Dla celów klimatyzacyjnych obecnie najpowszechniej stosowane są freonowe klimatyzatory sprężarkowe. Swoją popularność zawdzięczają stosunkowo szybkiemu montażowi. Stosowanie tych urządzeń wiąże się jednak z dwoma podstawowymi mankamentami. Są to: duże zużycie energii elektrycznej oraz użycie szkodliwego dla środowiska czynnika chłodniczego.

Wykorzystanie przemiany adiabatycznej do obniżania temperatury powietrza nie jest zagadnieniem nowym. W technice klimatyzacji, pośrednie chłodzenie wyparne zyskuje na znaczeniu jako alternatywne dla chłodzenia klasycznego, sprężarkowego z F-gazami. To właśnie chłodzenie wyparne było wykorzystywane w komorach zraszania w dawnych systemach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Od kilkudziesięciu lat trwają prace nad doskonaleniem systemów chłodzenia wykorzystujących tę przemianę termodynamiczną. Wadą dotychczasowych systemów wyparnych było ograniczone ochłodzenie ciepłego powietrza zewnętrznego maksymalnie o około 12 K, w zależności od warunków zewnętrznych. W systemach pośredniego chłodzenia adiabatycznego o specjalnie skon- struowanych wymiennikach ciepła, które zwane są potocznie ultracoolerami możliwe jest ochłodzenie powietrza bezpośrednio do punktu rosy a nawet poniżej.

Nawilżanie wodą (chłodzenie adiabatyczne)

Pod pojęciem chłodzenia adiabatycznego rozumie się nawilżanie powietrza w warunkach adiabatycznych (energia nie jest ani doprowadzana ani pobierana z powietrza). Niezbędne do odparowania ciepło pobrane jest z powietrza i dzięki temu się schładza. W procesie nawilżania wodą ciepło jawne prze- kazywane od powietrza do wody pokrywa jedynie zapotrze- bowanie ciepła na odparowanie wody do powietrza. Entalpia powietrza praktycznie nie ulega zmianie (w praktyce inżynierskiej proces na wykresie „h-x” można prowadzić po h = const popełniając tylko nieznaczny błąd) dlatego proces ten nazywamy adiabatycznym. Rozważany jest przypadek nawilżania powietrza wilgotnego nienasyconego. Po procesie nawilżania powietrze może być nadal nienasycone lub nasycone, ale nie przesycone parą wodną.

Przy nawilżaniu wodą przebieg zmian przybliżyć można izentalpą. Przebieg rozpatrywany jest zatem jako adiabatyczny (rys. 1.).

Rys. 1. Nawilżanie powietrza wodą, adiabatyczny proces ochładzania

Powietrze nie osiąga stanu całkowitego nasycenia ze względu na ograniczony czas kontaktu z wodą.

Ponieważ podczas tego procesu zachodzi jedynie wymiana ciepła jawnego, zatem możliwe jest również obliczenie wydajności cieplnej tego wymiennika ze wzoru:

Q_ch = m_p · c_p · (t_p1 – t_p2) [kW]

gdzie:

m_p – strumień masowy powietrza wilgotnego [kg · s^-1],
t_P1 – temperatura powietrza na wlocie chłodnicy [°C],

t_P2 – temperatura powietrza na wylocie z chłodnicy [°C].

Systemy chłodzenia wyparnego

Aby przeanalizować ekonomiczny aspekt stosowania systemów wyparnych, warto zapoznać się wpierw z ich rodzajami. Odparowanie wody w systemach wykorzystujących chłodzenie adiabatyczne może odbywać się w komorze zraszania lub w odpowiednio do tego celu przystosowanym urządzeniu do odzysku ciepła. Istniejące systemy chłodzenia wyparnego można podzielić na trzy główne kategorie:

•  system bezpośredniego chłodzenia wyparnego (DEC),
•  system pośredniego chłodzenia wyparnego (IEC),
•  system kombinowanego pośredniego i bezpośredniego chłodzenia wyparnego.

Chłodzenie adiabatyczne przy dużych zyskach wewnętrznych powyżej 280 Wh/(m²·rok) nie jest w stanie samodzielnie zapewnić warunków komfortu. W takim przypadku wspomagać prace powinien agregat chłodniczy.

Systemy bezpośredniego chłodzenia

Systemy bezpośredniego chłodzenia wyparnego (adiabatycznego) rozpylają wodę bezpośrednio do powietrza nawiewanego. Następuje zatem wymiana masy i zwiększanie wilgotności bezwzględnej w powietrzu nawiewanym.

Ważnym parametrem technicznym systemu chłodzenia adiabatycznego jest jego sprawność. Zależy ona głównie od czasu procesu adiabatycznego.

Rys. 2. Podział systemów bezpośredniego chłodzenia wyparnego

Sprawność bezpośredniego chłodzenia adiabatycznego zdefiniowana jest poniższym wzorem:

gdzie:
ε_BEZ –sprawnośćbezpośredniegochłodzeniaadiabatycznego,

t_db,1 – temperatura termometru suchego powietrza wlotowego [°C],
t_wb,1 – temperatura termometru mokrego powietrza wlotowego [°C],
t_db,2 –temperatura termometru suchego powietrza wylotowego [°C].

Sprawność systemu bezpośredniego chłodzenia adiabatycznego waha się od 70 do 95% w zależności od prędkości przepływu powietrza i sprawności nawilżania.

Rys. 3. Proces bezpośredniego chłodzenia adiabatycznego

Systemy bezpośredniego chłodzenia wyparnego mogą wykorzystywać komorę zraszania lub złoże higroskopijne. Chłodzenie bezpośrednie wyparne stosowane jest również w swoim najprostszym wykonaniu, czyli bezpośrednim wprowadzaniu mgły wodnej do ochładzanej strefy. Pompa wysokociśnieniowa spręża wodę do ciśnienia wymaganego przed dyszą (np. 50 bar). W dyszach woda zmienia się w mgłę wodną i zostaje wystrzelona w otaczające ją powietrze. W wyniku tego procesu powst je mgła o kroplach rzędu 5 μm, która zostaje natychmiast od- parowana w powietrzu, powodując obniżenie jego temperatury. W procesie podwyższana jest oczywiście wilgotność powietrza, co w przypadku otwartych przestrzeni nie jest zagrożeniem. Chłodnice wyparne ze zraszanym złożem różnią się od siebie konstrukcją oraz wykorzystanym materiałem higroskopijnym.

Rys. 4. Sprawność bezpośredniego chłodzenia adiabatycznego

Alternatywnie chłodzenie adiabatyczne realizowane może być poprzez bezpośrednie wprowadzanie wody w postaci mgły do pomieszczenia. Przesycenie powietrza parą wodną w szklarni nie jest problemem (nie jest analizowane zagadnienie komfortu termicznego). System chłodzenia mgłą jest efektywnym i równomiernym systemem chłodzenia szklarni, a jego potencjał chłodzenia w ciepłe dni dochodzi do 10 K. System dysz tworzy bardzo małe krople o wymiarach 10÷20 μm, które są rozpylane w powietrzu i zanim opadną na podłogę zdążą wyparować. Projektowanie systemu mgłowego obejmuje dobór ilości i rodzaju dysz oraz ciśnienia w systemie wodnym. Mgła musi zostać tak wytworzona, by nie dochodziło do niepełnego parowania kropel wody i w konsekwencji nawilżania powierzchni roślin czy wnętrza szklarni.

Rys. 5. Rodzaje bezpośrednich chłodnic wyparnych

Rys. 6. Proces pośredniego chłodzenia adiabatycznego

System pośredniego chłodzenia

(...)

System kombinowanego pośredniego i bezpośredniego chłodzenia wyparnego

(...)

Ultracoolery adiabatyczne

(...)

Koszty eksploatacyjne

(...)

Maciej DANIELAK
Kierownik Działu Sprzedaży Kampmann w Polsce

LITERATURA:
[1] Maciej DANIELAK: Alternatywne systemy chłodzenia i klimatyzacji – przewodnik. ISBN 978-83-64094-34-7. Grupa Medium. 2014.
[2] www.kampmann.pl
[3] DonCAMERON.NREL.2005.
[4] BEDNARSKI J, MISIŃSKI J: Odzyskiwanie ciepła wspomagane chłodzeniem wyparnym. COW 3/90.