Nawilżanie adiabatyczne – alternatywny sposób chłodzenia powietrza

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

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 (t_w). 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 t_w jest mniejsza od temperatury granicznej t_B2 (t_w < t_B2) i jednocześnie wyższa od temperatury powietrza t_A (t_w > t_A) – w wyniku czego powietrze jest ogrzewane (zwiększa swoją temperaturę) i nawilżane (zwiększa zawartość wilgoci);
• II – w którym temperatura początkowa wody t_w jest wyższa od temperatury powietrza mierzonej termometrem mokrym t_Am (t_w > t_Am) i jednocześnie t_w < t_A – w wyniku czego powietrze jest ochładzane i nawilżane;
• III – w którym temperatura początkowa wody t_w jest wyższa od temperatury rosy powietrza t_Ar (t_w > t_Ar) i jednocześnie t_w < t_Am – w wyniku czego powietrze jest ochładzane i nawilżane, przy czym zmniejsza się również entalpia powietrza;
• IV – w którym temperatura początkowa wody t_w jest niższa od temperatury rosy powietrza t_Ar (t_w < t_Ar) i jednocześnie wyższa od temperatury granicznej t_B1 (t_w > t_B1) – 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 t_Am, a w sektorach III i IV z kolei dostarczenie energii w celu obniżenia temperatury wody poniżej temperatury t_Am.

Gdy temperatura wody t_w ma w przybliżeniu wartość temperatury powietrza mierzonej termometrem mokrym t_Am, zachodzi proces nawilżania adiabatycznego, charakteryzujący się w przybliżeniu niezmienną wartością entalpii właściwej powietrza (h_A ≈ 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:
Q_c – ciepło całkowite procesu przy jego wymianie między wodą a powietrzem, W;
Q_j – ciepło jawne procesu przy jego wymianie między wodą a powietrzem, W;
Q_u – ciepło utajone procesu przy jego wymianie między wodą a powietrzem, W.

Ponieważ jednak w procesie nawilżania adiabatycznego temperatura wody t_w jest niższa od początkowej temperatury powietrza t_p = t_A (temperatura wody odpowiada w przybliżeniu początkowej temperaturze powietrza mierzonej termometrem mokrym t_pm), 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;
c_p – 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

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 t_zm.

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

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 t_d.

A zatem faktyczna możliwość obniżenia temperatury powietrza jest już znacznie mniejsza i dla uśrednionych parametrów powietrza zewnętrznego nie przekracza w zasadzie Δt_max = t_z – t_d ≈ 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 η_t = 80%. Nawilżanie pośrednie daje większą możliwość obniżenia temperatury powietrza (Δt_po > Δt_bp) 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 (Δt_po < Δt_bp), ale różnice nie są już tak znaczne i zależą wyłącznie od sprawności temperaturowej zastosowanego wymiennika do odzysku energii.

Chłodzenie wyparne – podział

Chłodzenie wyparne można podzielić na:

• bezpośrednie – w wyniku ochładzania powietrza przez jego bezpośredni kontakt z wodą (przy czym zawartość wilgoci w powietrzu wzrasta),
• pośrednie – w wyniku ochładzania powietrza procesowego (nawiewanego) w wymienniku przeponowym od strumienia powietrza nawilżanego (roboczego) w nawilżaczu adiabatycznym (przy czym zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym nie zmienia się, o ile nie zastosuje się dodatkowego urządzenia ziębniczego),
• mieszane (kombinowane) – jest połączeniem systemu bezpośredniego i pośredniego (przy czym zawartość wilgoci w powietrzu oziębianym jest zmienna i w bardziej zaawansowanych rozwiązaniach może się również zmniejszać, co oznacza, że w niektórych rozwiązaniach istnieje możliwość osuszania powietrza nawiewanego).

Proces chłodzenia wyparnego może być realizowany w różnych nawilżaczach, do których należą:

• obiegowe komory zraszania z dyszami jednoczynnikowymi do rozpylania wody,
• komory z wypełnieniem (złożem) zraszanym,
• higieniczne nawilżacze wysoko- lub niskociśnieniowe z dyszami jedno- lub dwuczynnikowymi (powietrzno-wodnymi),
• rozpylacze mechaniczne (np. obrotowe),
• rozpylacze ultradźwiękowe,
• nawilżacze mobilne,
• inne (m.in. różne rozwiązania chłodnic adiabatycznych, w których wymiennik ciepła jest zraszany wodą).

W obiegowych komorach zraszania oraz w komorach z wypełnieniem zraszanym wykorzystuje się zazwyczaj wodę wodociągową, która po rozpyleniu nie odparowuje w całości do powietrza. W efekcie ta jej część, która nie odparowała, jest zawracana do wanny ociekowej i zostaje ponownie użyta w procesie nawilżania. W wyniku tego istnieje duże ryzyko rozwoju mikroorganizmów wewnątrz tych nawilżaczy.

Pomimo stosunkowo niskich cen tych urządzeń trudności z utrzymaniem właściwych warunków higienicznych i ograniczona możliwość regulacji powodują, że zakres zastosowań tych rozwiązań w praktyce jest ograniczony, co wiąże się z ich mniejszą popularnością.

Rozwiązaniami znacznie bardziej higienicznymi są nawilżacze wysoko- lub niskociśnieniowe, gdyż uzyskuje się w nich bardzo drobne rozpylenie wody w postaci mgiełki, które gwarantuje praktycznie całkowite jej odparowanie do powietrza (rys. 4).

W wielu nawilżaczach tego typu zagwarantowano ponadto całkowite odprowadzanie wody z wanien odpływowych lub zrezygnowano nawet z ich stosowania. W zależności od rozwiązania i zastosowanego rodzaju dysz, konieczne jest wytworzenie odpowiednio wysokiego ciśnienia wody, zwykle w zakresie od 0,4 do ok. 7,5 MPa. Nawilżacze te cechuje ponadto niskie zużycie energii elektrycznej (w niektórych rozwiązaniach, np. [15, 16], ok. 4 W na każdy litr zużytej wody) oraz płynna regulacja stopnia nawilżania.

W systemach wysokociśnieniowych wymagana jest z reguły woda odpowiednio uzdatniona (zdemineralizowana lub zmiękczona), natomiast w systemach niskociśnieniowych można wykorzystywać wodę wodociągową po uprzednim oczyszczeniu jej na filtrze. Zarówno nisko- jak i wysokociśnieniowe nawilżacze mogą być stosowane w instalacjach wentylacyjnych (w centralach lub kanałach wentylacyjnych) jak i bezpośrednio w pomieszczeniach (rys. 5 i rys. 6).

Do atomizacji wody w powietrzu stosuje się również dysze dwuczynnikowe (rys. 6). Są to rozwiązania, w których oprócz wody doprowadza się również sprężone powietrze, wytwarzające w sekcji wodnej podciśnienie, co pozwala na uzyskanie odpowiedniej wydajności nawilżania. Możliwe jest również sterowanie procesem nawilżania oraz eliminacja zjawiska wycieku wody z dysz.

W instalacjach mobilnych stosuje się nawilżacze mechaniczne, np. obrotowe, w których efekt rozpylania wody uzyskuje się dzięki wirującej tarczy, lub nawilżacze ultradźwiękowe, w których drgająca z wysoką częstotliwością membrana powoduje tworzenie się mgiełki wodnej. Z reguły urządzenia te mają mniejszą wydajność i stosowane są w niewielkich pomieszczeniach.

Wyparne chłodzenie bezpośrednie

Bezpośrednie chłodzenie wyparne należy do stosunkowo prostych rozwiązań stosowanych w technice obniżania temperatury powietrza w pomieszczeniach i można je podzielić na dwie grupy:

• bezpośrednie chłodzenie wyparne powietrza wentylującego, w którym nawilżaniu adiabatycznemu poddawany jest strumień powietrza nawiewanego do pomieszczeń,
• bezpośrednie chłodzenie wyparne powietrza wewnętrznego, w którym nawilżaniu adiabatycznemu poddawane jest bezpośrednio powietrze w pomieszczeniu.

Na rys. 7 przedstawiono ogólny schemat urządzenia wentylacyjnego z bezpośrednim chłodzeniem wyparnym wyposażonym w nawilżacz adiabatyczny oraz przykładowe przemiany stanu powietrza dla okresu zimnego i ciepłego zobrazowane na wykresie h-x Moliera.

W przypadku całorocznej pracy urządzenia wentylacyjnego w naszej strefie klimatycznej niezbędne jest wyposażenie go dodatkowo w nagrzewnicę oraz z reguły w wymiennik do odzysku energii z powietrza wywiewanego.

Rozwiązanie to uniemożliwia w zasadzie pełne normowanie parametrów powietrza wewnętrznego w okresie ciepłym w zalecanym dla pomieszczeń bytowych zakresie. Dla przykładowej temperatury powietrza zewnętrznego t_1oc = 28°C zawartość wilgoci w powietrzu wewnętrznym jest nieakceptowalna, pomimo osiągnięcia górnej wartości zalecanej temperatury powietrza w pomieszczeniu t_6oc = 26°C. Urządzenie wentylacyjne z nawilżaniem bezpośrednim może zatem być stosowane tylko w niektórych pomieszczeniach, głównie technologicznych, w których wymagane jest utrzymanie wyższej wilgotności względnej powietrza (np. φ = 70%). W okresie zimnym natomiast urządzenie takie pracuje jak konwencjonalny system klimatyzacyjny, umożliwiając utrzymanie w pomieszczeniu żądanego poziomu parametrów powietrza.

Innym rozwiązaniem jest zastosowanie nawilżania powietrza bezpośrednio w samym pomieszczeniu. Schemat takiego urządzenia wraz z przemianami stanu powietrza na wykresie h-x Moliera przedstawiono na rys. 8. Rozwiązanie takie ma podobne do poprzedniego ograniczenia w stosowaniu, z tym że do pomieszczenia dostarczane jest powietrze charakteryzujące się znacznie mniejszą zawartością wilgoci. Procesy przemiany stanu powietrza w pomieszczeniu (4_oc–5_oc i 4_oz–5_oz), narysowane linią falistą, ujmują zarówno asymilację ciepła i wilgoci przez powietrze nawiewane, jak i nawilżanie adiabatyczne powietrza w pomieszczeniu.

Wyparne chłodzenie pośrednie

W pośrednim chłodzeniu wyparnym wykorzystuje się zazwyczaj różne rozwiązania wymienników do odzysku energii. Do najczęściej wymienianych w literaturze rozwiązań należą:

• system pośredni z obrotowym wymiennikiem do odzysku energii i nawilżaniem powietrza wywiewanego z pomieszczenia klimatyzowanego
• system pośredni z płytowym wymiennikiem do odzysku energii, zraszanym po stronie powietrza wywiewanego,
• system z pośrednią chłodnicą wyparną, w którym zraszana jest część powietrza zewnętrznego (roboczego), zawracanego do wymiennika płytowego po wcześniejszym w nim ochłodzeniu,
• system z pośrednią chłodnicą wyparną i pompą ciepła z parownikiem umieszczonym w kanale powietrza nawiewanego oraz skraplaczem w kanale powietrza zewnętrznego (roboczego).
•  

Na rys. 9 przedstawiono przykładowy schemat urządzenia wentylacyjnego z pośrednim chłodzeniem wyparnym wyposażonym w nawilżacz adiabatyczny w kanale powietrza wywiewanego oraz przykładowe przemiany stanu powietrza dla okresu zimnego i ciepłego zobrazowane na wykresie h-x Moliera. Podobnie jak w poprzednich rozwiązaniach zastosowano również wymiennik do odzysku energii z powietrza wywiewanego i nagrzewnicę powietrza nawiewanego.

Z uwagi na zastosowanie odzysku energii z powietrza wywiewanego, stan powietrza nawiewanego w okresie ciepłym (2_oc) charakteryzuje się niższą zawartością wilgoci niż w rozwiązaniu bezpośrednim przedstawionym na rys. 7. Dzięki temu stan powietrza w pomieszczeniu (3_oc) leży znacznie bliżej obszaru zalecanych parametrów powietrza wewnętrznego.

Poza tym wykluczony jest lub znacznie ograniczony (w zależności od rodzaju zastosowanego wymiennika do odzysku energii) kontakt powietrza nawiewanego z rozpylaną wodą, co jest bardzo korzystne pod względem zapewnienia odpowiednich warunków higienicznych. Niestety w okresie zimnym, z uwagi na brak nawilżacza powietrza nawiewanego, nie ma możliwości uzyskania odpowiedniej zawartości wilgoci w powietrzu wewnętrznym.

Wyparne chłodzenie mieszane

Mieszane systemy chłodzenia wyparnego (pośrednio-bezpośrednie) charakteryzują się bardziej skomplikowaną budową. Do najbardziej znanych rozwiązań można zaliczyć:

• system z dwoma nawilżaczami adiabatycznymi (w kanale powietrza nawiewanego i wywiewanego) oraz wymiennikiem do odzysku energii (najczęściej wymiennikiem obrotowym lub wysokosprawnym wymiennikiem płytowym),
• system DEC (od ang. dessicative-evaporative-cooling), który w porównaniu z poprzednim rozwiązaniem jest wyposażony dodatkowo w osuszacz sorpcyjny, współpracujący najczęściej z baterią kolektorów słonecznych lub z innym źródłem ciepła, dzięki czemu można uzyskać powietrze nawiewane charakteryzujące się nawet mniejszą zawartością wilgoci aniżeli powietrze zewnętrzne.

Przedstawiony na rys. 10 przykład rozwiązania systemu mieszanego chłodzenia wyparnego jest połączeniem bezpośredniego i pośredniego chłodzenia wyparnego. Dzięki temu istnieje możliwość normowania założonych parametrów powietrza w pomieszczeniu w szerszym zakresie niż w do tej pory omawianych rozwiązaniach. W zależności od warunków panujących w okresie ciepłym wykorzystuje się działanie nawilżania adiabatycznego w kanale powietrza nawiewanego, co wraz z odzyskiem energii z powietrza wywiewanego może umożliwić uzyskanie stosunkowo niskiej temperatury powietrza w pomieszczeniu przy akceptowalnej zawartości wilgoci (punkt 6_oc na rys. 10). Również w okresie zimnym założony stan powietrza w pomieszczeniu może zostać osiągnięty.

System ten jest droższy od poprzednio omawianych z uwagi na wyższe koszty zakupu całego urządzenia, a także nieco większe koszty uzdatniania i transportu powietrza oraz dodatkowe koszty serwisowe.

Współczesne trendy wykorzystania chłodzenia wyparnego

Obecnie istnieją już nie tylko projekty koncepcyjne, ale także gotowe urządzenia, w których procesy nawilżania adiabatycznego pozwalają w bardziej efektywny i zarazem higieniczny sposób obniżać temperaturę powietrza wentylującego.

Interesującymi rozwiązaniami są chłodnice wyparne, które umożliwiają ochłodzenie powietrza nawet poniżej temperatury termometru mokrego (rys. 11). Przykładami takich wymienników są tzw. ultracoolery [12], które wykorzystywane są w systemach semi pośrednio-bezpośrednich i w systemach wykorzystujących tzw. obieg Maisotsenki.

W adiabatycznym systemie semi pośrednio-bezpośrednim część strumienia roboczego (ochładzanego w sposób pośredni) jest kierowana do kanału „mokrego”, gdzie już jako powietrze procesowe odbiera ciepło parowania wody i następnie usuwane jest na zewnątrz. Pozostała część schłodzonego powietrza roboczego kierowana jest do pomieszczenia. Dzięki wykorzystaniu w procesie nawilżania powietrza już wcześniej schłodzonego istnieje możliwość uzyskania niższej niż w konwencjonalnych systemach pośrednich i bezpośrednich temperatury powietrza nawiewanego.

Przykładem rozwiązania, które bazuje na takiej zasadzie działania jest wymiennik ciepła Oxycell wykorzystywany w urządzeniu wentylacyjnym Klimanaut [12, 18] oraz modułowy wymiennik przeciwprądowy Ka₂O [13].

System pośredniego chłodzenia wyparnego oparty na obiegu Maisotsenki (M-obieg) jest wykorzystywany np. w urządzeniach Coolerado [19]. Głównym powodem zainteresowania tym rozwiązaniem w ostatnich latach jest wysoka efektywność ochładzania powietrza.

Podobnie jak w poprzednim rozwiązaniu strumień powietrza roboczego jest dzielony na dwie części:

• pierwszy strumień przepływa przez kanał „suchy”, w którym jest ochładzany i dostarczany następnie do pomieszczenia wentylowanego.
• druga część powietrza roboczego, przepływając przez pomocniczy kanał „suchy”, przedostaje się do kanału „mokrego” przez pory w ściance oddzielającej kanał „suchy” i „mokry”. Ścianki te są wykonane w taki sposób, żeby woda zwilżająca kanał „mokry” nie przedostawała się do kanału „suchego”.
  W kanale „mokrym” powietrze procesowe odbiera ciepło na drodze odparowania wody. Dla zwiększenia efektu chłodzenia strumień procesowy w kanale „mokrym” przepływa prostopadle do strumienia roboczego w kanale „suchym”.

Obydwa wymienione powyżej rozwiązania charakteryzują się możliwością uzyskania stosunkowo niskiej temperatury powietrza, wysokimi efektywnościami procesu ochładzania i zminimalizowaniem ryzyka rozwoju drobnoustrojów w powietrzu nawiewanym. Do ich pracy konieczne jest jednak dostarczenie strumienia powietrza roboczego. Nie mają również możliwości asymilacji wilgoci w pomieszczeniach, w których występuje emisja pary wodnej.

Jednym z rozwiązań, które umożliwia również osuszanie powietrza dostarczanego do pomieszczeń, jest system DEC, który może ponadto wykorzystywać odnawialną energię promieniowania słonecznego do uzdatniania powietrza. System ten, możliwy do zastosowania w różnych konfiguracjach, został szczegółowo omówiony m.in. w publikacjach [6, 7, 9].

Wnioski

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 (x > 12 g/kg p.s.) lub wilgotności względnej (φ ≥ 70%). Do takich obiektów można zaliczyć m.in. niektóre pomieszczenia w zakładach lniarskich, bawełniarskich i jedwabniczych, zgrzeblarnie włókna sztucznego czy pomieszczenia przemysłu tytoniowego [1, 4].

W klimatyzacji komfortu chłodzenie wyparne może być wykorzystywane tylko częściowo, gdyż w okresie ciepłym nie gwarantuje utrzymania zadanych parametrów powietrza wewnętrznego. Interesującą propozycją zastosowania systemów nawilżania wyparnego w klimatyzacji komfortu wydaje się przygotowanie powietrza pierwotnego w systemach z rozdzielonym uzdatnianiem powietrza.

Systemy pośredniego chłodzenia wyparnego mają przewagę nad systemami bezpośrednimi pod względem zagwarantowania odpowiednich warunków higienicznych w pomieszczeniach, szczególnie wówczas, gdy do uzdatniania powietrza stosowane są konwencjonalne obiegowe komory zraszania. W rozwiązaniach tych bowiem powietrze nawiewane do pomieszczeń nie ma bezpośredniego kontaktu z wodą.

Nowoczesne systemy mieszanego chłodzenia wyparnego pozwalają w sposób bardziej pełny kształtować mikroklimat wnętrz, szczególnie te, które wyposażone są ponadto w urządzenia do osuszania powietrza [6, 7, 9].

O możliwości zastosowania systemu chło­dzenia wyparnego w danym obiekcie powinny decydować: wysokość kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych z jednej strony, z drugiej zaś możliwość utrzymania zadanych parametrów powietrza w każdych warunkach pogodowych oraz bezpieczeństwo mikrobiologiczne.

W kolejnym artykule przedstawione zostaną wyniki symulacji pracy różnych systemów nawilżania adiabatycznego w wybranych obiektach.

Literatura

1. Bednarski J., Pośrednie chłodzenie wyparne w klimatyzacji, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1999.
2. Recknagel H., Sprenger E., Hönmann W., Schramek E.R., Poradnik. Ogrzewanie + Klimatyzacja, EWFE 1994.
3. Ferencowicz J., Wentylacja i klimatyzacja, Arkady 1962.
4. Ferencowicz J., Przydróżny S., Klimatyzacja, PWr, Wrocław 1988.
5. Pełech A., Wentylacja i Klimatyzacja. Podstawy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2011.
6. Besler M., Kowalski P., Kwiecień D., Schwitalla A., Warianty solarnych systemów klimatyzacyjnych, „Chłodnictwo i Klimatyzacja” nr 6/2008.
7. Kowalski P., Kwiecień D., Wykorzystanie kolektorów słonecznych w instalacjach klimatyzacyjnych, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2008.
8. Sikończyk I., Chłodzenie adiabatyczne w układach klimatyzacji komfortu, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2013.
9. Kwiecień D., Wpływ klimatu polskiego na pracę i projektowanie słonecznego systemu klimatyzacyjnego SDEC, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2013.
10. Górka A., Górzeński R., Bezpośrednie chłodzenie wyparne budynków, „Rynek Instalacyjny” nr 7/2014.
11. Pomianowski M., Andersen Ch.H., Heiselberg P., Technical potential of evaporative cooling in Danish and European condition, „Energy Procedia” 78 (2015).
12. Danielak M., Alternatywne systemy chłodzenia i klimatyzacji, Grupa Medium, Warszawa 2014.
13. Danielak M., Analiza ekonomiczna chłodzenia wyparnego, „Chłodnictwo & Klimatyzacja” nr 12/2015.
14. www.condair.pl.
15. www.klingenburg.pl.
16. www.sternal.com.pl.
17. www.coltinfo.pl.
18. www.kampmann.pl.
19. www.coolerado.com.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!