Охлаждение испарением – как это работает

А. Михненко

Чтобы понять, как работают испарительные охладители, нужно вспомнить о свойствах тепла, воздуха и водяного пара. Наиболее распространенный тип испарительного охладителя – устройства прямого действия, в которых горячий наружный воздух охлаждается внутри машины, нагнетается в здание и затем снова выпускается наружу. Устройства других типов – это машины непрямого действия и «промывные камеры» («мокрые кондиционеры» или «установки с камерой орошения»). В этой статье мы остановимся только на испарительных охладителях прямого типа

Теплота скрытая и явная

An installed evaporative cooling unit Теплота находится в двух формах – явная (или ощутимая) теплота и скрытая теплота (фазового превращения), которая не может быть обнаружена прямо с помощью термометра.

Количество теплоты, которое нужно затратить для испарения воды и перевода ее из жидкого состояния в газовую фазу (в водяной пар) называется «скрытой теплотой испарения». По мере того, как жидкая вода изменяет свое состояние и превращается в газ, ею поглощается тепло из окружающей среды. Ее температура при этом не меняется, а количество тепла или энергии, которая абсорбируется в процессе фазового перехода, затрачивается на изменение молекулярной структуры жидкой воды и превращение ее в пар. Охлаждение испарением возможно только из-за этого природного явления – наличия «скрытой» теплоты.

Всякий раз, когда вещество изменяет свое состояние из твердого состояния в жидкое (лед превращается в воду) и из жидкости в газ (вода превращается в пар), происходит поглощение тепла из окружающей среды. Это означает, что окружающий воздух, твердые предметы и жидкости становятся холоднее, поскольку они отдают свое тепло в процессе плавления или испарения.

Все тепло – это сумма скрытой и явной (физически ощутимой) теплоты.

Полное испарение одного литра воды поглощает около 2000 кДж тепловой энергии, и это происходит без какого-либо видимого внешнего источника энергии за счет скрытой теплоты.

Именно поэтому испарительные кондиционеры используют для работы очень небольшое количество электрической энергии – только то, что требуется для привода воздушного вентилятора и насоса орошения теплообменника.

Процесс охлаждения воздуха испарением

В машинах прямого охлаждения воздуха испарением процесс теплообмена инициируется с помощью водяного насоса, который подает воду для орошения специального (трубчатого, ячеистый или пористого) теплообменника, и вентилятора, заставляющего горячий наружный воздух пройти через отверстия в этих теплообменных панелях. Насос и привод вентилятора способствуют и ускоряют естественный процесс теплообмена.рис - 1

Рис. 1. Принцип работы охладителя испарением.

Во время процесса охлаждения часть теплосодержания воздуха (явная теплота) превращается в скрытую теплоту, когда вода в испарительном охладителе воздуха превращается в водяной пар, отбирая тепло от горячего наружного воздуха.

Соотношение скрытой и явной теплоты наружного воздуха меняется при этом примерно с 1/3 на 2/3, см. рис. 2. Холодный воздух затем закачивается в здание, он вентилирует помещение и потом удаляется наружу (как правило – без рекуперации).рис - 2

Рис. 2. Соотношение скрытой и явной теплоты в процессе охлаждения испарением и показания влажного и сухого термометров психрометра

Охладитель испарением несколько увеличивает абсолютную влажность воздуха. При понижении температуры к тому же увеличивается и относительная влажность воздуха, подаваемого внутрь здания. Однако, для комфортного микроклимата внутри помещения важно именно сочетание температуры и влажности. И испарительные охладители его обеспечивают. Например, поток воздуха при температуре 36°C и относительной влажности 30% проходит с отрегулированной скоростью через фильтры-теплообменники, при этом температура воздуха снижается до 26°C, а уровень относительной влажности повышается до комфортного значения 70%.

Суточное изменение влажности

Как видно из приведенного графика на рис. 3, температура и влажность воздуха обратно пропорциональны: в то время суток, когда температура выше, относительная влажность ниже, а абсолютная влажность (массовое количество водяного пара в воздухе) меняется в течение суток незначительно и остается примерно одинаковой. Например, при абсолютной влажности (влагосодержании) 0.015 кг в 1 кг воздуха при 36°C относительная влажность составит 40%, а при снижении температуры до 25°C относительная влажность составит 75%. Поэтому технологии охлаждения испарением эффективны именно в летнюю жару, они работают лучше, когда температура высока.рис - 3

Рис. 3. Изменение среднесуточной температуры и относительной влажности летом в умеренном климате

Существует мнение, что охлаждение испарительного типа эффективно только в районах с очень сухим климатом, в то время как уровень влажности в большинстве европейских стран в среднем достаточно высок.

Однако даже в климатических условиях, которые обычно считаются влажными, сочетание температуры и влажности в середине дня будет попрежнему оставлять возможность для эффективного охлаждения испарением при минимуме затрат на энергию. Современные системы охлаждения испарением рассчитаны для работы в наших климатических условиях.

Дополнительные бонусы

Помимо высоких показателей энергосбережения – по сравнению с обычными системами компрессорного охлаждения воздуха, системы охлаждения испарением потребляют в 5 – 10 раз меньше электроэнергии – по сути, испарительные охладители выполняют функцию мощной системы приточной вентиляции. При этом потребление энергии составляет всего десятки ватт на десяток тысяч кубометров в час очищенного и охлажденного воздуха.

Кроме того, встречаясь с поперечным потоком воды, воздух эффективно очищается от взвесей твердых частиц, пыли (с размером частиц более 10 мкм) и освобождается от вредных газов, в том числе выхлопных газов автотранспорта или смога от горящих торфяников, прочих токсичных аэрозолей, которые растворяются в воде. Охладители испарением удаляют даже неприятные запахи, включая запах плесени и дыма, буквально «смывают» с потока воздуха бактериологические загрязнители и аллергены – бактерии, споры грибков, пыльцу растений прочее.

Теплообменные панели (они же – фильтры для воздуха) в системах охлаждения испарением обладают эффектом самоочищения. Частицы загрязнений (контаминанты) все время удаляются свежей водой, подаваемой водяным насосом к водораспределителю. Продвинутые системы охлаждения испарением имеют внутреннюю систему водоочистки и требуют лишь периодического пополнения воды из внешнего трубопровода.

Тем не менее, для увеличения срока службы такие системы нуждаются в «мягкой» обессоленной воде. Поскольку испаряются только молекулы воды, на теплообменниках могут оседать малорастворимые соли. Чтобы избежать ухудшения эффективности теплообмена, гидросистемы испарителей оборудуются устройствами удаления солей или используют внешнюю воду с нормированным содержанием минеральных веществ, автоматически управляя качеством циркулирующей воды. Сервисное обслуживание охладителей испарением очень простое и фактически заключается в очистке водяного резервуара от скапливаемой грязи и очистке фильтров примерно один раз в 2 года.

Монтаж испарительных охладителей не представляет особых трудностей. Нужно лишь обеспечить подвод электропитания и воды, например, гибким трубопроводом, и подсоединить охладитель рукавом к каналу приточной вентиляции.

Комфортный микроклимат – это выгодно!

Изнурительная летняя жара с температурой 32 – 36°C типична для Украины уже в течение десятка лет. Это непосредственно сказывается на производительности труда. Например, в NASA (США) выяснили, что повышение температуры на 1°C свыше 22°C снижает производительность труда работающих на 3,6%, а при температуре 32°C она уменьшается в целом на 36%. Те же исследования NASA доказали, что при 32°C вероятность допущения ошибок работниками в три раза больше, чем при нормальной температуре 20°C. По действующим ныне в Украине правилам охраны труда после одного часа работы в помещении с температурой 32°C и выше нужно устраивать перерыв на 1 час в помещении с нормальной температурой. Кроме того, очищенный от загрязнений, бактерий, грибковых спор и аллергенов увлажненный приточный воздух снизит заболеваемость среди работников, что прямо скажется на прибыльности производства.

Экономичная воздухоподготовка при малых капитальных и эксплуатационных затратах, обеспечиваемая испарительными охладителями, позволяет в летнее время увеличить производительность труда более чем на треть!

По материалам ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers)

Больше важных статей и новостей в Telegram-канале AW-Therm. Подписывайтесь!



Оставьте комментарий

Telegram