Устройство для двухступенчатого испарительного охлаждения воздуха. Расчет косвенно-испарительной системы охлаждения Практические аспекты косвенно-испарительных систем охлаждения
При построении процессов на i - d диаграмме и выборе технологической схемы обработки воздуха необходимо стремиться к рациональному использованию энергии, обеспечивая экономное расходование холода, теплоты, электроэнергии, воды, а также экономию строительной площади, занимаемой оборудованием. С этой целью следует проанализировать возможность экономии искусственного холода путем применения прямого и косвенного испарительного охлаждения воздуха, применения схемы с регенерацией теплоты удаляемого воздуха и утилизацией теплоты вторичных источников, при необходимости - использования первой и второй рециркуляции воздуха, схемы с байпасом, а также управляемых процессов в теплообменных аппаратах.
Рециркуляция применяется в помещениях со значительными теплоизбытками, когда расход приточного воздуха, определенный на удаление избыточной теплоты, больше, чем необходимый расход наружного воздуха. В теплый период года рециркуляция позволяет сократить затраты холода по срав нению с прямоточной схемой той же производительности, если энтальпия наружного воздуха выше, чем энтальпия удаляемого воздуха, а также отказаться от второго подогрева. В холодный период - существенно сократить затраты теплоты на нагревание наружного воздуха. При использовании испарительного охлаждения, когда энтальпия наружного воздуха ниже, чем внутреннего и удаляемого, рециркуляция не целесообразна. Перемещение рециркуляционного воздуха по сети воздуховодов всегда связано с дополнительными затратами электроэнергии, требует строительный объем для размещения рециркуляционных воздуховодов. Рециркуляция будет целесообразна, если затраты на ее устройство и функционирование будут меньше, чем получаемая экономия теплоты и холода. Поэтому при определении расхода приточного воздуха всегда следует стремиться приблизить его к минимально необходимому значению наружного воздуха, принимая соответствующую схему воздухораспределения в помещении и тип воздухораспределителя и, соответственно, прямоточную схему. Рециркуляция также не совместима с регенерацией теплоты удаляемого воздуха. С целью сокращения расхода теплоты на нагревание наружного воздуха в холодный период года следует проанализировать возможность использования вторичной теплоты от низкопотенциальных источников, а именно: теплоты удаляемого воздуха, отходящих газов теплогенераторов и технологического оборудования, теплоты конденсации холодильных машин, теплоты осветительной арматуры, теплоты сточных вод и т.д. Теплообменники регенерации теплоты удаляемого воздуха позволяют также несколько снизить расход холода в теплое время года в районах с жарким климатом.
Чтобы сделать правильный выбор, необходимо знать возможные схемы обработки воздуха и их особенности. Рассмотрим наиболее простые процессы изменения состояния воздуха и их последовательность в центральных кондиционерах, обслуживающих одно помещение большого объема.
Обычно определяющим режимом для выбора технологической схемы обработки и определения производительности системы кондиционирования воздуха является теплый период года. В холодный период года стремятся сохранить расход приточного воздуха, определенный для теплого периода года, и схему обработки воздуха.
Двухступенчатое испарительное охлаждение
Температура мокрого термометра основного потока воздуха после охлаждения в поверхностном теплообменнике косвенного испарительного охлаждения имеет более низкое значение по сравнению с температурой мокрого термометра наружного воздуха, как естественный предел испарительного охлаждения. Поэтому при последующей обработке основного потока в контактном аппарате методом прямого испарительного охлаждения можно получить более низкие параметры воздуха по сравнению с естественным пределом. Такая схема последовательной обработки воздуха основного потока воздуха методом косвенного и прямого испарительного охлаждения называется двухступенчатым испарительным охлаждением. Схема компоновки оборудования центрального кондиционера, соответствующая двухступенчатому испарительному охлаждению воздуха, представлена на рисунке 5.7 а. Для нее также характерно наличие двух потоков воздуха: основного и вспомогательного. Наружный воздух, имеющий более низкую температуру по мокрому термометру, чем внутренний воздух в обслуживаемом помещении, поступает в основной кондиционер. В первом воздухоохладителе он охлаждается с помощью косвенного испарительного охлаждения. Далее он поступает в блок адиабатного увлажнения, где охлаждается и увлажняется. Испарительное охлаждение воды, циркулирующей через поверхностные воздухоохладители основного кондиционера, осуществляется при ее распылении в блоке адиабатного увлажнения во вспомогательном потоке. Циркуляционный насос забирает воду из поддона блока адиабатного увлажнения вспомогательного потока и подает ее в воздухоохладители основного потока и далее - на распыление во вспомогательном потоке. Убыль воды от испарения в основном и вспомогательном потоке восполняется через поплавковые клапаны. После двух ступеней охлаждения воздух подается в помещение.
Для помещений с большими избытками явного тепла, где требуется поддержание высокой влажности внутреннего воздуха, применяются системы кондиционирования воздуха, использующие принцип косвенного испарительного охлаждения.
Схема состоит из системы обработки основного потока воздуха и системы испарительного охлаждения (рис 3.3. рис. 3.4). Для охлаждения воды могут использоваться оросительные камеры кондиционеров или другие контактные аппараты, брызгальные бассейны, градирни и другие.
Вода, охлажденная испарением в потоке воздуха, с температурой, поступает в поверхностный теплообменник – воздухоохладитель кондиционера основного протока воздуха, где воздух изменяет свое состояние от значений до значений (т.), температура воды при этом повышается до. Нагревшаяся вода поступает в кон тактный аппарат, где охлаждается путем испарения до температуры и цикл повторяется вновь. Воздух, проходящий через контактный аппарат, изменяет свое состояние от параметров до параметров (т.). Приточный воздух, ассимилируя тепло и влагу, изменяет свои параметры до состояния т., а затем до состояния.
Рис.3.3. Схема косвенного испарительного охлаждения
1-теплообменник-воздухоохладитель; 2- контактный аппарат
Рис.3.4. диаграмма косвенного испарительного охлаждения
Линия - прямое испарительное охлаждение.
Если в помещении избытки тепла составляют, то при косвенном испарительном охлаждении расход приточного воздуха составит
при прямом испарительном охлаждении
Поскольку >, то <.
<), что позволяет расширить область возможного использования принципа испарительного охлаждения воздуха.
Сопоставление процессов показывает, что при косвенном испарительном охлаждении производительность СКВ оказывается ниже, чем при прямом. Кроме того, при косвенном охлаждении влагосодержание приточного воздуха более низкое (<), что позволяет расширить область возможного использования принципа испарительного охлаждения воздуха.
В отличие от раздельной схемы косвенного испарительного охлаждения разработаны аппараты совмещенного типа (рис 3.5). Аппарат включает две группы чередующихся каналов, разделенных стенками. Через группу каналов 1 проходит вспомогательный поток воздуха. По поверхности стенок канала стекает вода, подаваемая через водораспределительное устройство. Некоторое количество воды подается к водораспределительному устройству. При испарении воды понижается температура вспомогательного потока воздуха (при увеличении его влагосодержания), а также охлаждается стенка канала.
Для повышения глубины охлаждения основного потока воздуха разработаны многоступенчатые схемы обработки основного потока, применяя которые теоретически можно достичь температуры точки росы (рис. 3.7).
Установка состоит из кондиционера и градирни. В кондиционере производится косвенное и прямое изоэнтальпийное охлаждение воздуха обслуживаемых помещений.
В градирне происходит испарительное охлаждение воды, питающей поверхностный воздухоохладитель кондиционера.
Рис. 3.5. Схема устройства совмещенного аппарата косвенного испарительного охлаждения: 1,2- группа каналов; 3- водораспределительное устройство; 4- поддон
Рис. 3.6. Схема СКВ двухступенчатого испарительного охлаждения. 1-поверхностный воздухоохладитель; 2-оросительная камера; 3- градирня; 4-насос; 5-байпас с воздушным клапаном; 6-вентилятор
С целью унификации оборудования для испарительного охлаждения вместо градирни можно использовать оросительные камеры типовых центральных кондиционеров.
Наружный воздух поступает в кондиционер и на первой ступени охлаждения (воздухоохладителе) охлаждается при неизменном влагосодержании. Второй ступенью охлаждения является оросительная камера, работающая в режиме изоэнтальпийного охлаждения. Охлаждение воды, питающей поверхности водоохладителя, производится в градирне. Вода в этом контуре циркулирует с помощью насоса. Градирня – устройство для охлаждения воды атмосферным воздухом. Охлаждение происходит за счет испарения части воды, стекающей по оросителю под действием силы тяжести (испарение 1% воды понижает ее температуру примерно на 6).
Рис. 3.7. диаграмма с режимом двухступенчатого испарительного
охлаждения
Камера орошения кондиционера оснащается байпасным каналом с воздушным клапаном или имеет регулируемый процесс, что обеспечивает регулирование воздуха, направляемого в обслуживаемое помещение вентилятором.
Рассматриваемая система состоит из двух кондиционеров"
основного, в котором производится обработка воздуха для обслуживаемого помещения, и вспомогательного - градирни. Основное назначение градирни - воздушно-испарительное охлаждение воды, питающей первую ступень основного кондиционера в теплый период года (поверхностный теплообменник ПТ). Вторая ступень основного кондиционера - оросительная камера ОК, работающая в режиме адиабатического увлажнения, имеет обводной канал - байпас Б для регулирования влажности воздуха в помещении.
Кроме кондиционеров - градирен для охлаждения воды могут быть использованы промышленные градирни, фонтаны, брызгальные бассейны и т. п. В районах с жарким и влажным климатом в ряде случаев в дополнение к косвенному испарительному охлаждению используют машинное охлаждение.
системы многоступенчатого испарительного охлаждения. Теоретическим пределом охлаждения воздуха с использованием таких систем является температура точки росы.
Системы кондиционирования воздуха с применением прямого и косвенного испарительного охлаждения имеют более широкую область применения) по сравнению с системами, в которых используется только прямое (адиабатическое) испарительное охлаждение воздуха.
Двухступенчатое испарительное охлаждение, как известно, наиболее приемлемо в
районах с сухим и жарким климатом. При двухступенчатом охлаждении можно достигнуть более низких температур, меньших воздухообменов и меньшей относительной влажности воздуха в помещениях, чем при одноступенчатом охлаждении. Это свойство двухступенчатого охлаждения вызвало предложение о переходе целиком на косвенное охлаждение и ряд других предложений. Однако при всех прочих равных условиях эффект действия возможных систем испарительного охлаждения прямо зависит от изменений состояния наружного воздуха. Поэтому такие системы не всегда в течение сезона и даже одних суток обеспечивают поддержание требуемых параметров воздуха в кондиционируемых помещениях. Представление об условиях и границах целесообразного применения двухступенчатого испарительного охлаждения можно получить при сопоставлении нормируемых параметров внутреннего воздуха с возможными изменениями параметров наружного воздуха в районах с сухим и жарким климатом.
расчет таких систем следует выполнять с использованием J-d диаграммы в следующей последовательности.
На J-d диаграмме наносят точки с расчетными параметрами наружного (Н) и внутреннего (В) воздуха. В рассматриваемом примере по заданию на проектирование приняты значения: tн = 30 °С; tв = 24 °С; fв = 50 %.
Для точек Н и В определяем значение температуры мокрого термометра:
tмн = 19,72 °С; tмв = 17,0 °С.
Как видно, значение tмн почти на 3 °С выше, чем tмв, следовательно, для большего охлаждения воды, а затем наружного приточного воздуха, целесообразно подавать в градирню воздух, удаляемый вытяжными системами из офисных помещений.
Заметим, что при расчете градирни требуемый расход воздуха может оказаться больше удаляемого из кондиционируемых помещений. В этом случае в градирню надо подавать смесь наружного и удаляемого воздуха и в качестве расчетной принимать температуру мокрого термометра смеси.
Из расчетных компьютерных программ ведущих фирм – производителей градирен находим, что минимальный перепад между конечной температурой воды на выходе из градирни tw1 и температурой мокрого термометра tвм подаваемого в градирню воздуха следует принимать не менее 2 °С, то есть:
tw2 =tw1 +(2,5...3) °С. (1)
Для достижения более глубокого охлаждения воздуха в центральном кондиционере принимают конечную температуру воды на выходе из воздухоохладителя и на входе в градирню tw2 не более чем на 2,5 выше, чем на выходе из градирни, то есть:
tвк ≥ tw2 +(1...2) °С. (2)
Обратим внимание, что от температуры tw2 зависит конечная температура охлаждаемого воздуха и поверхность воздухоохладителя, так как при поперечном течении воздуха и воды конечная температура охлаждаемого воздуха не может быть ниже tw2.
Обычно конечную температуру охлаждаемого воздуха рекомендуется принимать на 1–2 °С выше конечной температуры воды на выходе из воздухоохладителя:
tвк ≥ tw2 +(1...2) °С. (3)
Таким образом, при выполнении требований (1, 2, 3) можно получить зависимость, связывающую температуру мокрого термометра воздуха, подаваемого в градирню, и конечную температуру воздуха на выходе из охладителя:
tвк =tвм +6 °С. (4)
Заметим, что в примере на рис. 7.14 приняты значения tвм = 19 °С и tw2 – tw1 = 4 °С. Но при таких исходных данных, вместо указанного в примере значения tвк = 23 °С, можно получить конечную температуру воздуха на выходе из воздухоохладителя не ниже 26–27 °С, что делает всю схему бессмысленной при tн = 28,5 °С.
В системах отопления, вентиляции и кондиционирования адиабатическое испарение обычно ассоциируется с увлажнением воздуха, однако в последнее время данный процесс приобретает растущую популярность в самых разных странах мира и все чаще применяется для «естественного» охлаждения воздуха.
ЧТО ТАКОЕ ИСПАРИТЕЛЬНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ?
Испарительное охлаждение лежит в основе одной из самых первых придуманных человеком систем охлаждения пространства, где охлаждение воздуха происходит за счет естественного испарения воды. Данное явление очень распространено и встречается повсеместно: одним из примеров может быть ощущение холода, которое вы испытываете, когда вода испаряется с поверхности вашего тела под воздействием ветра. То же самое происходит и с воздухом, в котором распыляется вода: поскольку данный процесс происходит без внешнего источника энергии (именно это и означает слово «адиабатический»), тепло, необходимое для испарения воды, берется из воздуха, который, соответственно, становится холоднее.
Использование такого способа охлаждения в современных системах кондиционирования обеспечивает высокую холодопроизводительность при низком электропотреблении, поскольку в этом случае электричество расходуется только для поддержания процесса испарения воды. В то же время в качестве охладителя вместо химических составов используется обычная вода, что делает испарительное охлаждение более выгодным экономически и не наносит вреда экологии.
ВИДЫ ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
Существует два основных способа испарительного охлаждения - прямое и косвенное.
Прямое испарительное охлаждение
Прямое испарительное охлаждение – это процесс снижения температуры воздуха в помещении с помощью его непосредственного увлажнения. Другими словами, за счет испарения распыленной воды происходит охлаждение окружающего воздуха. При этом раздача влаги осуществляется либо непосредственно в помещении с помощью промышленных увлажнителей и форсунок, либо за счет насыщения приточного воздуха влагой и его охлаждения в секции вентиляционной установки.
Следует заметить, что в условиях прямого испарительного охлаждения неизбежно значительное повышение влажности приточного воздуха внутри помещения, поэтому для оценки применимости данного способа рекомендуется брать за основу формулу, известную как «показатель температуры и дискомфорта». По формуле вычисляется комфортная температура в градусах Цельсия с учетом влажности и показаний температуры по сухому термометру (таблица 1). Забегая вперед, отметим, что система прямого испарительного охлаждения применяется только в тех случаях, когда уличный воздух в летний период имеет высокие значения температуры по сухому термометру и низкий абсолютный уровень влажности.
Косвенное испарительное охлаждение
Для повышения эффективности испарительного охлаждения при высокой влажности уличного воздуха рекомендуется сочетать испарительное охлаждение с рекуперацией тепла. Данная технология известна как «косвенное испарительное охлаждение» и подходит практически для любой страны мира, включая страны с очень влажным климатом.
Общая схема работы приточно-вентиляционной системы с рекуперацией заключается в том, что горячий приточный воздух, проходя через специальную теплообменную кассету, охлаждается за счет прохладного воздуха, удаляемого из помещения. Принцип работы косвенного испарительного охлаждения заключается в установке системы адиабатического увлажнения в вытяжном канале приточно-вытяжных центральных кондиционеров, с последующей передачей холода через рекуператор приточному воздуху.
Как показано на примере, за счет использования пластинчатого рекуператора уличный воздух в системе вентиляции охлаждается на 6 °С. Применение испарительного охлаждения вытяжного воздуха увеличит разность температур с 6°C до 10°C без роста потребления электроэнергии и уровня влажности в помещении. Применение косвенного испарительного охлаждения эффективно при высоких теплопритоках, например в офисных и торговых центрах, ЦОДах, производственных помещениях и т.д.
Система косвенного охлаждения с применением адиабатического увлажнителя CAREL серии humiFog:
Кейс: Оценка затрат косвенной системы адиабатического охлаждения по сравнению с охлаждением с использованием чиллеров.
На примере офисного центра с постоянным пребыванием 2000 человек.
| Условия расчета | |
| Уличная температура и влагосодержание: | +32ºС, 10,12 г/кг (показатели взяты для г. Москвы) |
| Температура воздуха в помещении: | +20 ºС |
| Вентиляционная система: | 4 приточно-вытяжные установки производительностью 30 000 м3/ч (подача воздуха по санитарным нормам) |
| Мощность системы охлаждения с учетом вентиляции: | 2500 кВт |
| Температура приточного воздуха: | +20 ºС |
| Температура вытяжного воздуха: | +23 ºС |
| Эффективность рекуперации по явному теплу: | 65% |
| Централизованная система охлаждения: | Система чиллер-фанкойл с температурой воды 7/12ºС |
Расчет
- Для расчета вычисляем относительную влажность воздуха на вытяжке.
- При температуре в системе охлаждения 7/12 °С точка росы вытяжного воздуха с учетом внутренних влаговыделений составит +8 °С.
- Относительная влажность воздуха на вытяжке составит 38%.
*Необходимо учитывать, что стоимость монтажа системы холодоснабжения с учетом всех затрат существенно выше по сравнению с системами косвенного охлаждения.
Капитальные затраты
Для анализа берем стоимость оборудования – чиллеров для системы холодоснабжения и системы увлажнения для косвенного испарительного охлаждения.
- Капитальные затраты на охлаждение приточного воздуха для системы с косвенным охлаждением.
Стоимость одной стойки увлажнения Optimist производства Carel (Италия) в приточно-вытяжной установке составляет 7570 €.
- Капитальные затраты на охлаждение приточного воздуха без системы косвенного охлаждения.
Стоимость чиллера мощностью охлаждения 62,3 кВт составляет примерно 12 460 €, исходя из стоимости 200 € за 1 кВт холодильной мощности. Необходимо учитывать, что стоимость монтажа системы холодоснабжения с учетом всех затрат существенно выше по сравнению с системами косвенного охлаждения.
Эксплуатационные затраты
Для анализа принимаем стоимость водопроводной воды 0,4 € за 1 м3 и стоимость электроэнергии 0,09 € за 1 кВт/ч.
- Эксплуатационные расходы на охлаждение приточного воздуха для системы с косвенным охлаждением.
Расход воды на косвенное охлаждение составляет 117 кг/ч для одной приточно-вытяжной установки, с учетом потерь 10% примем ее как 130 кг/ч.
Потребляемая мощность системы увлажнения составляет 0,375 кВт для одной приточно-вытяжной установки.
Итоговые затраты в час составляют 0,343 € за 1 час эксплуатации системы.
- Эксплуатационные расходы на охлаждение приточного воздуха без системы косвенного охлаждения.
Холодильный коэффициент берем равным 3 (соотношение мощности охлаждения к потребляемой мощности).
Итоговые затраты в час составляют 7,48 € за 1 час эксплуатации.
Вывод
Использование косвенного испарительного охлаждения позволяет:
Снизить капитальные затраты на охлаждение приточного воздуха на 39%.
Снизить энергопотребление на системы кондиционирования здания с 729 кВт до 647 кВт, или на 11,3%.
Снизить эксплуатационные расходы на системы кондиционирования здания с 65,61 €/час до 58,47 €/час, или на 10,9%.
Таким образом, несмотря на то, что охлаждение свежего воздуха составляет примерно 10–20% от общей потребности в охлаждении офисных и торговых центров, именно здесь имеются наибольшие резервы в повышении энергоэффективности здания без существенного роста капитальных затрат.
Статья подготовлена специалистами компании ТЕРМОКОМ для публикации в журнале ON №6-7 (5) июнь-июль 2014 (стр.30-35)
Для обслуживания отдельных небольших помещений или их групп удобны местные кондиционеры двухступенчатого испарительного охлаждения, осуществляемые на базе теплообменника косвенного испарительного охлаждения из алюминиевых накатных трубок (рис. 139). Воздух очищается в фильтре 1 и поступает к вентилятору 2, после нагнетательного отверстия которого делится на два потока - основной 3 и вспомогательный 6. Вспомогательный поток воздуха проходит внутри трубок теплообменника 14 косвенного испарительного охлаждения и обеспечивает испарительное охлаждение воды, стекающей по внутренним стенкам трубок. Основной поток воздуха проходит со стороны оребрения трубок теплообменника и отдает через их стенки тепло воде, охлаждаемой испарением. Рециркуляция воды в теплообменнике осуществляется при помощи насоса 4, который забирает воду из поддона 5 и подает ее на орошение через перфорированные трубки 15. Теплообменник косвенного испарительного охлаждения выполняет в совмещенных кондиционерах двухступенчатого испарительного охлаждения роль первой ступени.
