Załóż konto na portalu i bezpłatnie pobierz wydanie Rynku Instalacyjnego 7-8/2018

Nawilżanie adiabatyczne – alternatywny sposób chłodzenia powietrza

The evaporative cooling – an alternative way of cooling air
Są różne sposoby chłodzenia wyparnego ze szczególnym uwzględnieniem procesów uzdatniania powietrza wentylującego, jednak nie wszystkie można zastosować w praktyce.
Są różne sposoby chłodzenia wyparnego ze szczególnym uwzględnieniem procesów uzdatniania powietrza wentylującego, jednak nie wszystkie można zastosować w praktyce.
Rys. redakcja RI

Nawilżanie adiabatyczne wykorzystywane do ochładzania powietrza wentylującego lub bezpośrednio powietrza wewnętrznego może być atrakcyjną alternatywą lub uzupełnieniem uzdatniania powietrza w pomieszczeniach przemysłowych, w których do zapewnienia odpowiednich warunków technologicznych wymagane jest utrzymanie stosunkowo wysokiej zawartości wilgoci w powietrzu lub wilgotności względnej.

Chłodzenie wyparne, czyli chłodzenie poprzez odparowanie wody wykorzystywane jest przez człowieka od dawna. Prawdopodobnie proces ten był znany i stosowany już w starożytnym Egipcie i w czasach Aleksandra Wielkiego [1].

Chłodzenie wyparne jest wykorzystywane również w sposób naturalny do termoregulacji naszych ciał, co jest szczególnie przydatne w upalne dni lata. W wyniku ewolucji człowiek, a także niektóre zwierzęta, nabył zdolność wychładzania swojego ciała dzięki wydzielaniu potu. Woda zawarta w pocie, pobierając energię z powierzchni ciała i z otoczenia, odparowuje, co zapobiega przegrzewaniu się organizmu.

Pierwsze rozwiązania chłodzenia wyparnego w systemach wentylacji mechanicznej pojawiły się na przełomie XIX i XX w., kiedy zaczęto nawilżać powietrze, stosując rozpylanie wody za pośrednictwem dysz oraz w specjalnie zaprojektowanych murowanych komorach.

Pojawienie się chłodnic powietrza zasilanych amoniakiem w latach dwudziestych ubiegłego wieku i dekadę później freonu jako czynnika chłodniczego umożliwiło już nie tylko bardziej skuteczne ochładzanie powietrza, ale także jego osuszanie [2]. Obecnie jednak, z uwagi na stosunkowo nieduże koszty związane z uzdatnianiem powietrza w procesie nawilżania adiabatycznego, wzrasta zainteresowanie chłodzeniem wyparnym.

Przemiany powietrza przy jego bezpośrednim kontakcie z wodą

Rys. 1. Przemiany stanu powietrza przy jego bezpośrednim kontakcie z wodą; oprac. własne na podst. [3, 4, 5]; rys. arch. autorów (P. Kowalski, D. Kwiecień)
Rys. 1. Przemiany stanu powietrza przy jego bezpośrednim kontakcie z wodą; oprac. własne na podst. [3, 4, 5]; rys. arch. autorów (P. Kowalski, D. Kwiecień)

Proces chłodzenia wyparnego jest szczególnym przypadkiem przemiany stanu powietrza przy jego bezpośrednim kontakcie z wodą. Proces taki może występować w tradycyjnych komorach zraszania lub w innych urządzeniach, o których będzie mowa w dalszej części artykułu. Warto jednak w tym miejscu przypomnieć, że podczas bezpośredniego kontaktu powietrza z wodą przemiany powietrza mogą się odbywać w różnych kierunkach, co zostało zobrazowane na wykresie h-x Moliera (rys. 1).

Kierunek przemiany stanu powietrza jest uzależniony od początkowych parametrów powietrza (A) i od początkowej temperatury wody (tw). Stan powietrza opuszczającego komorę zraszania może leżeć wewnątrz lub na brzegach „trójboku” A–B1–B2.

Podstawę „trójboku” stanowi łuk krzywej nasycenia powietrza parą wodną φ = 100%, a jego ramiona wyprowadzone ze stanu początkowego A są styczne do łuku tej krzywej.

Obszar „trójboku” A–B1–B2 można podzielić z kolei na cztery charakterystyczne sektory:

  • I – w którym temperatura początkowa wody tw jest mniejsza od temperatury granicznej tB2 (tw < tB2) i jednocześnie wyższa od temperatury powietrza tA (tw > tA) – w wyniku czego powietrze jest ogrzewane (zwiększa swoją temperaturę) i nawilżane (zwiększa zawartość wilgoci);
  • II – w którym temperatura początkowa wody tw jest wyższa od temperatury powietrza mierzonej termometrem mokrym tAm (tw > tAm) i jednocześnie tw < tA – w wyniku czego powietrze jest ochładzane i nawilżane;
  • III – w którym temperatura początkowa wody tw jest wyższa od temperatury rosy powietrza tAr (tw > tAr) i jednocześnie tw < tAm – w wyniku czego powietrze jest ochładzane i nawilżane, przy czym zmniejsza się również entalpia powietrza;
  • IV – w którym temperatura początkowa wody tw jest niższa od temperatury rosy powietrza tAr (tw < tAr) i jednocześnie wyższa od temperatury granicznej tB1 (tw > tB1) – w wyniku czego powietrze jest oziębiane (zmniejsza się jego temperatura i zawartość wilgoci).

Do uzyskania przemian powietrza w sektorach I i II wymagane jest dostarczenie energii do ogrzania wody powyżej temperatury tAm, a w sektorach III i IV z kolei dostarczenie energii w celu obniżenia temperatury wody poniżej temperatury tAm.

Gdy temperatura wody tw ma w przybliżeniu wartość temperatury powietrza mierzonej termometrem mokrym tAm, zachodzi proces nawilżania adiabatycznego, charakteryzujący się w przybliżeniu niezmienną wartością entalpii właściwej powietrza (hA ≈ const). Jest to zatem proces, w którym wymiana ciepła i masy między powietrzem a wodą odbywa się w warunkach równowagi termodynamicznej. Oznacza to, że bilans ciepła całkowitego takiego procesu można wyrazić wzorem:

Qc = Qj + Qu = 0, czyli: Qj = Qu

gdzie:

Qc – ciepło całkowite procesu przy jego wymianie między wodą a powietrzem, W;
Qj – ciepło jawne procesu przy jego wymianie między wodą a powietrzem, W;
Qu – ciepło utajone procesu przy jego wymianie między wodą a powietrzem, W.

Ponieważ jednak w procesie nawilżania adiabatycznego temperatura wody tw jest niższa od początkowej temperatury powietrza tp = tA (temperatura wody odpowiada w przybliżeniu początkowej temperaturze powietrza mierzonej termometrem mokrym tpm), wartość ciepła jawnego jest mniejsza od zera:

Qj = V · ρ · cp · (tw – tp) < 0

gdzie:

V – strumień objętościowy powietrza, m3/s;
ρ – gęstość powietrza, kg/m3;
cp – ciepło właściwe powietrza, kJ/(kg K).

Natomiast wartość ciepła utajonego jest dodatnia:

Qu = W · r > 0

gdzie:

W – strumień odparowanej wody, kg/s;
r – ciepło parowania wody, kJ/kg.

W wyniku wymiany ciepła i masy między strumieniem powietrza i wodą temperatura powietrza obniża się, a zawartość wilgoci w powietrzu wzrasta.

W procesie nawilżania adiabatycznego konieczne jest wytworzenie odpowiednio dużej powierzchni wymiany ciepła i masy między powietrzem i wodą. Realizuje się to zazwyczaj poprzez rozpylenie wody w strumieniu przepływającego powietrza (np. w komorach zraszania) lub zwilżenie wodą materiałów o rozwiniętej powierzchni (np. w komorach o powierzchniach zraszanych) albo zwilżenie wodą wymienników do odzysku ciepła (np. wymienników płytowych). W tym celu konieczne jest dostarczenie niewielkiej ilości energii elektrycznej (np. do napędu pomp), w wyniku czego uzyskuje się wymagane ciśnienie i przepływ wody.

W niektórych rozwiązaniach, np. w dyszach dwuczynnikowych, do rozpylenia wody konieczne jest jeszcze wytworzenie niezbędnego ciśnienia powietrza zasilającego te dysze. Dzięki wykorzystaniu nawilżania adiabatycznego można zatem w stosunkowo prosty i tani sposób obniżać temperaturę powietrza wykorzystywanego do wentylacji lub klimatyzacji pomieszczeń.

Ograniczenia chłodzenia wyparnego

Rys. 2. Maksymalna możliwość obniżenia temperatury powietrza zewnętrznego przy bezpośrednim nawilżaniu adiabatycznym; oprac. własne na podst. [3, 5]; rys. arch. autorów (P. Kowalski, D. Kwiecień)
Rys. 2. Maksymalna możliwość obniżenia temperatury powietrza zewnętrznego przy bezpośrednim nawilżaniu adiabatycznym; oprac. własne na podst. [3, 5]; rys. arch. autorów (P. Kowalski, D. Kwiecień)

Proces wyparnego chłodzenia powietrza natrafia jednak na istotne bariery. Pierwszym jest tzw. granica chłodzenia, która na wykresie h-x Moliera jest zobrazowana krzywą nasycenia powietrza parą wodną φ = 100% (rys. 2).

Dla konkretnego fizycznego stanu powietrza przed procesem nawilżania adiabatycznego jest to w przybliżeniu wartość temperatury tego powietrza mierzona termometrem mokrym.

Drugą barierą jest z kolei maksymalna dopuszczalna zawartość wilgoci w powietrzu wewnętrznym. Dla pomieszczeń bytowych można ją określić z tzw. krzywej duszności, która leży już poza obszarem komfortu (rys. 2) i nie gwarantuje nawet akceptowalnych jego warunków.

Odpowiednio uzdatnione i dostarczane do pomieszczeń przeznaczonych na pobyt ludzi powietrze musi się charakteryzować takimi parametrami, aby po asymilacji zysków ciepła i wilgoci zobrazowany na wykresie h-x Moliera stan powietrza w pomieszczeniu znajdował się po lewej stronie krzywej duszności.

Możliwość obniżenia temperatury powietrza zewnętrznego w wyniku bezpośredniego nawilżania adiabatycznego powietrza zobrazowano na wykresie h-x Moliera (rys. 2).

Uśrednione parametry powietrza zewnętrznego przedstawia krzywa klimatyczna dla Wrocławia (wg [5]).

Potencjał obniżenia temperatury tego powietrza wyznacza krzywa nasycenia i wartości temperatury powietrza mierzonych termometrem mokrym tzm.

Jak widać, przy wyższych temperaturach powietrza zewnętrznego można uzyskać większy graniczny efekt chłodzenia – istnieje możliwość obniżenia temperatury powietrza nawet o Δtgr = tz – tzm ≈ 10 K.

Rys. 3. Porównanie możliwości obniżenia temperatury powietrza zewnętrznego przy adiabatycznym nawilżaniu bezpośrednim i pośrednim Oprac. własne na podst. [3, 4, 5]; rys. arch. autorów (P. Kowalski, D. Kwiecień)
Rys. 3. Porównanie możliwości obniżenia temperatury powietrza zewnętrznego przy adiabatycznym nawilżaniu bezpośrednim i pośrednim Oprac. własne na podst. [3, 4, 5]; rys. arch. autorów (P. Kowalski, D. Kwiecień)

Żeby jednak parametry powietrza w pomieszczeniu, w którym występuje emisja pary wodnej (szczególnie wówczas, gdy wartość wsp. kierunkowego przemiany stanu powietrza ε < 8000 kJ/kg p.s.), nie znalazły się w zabronionej strefie duszności (na wykresie h-x Moliera jest to obszar nad krzywą nasycenia i po prawej stronie krzywej duszności), temperaturę powietrza po jego adiabatycznym ochłodzeniu można w przybliżeniu obniżyć jedynie do temperatury odczytanej z krzywej duszności td.

A zatem faktyczna możliwość obniżenia temperatury powietrza jest już znacznie mniejsza i dla uśrednionych parametrów powietrza zewnętrznego nie przekracza w zasadzie Δtmax = tz – td ≈ 3 K.

Jedynym rozwiązaniem umożliwiającym większe obniżenie temperatury powietrza jest zastosowanie nawilżania pośredniego. Można to zrealizować, stosując np. nawilżanie adiabatyczne w niedostarczanym do pomieszczenia strumieniu powietrza zewnętrznego (zwanego powietrzem roboczym) oraz dodatkowy wymiennik do odzysku energii, w którym realizowana jest wymiana ciepła jawnego między strumieniem powietrza nawiewanego i wcześniej ochłodzonym strumieniem powietrza roboczego.

W wyniku tego procesu temperatura powietrza nawiewanego maleje przy jednoczesnym braku wzrostu zawartości wilgoci, co w warunkach okresu ciepłego jest na ogół pożądane. Warto jednocześnie zauważyć, że w porównaniu z nawilżaniem bezpośrednim nawilżanie pośrednie umożliwia osiągnięcie niższej temperatury powietrza, chociaż jest to w dużym stopniu uzależnione od początkowych parametrów powietrza i sprawności temperaturowej zastosowanego wymiennika do odzysku energii (por. rys. 3).

Na wykresie h-x Moliera (rys. 3) porównano możliwości obniżenia temperatury powietrza zewnętrznego przy zastosowaniu adiabatycznego nawilżania bezpośredniego i przykładowego rozwiązania nawilżania pośredniego.

Przemiany stanu powietrza na tym wykresie opracowano przy założeniu maksymalnej efektywności procesu nawilżania E = 90% i sprawności temperaturowej wymiennika do odzysku energii ηt = 80%. Nawilżanie pośrednie daje większą możliwość obniżenia temperatury powietrza (Δtpo > Δtbp) dla wyższych temperatur powietrza zewnętrznego, gdyż proces nawilżania bezpośredniego jest w dużej mierze ograniczony krzywą duszności. Różnice te mogą być znaczne, bo dochodzące nawet do 200%.

Przy niższych temperaturach powietrza zewnętrznego sytuacja jest odwrotna (Δtpo < Δtbp), ale różnice nie są już tak znaczne i zależą wyłącznie od sprawności temperaturowej zastosowanego wymiennika do odzysku energii.

Czytaj też: Wpływ algorytmu sterowania instalacją wody chłodzącej na efektywność źródła trójgeneracyjnego >>>

Chcesz być na bieżąco? Czytaj nasz newsletter!
   24.05.2017

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie

 


Zdradzamy sposób na projektowanie instalacji najwyższej jakości »

projektowanie

 



Z jakiego powodu tworzywa sztuczne zdominowały rynek wod-kan » Jak bez problemowo przeprowadzić iniekcję mikropali, kotew i gwoździ gruntowych »
bezpieczeństwo instalatora pomoc w projektowaniu
czytam więcej » poznaj go dziś »

 


Czy można dobrze odseparować wodę kanalizacyjną od gruntowej »

innowacyjne projektowanie

 



Poznaj bezpieczne systemy do dezynfekcji wody pitnej i basenowej » Jak zabezpieczyć wentylatory dachowe »
czysta woda wentylator dachowy
wiem więcej » spróbuj już dziś »

 


Przedłuż certyfikat HVAC bez wychodzenia z firmy »

szkolenia hvac

 



Czy łatwo zainstalować podwieszaną toaletę » Z jakego powodu ta pompa wyprzedza przyszłość »
podwieszana toaleta pompy ciepła
wiem więcej » wiem więcej »

 


Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »

Co Szperacz wyszperał ;-)

źle wykonana instalacja

Sztywniactwo i niechlujstwo - zobacz i skomentuj »

Dla tych, którzy szukają bardziej elektryzujących wrażeń Szperacz ma dziś coś specjalnego - rozdzielnia w toalecie.

zaślepka


TV Rynek Instalacyjny


 tv rynek instalacyjny
9/2019

Aktualny numer:

Rynek Instalacyjny 9/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Dofinansowanie ogrzewania i fotowoltaiki
  • - Eksploatacja gruntowych pomp ciepła
Zobacz szczegóły
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright © 2011 - 2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl