Використання води для охолодження повітря може відбуватися у різний спосіб. Відомі охолоджувачі з водяними теплообмінниками, із зустрічним потоком води, з випаровувачами (градирні) тощо. Є цілий клас пристроїв, які належать т. з. адіабатичним охолоджувачам. Як це працює?
Традиційно охолодження, а особливо промислове охолодження, використовувало величезну кількість води для розсіювання теплової енергії, що утворюється у виробничих циклах. Однак виявляється, що технологія, яка включає адіабатичне охолодження, є значно економічно ефективним способом забезпечення оптимального регулювання температури процесів та охолодження повітря в приміщеннях.
Що означає «адіабатичний»?
Термін «адіабатичний» означає, що процес «відбувається без збільшення або втрати тепла». Коли газ стискається в адіабатичних умовах, його тиск збільшується, а температура підвищується без отримання або втрати тепла. І навпаки, коли газ розширюється в адіабатних умовах, його тиск та температура зменшуються без збільшення або втрати тепла. Хорошим прикладом є адіабатичне охолодження повітря, коли воно піднімається в атмосферу, утворюючи хмари.
За яким принципом діють адіабатичні системи охолодження?
Адіабатичне охолодження повітря – це процес непрямого випарного охолодження, який протікає через замкнений контур, де повітря попередньо охолоджується до бажаної температури. Вода, що проходить через адіабатичну систему, випаровується за потреби. Зміна стану води з рідкого в газоподібний призводить до передачі енергії у вигляді тепла.
Типова адіабатична система охолодження (рис. 1) витягує повітря із зовнішнього середовища, знижує його температуру, випаровуючи воду в її присутності, а потім подає охолоджене повітря в теплообмінник. Теплообмінник із замкнутим контуром поглинає теплову енергію від пов’язаного процесу/обладнання та передає її прохолодному навколишньому повітрю. Після нагрівання температура повітря, що циркулює, перед новим цикломохолодження знижується шляхом випаровування.
Рис. 1. Даховий адіабатичний охолоджувач
Уявіть охолоджувач рідини з вентиляторами, але з вимкненим розпилювальним насосом. Якщо повітря досить прохолодне, температура в контурі достатньо низька для того, щоб підтримувати роботу системи HVAC або для технологічного охолодження. Тепер уявіть собі серію охолоджуючих розпилювачів води у повітрозабірниках у вигляді водяного туману. Коли частинки водяного туману швидко випаровуються – це поглинає з повітря приховану теплоту, необхідну для випаровування, й, отже, викликає зниження температури повітря.
Адіабатичні системи охолодження працюють за тим же принципом, але використовують різноманітні засоби для попереднього охолодження повітря перед тим, як він протікає через змійовик. Найпоширеніший спосіб – розширення каналу для повітря, тобто втрата енергії повітрям у дифузорі (див. рис. 2). Для створення достатньої кількості повітря на поверхні для швидкого та повного випаровування води зазвичай використовують зволожуючі прокладки, тонку плівку, пластикову сітку та туманні насадки. В результаті – ефективність охолодження є у п’ять разів вищою, ніж повітряне охолодження сухим повітрям.
Рис. 2. Схема роботи адіабатичного охолоджувача
Адіабатичне охолодження може бути одним з трьох типів:
- Пряме адіабатичне охолодження.
- Непряме/пряме (двоступеневе) адіабатичне охолодження.
- Непряме адіабатичне охолодження.
Пряме адіабатичне охолодження
Цей процес, також відомий як охолодження мокрим термометром, називається прямим, оскільки існує пряма взаємодія між водою та повітрям, що використовуються в системі. Вода безпосередньо випаровується в потік нагрітого повітря, щоб полегшити його охолодження. Це найбільш поширена в світі методика адіабатичного охолодження.
Непряме адіабатичне охолодження
При непрямому адіабатичному (випарному) охолодженні вода випаровується окремо в стовпі повітря, що йде окремо від повітряного потоку, призначеного для охолодження. Теплообмін відбувається на поверхні труб, по яких проходить нагріте повітря. Вологе випаруване повітря, що проходить через зовнішній простір каналів гарячого повітря, поглинає тепло та охолоджує повітря всередині них.
Непряме/пряме (двоступеневе) адіабатичне охолодження
Двоступеневий процес охолодження включає елементи як прямого, так й непрямого методів випарного охолодження. Першим етапом процесу є непряме охолодження, яке досягається шляхом рециркуляції холодної води в теплообміннику для видалення тепла з навколишнього повітря. Друга половина цього процесу охолодження – це пряма фаза «мокрого термометра», яка ще більше знижує температуру охолоджуючого повітря. Прямий контакт повітря, що підлягає охолодженню, з водою, що випаровується, призведе до зниження його температури до бажаного рівня.
Поєднання прямого та непрямого охолодження дозволяє швидше охолоджуватися до навіть нижчих температур, ніж ті, що досягаються за допомогою будь-якого окремого методу. Крім того, двоступеневе охолодження є дуже енергоефективною, економною та екологічно безпечною альтернативою іншим методам адіабатичного охолодження.
Як саме адіабатичні охолоджувачі рідини економлять воду?
Адіабатичні системи охолодження заощаджують воду, працюючи як сухий охолоджувач, коли навантаження досить невелике або повітря досить прохолодне для цього, прокачуючи навколишнє повітря через теплообмінники із замкненим контуром, щоб відвести тепло. Коли температура навколишнього середовища починає підвищуватися або збільшуються умови навантаження, швидкість вентилятора також збільшується. Якщо температуру не можна підтримувати в потрібному режимі, то вмикається вологий режим, який досягається шляхом розпилення водопровідної води на прокладки попереднього охолодження повітря, що надходить у теплообмінник та усуває необхідність випаровування технологічної води, подібно тому як це відбувається у традиційній відкритій системі (градирні).
Чи має адіабатична система охолодження менші експлуатаційні витрати?
Економія води важлива, але вона повинна бути збалансована із загальною вартістю експлуатації. Адіабатичні системи менш витратні при експлуатації у порівнянні із традиційними системами градирні – є суттєве зниження споживання енергії та на 95% менше споживання води.
Чи мають адіабатичні охолоджувачі технічні проблеми?
Хоча виробники применшують проблему появи накипу, але коли вода випаровується насухо, в результаті випаровування утворюються солі. Традиційні градирні розроблені для мінімізації впливу висихання, але адіабатичні системи розроблені спеціально для повного випаровування води. Накип з нерозчинних солей (переважно кальцію) буде накопичуватися на зволожених поверхнях адіабатичної системи так само, як це відбувається, коли вода повністю випаровується на будь-якій градирні.
Чи викликає охолодження адіабатної рідини легіонельоз?
Легіонела може бути проблемою, коли тепла вода використовується для створення аерозолів.
Основна перевага охолоджувачів адіабатної рідини у порівнянні з градирнями – дана конструкція має замкнутий контур, де технологічна вода не контактує з навколишнім повітрям, що усуває ризик поширення легіонел в повітрі. Адіабатичні охолоджувачі створюють менші краплі води – від 50 до 100 мкм, які не можуть підтримувати ріст бактерій. У системі зазвичай також передбачена УФ-дезінфекція, яка дозволяє знищити будь-які мікроорганізми, які можуть потрапити в систему, й це ще більше мінімізує ризик для здоров’я.
Аксесуари до системи, такі як буферні баки та резервуари для накопичення розпилюваної води, завжди повинні належним чином обслуговуватися, щоб уникнути ризику розвитку легіонел.
Адіабатичний охолоджувач vs градирня
Охолодження розпиленням в адіабатичному охолоджувачі запускається лише тоді, коли температура навколишнього повітря є занадто високою, щоб використовувати це повітря для охолодження. Тобто холодна вода з мережі використовується лише тоді, коли висока температура навколишнього середовища вимагає більш високого рівня охолодження. Щоб помістити це в контекст, капітальні витрати на адіабатичний охолоджувач та його перші 25 років споживання води значно менші, ніж для градирні, а також витрати на споживання води градирнею за перший рік роботи градирні.
Ці одиниці не потрібно реєструвати в Управлінні з охорони здоров’я та безпеки, оскільки ризик зараження легіонелою майже усунений.
Адіабатичні охолоджувачі мають функцію автоматичного зливу для спорожнення води з системи, тобто вода для охолодження не зберігається тривалий час.
В градирні вода безперервно розбризкується для охолодження змійовиків конденсатора, постійно використовуючи джерело води для створення ефекту охолодження. Вода не зливається з градирні, що може сприяти росту та поширенню бактерій легіонели; розмір крапель води та технологічна температура сприяють розмноженню бактерій, отже, необхідно виконувати регулярне гігієнічне обслуговування, хімічну обробку та суворі інструкції з охорони праці.
Завдяки швидкості випаровування води з градирень (1,6 кг води випаровується на кожен кВт відведеного тепла) витрати на воду та хімічні речовини для підтримки хімічного балансу рідини можуть становити дуже значні суми.
Тобто, у порівнянні із градирнями, адіабатичні охолоджувачі:
- заощаджують кошти на поточних витратах;
- економлять технічну воду;
- вода не потребує хімічної обробки;
- принципово більша енергоефективність охолодження;
- контроль за утворенням легіонели.
Адіабатичні охолоджувачі є економічно ефективною та екологічно безпечною альтернативою градирням – вони вимагають значно менше обслуговування, зменшують ризик появи легіонели та мають менші експлуатаційні витрати та споживання води.
Значну частину року ці прилади використовують для охолодження вентилятори, а система розпилення води з мережі активується лише в періоди високої температури навколишнього середовища.
Активність розпилення ретельно автоматично контролюється. Зазвичай для вентиляторів використовуються двигуни із змінною швидкістю (EC та AC) та інверторним регулюванням обертів вентилятора.
Застосування адіабатичних систем охолодження
Адіабатичні системи охолодження наразі досить широко використовуються для підтримки оптимальної робочої температури в різних комерційних та промислових процесах. Інші поширені застосування пристроїв адіабатичного охолодження включають:
- регулювання температури в теплицях;
- кондиціонування в житлових приміщеннях;
- системи технологічного охолодження – адіабатичне охолодження можна використовувати в холодильних установках, які замінюють звичайні пристрої з водяним або повітряним охолодженням;
- адіабатичні системи охолодження для чилерів.
Системи чилерів можуть мати навіть більшу ефективність охолодження, ніж звичайні пристрої з повітряним або водяним охолодженням. Деякі чилери, що працюють за принципом адіабатичного охолодження, пропонують до 90% економії енергії у порівнянні із іншими холодильними установками для приміщень. Адіабатичні чилери доволі ефективні в жарких та сухих середовищах, де вода є дефіцитною.
Загалом, зважаючи на численні переваги та економічність, адіабатичні охолоджувачі набувають все більшого поширення, особливо для централізованих систем кондиціонування повітря та клімат-контролю в багатоквартирних житлових, офісних та промислових будівлях.
Джерело: Facilities Cooling Solutions
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!
Переглянуто: 4 147
В сучасних адіабатичних охолоджувачах вода випаровується не безпосередньо на поверхнях теплообміну, а на встановлених на вході повітря гідроматах. Наліт солей утворюється саме на цих гідроматах. Поверхня теплообмінника залишається чистою. Продуктивність апарата з часом не падає. Підготовка води для таких адіабатичних охолоджувачів непотрібна.
Так, наразі одночасно існують і експлуатуються різні адіабатичні установки з різними конструктивними рішеннями.