Испарительное охлаждение: работает или нет?

Пока еще свежи воспоминания о жарких летних днях хочется поговорить о затратах на охлаждение и о способах их снижения в таких экстремальных условиях.

Как известно, вследствие повышения температуры воздуха, охлаждающего конденсатор, возрастают температура, а, следовательно, и давление конденсации. Это неизбежно ведет к увеличению работы компрессора и возрастанию нагрузки на конденсатор. Существует ли способ понижения температуры воздуха, охлаждающего конденсатор?

Рис. 1

Рассмотрим i-d диаграмму влажного воздуха и некоторые процессы изменения параметров воздуха на ней (рис.1). Окружающий нас воздух характеризуется температурой t (℃), абсолютной влажностью или влагосодержанием d (г воды на кг сухого воздуха), относительной влажностью или способностью к поглощению влаги φ (%), энтальпией i (кДж на кг влажного воздуха). Изотермы на диаграмме расположены под легким углом к горизонтали, линии постоянного влагосодержания вертикальны, линии постоянной относительной влажности расходятся веером от линии d = 0 до максимально возможного значения φ = 100 %   — линии насыщения. Эта линия ограничивает снизу поле возможных состояний влажного воздуха на диаграмме. Изэнтальпы располагаются под углом 45 ̊ С.

Отметим на диаграмме точку 1, соответствующую начальным параметрам воздуха. Нагрев воздуха от солнечного излучения или от теплообменного аппарата, например, конденсатора холодильной установки обозначится процессом 1-2 и будет проходить с ростом энтальпии и температуры, понижением относительной влажности при неизменном влагосодержании. Охлаждение воздуха, например, путем излучения в космос ночью или через темлообменную поверхность аппарата произойдет в обратном направлении 1-3 с понижением энтальпии и температуры, ростом относительной влажности при неизменном влагосодержании – по вертикальной линии. Если охлаждать воздух до температуры ниже точки росы Р, охлаждение будет сопровождаться конденсацией влаги и, соответственно, понижением влагосодержания воздуха – процесс 3-3а. Для охлаждения воздуха с массовым расходом G (кг/с) в процессах 1-3 или 1-3а необходимо отвести от него теплоту Q (кДж/кг) в количестве Q = G*(i1 – i3) или Q = G*(i1 – i3а). Применение для этого холодильной машины абсурдно в постановке данной задачи, поэтому требуются иные способ охлаждения воздуха или источник холода.

Для понижения температуры воздуха можно применить его испарительное (адиабатное) охлаждение. Этот способ относительно малозатратен, но достаточно эффективен (за исключением редких случаев повышенной относительной влажности воздуха в жару).

Рис.2

Предположим, параметры окружающей среды соответствуют точке 1 (рис. 2): например, температура плюс 35 ℃, относительная влажность 25 %. Если орошать воздух водой, находящейся с ним в термодинамическом равновесии, то есть, специально не нагретой и не охлажденной, то энтальпия воздуха не изменится ⃰, при этом капли воды будут испаряться, насыщая воздух. Теплота фазового перехода при испарении воды будет отводиться от воздуха, при этом температура увлажненного воздуха понизится: изэнтальпный ⃰ процесс 1-2. Предельные параметры воздуха, охлажденного таким способом, практически соответствуют параметрам мокрого термометра, характеризующиеся точкой 3м, лежащей на пересечении изэнтальпы 1 и линии насыщения (относительная влажность φ = 100 %). Возможность достижения точки 3м зависит от организации процесса: расходов, подаваемых воды и воздуха, расположения и конструкции форсунок для распыления воды.

Если требуется получить воздух с меньшими, чем в предыдущем способе, температурой и влагосодержанием d, что особенно актуально при кондиционировании воздуха, применяют его косвенно-испарительное охлаждение. Для этого воздух разделяют на два потока – рабочий и вспомогательный. Вспомогательный поток воздуха орошается водой и охлаждается до точки 3м. Затем он подается в теплообменник для охлаждения рабочего потока воздуха. Параметры рабочего потока изменяются при этом от точки 1 до точки 1а при неизменном влагосодержании. После этого рабочий поток орошают водой с изэнтальпным понижением температуры до точки 3ам, лежащей на линии насыщения. Как видно из диаграммы, температура и влагосодержание в точке 3ам меньше, чем в точке 3м.

К недостаткам испарительного охлаждения воздуха следует отнести затраты на работу водяных насосов (они, однако, невелики) и необходимость подпитки системы водой вследствие уноса ее с потоком воздуха. При этом в случае кондиционирования воздуха его увлажнение может быть не потерей, а полезным эффектом.

Наиболее актуален этот способ охлаждения в регионах с сухим жарким климатом.

⃰ В реальном процессе энтальпия, и температура воздуха несколько повысятся вследствие внесения в него энтальпии с водой, но это повышение незначительно.

© Материал подготовлен командой Академии КриоФрост