W niniejszym artykule przedstawiono wstępne wyniki badań wymienników wyparnych na nowo wybudowanym stanowisku Politechniki Wrocławskiej. Badania mają na celu opracowanie nowego wymiennika przeznaczonego do wdrożenia w systemach klimatyzacyjnych. Wyniki badań eksperymentalnych zostały porównane także z danymi uzyskanymi z opracowanych autorskich modeli matematycznych.

Nowoczesne budownictwo cechuje się dużą szczelnością przegród zewnętrznych i okien. W związku z tym, w celu zapewnienia niezbędnej ilości świeżego powietrza użytkownikom pomieszczeń, powszechne staje się stosowanie wentylacji mechanicznej. Obecnie, przy procesach uzdatniania powietrza w okresie letnim, stałym elementem systemu klimatyzacji są urządzenia chłodzące powietrza (chłodnice), które umożliwiają obniżenie temperatury ciepłego powietrza do żądanej, niskiej wartości. Jednakże konwencjonalne jednostki chłodzące, wykorzystujące układy sprężarkowe, cechują się niską efektywnością energetyczną – stratami. W związku z tym, istotne staje się zadanie częściowej wymiany urządzeń chłodniczych i obniżenie zużycia przez nie energii dzięki zastosowaniu, jako odnawialnego źródła energii, nierównowagi termodynamicznej powietrza atmosferycznego.

Potencjał termodynamiczny zawarty w powietrzu pozwala na obniżenie jego temperatury przy kontakcie z wodą. Realizowany w trakcie kontaktu obieg bezpośredniego chłodzenia wyparnego prowadzi do odparowania cieczy i nawilżeniu powietrza przy praktycznie niezmiennej entalpii. Z tego powodu wydajność chłodnicza bezpośrednich obiegów wyparnych (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 nieprzepuszczającą wody przegrodę. W tym przypadku występują dwa strumienie powietrza: pierwszy (nazywany głównym), przepływa przez suchą część powierzchni wymiany ciepła i obniża swoją temperaturę przy niezmiennej zawartości wilgoci, drugi strumień, akumulujący w sobie ciepło od przepływu głównego (nazywany pomocniczym lub roboczym), płynie kanałem mokrym, w którym zachodzi parowanie wody, po czym jest usuwany poza system (rys. 1b). W takich obiegach termodynamicznych proces ochładzania strumienia głównego 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. Realizacja pośredniego ochładzania powietrza przez odparowanie (w odróżnieniu od bezpośredniego ochładzania) daje możliwość pełnego wykorzystania nierównowagi termodynamicznej powietrza atmosferycznego do wytwarzania chłodu.

Rys. 1. Wymiennik z M-obiegiem – schemat

Jednym z najnowszych osiągnięć w dziedzinie pośredniego chłodzenia wyparnego jest nowy obieg termodynamiczny, nazywany obiegiem Maisotsenki (skr. M-obieg), opierający się na złożonym, wielostopniowym wstępnym ochładzaniu powietrza roboczego w suchym kanale [1-3]. Pozwala to obniżyć temperaturę strumienia nawiewanego poniżej temperatury termometru mokrego (w typowych obiegach wyparnych jest to niemożliwe [1-2]), osiągając wartości temperatury bliskie temperatury punktu rosy ochładzanego powietrza [3]. Jego efektywność temperaturowa jest zatem porównywalna z typowymi sprężarkowymi układami klimatyzacyjnymi, przy czym do uzyskania chłodu wykorzystuje on tylko niewielką ilość wody (niewielkie zużycie wody potwierdzono eksperymentalnie [1]). Unikalne własności M-obiegu czynią go niezwykle atrakcyjnym dla Polski, gdzie typowe obiegi wyparne nie znajdują powszechnego zastosowania ze względu na stosunkowo wysoką wilgotność klimatu.

Wymiennik z obiegiem Maisotsenki stosowany do chłodzenia wyparnego (rys. 1.), opiera się na mieszanym schemacie przepływu powietrza, co pozwala na obniżenie temperatury powietrza poniżej temperatury termometru mokrego (jest to niewykonalne w urządzeniach bezpośrednich). Unikalne własności M-obiegu czynią go niezwykle atrakcyjnym dla państw takich jak Polska, gdzie typowe urządzenia wyparne nie znajdują powszechnego zastosowania ze względu na stosunkowo wysoką wilgotność klimatu. Sukces jednostki na terenie Stanów Zjednoczonych, a także otwarcie linii produkcyjnej na terenie Unii Europejskiej (Holandia) świadczy o wartości M-obiegu jako nowoczesnego, niskoenergetycznego systemu chłodniczego.

Zasada działania rekuperatora z M-obiegiem (rys. 1.)

Powietrze po wejściu do wymiennika jest dzielone na 2 części (przepływ główny i 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 (przepływ roboczy 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 temu dostaje się do części mokrej ochłodzone w coraz większym stopniu [1]. Strumień pomocniczy w kanałach mokrych przepływa krzyżowo w stosunku do głównego.

Stanowisko badawcze

Wybudowane stanowisko pozwala na badania różnych typów wymienników wyparnych, w tym także wymiennika z obiegiem Maisotsenki, w który to zostało wyposażone. Oprócz tego będą na nim badane także krzyżowe, przeciwprądowe i regeneracyjne wymienniki ciepła. Zdjęcie i schemat stanowiska przedstawiono na rysunku 2. Stanowisko pozwala na obróbkę termiczną powietrza dostarczanego do testowanego wymiennika oraz na bardzo dokładny pomiar temperatury i wilgotności względnej powietrza na wejściu i wyjściu z wymiennika (odpowiednio 0,1°C i 1%).

a)

b)

Rys. 2. Stanowisko do badań pośrednich wymienników wyparnych Politechniki Wrocławskiej: a) zdjęcie; b) schemat

Wstępne wyniki badań

Na obecnym etapie przeprowadzono jedynie wstępne wyniki badań (rys. 3.), jednakże potwierdzają one poprawną pracę aparatury pomiarowej. Jedną z metod sprawdzenia poprawnej pracy stanowiska pomiarowego było porównanie bilansu energii uzyskanych dla strumienia głównego i pomocniczego. Jak widać na rysunku 3a, rozbieżności utrzymane są na poziomie nieprzekraczającym 5%, co jest wynikiem satysfakcjonującym.

Rys. 3. Wstępne wyniki badań: a) Zgodność bilansu energii w strumieniu głównym i pomocniczym, kW; b) Korelacja pomiędzy wcześniej walidowanym modelem i eksperymentem- wyjściowa temperatura strumienia głównego; c) Korelacja pomiędzy wcześniej walidowanym modelem i eksperymentemwyjściowa temperatura strumienia pomocniczego; d) Korelacja pomiędzy wcześniej walidowanym modelem i eksperymentem- wyjściowa zawartość wilgoci strumienia pomocniczego; e) Korelacja pomiędzy wcześniej walidowanym modelem i eksperymentem- sprawność odniesiona do wejściowej temperatury termometru mokrego strumienia głównego

Innym sposobem weryfi kacji wyników badań jest porównanie parametrów ze stanowiska pomiarowego z wcześniej walidowanym modelem matematycznym [2]. Na podstawie wyników przedstawionych na rysunkach 3b-e, można stwierdzić, że uzyskana zgodność jest wysoka. Osiągnięte współczynniki korelacji R2 wynoszą odpowiednio 0,997 dla wyjściowej temperatury strumienia głów-nego, 0,998 dla wyjściowej temperatury strumienia pomocniczego, 0,998 dla wyjściowej zawartości wilgoci stru-mienia pomocniczego oraz 0,987 dla sprawności odniesionej do temperatury termometru mokrego strumienia głównego na wejściu do wymiennika.

Podsumowanie

W ramach realizacji grantu ze środków statutowych przyznanych przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego Politechnice Wrocławskiej (nr zlecenia B40013) powstało stanowisko pomiarowe umożliwiające badanie pośrednich wymienników wyparnych, w tym wymienników realizujących najskuteczniejszy obecnie znany obieg pośredniego chłodzenia wyparnego jakim jest obieg Maisotsenki. Wyniki wstępnych badań pozwoliły stwierdzić, że uzyskane dane eksperymentalne są wiarygodne i mogą zostać wykorzystane do opracowania pośredniej jednostki wyparnej nadającej się do pracy w polskich warunkach klimatycznych. O wynikach dalszych badań autorzy będą informowali na łamach prasy krajowej i zagranicznej. Zainteresowanym tematyką badań nad zaawansowanymi obiegami pośredniego chłodzenia wyparnego polecamy dotychczasowe artykuły autorów [1-5].

prof. dr hab. inż. Sergey ANISIMOV
Instytut Klimatyzacji i Ogrzewnictwa,
Wydział Inżynierii Środowiska,
Politechnika Wrocławska

mgr inż. Demis PANDELIDIS

Instytut Klimatyzacji i Ogrzewnictwa,
Wydział Inżynierii Środowiska,
Politechnika Wrocławska

LITERATURA:

[1] S. ANISIMOV, D. PANDELIDIS: Numerical study of the Maisotsenko cycle heat and mass exchanger, International Journal of Heat and Mass Transfer 2014, 75 (2014) 75–96.

[2] D. PANDELIDIS, S. ANISIMOV: Numerical analysis of the heat and mass transfer processes in selected M-Cycle heat exchangers for the dew point evaporative cooling, Energy Conversion and Management 90 (2015), 62–83.

[3] D. PANDELIDIS, S. ANISIMOV, W.M. WOREK: Performance study of the Maisotsenko Cycle heat exchangers in diff erent air-conditioning applications, International Journal of Heat and Mass Transfer 81 (2015), 207–221.

[4] D. PANDELIDIS, S. ANISIMOV: Oszczędności energetyczne i ekonomiczne wynikające z zastosowania wymiennika wyparnego w klimatyzacji, Chłodnictwo & Klimatyzacja, 1-2/2014 oraz 3/2014.

[5] D. PANDELIDIS, S. ANISIMOV: Efektywność wyparnego chłodzenia powietrza, Chłodnictwo & Klimatyzacja, 7/2012.