W niniejszym artykule przedstawiono kombinowane systemy klimatyzacyjno-odsalające, oparte na pośrednich rekuperatorach wyparnych, wykorzystywane przez korporacje naftowe wydobywające ropę na terenie Afryki i Bliskiego Wschodu, gdzie woda jest towarem deficytowym.

Powierzchnia Ziemi w 70% pokryta jest wodą, jednakże jedynie 3% nadają się do spożycia przez człowieka. Obecnie światowe źródła wody słodkiej narażone są na zanieczyszczenia, spowodowane przez rosnącą liczbę ludności oraz przez wzmożoną industrializację deficytowych w wodę obszarów globu. Występowanie coraz częstszych susz oraz presji demograficznej jest główną przyczyną nadmiernego pustynnienia i zasolenia gleb, co ma swoje odbicie w gospodarce wodnej wielu regionów (głównie Afryki, Azji Centralnej i Bliskiego Wschodu). W 1992 roku Organizacja Narodów Zjednoczonych opracowała raport „Agenda 21” po-ruszający tematykę zwiększającego się deficytu wody w kryzysowych regionach świata [1]. Badania psychologiczne dowodzą, że suchy i gorący klimat wpływa pobudzająco na układ nerwowy człowieka, zwiększając jego podatność na agresywne zachowania. Stąd prognozuje się, iż deficyt wody na Bliskim Wschodzie czy w Afryce (problem zaczyna też dotyczyć terenów Azji Centralnej), może prowadzić do eskalacji napięć i konfliktów spowodowanych chronicznym brakiem wody [1].

Jednym z największych konsumentów wody pitnej w regionie Bliskiego Wschodu i Afryki są korporacje wydobywające ropę naftową. Woda ta wykorzystywana jest do celów technologicznych oraz na potrzeby higieniczne i żywieniowe zatrudnionych pracowników.

Rys. 1. Przykładowe systemy klimatyzacyjno-odsalające: a) oparte na wymienniku regeneracyjnym, b) oparte nawymienniku przeciwprądowym, c) oparte na wymienniku krzyżowym, d) oparte na wymienniku współprądowym;oznaczenia: W - wentylator, Ww - wymiennik wyparny, Ch - chłodnica, SK - sekcja kondensacji, KP - klimatyzowanepomieszczenia

Dlatego społeczeństwa i narody azjatyckie i afrykańskie kładą coraz większy nacisk na ograniczenie zużycia wody przez zagraniczne konsorcja naftowe.Jednym ze sposobów uzyskiwania wody pitnej jest odsalanie wody morskiej, jednakże tradycyjne sposoby pozyskiwania wody tą metodą są stosunkowo drogie i nieefektywne. W ostatnich latach korporacje naftowe we współpracy ze światem nauki opracowały metodę pozyskiwania wody pitnej, umożliwiającej także pokrycie wzmożonego zapotrzebowania mocy chłodniczej przez obiekty infrastrukturalne zlokalizowane w gorącym klimacie Afryki i Bliskiego Wschodu. Metoda ta opiera się na kombinowanych systemach klimatyzacyjno-odsalających wykorzystujących pośrednie wymienniki wyparne.

Do wyparnych urządzeń chłodniczych zalicza się układy opar-te na bezpośrednim i pośrednim odparowaniu czynnika chłodniczego (wody) [2]. Ochładzanie powietrza za pomocą parowania jest procesem wymiany ciepła i masy pomiędzy cieczą a gazem, który odbywa się przy przeważającej roli parowania powierzchniowego cieczy. Przy bezpośrednim ochładzaniu powietrza za pomocą parowania (występującym np. w komorach zraszania central wentylacyjnych) występuje kontakt powietrza z wodą, co doprowadza do obniżenia jego temperatury i zwiększenia zawartości wilgoci przy praktycznie niezmiennej entalpii. Z tego powodu wydajność chłodnicza urządzeń wyparnych bez-pośrednich (odniesiona do ciepła całkowitego) jest równa zeru. Pośrednie ochłodzenie za pomocą parowania jest procesem, podczas którego powietrze nie ma bezpośredniego kontaktu z wodą, a jego chłodzenie odbywa się przez powierzchnię wymiennika ciepła. W tym przypadku występują dwa strumienie powietrza: pierwszy (nazywany głównym), przepływa przez suchą część wymiennika i obniża swoją temperaturę przy niezmiennej zawartości wilgoci, po czym jest dostarczany do użytkowników pomieszczeń, drugi (nazywany pomocniczym lub roboczym) płynie kanałem pomocniczym, w którym zachodzi parowanie wody, akumuluje w sobie ciepła od przepływu głównego, po czym jest usuwany na zewnątrz. W takich wymiennikach ciepła proces ochładzania strumienia głównego 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.

Kombinowane systemy odsalająco-klimatyzacyjne opierają swoją pracę na zasilaniu słoną wodą pomocniczych kanałów wymienników wyparnych. Podczas realizowania procesów ochładzania wyparnego słodka woda paruje, pozostawiając sól w wypełnieniu. Jednocześnie prowadzi to do obniżenia temperatury powietrza płynącego w suchych kanałach, które może być wykorzystywane do klimatyzowania pomieszczeń. Nasycone powietrze pomocnicze prowadzone jest do sekcji kondensacji (zazwyczaj jest to przeponowy oziębiacz), gdzie słodka woda jest wykraplana i odprowadzana do zasobników. Osuszone i oziębione powietrze pomocnicze może być również wykorzystane do klimatyzowania pomieszczeń. Praca systemu generuje dużą oszczędność energetyczną: pokrywa zapotrzebowanie na moc chłodniczą (dzięki pośredniemu wymiennikowi wyparne-mu powietrze ochładzane jest praktycznie za darmo) oraz wytwarza duże ilości wody pitnej, niezbędnej do funkcjonowania przedsiębiorstw.

Rys. 2. Analizowane wymienniki: a) krzyżowy, b) regeneracyjny, c) przeciwprądowy, d) współprądowy

Przykłady instalacji klimatyzacyjno-odsalających przedstawiono na rysunku 1. Powietrze o parametrach 1 jest czerpane z zewnątrz do systemu. Po przejściu przez suchy kanał wymiennika wyparnego jest ochładzane przy stałej zawartości wilgoci do stanu 2. Następnie strumień jest rozdzielany (rys. 1a): cześć powietrza dostarczana jest do pomieszczenia (po ewentualnym dochłodzeniu na wymienniku przeponowym do stanu 3), a część prowadzona jest do pomocniczego kanału jednostki wyparnej, gdzie ochładza przepływ główny i nawilża się wodą do stanu 5. Nasycony przepływ roboczy transportowany jest następnie do sekcji kondensacji, gdzie zostaje ochłodzony i osuszony do stanu 6. Uzyskana w ten sposób woda odprowadzona zostaje do zasobnika, a zimne powietrze wykorzystywane jest do klimatyzacji pomieszczeń. W przypadku, gdy część budynku nie wymaga dużych ilości świeżego powietrza, natomiast generuje duże zyski ciepła (np. serwerownie), można wykorzystać system oparty na wymienniku przeciwprądowym (rys. 1b). W tej sytuacji cały strumień po ochłodzeniu w wymienniku wyparnym i ewentualnym dochłodzeniu na chłodnicy przeponowej dostarczany jest do pomieszczenia. Po asymilacji zysków ciepła i wilgoci (osiągnięty stan 4 na rys. 1b) zostaje z niego usunięty i przetransportowany do sekcji pomocniczej wymiennika wyparnego, gdzie nawilża się słodką wodą i akumuluje ciepło od powietrza w kanale suchym, osiągając stan 5. Następnie przepływa przez sekcję kondensacji (stan 6) i jest wykorzystywany do asymilacji zysków ciepła w klimatyzowanych pomieszczeniach. W przypadku, gdy temperatura osuszonego powietrza jest zbyt niska, można za-stosować recyrkulację powietrza z pomieszczenia lub dodatkowe podmieszanie strumienia nawiewanego z powietrzem zewnętrznym (rys. 1a, b, c, d).

Rys. 3. Charakterystyka wypełnień analizowanych wymienników: a) ogólna charakterystyka - kanał mokry i suchy,b) przykład używanych oznaczeń dotyczących parametrów wypełnienia - wymiennik przeciwprądowy

Z powodu coraz większego zainteresowania systemami klimatyzacyjno-odsalającymi, istotna stała się analiza pracy wymienników wyparnych, będących „sercem” całego systemu, umożliwiająca optymalizację procesów wymiany ciepła i masy w kanałach wypełnienia oraz określenie najbardziej skutecznego, dla zadanych warunków klimatycznych, schematu przepływu powietrza. Najskuteczniejszym narzędziem do optymalizacji i porównania różnych wymienników jest analiza teoretyczna za pomocą modelu matematycznego. Takie rozwiązanie umożliwia uzyskanie dokładniejszych wyników niż podczas pomiarów na stanowisku badawczym. Dzieje się tak z powodu niedoskonałości metod eksperymentalnych, spowodowanych niedokładnością przyrządów pomiarowych oraz niewielkimi wymiarami rekuperatorów, co uniemożliwia dokładny pomiar parametrów termodynamicznych w kanałach wypełnienia. Ponadto model matematyczny pozwala na symulację pracy jednostki dla dowolnych parametrów powietrza zewnętrznego, co nie jest możliwe w rzeczywistym układzie pogodowym, gdyż jest on zależny od zmieniających się warunków atmosferycznych. Dlatego autorzy stworzyli oryginalne ε-NTU-modele [3-10] obrazujące pracę wymienników wyparnych - krzyżowego, współprądowego, przeciwprądowe-go i regeneracyjnego (rys. 2.), które zostaną poddane analizie porównawczej w niniejszym artykule.

Model wymiany ciepła i masy (..)

W następnej części artykuły zostaną wyniki wielowariantowych badań numerycznych, przedstawione zostaną wady i zalety każdego z rozpatrywanych wymienników oraz przeanalizowany zostanie wpływ parametrów termodynamicznych powietrza dostarczonego do rekuperatorów na efektywność chłodniczą oraz na skuteczność pozyskiwania wody pitnej.

Literatura:

[1] PAWŁOWSKI M.: Woda jako źródło życia i konfl iktów zbrojnych, artykuł w wydaniu internetowym. www.politykaglobalna.pl

[2] ANISIMOV S., BOLOTIN S.: Badania krzyżowych wymienników ciepła do pośredniego ochładzania powietrza. Wiadomości Międzynarodowej Akademii Nauk Ochrony Środowiska. Ochrona Powietrza Atmosferycznego nr 2. 1996.

[3] ANISIMOV S., PANDELIDIS D.: Numerical study of the cross-fl ow heat and mass exchanger for indirect evaporative cooling. Proceedings of the Xth International Scientifi c Conference „Indoor Air and Environment Quality”. Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Budapest University of Technology and Economics. Russian Academy of Architecture and Civil Engineering Science. Budapest, Hungary. 2012.

[4] PANDELIDIS D., POLUSHKIN V.: Wymienniki do pośredniego ochładzania powietrza za pomocą odparowania cieczy. Współczesne Metody i Techniki w badaniach Systemów Inżynieryjnych. Wrocław. 2011.

[5] ANISIMOV S., ŻUCHOWICKI 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.

[6] ANISIMOV S., PANDELIDIS D.: Poprawa efektywności solarnych układów klimatyzacyjnych. Rynek Instalacyjny 7–8/2012. pp. 69–74.

[7] ANISIMOV S., PANDELIDIS D.: Modelowanie matematyczne wymienników do pośredniego ochładzania powietrza za  pomocą parowania cieczy o krzyżowym układzie przepływu czynników. Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja 8/2012. pp. 315–320.

[8] ANISIMOV S., PANDELIDIS D., POLUSHKIN V.: The infl uence of outdoor air parameters on the efficiency of cross-flow indirect evaporative heat exchanger. Civil Engineers Bulletin. Russia. 2012. in press.

[9] ANISIMOV S., PANDELIDIS D., POLUSHKIN V.: Use of indirect evaporative coolers in solar air conditioning units. Recent developments in science and education. Russia. 2012.

[10] ANISIMOV S., PANDELIDIS D.: Efektywność wyparnego ochładzania powietrza. Chłodnictwo & Klimatyzacja 7/2012. pp. 40–43.