Как работают кондиционеры на воде. Испарительное охлаждение воздуха

История создания кондиционера прямого испарительного охлаждения. Отличия прямого и косвенного охлаждения. Варианты применения кондиционеров испарительного типа

Охлаждение и увлажнение воздуха посредством испарительного охлаждения - это абсолютно естественный процесс, в котором вода используется как охлаждающая среда, а тепло эффективно рассеивается в атмосфере. Используются простые закономерности - при испарении жидкости происходит поглащение тепла или выделение холода. Эффективность испарения - увеличивается при увеличении скорости воздуха, что обеспечивает принудительная циркуляция вентилятора.

Температура сухого воздуха может быть существенно снижена с помощью фазового перехода жидкой воды в пар, и этот процесс требует значительно меньше энергии, чем компрессионное охлаждение. В очень сухом климате испарительное охлаждение имеет также то преимущество, что при кондиционировании воздуха увеличивает его влажность, и это создаёт больше комфорта для людей, находящихся в помещении. Однако, в отличие от парокомпрессионного охлаждения, оно требует постоянного источника воды, и в процессе эксплуатации постоянно её потребляет.

История развития
 

На протяжении веков цивилизации находили оригинальные методы борьбы со зноем на своих территориях. Ранняя форма охлаждающей системы, «ловец ветра», была изобретена много тысяч лет назад в Персии (Иран). Это была система ветряных валов на крыше, которые улавливали ветер, пропускали его через воду, и задували охлаждённый воздух во внутренние помещения. Примечательно, что многие из этих зданий также имели дворы с большими запасами воды, поэтому, если не было ветра, то в результате естественного процесса испарения воды горячий воздух, поднимаясь вверх, испарял воду во дворе, после чего уже охлажденный воздух проходил через здание. В наши дни Иран заменил ловцов ветра на испарительные охладители и широко их использует, а рынок за счет сухого климата - достигает оборота за год в 150.000 испарителей.

В США испарительный охладитель в двадцатом веке был объектом многочисленных патентов. Многие из которых, начиная с 1906г., предлагали использовать древесную стружку, как прокладку переносящую большое количество воды при контакте с движущимся воздухом, и поддерживающую интенсивное испарение. Стандартная конструкция, как показано в патенте 1945г., включает водяной резервуар (обычно оснащённый поплавковым клапаном для регулировки уровня), насос для циркуляции воды через прокладки из древесных стружек, и вентилятор для подачи воздуха через прокладки в жилые помещения. Эта конструкция и материалы остаются основными, в технологии испарительных охладителей, на юго-западе США. В этом регионе они дополнительно используются для увеличения влажности.

Испарительное охлаждение было распространено в авиационных двигателях 1930-х годов, например, в двигателе для дирижабля Beardmore Tornado. Эта система была использована для уменьшения или полного исключения радиатора, который в ином случае мог бы создать существенное аэродинамическое сопротивление. В этих системах вода в двигателе поддерживалась под давлением с помощью насосов, позволявших ей нагреваться до температуры более 100°C, поскольку фактическая точка кипения зависит от давления. Перегретая вода распылялась через сопло на открытую трубу, где мгновенно испарялась, принимая её тепло. Эти трубы могли быть расположены под поверхностью самолёта для создания нулевого сопротивления. 

Внешние приборы испарительного охлаждения устанавливались на некоторые автомобили для охлаждения салона. Зачастую они продавались как дополнительные аксессуары. Использование приборов испарительного охлаждения в автомобилях продолжалось до тех пор, пока не приобрело широкое распространение парокомпрессионное кондиционирование воздуха.

Принцип испарительного охлаждения отличается от того, на котором работают аппараты парокомпрессионного охлаждения, хотя они также требуют испарения (испарение является частью системы). В парокомпрессионном цикле, после испарения хладагента внутри испарительного змеевика, охлаждающий газ сжимается и охлаждается, под давлением конденсируясь в жидкое состояние. В отличие от этого цикла, в испарительном охладителе вода испаряется только один раз. Испарённая вода в охладительном приборе выводится в пространство с охлажденным воздухом. В градирне испарившаяся вода уносится потоком воздуха.

Варианты применения испарительного охлаждения 

Различают испарительное охлаждение воздуха прямое, косое, и двухступенчатое (прямое и косвенное). Прямое испарительное охлаждение воздуха основано на изоэнтальпийном процессе и используется в кондиционерах в холодное время года; в теплое время оно возможно лишь при отсутствии или незначительных влаговыделениях в помещении и низком влагосодержании наружного воздуха. Несколько расширяет границы его применения байпасирование камеры орошения.

Прямое испарительное охлаждение воздуха целесообразно в условиях сухого и жаркого климата в приточной системе вентиляции. 

Косвенное испарительное охлаждение воздуха осуществляется в поверхностных воздухоохладителях. Для охлаждения воды, циркулирующей в поверхностном теплообменнике, используют вспомогательный контактный аппарат (градирню). Для косвенного испарительного охлаждения воздуха можно использовать аппараты совмещенного типа, в которых теплообменник выполняет одновременно обе функции — нагрев и охлаждение. Такие аппараты аналогичны воздушным рекуперативным теплообменникам.

По одной группе каналов проходит охлаждаемый воздух, внутренняя поверхность второй группы орошается водой, стекающей в поддон, а затем вновь разбрызгиваемой. При контакте с проходящим во второй группе каналов выбросным воздухом происходит испарительное охлаждение воды, в результате чего воздух в первой группе каналов охлаждается. Косвенное испарительное охлаждение воздуха позволяет снизить производительность системы кондиционирования воэдуха по сравнению с ее производительностью при прямом испарительном охлаждении воздуха и расширяет возможности использования этого принципа, т.к. влагосодержание приточного воздуха во втором случае меньше.

При двухступенчатом испарительном охлаждении воздуха используют последовательное косвенное и прямое испарительное охлаждение воздуха в кондиционере. При этом установку для косвенного испарительного охлаждения воздуха дополняют оросительной форсуночной камерой, работающей в режиме прямого испарительного охлаждения. Типовые оросительные форсуночные камеры используют в системах испарительного охлаждения воздуха как градирни. Помимо одноступенчатого косвенного испарительного охлаждение воздуха возможно многоступенчатое, в котором осуществляется более глубокое охлаждение воздуха, — это так называемая бескомпрессорная система кондиционирования воэдуха.

Прямое испарительное охлаждение (открытый цикл) используется для снижения температуры воздуха с помощью удельной теплоты испарения, изменяя жидкое состояние воды на газообразное. В этом процессе энергия в воздухе не меняется. Сухой, тёплый воздух заменяется на прохладный и влажный. Тепло внешнего воздуха используется для испарения воды.

Непрямое испарительное охлаждение (закрытый цикл) процесс похожий на прямое испарительное охлаждение, но использующий определённый тип теплообменника. В этом случае влажный, охлаждённый воздух не контактирует с кондиционируемой средой.

Двухстадийное испарительное охлаждение, или непрямое/прямое. 

Традиционные испарительные охладители используют только часть энергии необходимой аппаратам парокомпрессионного охлаждения или системам адсорбционного кондиционирования. К сожалению, они повышают влажность воздуха до дискомфортного уровня (за исключением очень сухих климатических зон). Двухстадийные испарительные охладители не повышают уровень влажности настолько, насколько это делают стандартные одноступенчатые испарительные охладители.

На первой стадии двухстадийного охладителя, тёплый воздух охлаждается непрямым путём без увеличения влажности (с помощью прохождения через теплообменник, охлаждаемый испарением снаружи). В прямой стадии предварительно охлаждённый воздух проходит через пропитанную водой прокладку, дополнительно охлаждается и становится более влажным. Поскольку в процесс включена первая, предохлаждающая стадия, на стадии прямого испарения необходимо меньше влажности для достижения требуемых температур. В результате, по словам производителей, процесс охлаждает воздух с относительной влажностью в пределах 50 — 70 %, в зависимости от климата. Для сравнения традиционные системы охлаждения повышают влажность воздуха до 70 — 80 %. 

Назначение

При проектировании центральной приточной системы вентиляции возможно оснастить воздухозабор испарительной секцией и так существенно снизить затраты на охлаждение воздуха в теплый период года.

В холодный и переходной периоды года, при нагреве воздуха приточными калориферами систем вентиляции или воздуха внутри помещения системами отопления - воздух нагревается и растет его физическая возможность ассимилировать (впитать) в себя, при увеличении температуры - влагу. Или, чем выше температура воздуха - тем больше влаги он может в себя ассимилировать. Например, при нагреве наружного воздуха калорифером системой вентиляции с температуры -220С и влажности 86% (параметр наружного воздуха для ХП г.Киева), до +200С - влажность падает ниже граничных пределов для биологических организмов до недопустимых 5-8% влажности воздуха. Низкая влажность воздуха - негативно влияет на кожу и слизистые оболочки человека, особенно больных астмой или легочными заболеваниями. Нормированная для жилых и административных помещений влажность воздуха: от 30 до 60%. 

Испарительное охлаждение воздуха сопровождается выделением влаги или увеличения влажности воздуха, до высокого насыщения влажности воздуха 60-70%.

Преимущества

Объем испарения – и, соответственно, теплоперенос – зависит от температуры наружного воздуха по мокрому термометру которая, особенно летом, намного ниже, чем эквивалентная температура по сухому термометру. Например, в жаркие летние дни, когда температура по сухому термометру превышает 40°C, испарительное охлаждение может охладить воду до 25°C или охлаждать воздух.
Поскольку испарение удаляет намного больше тепла, чем стандартный физический теплоперенос, для теплопереноса используется в четыре раза меньший расход воздуха по сравнению с обычными методами охлаждения воздуха, что сохраняет значительное количество энергии.

Испарительное охлаждение в сравнении с традиционными способами кондиционирования воздухаВ отличие от других видов кондиционирования воздуха охлаждение воздуха испарительного типа (био-охлаждение) не использует в качестве хладагентов вредные газы (фреон и другие), которые наносят вред окружающей среде. Оно также потребляет меньше электричества, экономя таким образом электроэнергию, природные ресурсы и до 80 % эксплутационных затрат по сравнению с кондиционированием воздуха другими системами.

Недостатки

Низкая эффективность работы во влажном климате. 
Повышение влажности воздуха, что в некоторых случаях нежелательно - выход двухстадийное испарение, где воздух не контактирует и не насыщается влагой.

Принцип работы (вариант 1)

Процесс охлаждения осуществляется за счет тесного контакта вода и воздуха, и переноса тепла в воздух путем испарения небольшого количества воды. Далее тепло рассеивается через выходящий из установки теплый и насыщенный влагой воздух.

Принцип работы (вариант 2) - установка на воздухозаборе

Существуют различные типы установок для испарительного охлаждения, но все они имеют:
- секцию теплообмена или теплопереноса, постоянно смачиваемую водой методом орошения,
- систему вентиляторов для принудительной циркуляции наружного воздуха через секцию теплообмена,
- другие вспомогательные компоненты, такие как поддон для сбора воды, каплеуловители и органы управления.

 Пример варианта применения для охлаждения шкафов серверной