W artykule przedstawiono podstawowe wady i zalety chłodzenia wyparnego, a także różnice pomiędzy cyklem chłodzenia bezpośredniego i pośredniego. Zaprezentowano dostępne na rynku przykładowe urządzenia oraz zasadę ich działania. Ponadto przedstawiono analizę numeryczną na podstawie modelu matematycznego dla wybranego układu.
W dobie kryzysu gospodarczego, coraz bardziej wymagającej polityki energetycznej oraz wzrastających cen surowców inwestorzy oraz użytkownicy szukają rozwiązań pozwalających uzyskać oszczędności finansowe. Szczególną uwagę poświęca się sektorowi budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej, jako znacznemu odbiorcy energii (rys. 1).Jednym z najmniej korzystnych ekonomicznie rozwiązań są konwencjonalne układy chłodnicze w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, dlatego coraz bardziej powszechne staje się stosowanie urządzeń wykorzystujących odnawialne źródła energii, dzięki czemu redukowane są koszty eksploatacyjne systemów. Obecnie w urządzeniach chłodniczych systemów klimatyzacji stosowane są przede wszystkim chemiczne czynniki robocze, które są potencjalnym zagrożeniem dla środowiska.

Tendencja w przepisach wprowadzających ocenę wpływu czynników chłodniczych na środowisko idzie w kierunku ograniczenia tychże substancji. Jedną z możliwości, atrakcyjną zarówno inwestycyjnie, jak i eksploatacyjnie, jest wykorzystanie nierównowagi termodynamicznej powietrza zewnętrznego, jako alternatywnego źródła energii. W tym wypadku wykorzystuje się suche powietrze i wodę, które są najszerzej na świecie dostępnym odnawialnym źródłem energii, jako naturalne czynniki chłodnicze.

Sposób chłodzenia powietrza, w którym wykorzystuje się ciepło parowania wody, jest naturalnym zjawiskiem stosowanym już przez starożytne cywilizacje. Sposób ten był już znany w Egipcie w czasach faraonów, a w połączeniu z oziębianiem przez wypromieniowanie ciepła nocą stosowany do produkcji lodu za czasów Aleksandra Wielkiego. W przeszłości chłodzenie wyparne było powszechnym rozwiązaniem używanym do pozyskiwania energii chłodniczej na suchych obszarach USA. Podstawowymi wadami tego sposobu są: zależność od parametrów powietrza zewnętrznego, mniejsze schłodzenie powietrza niż w urządzeniach sprężarkowych oraz brak możliwości jego osuszania. W latach 60. niskie koszty energii elektrycznej skłoniły do częściowego odejścia od naturalnego chłodzenia powietrza. Powszechnie zaczęto stosować urządzenia ziębnicze oparte na obiegach sprężarkowych, niewrażliwe na warunki klimatyczne [1].Podstawy chłodzenia wyparnego

Potencjał termodynamiczny zawarty w powietrzu pozwala na znaczące obniżenie jego temperatury w bezpośrednim kontakcie z wodą. Realizowany w trakcie kontaktu obieg bezpośredniego chłodzenia wyparnego prowadzi do odparowania cieczy i nawilżenia powietrza. Ochładzanie powietrza za pomocą parowania jest procesem wymiany ciepła i masy pomiędzy cieczą i gazem, który odbywa się przy przeważającej roli parowania powierzchniowego cieczy. Podczas realizacji bezpośredniego chłodzenia wyparnego strumień oddanego ciepła jawnego (obrazowany spadkiem temperatury powietrza) kompensowany jest napływem ciepła utajonego pod postacią pary wodnej, dlatego wydajność chłodnicza przemiany odniesiona do ciepła całkowitego równa jest 0 i odbywa się przy niezmiennej entalpii.

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. Zaletami urządzeń wykorzystujących chłodzenie wyparne pośrednie są niskie nakłady inwestycyjne i eksploatacyjne, bezawaryjność oraz prostota rozwiązań. Do głównych wad należy wrażliwość na warunki atmosferyczne (systemy są stosunkowo nieefektywne w wilgotnym klimacie).W pośrednich wymiennikach wyparnych proces ochładzania głównego strumienia powietrza 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 powietrza. 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 [3].

Urządzenie oparte na pośrednim wymienniku wyparnym [5]: a) Klimanaut Indoor 400 WRG o wydajności 400 m3/h; b) chłodzenie przez odparowanie w wymienniku ciepła Oxycell wraz z przykładowymi parametrami pracy

Demis Pandelidis, Krzysztof Rajski

Ciąg dalszy artykułu w PI 2/2013