Washington, D. C, ICR0646. 2003.

E-mail: aldor@paco.net, nord_grant@mail.ru