Kierunki rozwoju wyparnego chłodzenia powietrza

W konwencjonalnych systemach klimatyzacyjnych do ochładzania powietrza wykorzystuje się wymienniki przeponowe (czynnik chłodniczy oddzielony jest od powietrza przegrodą, najczęściej płynie w rurkach).

Systemy te cechuje duża energochłonność: związane jest to przede wszystkim z napędzaniem sprężarek, transportem czynnika chłodniczego, a także z kosztami uzupełniania freonu w obiegach chłodniczych. Dlatego coraz częściej stosowane są rozwiązania alternatywne, wykorzystujące energię odnawialną, co pozwala ograniczyć koszty eksploatacyjne oraz zmniejszyć zagrożenie ekologiczne, jakie powodują systemy zużywające duże ilości energii elektrycznej. Istotne jest to zwłaszcza w Polsce, gdzie prąd uzyskiwany jest w dużej mierze ze spalania paliw kopalnych.

Najszerzej dostępnym na świecie źródłem energii odnawialnej do celów chłodniczych jest suche powietrze i woda. Własności termodynamiczne powietrza wilgotnego pozwalają na obniżenie jego temperatury podczas nawilżania wodą. Proces ten nazywany jest chłodzeniem wyparnym, można go zaobserwować np. w komorach zraszania central klimatyzacyjnych.

Ochładzanie powietrza za pomocą parowania wody jest procesem wymiany ciepła i masy pomiędzy cieczą a gazem, podczas którego powietrze obniża swoją temperaturę, jednocześnie zwiększając zawartość wilgoci. Przemiana odbywa się przy praktycznie niezmiennej entalpii, ciepło jawne oddawane przez powietrze (czego efektem jest redukcja temperatury) jest kompensowane przez dostarczane przez parującą wodę ciepło utajone.

Wydajność chłodnicza przemiany odniesiona do ciepła całkowitego (będącego sumą ciepła jawnego i utajonego) wynosi 0. Opisany powyżej proces, w którym powietrze po nawilżeniu dostarczane jest do użytkowników, nosi nazwę chłodzenia wyparnego bezpośredniego.

Innym procesem zyskującym coraz większą popularność w ostatnich latach jest ochładzanie pośrednie. W tym wypadku strumień powietrza dostarczany do użytkowników pomieszczeń (nazywany głównym) nie kontaktuje się z wodą bezpośrednio: kontakt następuje poprzez ścianki wymiennika.

Część przepływu głównego (nazywana pomocniczą lub roboczą) zawracana jest do kanałów mokrych, gdzie realizuje ochładzanie wyparne warstwy cieczy. Strumień powietrza kierowany do użytkowników oddaje ciepło do wody przez ściankę rekuperatora, czego efektem jest spadek temperatury przy niezmiennej zawartości wilgoci, co z kolei umożliwia lepszą asymilację pary wodnej powstałej w pomieszczeniach i zwiększenie odczucia komfortu przez ludzi w nich przebywających (wykorzystywana jest nierównowaga termodynamiczna powietrza zewnętrznego).

Ponadto jednostki wykorzystujące ochładzanie wyparne pośrednie osiągają niższe temperatury powietrza nawiewanego, co czyni je dużo atrakcyjniejszymi dla inwestorów na całym świecie.

Zaletami urządzeń wykorzystujących chłodzenie wyparne pośrednie są niskie nakłady inwestycyjne i eksploatacyjne, bezawaryjność oraz prostota rozwiązań. Do głównych wad należy wrażliwość na warunki atmosferyczne (systemy stosunkowo nieefektywne w wilgotnych klimatach) oraz brak osuszania powietrza przed dostarczeniem do pomieszczeń.

Pośrednie ochładzanie wyparne może być realizowane w wymiennikach współprądowych, przeciwprądowych, krzyżowych i regeneracyjnych (rys. 2). Podstawowym kierunkiem rozwoju jest w tym wypadku zwiększenie efektywności procesów wymiany ciepła i masy poprzez:

• stosowanie wielostopniowego chłodzenia powietrza w jednym urządzeniu, aby w pełni wykorzystać nierównowagę termodynamiczną powietrza,
• poszukiwanie najbardziej skutecznych schematów układów przepływu strumieni, żeby otrzymać możliwie najniższą temperaturę powietrza nawiewanego do użytkowników,
• wykorzystanie materiałów higroskopijnych o strukturze porowatej, co pozwala na równomierne nawilżenie powierzchni ścianki przy bardzo małym zużyciu wody,
• optymalizacja procesów wymiany ciepła i masy za pomocą symulacji komputerowych opartych na modelach fizyko-matematycznych, co pozwala maksymalnie zwiększyć sprawność i efektywność pracy układów.

W celu optymalizacji wielostopniowego chłodzenia powietrza oraz uzyskania najkorzystniejszego układu strumieni niezbędna jest analiza pracy urządzeń opartych na „klasycznych” schematach przepływu (współprądowych, przeciwprądowych, regeneracyjnych oraz krzyżowych). Pozwala to wykorzystać zalety różnych systemów i wyeliminować ich niekorzystne cechy poprzez stworzenie układów kombinowanych z przepływem mieszanym [5].

Jednym z najnowocześniejszych i zarazem najbardziej zaawansowanych technicznie urządzeń jest wymiennik oparty na obiegu Maisotsenki (w skrócie M-obiegu, ang. M-cycle), nazwany od nazwiska twórcy, Valerija Maisotsenki [1, 2]. Konstrukcja tego rekuperatora została opatentowana w Rosji i Stanach Zjednoczonych [3]. Obecnie wymiennik sprzedawany jest jako element central wentylacyjnych oraz samodzielna jednostka z wentylatorem do ochładzania pomieszczeń. 

Idea obiegu Maisotsenki opiera się na połączeniu przepływu regeneracyjnego oraz krzyżowego: konstrukcja urządzenia pozwala na wstępne ochłodzenie powietrza pomocniczego przy niezmiennej zawartości wilgoci przed procesem ochładzania wyparnego (rys. 3a, kanał 2).

Strumień pomocniczy płynie kanałem suchym 2, w którym poprzez otwory w ściance dostaje się do kanału mokrego (3) wypełnionego wilgotnym materiałem porowatym, gdzie realizuje ochładzanie wyparne.

Część mokra wymiennika oddzielona jest od suchej warstwą nieprzepuszczającego wody metalu. Dzięki przepływowi w kanale 2 powietrze pomocnicze dostaje się do części mokrej, ochłodzone w coraz większym stopniu, podobnie jak w wymienniku regeneracyjnym. Strumień pomocniczy w kanałach 3 przepływa krzyżowo w stosunku do głównego. 

Przykładem urządzenia wykorzystującego rekuperator z M-obiegiem jest jednostka M-30 (rys. 3b). Wentylator (1) zasysa powietrze zewnętrzne, które przechodzi przez filtr (2), a następnie dostaje się do wymiennika (3). Strumień główny (5) dostarczany jest do pomieszczeń, a pomocniczy (4) usuwany jest na zewnątrz. 

Pomimo popularności tego rozwiązania w USA nad wymiennikiem nie były prowadzone szczegółowe badania teoretyczne pozwalające na zwiększenie efektywności tego urządzenia. Metody eksperymentalne są mniej skuteczne w zagadnieniach optymalizacyjnych z powodu niedokładności przyrządów pomiarowych oraz niewielkich rozmiarów rekuperatora uniemożliwiających poprawny odczyt parametrów termodynamicznych wypełnienia. 

Stworzenie modelu matematycznego opisującego procesy wymiany ciepła i masy w M-obiegu wymaga rozwiązania szeregu problemów związanych z nietypowym schematem przepływu powietrza, zmianami wektora prędkości podczas przejścia strumienia pomocniczego do mokrego kanału, algorytmicznym opisaniem procesu mieszania powietrza w kanale mokrym z powietrzem z kanału suchego oraz wielu innych. 

W celu rozwiązania części z nich oraz uwypuklenia szczegółów, na które należy zwrócić uwagę przy tworzeniu modelu M-obiegu, postanowiono przeprowadzić wstępne badania na modelu matematycznym wymiennika o prostszej konstrukcji. W tym celu autorzy przeprowadzili analizę e-NTU-modelu dla ożebrowanego wymiennika o krzyżowym schemacie przepływu strumieni powietrza [3]. 

Procesy transferu obrazowane są równaniami różniczkowymi bilansu masy i ciepła zestawianego dla poszczególnych strumieni powietrza:

Ponadto model uzupełniony jest o równania opisujące warunek ciągłości przepływu energii na granicy rozdziału faz, uwzględniające różne temperatury powierzchni ścianki t’_p2 i powierzchni żebra t’_rib2 w kanale powietrza pomocniczego oraz różny charakter procesu parowania wody na powierzchni ścianki kanału i powierzchni żebra. 

Aby uzyskać jednoznaczne rozwiązanie układu równań, system uzupełniany jest o warunki określające parametry termodynamiczne strumieni na wejściu do wymiennika:

Po przeprowadzeniu wstępnej analizy wyników symulacji odnotowano fakt występowania dwóch stref aktywnej wymiany ciepła i masy w kanałach wilgotnych (rys. 4b). Na odcinku 1_e-W występuje intensywne schładzanie strumienia połączone ze znacznym przyrostem zawartości wilgoci. 

W obrębie punktu W proces chłodzenia zostaje zahamowany, a na odcinku W-2_o powietrze pomocnicze zaczyna się ogrzewać. Jest to spowodowane faktem, że przez nieprzepuszczającą wody ściankę dostarczany jest do warstwy wody praktycznie niezmienny strumień ciepła jawnego od przepływu głównego, który w sytuacji zmniejszającego się gradientu zawartości wilgoci w mokrym kanale przewyższa efekt chłodzenia uzyskany dzięki odparowaniu. 

Wart odnotowania jest fakt, że proces podgrzewania zaczyna się tuż za połową długości kanału pomocniczego (rys. 4c). To znaczy, że strumień pomocniczy podgrzewa się, zamiast ochładzać na stosunkowo długim odcinku kanału wypełnienia. Powoduje to spadek wydajności chłodniczej urządzenia zgodnie z kierunkiem przepływu strumienia głównego (wzdłuż osi X_– rys. 4d): między początkiem a końcem procesu strumień ciepła oddawanego przez przepływ główny maleje o ok. 60%. 

Obecność dwóch aktywnych stref wymiany ciepła i masy można zaobserwować również na wykresie zmian średnich wartości jednostkowych strumieni ciepła (rys. 4c). Dla strumienia pomocniczego (q_2s) przy 60% długości wymiennika kierunek przepływu ciepła zmienia znak, to znaczy, że kierowany jest od ścianek wypełnienia do powietrza. Zmniejsza się odparowanie cieczy w części pomocniczej (q_2l) – jest to efektem ograniczonych możliwości nawilżania powietrza.

Nasycenie strumienia parą wodną powoduje zmniejszenie się różnicy ciśnień cząstkowych pary wodnej w powietrzu i warstwie granicznej nad powierzchnią cieczy w wypełnieniu. Mała różnica ciśnień skutkuje spadkiem efektywności wymiany masy o ok. 80% pomiędzy początkiem a końcem analizowanego procesu.

Wnioski

Symulacja numeryczna procesów wymiany ciepła i masy w urządzeniach o prostych schematach przepływu powietrza może być podstawą do rozwijania i optymalizacji bardziej skomplikowanych jednostek.

Przy analizie pracy wymiennika wykorzystującego M-obieg należy uwzględnić spadek wydajności chłodniczej zgodnie z przepływem strumienia pomocniczego, czego efektem będzie mniejsze schłodzenie powietrza w kanale 1 (rys. 3a). Istotnym czynnikiem wpływającym na skuteczność chłodzenia wyparnego na podstawie M-obiegu jest stosunek strumieni głównego i zawracanego. 

Tworzenie modelu dla wymiennika z M-obiegiem wymaga sprawdzenia możliwości przyjęcia uproszczeń (np. nieuwzględnienia gradientu temperatur na żebrach czy też zastąpienia w modelu materiału porowatego warstwą wody). Analizę można przeprowadzić na podstawie symulacji pracy wymiennika o prostszej konstrukcji, co pozwoli zmniejszyć rozmiar zagadnienia matematycznego. 

Obecnie prowadzone są dalsze badania nad wymiennikiem wykorzystującym M-obieg mające na celu stworzenie pełnego modelu matematycznego, optymalizację procesów wymiany ciepła i masy, sprawdzenie możliwości ulepszenia urządzenia oraz określenie racjonalnych możliwości użycia jednostki w zależności od warunków klimatycznych ze szczególnym uwzględnieniem Polski. 

Literatura

1. Patenty rosyjskie nr N571669, 979796 i 2046257 oraz amerykańskie nr N4350570, 4842052, 4971245, 4976113, 4977753 i 5453223.
2. Gillan L., Maisotsenko cycle for cooling process, Denver 2008.
3. Materiały firmy Coolerado Inc.
4. Pandelidis D., Polushkin V., Wymienniki do pośredniego ochładzania powietrza za pomocą odparowania cieczy, „Współczesne metody i techniki w badaniach systemów inżynieryjnych”, Wrocław 2011.
5. Anisimov S., Żuchwicki J., Wymiana ciepła i masy w urządzeniach do pośredniego ochładzania powietrza za pomocą parowania wody przy mieszanym schemacie przepływu czynników, mat. konf. „Nowe techniki w klimatyzacji”, Warszawa 2003.