Reklama
 
 
 
Oszczędności energetyczne i ekonomiczne wynikające z zastosowania wymiennika wyparnego w klimatyzacji (Cz. 1)
Ocena użytkowników: / 10
SłabyŚwietny 
Data dodania: 19.02.2014

W artykule przedstawiono możliwe do uzyskania oszczędności energetyczne przy zastosowaniu nowoczesnych rozwiązań układów klimatyzacyjnych, w których wykorzystywana jest współpraca tradycyjnych systemów sprężarkowych z wymiennikiem wyparnym.

 

W dobie kryzysu gospodarczego i wzrastających cen surowców duży nacisk kładzie się na obniżanie energochłonności systemów HVAC. Jednym z najmniej korzystnych ekonomicznie urządzeń są konwencjonalne układy chłodnicze w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, dlatego coraz bardziej powszechne staje się stosowanie rozwiązań wykorzystujących energię odnawialną. Pośrednie chłodzenie wyparne jest jednym z niewielu dostępnych na rynku rozwiązań w zakresie energii odnawialnej wykorzystywanej w chłodnictwie. Prosta budowa urządzeń wyparnych oraz ich niewielkie koszty eksploatacyjne pozwalają wierzyć, że w krótkim czasie część typowych instalacji chłodniczych zostanie zastąpiona przez nowe, skuteczniejsze rozwiązania. W konwencjonalnych systemach klimatyzacyjnych do ochładzania powietrza wykorzystuje się wymienniki przeponowe (czynnik chłodniczy oddzielony jest od powietrza przegrodą, najczęściej płynie w rurkach). Systemy te cechuje duża energochłonność: związane jest to przede wszystkim z napędzaniem sprężarek, transportem chłodziwa, a także z kosztami uzupełniania czynnika w obiegach chłodniczych.

Chłodzenie wyparne wykorzystuje naturalną tendencję wody do parowania. Przeciętny człowiek odparowanie wody utożsamia z wrzeniem: wówczas ciecz paruje całą objętością. Jednakże każda osoba zna także pojęcie „wyschnąć”, które nie oznacza nic innego, jak to, że woda odparowała z mokrego ubrania, czy też innego materiału. W takich wypadkach ciecz nie paruje całą objętością, tylko powierzchnią kontaktującą się z powietrzem.

Parowanie wody wymaga pobrania dużej ilości ciepła (ciepło parowania wody wynosi 2500 kJ/kg, podczas gdy przykładowo energia potrzebna do podgrzania wody o 20°C wynosi jedynie około 84 kJ/kg). Ze zjawiskiem pobierania ciepła przez parującą ciecz każdy zetknął się podczas wyjścia spod prysznica – odczuwane zimno wynika właśnie z pobierania przez wodę z organizmu człowieka ciepła na zmianę stanu skupienia.

W przypadku chłodzenia wyparnego woda wykorzystywana jest do ochłodzenia powietrza. Własności termodynamiczne powietrza wilgotnego pozwalają na obniżenie jego temperatury podczas nawilżania wodą. Ochładzanie powietrza za pomocą parowania wody jest procesem wymiany ciepła i masy pomiędzy cieczą a gazem, podczas którego powietrze obniża swoją temperaturę, jednocześnie zwiększając swoją zawartość wilgoci. Proces, w którym powietrze po nawilżeniu dostarczane jest do użytkowników, nosi nazwę chłodzenia wyparnego bezpośredniego. W tym przypadku strumień powietrza ochładza się i jednocześnie nawilża parą wodną. Takie rozwiązanie nie znajduje zastosowania jako źródło chłodu w klimatyzacji (komory zraszania są wykorzystywane, aczkolwiek coraz rzadziej, do ustalania precyzyjnych parametrów powietrza dla potrzeb technologicznych), ponieważ wilgotny strumień nawiewany do pomieszczenia powoduje odczuwanie duszności przez jego użytkowników. Ponadto efektywność bezpośrednich urządzeń wyparnych jest ograniczona temperaturą termometru mokrego.

W przypadku pośredniego chłodzenia powietrza stosowane są urządzenia, w których występują dwa rodzaje kanałów: suchy i mokry. Przez kanał mokry prowadzony jest strumień powietrza (nazywany roboczym), który wykorzystywany jest do akumulacji pary wodnej. Płynące powietrze stwarza różnice potencjałów ciśnień cząstkowych pary wodnej, co skutkuje odparowaniem cieczy, która pobiera na ten cel znaczne ilości ciepła. Część ciepła pobierana jest z kanału suchego, oddzielonego nieprzepuszczalną dla wody ścianką. Pozwala to ochłodzić powietrze w suchym kanale, bez jednoczesnego nawilżania go. Pośrednie jednostki wyparne nie są ograniczone temperaturą termometru mokrego, a jedynie temperaturą punktu rosy (czyli temperaturą, przy której następuje wykroplenie pary wodnej z powietrza). Zastosowanie takich wymienników wiąże się ze znacznymi oszczędnościami energetycznymi, których przykład zostanie przytoczony w niniejszym artykule. Własności jednostek wyparnych nie pozwalają całkowicie wyeliminować sprężarkowych układów chłodniczych, ale mogą znacząco wpłynąć na ograniczenie ich mocy.

Zastosowanie różnych rozwiązań opierających się na pośrednim chłodzeniu wyparnym było przedstawiane m.in. w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 3/2013. Przedstawiono wówczas wymiennik wykorzystujący obieg Maisotsenki (rys. 1.).

 

2014-01-59-1

Rys. 1. Pośredni wymiennik wyparny z obiegiem Maisotsenki: a) schemat wymiennika (1 – powietrze dostarczane do użytkowników systemu, 2, 3 – powietrze pomocnicze odpowiednio w suchym i mokrym kanale); b) wypełnienie wymiennika; c) wygląd zewnętrzny wymiennika wraz ze stalową ramą montażową; d) wymiennik po zdjęciu ramy montażowej

 

Obieg Maisotsenki (rys. 1.) jest jednym z najbardziej efektywnych obiegów chłodzenia wyparnego. Działa na podobnej zasadzie jak typowe cykle wyparne, jednakże wykorzystuje specyficzny, złożony obieg powietrza, pozwalający na osiągnięcie bardzo niskiej temperatury powietrza nawiewanego. Zasada działania rekuperatora z M-obiegiem (rys. 1.): powietrze po wejściu do wymiennika dzielone jest na 2 części (1 – przepływ główny, 2 – przepływ pomocniczy). Strumień główny płynie kanałami suchymi, gdzie jest ochładzany, a następnie dostarczany do użytkowników pomieszczeń. Przepływ pomocniczy płynie suchym kanałem pomocniczym, w którym poprzez otwory w ściance dostaje się do kanału mokrego (3 – przepływ pomocniczy w kanałach mokrych), wypełnionego wilgotnym materiałem porowatym, gdzie realizuje ochładzanie wyparne. Część mokra wymiennika oddzielona jest od suchej cienką warstwą nieprzepuszczającego wody metalu. Suchy kanał pomocniczy pozwala na wstępne obniżenie temperatury strumienia roboczego, dzięki czemu dostaje się on do części mokrej ochłodzony w coraz większym stopniu, podobnie jak w wymienniku regeneracyjnym. Strumień pomocniczy w kanałach mokrych przepływa krzyżowo w stosunku do głównego. Na rysunku 1b pokazano wypełnienie wymiennika ciepła i masy. Konstrukcja wymiennika opiera się na materiale porowatym, w którym woda rozprowadzania jest równomiernie za pomocą sił kapilarnych, eliminuje to obecność dysz zaburzających przepływ powietrza. Wszystkie jednostki firmy Coolerado opierają się na jednym typie wymiennika (rys. 1a, b), który łączony jest w odpowiednie sekcje, w celu uzyskania większych wydajności powietrznych. Chroniona patentami technologia wykonania wymiennika wykorzystuje specjalna mieszaninę włókien celulozowych do wypełnienia powierzchni mokrego kanału, która pozwala na równomierne nawilżenie cieczą. Dzięki temu mokry kanał pokryty jest bardzo cienką warstwą wody, co umożliwia maksymalnie efektywną realizację procesów ochładzania wyparnego. Grubość włókien celulozowych wynosi około 0,4 mm, wysokość poszczególnych kanałów wynosi około 3 mm. Wszystkie kanały mają kształt spłaszczonego prostokąta i są ożebrowane (rys. 1b). Do oddzielenia kanału mokrego i suchego wykorzystano polietylen. Wymiennik jest wykonywany ręcznie z wykorzystaniem zgrzewania zwarciowego i klejenia na gorąco. Technika wykonania wymiennika nie pozwala na wykonanie równomiernego wypełnienia, dlatego wymiary zewnętrzne i wewnętrzne poszczególnych kanałów różnią się nieznacznie.

 

2014-01-59-2

Rys. 2. Współpraca regeneracyjnego wymiennika wyparnego z systemem klimatyzacyjnym SDEC

 

Przedstawiono także możliwości wykorzystania pośrednich jednostek wyparnych we współpracy z solarnymi układami klimatyzacyjnymi SDEC (rys. 2.) oraz z panelami fotowoltaicznymi (rys. 3.). Solarne systemy klimatyzacyjne SDEC (solar desiccant and evaporative cooling) stanowią przykład rozwiązań systemów DEC (desiccant and evaporative cooling), w których do ogrzania powietrza służącego do regeneracji czynnika sorpcyjnego, zamiast konwencjonalnego ciepła, wykorzystana jest energia promieniowania słonecznego (rys. 2.).

 

2014-01-59-3

Rys. 3. Wymiennik wyparny współpracujący z panelami fotowoltaicznymi

 

Indywidualne jednostki klimatyzacyjne wykorzystujące pośrednie wymienniki wyparne cechują się bardzo nikim zużyciem energii elektrycznej. Prąd zużywany jest jedynie na napęd wentylatora oraz pompy dostarczającej wodę do rekuperatora (chłodnicy). Dzięki niskiemu zużyciu energii elektrycznej (brak sprężarek, zaworów regulacyjnych etc.) możliwe jest całkowite pokrycie zapotrzebowania na prąd przez energię wytwarzaną z ogniw fotowoltaicznych (rys. 3.). W tym przypadku wilgotne powietrze z kanału mokrego pozwala na chłodzenie paneli fotowoltaicznych, co zwiększa efektywność ich pracy.

W niniejszym artykule zostaną przeanalizowane oszczędności energetyczne w przypadku zastosowania pośredniego wymiennika wyparnego do współpracy z chłodnicą przeponową w układzie klimatyzacji.

 

Obliczenie oszczędności

(...)

 

Koniec części I

***

Kolejnym istotnym aspektem chłodzenia wyparnego jest komfort termiczny użytkowników pomieszczeń, który zostanie przedstawiony w drugiej części artykułu.

 

prof. dr hab. inż. Sergey ANISIMOV
mgr inż. Demis PANDELIDIS

 

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 01-02/2014

 

 

Reklama

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2019

  • Pompy ciepła 2018

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2017

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2018

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

  • Pompy ciepła 2017

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2015

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2016

  • Pompy ciepła 2014

Reklama

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.