POŚREDNIE CHŁODZENIE WYPARNE W KLIMATYZACJI

Tytuł: POŚREDNIE CHŁODZENIE WYPARNE W KLIMATYZACJI


Autor: Józef Bednarski
Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej
Rok wydania: 1999
Stron: 100
Cena: 12,00 zł
Uwaga: do ceny książki należy doliczyc koszt przesyłki (9,5 zł)
Zamówienie:
oficwyd@pwr.wroc.pl
www.pwr.wroc.pl

W książce:
Przedstawiono korzyści wynikające z zastosowania nowego, opartego na tanim źródle energii, sposobu ochładzania powietrza w technice klimatyzacyjnej. Podkreślono zalety tego sposobu, z których najistotniejszą jest redukcja kosztów eksploatacyjnych urządzenia klimatyzacyjnego. Wytypowano zraszany wymiennik płytowy jako optymalne urządzenie do realizacji procesu pośredniego chłodzenia wyparnego. Badano takie aparaty w celu określenia efektów ochładzania powietrza za ich pomocą. Dla trzech wymienników, w których rozprowadzanie wody na powierzchni wymiany ciepła przebiega odmiennie, wykonano badania cieplne i hydrauliczne. Na podstawie uzyskanych wyników opisano zachodzące w nich procesy. Opracowano model wymiany ciepła, uzupełniony danymi z eksperymentu, oraz algorytm do obliczeń numerycznych. Efektywność ochładzania powietrza w poszczególnych wymiennikach oceniono przez odniesienie do układu idealnego, czyli wymiennika o powierzchni dobrze zwilżonej. Pozwoliło to wykazać, że niezależnie od sposobu rozprowadzania wody, wynikającego z rodzaju zastosowanego materiału na budowę wymiennika płytowego oraz geometrii kanałów powietrznych, obliczenia pośrednich chłodnic wyparnych można sprowadzić do obliczeń rekuperatora, w którym powierzchnia wymiany ciepła jest całkowicie pokryta wodą.

Wprowadzenie:
Sposób chłodzenia powietrza (także przedmiotów), w którym wykorzystuje się ciepło parowania wody (nazywany dalej chłodzeniem wyparnym) jest stosowany od dawna świadomie przez ludzi jak i instynktownie przez zwierzęta. Na przykład sposób ten był znany już w czasach faraonów w Egipcie, a w połączeniu z oziębianiem przez wypromieniowanie ciepła nocą stosowany do produkcji lodu za czasów Aleksandra Wielkiego. Do roku 1960 chłodzenie wyparne stosowano powszechnie w klimatyzacji na suchych obszarach USA. W latach 60. stosunkowo niskie koszty energii elektrycznej spowodowały (poza szczególnymi przypadkami) odejście od naturalnego, adiabatycznego sposobu chłodzenia powietrza. Powszechnie zaczęto stosować urządzenia ziębnicze, niewrażliwe na warunki klimatyczne. Dopiero znaczny wzrost cen paliw wpłynął na opracowanie nowych technologii w budowie tanich wymienników ciepła przeznaczonych dla techniki klimatyzacyjnej, gdzie występują duże objętościowe strumienie powietrza i niewielkie siły napędowe wymiany ciepła i masy. Pojawiły się wysoko sprawne urządzenia do odzyskiwania energii cieplnej o bardzo rozwiniętych powierzchniach.
Wyparne chłodzenie powietrza, którego źródłem energii jest ciepło parowania wody, jak wykazano w wielu publikacjach, okazało się tańsze eksploatacyjnie od kilkunastu do kilkudziesięciu razy od ochładzania go w sprężarkowych urządzeniach ziębniczych. Podstawowymi wadami tego sposobu są: zależność od parametrów powietrza zewnętrznego, mniejsze schłodzenie powietrza niż w urządzeniach sprężarkowych oraz brak możliwości osuszania powietrza.
Chłodzenie wyparne można ogólnie podzielić na:
a) bezpośrednie, związane z adiabatycznym ochładzaniem powietrza przy jego
kontakcie z wodą,
b) pośrednie, z wykorzystaniem wymiennika ciepła, gdzie w procesie udział biorą
dwa strumienie powietrza (oziębiany i nawilżany),
c) pośrednio-bezpośrednie (mieszane), które jest szeregowym połączeniem sposobów "b" i "a".
Sposób "a" jest najbardziej rozpowszechniony i stosowany w tych działach przemysłu, gdzie wymaga się lub dopuszcza do utrzymania wysokiego poziomu zawartości wilgoci w powietrzu pomieszczenia wentylowanego. Sposób "b" nabrał istotnego znaczenia, od czasu wejścia na rynek stosunkowo tanich wysoko sprawnych wymienników do odzysku ciepła. Jeśli idzie o możliwości jego praktycznej realizacji, to jest ich w zasadzie tyle, ile jest systemów odzysku ciepła w technice klimatyzacyjnej. Rozwiązanie takie można już obecnie wykonać dzięki istniejącym urządzeniom, instalując na przewodzie wywiewnym między centralą wentylacyjną z urządzeniem do odzysku ciepła i pomieszczeniem, komorę adiabatycznego nawilżania powietrza. Skutek schłodzenia powietrza w sposobie "c" jest większy niż dwóch poprzednich, nieuniknione jest jednak nawilżenie powietrza przed doprowadzeniem go do pomieszczenia. Jeżeli wzrost zawartości wilgoci nie będzie stanowić istotnego problemu, można liczyć się z ochłodzeniem powietrza o około 10°C, w warunkach przyjmowanych w Polsce do obliczeń dla okresu ciepłego.
Na temat pośredniego chłodzenia wyparnego publikacje zaczęły się pojawiać już w latach 60. Ograniczenia technologiczne oraz niskie ceny nośników energii nie sprzyjały jednak wdrażaniu tych rozwiązań. Istniejący obecnie nacisk na rozwiązania ekologiczne i energooszczędne spowodował nawet, w niektórych krajach, stworzenie sytuacji zmuszających projektantów do stosowania odzysku ciepła w technice klimatyzacyjnej. Zaistnienie techniki pośredniego wyparnego chłodzenia powietrza do celów klimatyzacji jest w zasadzie pojawieniem się nowego ekologicznego źródła energii. Obecnie brakuje jeszcze na rynku takich wyspecjalizowanych urządzeń, zwiększona liczba publikacji na ten temat sugeruje jednak, że sytuacja ta wkrótce ulegnie zmianie. Skala rozprzestrzeniania się tego sposobu ochładzania powietrza w technice klimatyzacyjnej zostanie, jak to najczęściej bywa, zweryfikowana przez praktyczne jej zastosowanie.
Wynik wyparnego ochłodzenia powietrza, w urządzeniu wykonanym z dostępnych na rynku wymienników do odzysku ciepła oraz komory zraszania, jest możliwy do określenia na podstawie podanych przez producenta charakterystyk eksploatacyjnych tych aparatów. Inaczej sprawa wygląda, jeśli idzie o zastosowanie do tego celu wymiennika płytowego zraszanego po jednej stronie wodą. Dla wymienników płytowych również są zamieszczane dane dotyczące wydajności cieplnych, odnoszą się one jednak tylko do pracy przy ich suchych powierzchniach. Doprowadzenie wody do jednej przestrzeni powietrznej wymiennika całkowicie zmienia charakter zachodzącego tam zjawiska transportu ciepła. Gdy wymiennik ma powierzchnie wymiany ciepła dobrze zwilżane, tworzy się film wodny i występuje jednoczesna wymiana ciepła i masy, której intensywność jest wynikiem temperatury powietrza wpływającego do suchej przestrzeni wymiennika oraz temperatury i wilgotności właściwej powietrza wpływającego do jego mokrej przestrzeni. W literaturze można znaleźć modele opisujące zastosowane aparaty, jak również pracujące w określonych warunkach klimatycznych. Ogólniejsze modele zakładają całkowite lub prawie całkowite przykrycie wodą zraszanej powierzchni wymiany ciepła. Można to zrealizować przez:
- wytworzenie grawitacyjnie spływającego filmu wodnego, co wymaga zapewnienia odpowiednio wysokiego stopnia zraszania,
- wykonanie ścianki wymiennika z materiału o bardzo dobrej zwilżalności, co z kolei sprowadza się do konstrukcji przepony wymiennika z dwóch różnych materiałów.
Dla wymienników o powierzchniach słabo zwilżanych, gdzie ponadto stosuje się niewielkie stopnie zraszania proces jest bardziej skomplikowany, gdyż dochodzi do rozproszenia fazy ciekłej, a to prowadzi w efekcie do zmiany oporów przepływu powietrza jak również współczynników wnikania ciepła i masy. Dotychczas nie opracowano modelu opisującego takie zjawisko. W niniejszym opracowaniu opisano procesy wymiany ciepła i masy w wymiennikach płytowych o powierzchniach słabo zwilżanych. Ustalono ponadto, że niepełne przykrycie wodą powierzchni wymiany ciepła nie dyskwalifikuje stosowania takich wymienników jako chłodnic wyparnych w technice klimatyzacyjnej.

Spis treści:
Oznaczenia 3
1. Wprowadzenie 7
2. Chłodzenie wyparne w systemach odzysku ciepła stosowanych w technice klimatyzacyjnej 9
2.1. Systemy odzysku energii w technice klimatyzacyjnej 11
2.2. Efekt chłodzenia wyparnego w technice klimatyzacyjnej 13
2.3. Alternatywne sposoby wykorzystania chłodzenia wyparnego 18
3. Wyniki ekonomiczne i energetyczne wynikające ze stosowania chłodzenia wyparnego 21
3.1. Redukcja szczytowego zapotrzebowania na energię elektryczną 21
3.2. Redukcja kosztów eksploatacyjnych urządzenia klimatyzacyjnego 23
3.3. Nakłady energetyczne na transport powietrza i wody miarą efektywności stosowania chłodzenia wyparnego 24
3.4. Zalecenia praktyczne 27
4. Wymiana ciepła i masy w układach pośredniego chłodzenia wyparnego 29
4.1. Układ z komorą zraszania 29
4.2. Układ ze zraszanym wymiennikiem płytowym 29
5. Cel i zakres pracy 34
6. Procesy zachodzące w zraszanym wymienniku płytowym 38
6.1. Powierzchnie ożebrowane 38
6.1.1. Równanie wymiany ciepła - stała temperatura ścianki (1) 38
6.1.2. Równanie wymiany ciepła - zmienna temperatura ścianki (II) 40
6.1.3. Ocena przydatności obu metod 44
6.2. Współczynnik wnikania ciepła 48
6.2.1. Korelacje empiryczne ogólnych postaci równań na współczynnik wnikania ciepła 48
6.2.2. Obliczanie lokalnych wartości współczynnika wnikania ciepła 49
6.2.3. Wpływ zmienności współczynnika wnikania ciepła na sprawność powierzchni ożebrowanej 52
6.2.4. Podsumowanie 53
6.3. Wstępne nawilżanie powietrza przed wymiennikiem ciepła 54
6.4. Przepływ dwufazowy w kanałach wymiennika płytowego 54
6.4.1. Podstawowe formuły opisu przepływów dwufazowych 56
6.4.2. Współprądowy przepływ mieszaniny powietrza i wody kanałem pionowym w dół 57
6.4.3. Opory przepływu powietrza 59
6.4.4. Rozpylanie wody w kanałach 61
7. Model transportu ciepła w zraszanym wymienniku płytowym 63
7.1. Wymiennik o powierzchni dobrze zwilżanej 65
7.2. Wymiennik o powierzchni słabo zwilżanej 68
8. Badania chłodnic wyparnych 71
8.1. Stanowisko doświadczalne 71
8.2. Wyniki pomiarów 75
8.2.1. Wymiennik o powierzchni dobrze zwilżanej (i) 75
8.2.2. Wymiennik z płyt PCV (ii) 77
8.2.3. Wymiennik z płyt poliwęglanowych (iii) 79
8.3. Podsumowanie 82
9. Obliczeniowe porównanie badanych wymienników 84
9.1. Efektywność ochładzania powietrza 84
9.2. Wydajność ochładzania powietrza w zraszanych i suchych wymiennikach płytowych 86
9.3. Sposób obliczeń zraszanych wymienników płytowych 88
10. Wnioski 89
10.1. Wnioski ogólne 90
10.2. Wnioski szczegółowe 91
Literatura 93
Indirect evaporating cooling in air conditioning 96

Denotations 3
1. lntroduction 7
2. Evaporating cooling in heat recovery systems applied to air conditioning 9
2.1. Heat recovery systems in air conditioning 11
2.2. Evaporating cooling effect in air conditioning 13
2.3. Alternative ways of using evaporating cooling 18
3. Beonomic and energetic results of evaporating cooling 21
3.1. Reduction of maximum power demand 2l
3.2. Reduction of operating cost of air conditioner 23
3.3. Energy cost of air and water transport as a measure of evaporating cooling efficiency 24
3.4. Practical recommendations 27
4. Heat and mass exchange in the system of indirect evapotating cooling 29
4.1. System with a sprinkling chamber 29
4.2. System with a plate exchanger being wetted 29
5. Aim and scope of this paper 34
6. Processes occurring in a plate exchanger beingwetted 38
6.1. Finned surfaces 38
6.1.1. Equation of beat exchange at a constant wall temperature (1) 38
6.1.2. Equation of beat exchange at varying wall temperature (II) 40
6.1.3. Assessment of both methods 44
6.2. Convective beat -transfer coefficient 48
6.2.1. Empirical calculations of the general forms of equations describing convective beat -transfer coefficient 48
6.2.2. Calculations of local values of convective beat-transfer coefficient 49
6.2.3. Effect of variation of convective beat-transfer coefficient on finned surface efficiency 52
6.2.4. Summary 53
6.3. Pre-damping of air before its entry to beat exchanger 54
6.4. Two-phase flow in the channels of plate exchanger 54
6.4.1. Basic equations describing two-phase flows 56
6.4.2. Cocurrent flow of air and water mixture downward vertical channel 57
6.4.3. Resistance of air flow 59
6.4.4. Water spraying in channels 61
7. Heat transport model in plate exchanger subjected to spraying 63
7.1. Exchanger with effectively wetted surface 65
7.2. Exchanger with ineffectively wetted surface 68
8. Testing of evaporating coolers 71
8.1. Test stand 71
8.2. Results of measurements 75
8.2.1. Exchanger with effectively wetted surface (i) 75
8.2.2. Exchanger consisting of PVC plates (ii) 77
8.2.3. Exchanger consisting of polycarbonate plates (iii) 79
8.3. Summary 82
9. Calculation-based comparison of the exchangers tested 84
9.1. Efficiency of air cooling down 84
9.2. Efficiency of air cooling down in wetted and dry exchangers 86
9.3. Calculations of the efficiency of air cooling down in plate exchangers 88
10. Conclusions 89
10.1. General conclusions 90
10.2. Detailed conclusions 91
References 93
Indirect evaporating cooling in air conditioning 96

Źródło: ''