Get Adobe Flash player

ВОДОИСПАРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ. ЧАСТЬ 1

Вода (Н2О) одно из самых распространенных химических соединений на планете Земля. Она обладает высокими теплоемкостью (4,187кДж/кг*гр), удельной теплотой плавления (334кДж/кг) и удельной теплотой парообразования (2250кДж/кг). При этом вода обладает рядом свойств, ограничивающих её применение при атмосферном давлении: замерзает при температуре ниже 0℃, превращается в пар при 100℃, в природе содержит растворенные вещества – соли и газы, обладает относительно высокой вязкостью и коррозионной способностью…

Понимание свойств Н2О, а также условий при которых эти свойства можно рационально использовать, позволяет создавать удивительные тепло-массообменные аппараты с использованием воды.

Вода используется в различных процессах холодильных систем: как хладоноситель, как теплоноситель, аккумулятор холода или тепла…

Особое место занимают аппараты водоиспарительного охлаждения различных узлов холодильных машин (газкуллеров, конденсаторов, маслоохладителей, переохладителей). В этих устройствах используются два физических процесса – отбор большого количества тепла при фазовом переходе из воды в пар и способность воздуха поглощать водяные пары. И если энергия фазового перехода при естественных условиях меняется не существенно (от 693Вт при 0℃, до 659Вт при 50℃ при испарении одного кг воды), то способность воздуха принимать пары влаги меняется в разы в зависимости от температуры (например, 3,8г/м3 при 0,1℃ и 86г/м3 при 50℃) и относительной влажности (например, при 25℃ и влажности 20% один кг воздуха может поглотить 16,2г паров, а при влажности 85% - только 3,1г). Поэтому наибольшую эффективность водоиспарительные аппараты имеют при высоких температурах окружающей среды и при низкой относительной влажности воздуха.

Что важно знать про процесс парообразования:

1) для испарения капли воды требуется большая энергия (затраты тепла на испарение 1кг воды при +25℃ составят около 676Вт);

2) источник энергии – сама вода (испаряясь, вода охлаждает сама себя, отбирая 1,16Вт/(градус*кг), т.н. адиабатное охлаждение);

3) минимальная температура охлаждения воды зависит от относительной влажности воздуха и называется температурой мокрого термометра (например, при температуре сухого термометра 25℃ и влажности 20% температура мокрого термометра 12,6℃, а при влажности 85% температура мокрого термометра 23,1℃).

4) при относительной влажности 100% (насыщенный воздух) испарение невозможно, т.е. вода не может испаряться и соответственно охлаждаться адиабатно. В климате планеты Земля крайне редко регистрируются показатели близкие к абсолютно насыщенному ни сухому воздуху, а промежуточные значения влажности для конкретной территории зависят от местных погодных и климатических условий. Влажность близкая к 100% бывает при тумане, а к 0% была зафиксирована в чилийской пустыне Атакаме.

5) эффективность охлаждения воздуха за счет испарения воды (максимальное приближение к температуре мокрого термометра) зависит от того, насколько эффективно воздух контактирует с поверхностью воды и насыщается водяными парами (показатель насыщения называется коэффициентом сатурации и измеряется в процентах). Чем лучше этот контакт, тем ближе температура воздуха к температуре мокрого термометра в процессе парообразования и тем выше коэффициент сатурации. Обычно разница температур охлажденной воды и мокрого термометра 4…7 К, однако существуют высокоэффективные аппараты, в которых эта разница 1…2К;

6) отбор тепла в теплообменном аппарате может происходить либо за счет непосредственного испарения воды на теплообменной поверхности (испарительный конденсатор…) или при передаче воздуху, охлажденному в процессе водяного испарения во внешнем устройстве (распылительные системы и орошаемые поверхности, установленные перед воздушными конденсаторами или сухими градирнями);

7) характеристики (расход воздуха, потребление воды, сезонная эффективность, материалоемкость…) водоиспарительных аппаратов внешнего и непосредственного охлаждения воды существенно отличаются.

Как было указано в пункте 3 минимальная теоретически достижимая температура при испарении воды и насыщении воздуха парами до 100% - температура мокрого термометра. Исключение могут составлять аппараты двухступенчатого испарительного охлаждения, которые позволяют достичь значений между точкой росы и температурой мокрого термометра. Точка росы – температура, при которой пары влаги начинают конденсироваться. Как и температура мокрого термометра, точка росы зависит от состояния влажного воздуха (например, при температуре сухого термометра 25℃ и влажности 20% температура точки росы 0,5℃, а при влажности 85% температура точки росы 22,3℃). В двухступенчатых аппаратах, прежде чем адиабатно охладить воздух, его предварительно охлаждают в «сухом» теплообменнике, в котором в качестве теплоносителя используют воду, охлажденную в процессе адиабатного испарения. Чем выше эффективность сатурации при адиабатном испарении воды, тем ближе к температуре точки росы будет температура воздуха после двух ступеней охлаждения.

Получить температуры ниже точки росы позволяют аппараты искусственного охлаждения (например, парокомпрессионные или абсорбционные холодильные машины, элементы Пельте, вихревые трубы…), которые на производство 1кВт холода тратили от 0,12 до 2кВт электрической энергии. Известны технические решения трехступенчатой обработки воздуха, в которых первые две ступени осуществлялись за счет испарения воды, а третья ступень охлаждения происходила в испарителе парокомпрессионной холодильной машины.

Интерес к испарительным системам обусловлен тем, что на производство «холода» тратится незначительная энергия, которая расходуется на работу циркуляционных насосов и вентиляторов и может быть в 5 раз меньше по сравнению с наиболее эффективными аппаратами «искусственного» охлаждения. Ограничение их применения связаны:

- с температурным диапазоном, который напрямую зависит от погодных условий;

- с избыточным водопотреблением, которое не всегда возможно;

- отсутствием широкого ассортимента высокоэффективных аппаратов и решений…