Испарительное охлаждение локальных зон с высокой выработкой тепла

Прямое испарительное (адиабатическое) охлаждение - это старинный метод охладить воздух, когда вода переходит из жидкого состояния в пар и поглощает тепло. В Древнем Египте люди развешивали влажные ткани в проемах жилых помещений, чтобы охладить сухой воздух пустыни.

Со времен египтян основные принципы испарительного охлаждения не изменились, однако сейчас ветер пустыни заменяет вентилятор, а тонкую ткань в окне - многослойный гофрированный материал.

Испарительное охлаждение для многих - это несложный способ локально охладить некоторые объекты на заводах или жилые помещения, когда жара. Простые, односкоростные, одноступенчатые системы, которые работают по принципу «все или ничего», широкодоступны и присутствуют повсеместно.

Характеристики, которые влияют на производительность многослойных гофрированных материалов:

• Площадь водопоглощающей поверхности;
• Толщина впитывающего слоя;
• Состав (целлюлоза, стекловолокно, металл);
• Размер отверстий (перфорация) и углы наклона канавок, по которым просачивается влага;
• Скорость потока воды, которая проходит через абсорбционные слои;
• Скорость потока воздуха, который проходит вдоль абсорбирующего материала.

В типовых промышленных упрощенных системах абсорбционные элементы холодильных установок сделаны из целлюлозы и имеют стандартные характеристики. Производительность охладителей составляет около 90 %. Это означает, что температура выходящего воздуха по сухому термометру снижается на 90 % от разницы входящих температур, которые показывают сухой и влажный термометры.

Например, если температура входящего воздуха по сухому термометру составляет 32,2 ⁰C, а по влажному - 26,6 ⁰C, то температура выходящего воздуха по сухому термометру составит 27 ⁰C. (Расчет: (32,2 - 26,6) x 0,90. Температура снизится на 5,04 ⁰C).

Природа прямого испарительного охлаждения означает, что относительная влажность воздуха, поступающего в помещение, приблизится к 85-90 %. В большинстве базовых случаев характеристики выходящего воздуха удовлетворяют заданным требованиям: температура снижается, а избыток влажности растворяется в окружающем пространстве.

Кроме того, поскольку в системах прямого испарительного охлаждения воздух на 100% приходит извне, он ускоряет воздухообмен в помещении и вентилирует его. Поэтому влага не задерживается и удаляется наружу. Обычно преследуется единственная цель - это снизить температуру по сухому термометру в определенном месте.

В более сложных системах испарительного охлаждения, чтобы соответствовать целевым условиям, производители оборудования учитывают все факторы. Инженеры комбинируют различные варианты и повышают производительность холодильных агрегатов. Например, увеличивают количество ступеней из гофрированных материалов, проходя через которые, воздух приобретает определенную температуру и влажность.

Исследования показывают, что, если уменьшить толщину гофрированных листов, то производительность холодильной машины снизится. Например, если снизить толщину слоя в три раза и не менять остальные параметры, то эффективность охлаждающего устройства снизится с 90 до 53 %.

Производительность холодильной установки повысится, если контролировать объем воздуха, который проходит над увлажненным материалом. Исследования показывают, что, когда увеличивается скорость воздушного потока вдоль охлаждающих кассет, их производительность снижается. Поэтому в более сложных системах испарительного охлаждения скорость вращения вентиляторов регулируется.

Контролировать относительную влажность воздуха, поступающего в помещение, в системах прямого испарительного охлаждения всегда являлось сложной задачей. Трудности усиливаются, когда температура воздуха по сухому термометру становится ниже. Психрометрические диаграммы показывают, что чем ниже температура воздуха по сухому термометру, тем выше его относительная влажность. Это неизбежный результат испарительного охлаждения.

Бороться с этим явлением помогают заслонки, через которые подмешивается сухой воздух в исходящие потоки: относительная влажность снижается. Другой подход - разделить внешний слой охлаждающих кассет на полосы и чередовать влажные и сухие участки. Второй способ - дешевле. Оба этих метода повышают температуру выходящего воздуха по сухому термометру, поэтому, чтобы соответствовать заданным параметрам охлаждающей нагрузки, требуется тонкая балансировка оборудования. С этой задачей могут справиться только электронно-программируемые компоненты.

Качество воды - важное условие, чтобы поддерживать производительность системы испарительного охлаждения на должном уровне. Недостаточно очищенная вода засоряет охлаждающий материал или откладывает на нем кальций.

Устройства испарительного охлаждения обычно устанавливают, чтобы снизить эксплуатационные расходы по сравнению с механическими системами. Не нужны компрессоры или дополнительные охлаждающих системы. Очевидно, снижаются затраты на электроэнергию. При длительной эксплуатации экономическая выгода увеличивается. Однако, если к механическим системам добавить воздушное охлаждение, то сэкономленные средства на электроэнергию потратятся на воду.

Промышленные процессы, в которых выделяется много тепла, создают локальные зоны с низкой относительной влажностью. Если не требуется точно контролировать влажность, то в этих случаях прямое испарительное охлаждение использовать выгодно. Одни из таких примеров:

• Роботизированные рабочие центры;
• Рабочие места рядом с автоклавами и печами.

В состав робототехники обычно входят электродвигатели, гидравлические насосы, электронные датчики и средства управления. Многие из этих элементов создают локально высокие температуры с низкими уровнями влажности. Влажность снижает риск электростатических разрядов в местах, где ее недостаточно.

Зонально охлаждать пространство возле печей с помощью прямого испарительного охлаждения - это классический пример.

Источник: Process Cooling