Efektywność chłodnicza krzyżowego wymiennika do wyparnego ochładzania powietrza, stosowanego w instalacjach klimatyzacyjnych zależy od parametrów termodynamicznych i ilościowych doprowadzonego powietrza zewnętrznego.

Rys. 1. Przykładowe urządzenia realizujące chłodzenie wyparne: a) komora zraszania- chłodzenie bezpośrednie

Wśród krajów uprzemysłowionych powszechne stało się wdrażanie we wszystkich sektorach przemysłowych oraz bytowo- komunalnych polityki, polegającej na wykorzystaniu innowacyjnych rozwiązań technologicznych opartych na energii odnawialnej. Ogromny wzrost zużycia energii, potrzeba utrzymania czystego środowiska, a także czynniki prawne przyczyniły się do prowadzenia racjonalnej gospodarki zasobami energetycznymi. Z tego powodu rozpoczęto działania mające na celu poprawę jakości funkcjonowania układów wentylacji i klimatyzacji, określanych jako głównych konsumentów energii elektrycznej i cieplnej. Wysokiego zapotrzebowania na energię przy cieplno-wilgotnościowej obróbce powietrza wymagają urządzenia zamontowane w centralach wentylacyjnych, w szczególności konwencjonalne systemy chłodnicze oparte na urządzeniach sprężarkowych, dlatego kładzie się coraz większy nacisk na zastąpienie ich przez systemy alternatywne, cechujące się niską energochłonnością. Jednym z najbardziej atrakcyjnych, zarówno pod względem inwestycyjnym, jak i eksploatacyjnym, rozwiązań jest wykorzystanie nierównowagi termodynamicznej powietrza zewnętrznego, jako źródła energii odnawialnej.

Do urządzeń chłodniczych wykorzystujących tę energię zalicza się jednostki stosujące bezpośrednie oraz pośrednie odparowanie wody (będącej czynnikiem chłodniczym). Proces ten nazywany jest chłodzeniem wyparnym. Opiera się na wymianie ciepła i masy pomiędzy cieczą a gazem (w przypadku chłodzenia bezpośredniego), podczas którego powietrze obniża swoją temperaturę, jednocześnie zwiększając zawartość wilgoci. Strumień oddanego ciepła jawnego 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 strumień dostarczany do użytkowników pomieszczeń (nazywany głównym) kontaktuje się z wodą poprzez ścianki wymiennika. Część przepływu głównego (nazywana pomocniczą lub roboczą) zawracana jest do kanałów mokrych, gdzie realizuje ochładzanie wyparne warstwy cieczy. Strumień powietrza kierowany do użytkowników oddaje ciepło do wody przez ściankę rekuperatora, czego efektem jest spadek temperatury przy niezmiennej zawartości wilgoci, co z kolei umożliwia lepszą asymilację pary wodnej powstałej w pomieszczeniach i zwiększenie odczucia komfortu przez ludzi w nich przebywających. Ponadto jednostki wykorzystujące ochładzanie wyparne pośrednie osiągają niższe temperatury powietrza nawiewanego, co czyni je znacznie bardziej skutecznymi i atrakcyjnymi inwestycyjnie.

Urządzenia wykorzystujące chłodzenie wyparne stają się coraz bardziej popularne na świecie ze względu na niskie koszty eksploatacyjne i inwestycyjne przy relatywnie wysokiej efektywności. Rozwiązanie powoli zyskuje popularność również w Polsce (wymienniki do pośredniego ochładzania wyparnego oferuje np. firma Kampmann oraz firma Intelligent & Green Technologies rozpowszechniająca jednostki amerykańskiej firmy Coolerado Inc.™ [4]).

Z racji zwiększonego zainteresowania urządzeniami realizującymi pośrednie chłodzenie wyparne, istotna staje się analiza pracy tego typu urządzeń, w celu określenia zależności podstawowych parametrów aerodynamicznych, termodynamicznych i konstrukcyjnych na skuteczność procesów wymiany ciepła i masy w kanałach wypełnienia badanych wymienników oraz określenia stref klimatycznych, gdzie możliwe jest ich racjonalne wykorzystanie.

Do najważniejszych parametrów mających wpływ na skuteczność pośrednich wymienników wyparnych należą:
• stosunek ilościowy strumienia pomocniczego do głównego,
• prędkość przepływu powietrza w kanałach wypełnienia,
• temperatura i wilgotność względna powietrza na wejściu do wymiennika.

Rys. 2. Charakterystyka wymiennika: a) wizualizacja ogólna

Model matematyczny (...)

Charakterystyka modelowanego wymiennika (...)

Równania modelu (...)

Analiza wyników obliczeń (...)

Wnioski:
• Przedstawiono i uzasadniono oryginalny ε-NTU-model opisujący procesy wymiany ciepła i masy w krzyżowym wymienniku do pośredniego wyparnego ochładzania powietrza;
• Stwierdzono obecność dwóch stref aktywnej wymiany ciepła i masy w kanałach wypełnienia;
• Określono zależności mocy chłodniczej i sprawności wymiennika od parametrów termodynamicznych strumieni powietrza;
• Otrzymane dane umożliwiają oszacowanie zakresu zmian optymalnych roboczych parametrów badanego wymiennika ciepła, jak również ocenę możliwości jego racjonalnego wykorzystania w zależności od strefy klimatycznej.

LITERATURA:
[1] GILLAN L.: Maisotsenko cycle for cooling process. Denver, 2008.
[2] PANDELIDIS D., POLUSHKIN V.: Wymienniki do pośredniego ochładzania powietrza za pomocą odparowania cieczy. Współczesne Metody i Techniki w badaniach Systemów Inżynieryjnych. Wrocław, 2011.
[3] ANISIMOV S., ŻUCHWICKI J.: Wymiana ciepła i masy w urządzeniach do pośredniego ochładzania powietrza za pomocą parowania wody przy mieszanym schemacie przepływu czynników. Nowe Techniki w Klimatyzacji- Materiały Konferencyjne. Warszawa, 2003.
[4] Materiały firmowe dostępne w Internecie.