Этому направлению в 2003 году был посвящен ряд докладов на состоявшемся в Вашингтоне 21м Международном конгрессе по холоду [7–9].

Основными проблемами практического применения испарительного охлаждения в холодильной технике и системах кондиционирования воздуха являются необходимость снятия климатических ограничений применимости испарительных методов охлаждения (например, предварительное осушение воздуха и др. методы); снижение расхода свежей воды на подпитку испарительного контура охладителей; повышение эфф. испарительного охлаждения. Изучались также возможности использования полимерных материалов в конструкции испарительных охладителей [7–9].

Аппараты испарительного охлаждения основаны на прямом контактировании воздушного и водяного потоков (ПИО) либо на непрямом испарительном охлаждении «продуктового» потока воздуха (НИО). Поскольку, наряду с охлаждением воздуха в ПИО, он увлажняется, использование ПИО для обеспечения комфортных параметров воздуха затруднено и рассчитано, преимущественно, на условия сухого и жаркого климата.

Принцип действия испарительного охладителя непрямого типа заключается в том, что полный воздушный поток, поступающий в испарительный охладитель, делится на два потока, базовой и вспомогательный, первый из которых охлаждается бесконтактно, т. е. при неизменном влагосодержании, а второй находится в непосредственном контакте с водяной пленкой и обеспечивает ее испарительное охлаждение ( 1а).

Охлажденная вода,, отводит тепло от основного воздушного потока. Насадка НИО выполняется, в виде чередующихся сухих и смоченных каналов, предназначенных для движения основного и вспомогательного воздушных потоков соответственно.

Каналы насадки образованы замкнутыми элементами, во внутренней полости которых движется базовой воздушный поток, охлаждаемый при неизменном влагосодержании. В пространстве м. элементами насадки движется вспомогательный воздушный поток в прямом контакте со стекающей по внешним поверхностям элементов водяной пленкой.

При этом обеспечивается испарительное охлаждение воды, которая,, отводит тепло от основного воздушного потока через разделяющую каналы стенку.

Принцип НИО позволяет получить охлажденный и неувлажненный воздушный поток, что делает его перспективным для систем кондиционирования воздуха, но ограничения на климатические условия применимости здесь сохраняются.

На 4а показаны циклы изменения состояния основного (A–E) и вспомогательного (A–F) воздушных потоков в НИО.

Наиболее перспективными для создания испарительных охладителей, используемых в холодильной технике и системах кондиционирования воздуха, являются насадки пленочного типа с регулярной структурой каналов (РН) [3–9].

Основные требования к РН для испарительных охладителей:

– насадочный слой должен иметь малое аэродинамическое сопротивление для комплектации охладителей низконапорными вентиляторами;

– насадка должна обладать большой удельной поверхностью и коррозионной стойкостью в рабочих средах, отличаться простотой конструктивного исполнения и технологичностью;

– поскольку для многоканальной пленочной РН принципиально важен вопрос о качестве распределения жидкости, слой РН должен способствовать равномерному вводу жидкости и благоприятному ее перераспределению м. соседними каналами.

Плотность слоя выбирается с учетом явлений устойчивости в системе [4–5]. Выбор материала для изготовления насадки основан на результатах наших и зарубежных исследований [4–5].

Было отмечено, что РН из листов алюминиевой фольги и полистирола обеспечивают близкие результаты, и несколько лучшие характеристики первой объясняются хорошей смачиваемостью материала.

Изучалась принцип. возможность применения в конструкции пленочных ТМА полимерных материалов. Был проведен анализ полимерных материалов, которые могут быть использованы в конструкции ТМА, и показано, что перспективным материалом является поликарбонат.

Плита сотового поликарбоната представляет собой два параллельных листа с поперечными перегородками в цельной единой структуре. Температурный диапазон эксплуатации для поликарбоната составляет от –40 до +120 °С, что позволяет использовать его в «открытых» системах, к которым относятся испарительные охладители. Максимальное термическое расширение (при DТ = 80 °С) составляет 2,5 мм/м. Поликарбонат устойчив ко многим химическим веществам, включая минеральные кислоты высокой концентрации, многим органическим кислотам, нейтральным и кислым растворам солей. Сотовые плиты из поликарбоната отличаются высокими механическими характеристиками, такими как твердость и стойкость к ударным воздействиям при длительном содержании на открытом воздухе.

Насадка разработанного бытового кондиционера воздуха ( 1 и представляет собой вертикально и эквидистантно установленные плиты из сотового поликарбоната, в каналах которых движется базовой воздушный поток, а в межканальном пространстве – вспомогательный поток. Вода, рециркулирующая через насадку НИО, поступает в верхний канал каждой плиты и из этого канала через продольные узкие щели стекает по внешним поверхностям плиты.

Внешний профиль (поверхность) поликарбонатной многоканальной плиты имеет регулярную шероховатость, что способствует улучшению распределения стекающей водяной пленки и интенсификации циклов совместного тепломассообмена при испарительном охлаждении.

На участке распределения жидкости используется покрытие из капиллярнопористого материала.

Вспомогательный воздушный поток поступает вначале в пространство аппарата под насадкой и далее в насадочную часть аппарата. Разделение воздушного потока на базовой и вспомогательный происходит в аппарате и определяется аэродинамическими сопротивлениями «сухой» и «мокрой» частей насадки и воздушных коммуникаций. Могут использоваться отдельные вентиляторы для каждого из воздушных потоков.

На 1б приведен вариант бытового кондиционера воздуха с теплообменником на отбросном вспомогательном воздушном потоке, покидающем НИО, поскольку этот поток достаточно холодный, но увлажненный.

Двухступенчатая схема испарительного охладителя может быть реализована в составе модулей НИО/ПИО ( 1в) или НИО/градирни ( 1г). Здесь вода в градирне контактирует с предварительно охлажденным при неизменном влагосодержании воздухом, что существенно понижает естественный предел ее охлаждения.

Как отмечалось ранее, непосредственное использование аппаратов испарительного охлаждения в схемах систем кондиционирования воздуха ограничено регионами с сухим жарким климатом.

Для умеренных широт состояние воздуха после непрямого испарительного охлаждения не соответствует комфортному, т. к. лежит на границе комфортных и допустимых параметров.

Поэтому представляет практический интерес использование испарительного воздухоохладителя НИО в качестве первой ступени компрессионного кондиционера, что позволяет снять климатические ограничения применимости испарительных методов охлаждения и таким образом интегрировать достоинства методов естественного и искусственного охлаждения сред.

Вспомогательный воздушный поток, покидающий НИО, является достаточно холодным (но увлажненным) и может использоваться для охлаждения конденсатора холодильной машины.

Схема такого двухступенчатого бытового кондиционера воздуха ( позволяет использовать единый вентилятор для организации движения воздуха в основных и вспомогательных каналах непрямого испарительного охладителя и далее через испаритель и конденсатор холодильной машины. Конденсатор и испаритель холодильной машины располагаются на выходе вспомогательного и основного потоков из НИО соответственно. Образовавшийся в испарителе конденсат сливается в поддон НИО.

Естественность компоновки и компактность – основные преимущества этой схемы.

На 3 приведены варианты испарительнопарокомпрессионного двухступенчатого автономного кондиционера с использованием воздушного потока, покидающего помещение (рециркуляционная схема системы кондиционирования воздуха) для предварительного охлаждения поступающего в кондиционер наружного воздуха ( 3а) или в качестве вспомогательного воздушного потока в НИО ( 3б).

На 3в приведен вариант комбинированного охладителя на основе модулей НИО/градирни.

На 4 представлены результаты предварительного изучения возможностей комбинированных охладителей [4–5] для параметров наружного воздуха – tГ = 34 °С и хГ = 23 г/кг, заведомо выбранных для самых тяжелых, с точки зрения реализуемой задачи кондиционирования воздуха таких городов, как РиодеЖанейро, Сингапур, Майами, Бангкок, Бахрейн. Ход циклов на Н–Х диаграмме влажного воздуха представлен на 4а: A–E и A–F – линии изменения состояний основного и вспомогательного воздушных потоков в I ступени комбинированного охладителя (НИО); E–B – охлаждение воздуха во II ступени, в испарителе холодильной машины (E–H и H–B – составляющие этого цикла); точка B характеризует состояние воздуха, поступающего в помещение, C – воздух в помещении с учетом ассимиляционных циклов, D – воздух, покидающий помещение (на Н–Х диаграмме выделена зона комфортных параметров воздуха).

Для схемы по 4б цикл D–F выражает изменение состояния вспомогательного воздушного потока, в качестве которого здесь используется воздух, покидающий помещение, а цикл F–G – это прохождение воздуха через конденсатор холодильной машины; изменение состояния основного воздушного потока в НИО благодаря этому протекает с его охлаждением и некоторым осушением (АHE).

Принципиально важна принцип. возможность возврата влаги (конденсата из испарителя холодильной машины) в контур НИО, причем для значений относительной влажности наружного воздуха выше 35–40 % может иметь место, как показывают предварительные расчеты, полный возврат жидкости, затраченной на цикл испарительного охлаждения в НИО, что дает принцип. возможность создания полностью замкнутого цикла по воде.

Поскольку температура этой возвратной воды близка к температуре кипения в испарителе, это выгодно с термодинамической точки зрения и обеспечивает дополнительный рост холодопроизводительности комбинированного охладителя Q.

В таблице приведены результаты анализа возможностей комбинированного охладителя на основе НИО и кондиционера, основанного на использовании комбинированной схемы (в первой ступени НИО и во второй – крышный кондиционер CAAE/CAEN – 3 . Для сравнения взят крышный кондиционер CAAE/CAEN – 51, чтобы холодопроизводительность у сравниваемых вариантов кондиционеров была примерно одинаковой. Относительно вентилятора в сравниваемых вариантах систем кондиционирования воздуха: поскольку каждая из ступеней снабжена своим вентилятором (мощность привода 0,46 и 0,245 кВт соответственно), в комбинированной схеме используется единый вентилятор с мощностью, равной 0,59 кВт, меньшей суммарной мощности штатных вентиляторов НИО и холодильной машины (принципиальная схема такого решения представлена на .

Комбинированная схема позволяет снизить установленную мощность компрессора холодильной машины с 16,8 до 11,3 кВт.

Расположение конденсатора холодильной машины во вспомогательном воздушном потоке, покидающем НИО, обеспечивает понижение температуры конденсации в расчетном режиме от 45 до 35 °С и снижение расхода энергии на сжатие на 14 %. Очевидна принцип. возможность полного возврата жидкости в испарительный контур. Очевидны особые достоинства комбинированной схемы в условиях жаркого климата. Дополнительно отметим, что вне пределов рассмотрения остались экологические преимущества новой системы.

Выводы
Испарительное охлаждение эффективно при влагосодержании наружного воздуха хГ < 12 г/кг; использование этого метода при больших значениях влагосодержания возможно в комбинированных схемных решениях на основе предварительного осушения воздушного потока либо в испарительнопарокомпрессионных охладителях.

Наиболее перспективным направлением развития пленочных охладителей испарительного типа, обеспечивающих высокую интенсивность рабочих циклов при низких энергозатратах, является разработка ТМА пленочного типа с многоканальной регулярной насадкой из полимерных материалов.

Разработаны схемные решения комбинированных охладителей на основе совместной работы испарительного охладителя (первая ступень охлаждения) и парокомпрессионной холодильной машины и показаны преимущества новых решений.

Литература
Steimle F. Development in AirConditioning, International Conference of Research, Design and Conditioning Equipment in Eastern European Countries. September 10–1 Bucharest, Romania. IIF/IIR.

Foster R. E., Dijkastra E. Evaporative airconditioning fundamentals: environmental and economic benefits world wide / International Conference of Applications for Natural Refrigerants' 9 September 3– Aarhus, Denmark. IIF/IIR. 1996.

Stoitchkov N. J., Dimirov G. J. Effectiveness of crossflow plate heat exchanger for indirect evaporative cooling / Int. J. Refrig., vol. 21, no. 1998.

Дорошенко А., Ярмолович Ю. Косвенноиспарительные охладители // Холодильная техника. 198 № 12.

Лавренченко Г., Дорошенко А. Разработка косвенноиспарительных воздухоохладителей для систем кондиционирования // Холодильная техника. 198 № 10.

Watt J. R. Evaporative Air Conditioning Handbook. 1986.

Koltun P., Ramakrishnan S., Doroshenko A., Konsov M. Life Cycle Assessment of a Conventional and Alternantive AirConditioning Systems / 21h International Congress of Refrigeration IIR/IIF. Washington, D. C, ICR014 2003.

Maisotsenko V., Lelland Gillan. The Maisotsenko Cycle for Air Desiccant Cooling / 21h International Congress of Refrigeration IIR/IIF, Washington, D. C. 2003.

John L. McNab, Paul McGregor. Dual Indirect Cycle AirConditioner Uses Heat Concentrated Dessicant and Energy Recovery in a polymer Plate Heat Exchanger / 21h International Congress of Refrigeration IIR/IIF. Washington, D. C, ICR064 2003.