Schéma schématique du traitement de l'air dans un climatiseur local avec refroidissement par évaporation à deux étages. Comment fonctionnent les conditionneurs d’eau. Refroidissement par évaporation de l'air Quels sont les avantages du refroidissement par évaporation de l'air à deux étages ?

19.10.2019

Application

1982106, 03.01.1974

BUREAU DE CONCEPTION SPÉCIALISÉ POUR TRACTEURS SPÉCIAUX DE CLASSE DE TRAFIC 2T

OUTKINE VLADIMIR VIKTOROVITCH

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Climatiseur à refroidissement par évaporation à deux étages

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Dans le moderne technologie de climatisation Une grande attention est accordée à l'efficacité énergétique des équipements. Ceci explique l'intérêt accru récent pour les systèmes de refroidissement par évaporation d'eau basés sur des échangeurs de chaleur par évaporation indirecte (systèmes de refroidissement par évaporation indirecte). Les systèmes de refroidissement par évaporation d'eau peuvent être solution efficace pour de nombreuses régions de notre pays, dont le climat se caractérise par une humidité de l'air relativement faible. L'eau en tant que réfrigérant est unique : elle a une capacité thermique élevée et une chaleur latente de vaporisation, elle est inoffensive et accessible. De plus, l'eau a été bien étudiée, ce qui permet de prédire assez précisément son comportement dans divers systèmes techniques.

Caractéristiques des systèmes de refroidissement avec échangeurs de chaleur par évaporation indirecte

Caractéristique principale et l'avantage des systèmes d'évaporation indirecte est la capacité de refroidir l'air à une température inférieure à la température du bulbe humide. Ainsi, la technologie de refroidissement par évaporation conventionnelle (dans les humidificateurs adiabatiques), lorsque de l'eau est injectée dans le flux d'air, non seulement abaisse la température de l'air, mais augmente également sa teneur en humidité. Dans ce cas, la ligne de traitement sur le diagramme I d du flux d'air adiabatique, mais minime température possible correspond au point « 2 » (Fig. 1).

Dans les systèmes à évaporation indirecte, l'air peut être refroidi jusqu'au point « 3 » (Fig. 1). Diagramme de processus dans dans ce cas descend verticalement sur la ligne de teneur en humidité constante. En conséquence, la température résultante est plus basse et la teneur en humidité de l'air n'augmente pas (reste constante).

De plus, les systèmes d'évaporation d'eau ont les caractéristiques suivantes des qualités positives:

Possibilité de production combinée d'air refroidi et d'eau froide.
Basse consommation énergétique. Les principaux consommateurs d'électricité sont les ventilateurs et les pompes à eau.
Haute fiabilité grâce à l'absence de machines complexes et à l'utilisation d'un fluide de travail non agressif - l'eau.
Propreté écologique : niveau faible bruit et vibrations, fluide de travail non agressif, faible risque environnemental production industrielle systèmes en raison de la faible complexité de fabrication.
Simplicité de conception et relativement faible coût associé à l'absence d'exigences strictes concernant l'étanchéité du système et de ses composants individuels, l'absence de machines complexes et coûteuses ( compresseurs de réfrigération), petit surpression dans le cycle, une faible consommation de métaux et la possibilité d'une utilisation généralisée des plastiques.

Les systèmes de refroidissement qui utilisent l'effet de l'absorption de chaleur lors de l'évaporation de l'eau sont connus depuis très longtemps. Cependant, sur ce moment Les systèmes de refroidissement par évaporation d’eau ne sont pas assez répandus. Presque tout le créneau de l'industrie et systèmes domestiques le refroidissement dans la région des températures modérées est rempli de systèmes de compression de vapeur de réfrigérant.

Cette situation est évidemment associée à des problèmes de fonctionnement des systèmes d'évaporation de l'eau lorsque températures négatives et leur inaptitude à fonctionner dans des conditions d'humidité relative élevée de l'air extérieur. Cela a également été affecté par le fait que les principaux dispositifs de tels systèmes (tours de refroidissement, échangeurs de chaleur), précédemment utilisés, présentaient de grandes dimensions, un poids et d'autres inconvénients liés au travail dans des conditions humidité élevée. De plus, ils avaient besoin d’un système de traitement de l’eau.

Cependant, aujourd'hui, merci Le progrès technique Les tours de refroidissement très efficaces et compactes se sont généralisées, capables de refroidir l'eau à des températures qui ne diffèrent que de 0,8 à 1,0 °C de la température entrant dans la tour de refroidissement. flux d'air par thermomètre humide.

Ici, il convient de mentionner spécialement les tours de refroidissement des entreprises Muntes et SRH-Lauer. Une différence de température aussi faible a été obtenue principalement grâce à dessin original buses de tour de refroidissement avec propriétés uniques— bonne mouillabilité, fabricabilité, compacité.

Description du système de refroidissement par évaporation indirecte

Dans un système de refroidissement par évaporation indirecte air atmosphérique depuis environnement avec des paramètres correspondant au point « 0 » (Fig. 4), est pompé dans le système par un ventilateur et refroidi à teneur en humidité constante dans un échangeur de chaleur à évaporation indirecte.

Après l'échangeur de chaleur, le flux d'air principal est divisé en deux : auxiliaire et de travail, dirigé vers le consommateur.

Le flux auxiliaire joue simultanément le rôle de refroidisseur et de flux refroidi - après l'échangeur de chaleur, il est redirigé vers le flux principal (Fig. 2).

En même temps, l'eau est amenée aux canaux d'écoulement auxiliaires. L'apport d'eau a pour but de « ralentir » l'augmentation de la température de l'air grâce à son humidification parallèle : comme on le sait, le même changement d'énergie thermique peut être obtenu soit en modifiant uniquement la température, soit en modifiant simultanément la température et l'humidité. Ainsi, lorsque le flux auxiliaire est humidifié, le même échange thermique est obtenu avec un changement de température plus faible.

Dans les échangeurs de chaleur à évaporation indirecte d'un autre type (Fig. 3), le flux auxiliaire n'est pas dirigé vers l'échangeur de chaleur, mais vers la tour de refroidissement, où il refroidit l'eau circulant dans l'échangeur de chaleur à évaporation indirecte : l'eau y est chauffée grâce au flux principal et refroidi dans la tour de refroidissement grâce au flux auxiliaire. L'eau se déplace le long du circuit à l'aide d'une pompe de circulation.

Calcul de l'échangeur de chaleur par évaporation indirecte

Afin de calculer le cycle d'un système de refroidissement par évaporation indirecte avec circulation d'eau, les données initiales suivantes sont nécessaires :

φos— humidité relative air ambiant,%;
t ос — température de l'air ambiant, ° C ;
∆t x - différence de température à l'extrémité froide de l'échangeur de chaleur, °C ;
∆t m—différence de température à l'extrémité chaude de l'échangeur de chaleur, °C ;
∆t wgr - la différence entre la température de l'eau sortant de la tour de refroidissement et la température de l'air qui lui est fourni selon le thermomètre humide, °C ;
∆t min - différence de température minimale (différence de température) entre les flux dans la tour de refroidissement (∆t min<∆t wгр), ° С;
G r — débit massique d'air requis par le consommateur, kg/s ;
η in — efficacité du ventilateur ;
∆P in - perte de pression dans les appareils et les conduites du système (pression requise du ventilateur), Pa.

La méthodologie de calcul repose sur les hypothèses suivantes :

Les processus de transfert de chaleur et de masse sont supposés être à l'équilibre,
Il n'y a pas d'apport de chaleur externe dans toutes les zones du système,
La pression de l'air dans le système est égale à la pression atmosphérique (les variations locales de la pression de l'air dues à son injection par un ventilateur ou au passage à travers une résistance aérodynamique sont négligeables, ce qui permet d'utiliser le diagramme I d de l'air humide pour la pression atmosphérique tout au long de la calcul complet du système).

La procédure de calcul technique du système considéré est la suivante (Figure 4) :

1. À l'aide du diagramme I d ou du programme de calcul de l'air humide, des paramètres supplémentaires de l'air ambiant sont déterminés (point « 0 » sur la figure 4) : enthalpie spécifique de l'air i 0, J/kg et teneur en humidité d 0 , kg/kg.
2. L'augmentation de l'enthalpie spécifique de l'air dans le ventilateur (J/kg) dépend du type de ventilateur. Si le moteur du ventilateur n'est pas soufflé (refroidi) par le flux d'air principal, alors :

Si le circuit utilise un ventilateur de type gainable (lorsque le moteur électrique est refroidi par le flux d'air principal), alors :

Où:
η dv — rendement du moteur électrique ;
ρ 0 — densité de l'air à l'entrée du ventilateur, kg/m 3

Où:
B 0 — pression barométrique ambiante, Pa ;
R in est la constante des gaz de l'air, égale à 287 J/(kg.K).

3. Enthalpie spécifique de l'air après le ventilateur (point « 1 »), J/kg.

je 1 = je 0 +∆je dans; (3)

Puisque le processus « 0-1 » se produit à une teneur en humidité constante (d 1 =d 0 =const), alors en utilisant les φ 0, t 0, i 0, i 1 connus, nous déterminons la température de l'air t1 après le ventilateur (point "1").

4. Le point de rosée de l'air ambiant t rosée, °C, est déterminé à partir du φ 0, t 0 connu.

5. Différence de température psychrométrique du flux d'air principal à la sortie de l'échangeur de chaleur (point « 2 ») ∆t 2-4, °C

∆t 2-4 =∆t x +∆t wgr ; (4)

Où:
∆t x est attribué en fonction de conditions de fonctionnement spécifiques dans la plage ~ (0,5…5,0), °C. Il convient de garder à l'esprit que de petites valeurs de ∆t x entraîneront des dimensions relativement grandes de l'échangeur de chaleur. Pour garantir de petites valeurs de ∆t x, il est nécessaire d'utiliser des surfaces de transfert de chaleur très efficaces ;

∆t wgr est sélectionné dans la plage (0,8…3,0), °C ; Des valeurs inférieures de ∆t wgr doivent être prises s'il est nécessaire d'obtenir la température d'eau froide minimale possible dans la tour de refroidissement.

6. Nous acceptons que le processus d'humidification du flux d'air auxiliaire dans la tour de refroidissement de l'état « 2-4 », avec une précision suffisante pour les calculs techniques, se déroule le long de la ligne i 2 =i 4 =const.

Dans ce cas, connaissant la valeur de ∆t 2-4, on détermine les températures t 2 et t 4, points « 2 » et « 4 » respectivement, °C. Pour ce faire, nous trouverons une droite i=const telle qu'entre le point « 2 » et le point « 4 » la différence de température soit la ∆t 2-4 trouvée. Le point « 2 » est situé à l'intersection des lignes i 2 =i 4 =const et teneur en humidité constante d 2 =d 1 =d OS. Le point « 4 » est situé à l'intersection de la droite i 2 =i 4 =const et de la courbe φ 4 = 100 % d'humidité relative.

Ainsi, à l'aide des schémas ci-dessus, nous déterminons les paramètres restants aux points « 2 » et « 4 ».

7. Déterminez t 1w - la température de l'eau à la sortie de la tour de refroidissement, au point « 1w », °C. Dans les calculs, on peut négliger le chauffage de l'eau dans la pompe, donc à l'entrée de l'échangeur thermique (point « 1w ») l'eau aura la même température t 1w

t 1w =t 4 +.∆t wgr ; (5)

8. t 2w - température de l'eau après l'échangeur de chaleur à l'entrée de la tour de refroidissement (point « 2w »), °C

t 2w =t 1 -.∆t m; (6)

9. La température de l'air évacué de la tour de refroidissement dans l'environnement (point « 5 ») t 5 est déterminée par la méthode d'analyse graphique à l'aide d'un diagramme i d (avec une grande commodité, un ensemble de diagrammes Q t et i t peut être utilisés, mais ils sont moins courants, donc dans ce diagramme i d a été utilisé dans les calculs). La méthode spécifiée est la suivante (Fig. 5) :

le point « 1w », caractérisant l'état de l'eau à l'entrée de l'échangeur de chaleur à évaporation indirecte, avec la valeur d'enthalpie spécifique du point « 4 » est placé sur l'isotherme t 1w, séparé de l'isotherme t 4 à une distance ∆t wgr .
A partir du point « 1w » le long de l'isenthalp, nous traçons le segment « 1w - p » de sorte que t p = t 1w - ∆t min.
Sachant que le processus de chauffage de l'air dans la tour de refroidissement se produit à φ = const = 100 %, nous construisons une tangente à φ pr = 1 à partir du point « p » et obtenons le point tangent « k ».
A partir du point de tangence « k » le long de l'isenthalpe (adiabatique, i=const) on trace le segment « k - n » de telle sorte que t n = t k + ∆t min. Cela garantit (fixe) une différence de température minimale entre l'eau refroidie et le flux d'air auxiliaire dans la tour de refroidissement. Cette différence de température garantit le fonctionnement de la tour de refroidissement en mode conception.
Nous traçons une ligne droite du point « 1w » au point « n » jusqu'à ce qu'elle croise la ligne droite t=const= t 2w. Nous obtenons le point « 2w ».
À partir du point « 2w », nous traçons une droite i=const jusqu'à ce qu'elle croise φ pr =const=100 %. On obtient le point « 5 », qui caractérise l'état de l'air en sortie de la tour de refroidissement.
À l'aide du diagramme, nous déterminons la température souhaitée t5 et d'autres paramètres du point « 5 ».

10. Nous composons un système d’équations pour trouver les débits massiques inconnus d’air et d’eau. Charge thermique de la tour de refroidissement par flux d'air auxiliaire, W :

Q gr = G dans (je 5 - je 2); (7)

Q wgr =G ow C pw (t 2w - t 1w); (8)

Où:
C pw est la capacité thermique spécifique de l'eau, J/(kg.K).

Charge thermique de l'échangeur de chaleur le long du flux d'air principal, W :

Q mo = G o (je 1 - je 2); (9)

Charge thermique de l'échangeur de chaleur par débit d'eau, W :

Q wmo =G ow C pw (t 2w - t 1w) ; (10)

Bilan matière par débit d’air :

G o = G dans + G p ; (11)

Bilan thermique pour tour de refroidissement :

Q gr = Q wgr; (12)

Le bilan thermique de l'échangeur de chaleur dans son ensemble (la quantité de chaleur transférée par chaque flux est la même) :

Q wmo =Q mo ; (13)

Bilan thermique combiné de la tour de refroidissement et de l’échangeur thermique à eau :

Q wgr = Q wmo; (14)

11. En résolvant ensemble les équations de (7) à (14), nous obtenons les dépendances suivantes :
débit massique d'air le long du flux auxiliaire, kg/s :

débit massique d'air le long du flux d'air principal, kg/s :

G o = G p ; (16)

Débit massique d'eau à travers la tour de refroidissement le long du flux principal, kg/s :

12. La quantité d'eau nécessaire pour recharger le circuit d'eau de la tour de refroidissement, kg/s :

G wn =(d 5 -d 2)G dans ; (18)

13. La consommation d'énergie dans le cycle est déterminée par la puissance dépensée pour l'entraînement du ventilateur, W :

N dans =G o ∆i dans ; (19)

Ainsi, tous les paramètres nécessaires aux calculs structurels des éléments du système de refroidissement indirect par évaporation de l'air ont été trouvés.

Notez que le flux de travail d'air refroidi fourni au consommateur (point « 2 ») peut être en outre refroidi, par exemple, par humidification adiabatique ou toute autre méthode. A titre d'exemple sur la Fig. 4 indique le point « 3* », correspondant à l'humidification adiabatique. Dans ce cas, les points « 3* » et « 4 » coïncident (Fig. 4).

Aspects pratiques des systèmes de refroidissement par évaporation indirecte

Sur la base de la pratique de calcul des systèmes de refroidissement par évaporation indirecte, il convient de noter qu'en règle générale, le débit auxiliaire est de 30 à 70 % du débit principal et dépend de la capacité de refroidissement potentielle de l'air fourni au système.

Si nous comparons le refroidissement par méthodes adiabatiques et par évaporation indirecte, le diagramme I d montre que dans le premier cas, l'air avec une température de 28 ° C et une humidité relative de 45 % peut être refroidi à 19,5 ° C. , tandis que dans le second cas - jusqu'à 15°C (Fig. 6).

Évaporation « pseudo-indirecte »

Comme mentionné ci-dessus, un système de refroidissement par évaporation indirecte peut atteindre des températures plus basses qu'un système d'humidification adiabatique traditionnel. Il est également important de souligner que la teneur en humidité de l’air souhaité ne change pas. Des avantages similaires par rapport à l’humidification adiabatique peuvent être obtenus grâce à l’introduction d’un flux d’air auxiliaire.

Il existe actuellement peu d’applications pratiques des systèmes de refroidissement par évaporation indirecte. Cependant, des dispositifs au principe de fonctionnement similaire, mais légèrement différent, sont apparus : échangeurs de chaleur air-air avec humidification adiabatique de l'air extérieur (systèmes d'évaporation « pseudo-indirecte », où le deuxième flux dans l'échangeur de chaleur n'est pas quelque partie humidifiée du flux principal, mais un autre circuit totalement indépendant).

De tels dispositifs sont utilisés dans des systèmes avec un grand volume d'air recirculé nécessitant un refroidissement : dans les systèmes de climatisation des trains, des auditoriums à des fins diverses, des centres de traitement de données et d'autres installations.

Le but de leur mise en œuvre est de réduire au maximum la durée de fonctionnement des équipements frigorifiques à compresseur énergivores. Au lieu de cela, pour des températures extérieures allant jusqu'à 25°C (et parfois plus), un échangeur de chaleur air-air est utilisé, dans lequel l'air ambiant recyclé est refroidi par l'air extérieur.

Pour une plus grande efficacité de l'appareil, l'air extérieur est pré-humidifié. Dans les systèmes plus complexes, l'humidification est également réalisée pendant le processus d'échange thermique (injection d'eau dans les canaux de l'échangeur thermique), ce qui augmente encore son efficacité.

Grâce à l'utilisation de telles solutions, la consommation d'énergie actuelle du système de climatisation est réduite jusqu'à 80 %. La consommation annuelle d'énergie dépend de la région climatique de fonctionnement du système ; elle est en moyenne réduite de 30 à 60 % ;

Yuri Khomutsky, rédacteur technique du magazine Climate World

L'article utilise la méthodologie du MSTU. N. E. Bauman pour le calcul du système de refroidissement par évaporation indirecte.

Dans les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation, l’évaporation adiabatique est généralement associée à l’humidification de l’air, mais récemment, le processus est devenu de plus en plus populaire dans le monde et est de plus en plus utilisé pour refroidir « naturellement » l’air.

QU'EST-CE QUE LE REFROIDISSEMENT PAR ÉVAPORATION ?

Le refroidissement par évaporation est à la base de l'un des tout premiers systèmes de refroidissement des locaux inventés par l'homme, où l'air est refroidi grâce à l'évaporation naturelle de l'eau. Ce phénomène est très courant et se produit partout : un exemple serait la sensation de froid que vous ressentez lorsque l'eau s'évapore de la surface de votre corps sous l'influence du vent. La même chose se produit avec l'air dans lequel l'eau est atomisée : comme ce processus se produit sans source d'énergie externe (c'est ce que signifie le mot « adiabatique »), la chaleur nécessaire à l'évaporation de l'eau est extraite de l'air, ce qui, en conséquence, il fait plus froid.

L'utilisation de cette méthode de refroidissement dans les systèmes de climatisation modernes offre une capacité de refroidissement élevée avec une faible consommation d'énergie, puisque dans ce cas, l'électricité est consommée uniquement pour soutenir le processus d'évaporation de l'eau. Dans le même temps, au lieu de composés chimiques, de l'eau ordinaire est utilisée comme liquide de refroidissement, ce qui rend le refroidissement par évaporation plus rentable économiquement et ne nuit pas à l'environnement.

TYPES DE REFROIDISSEMENT PAR ÉVAPORATION

Il existe deux méthodes principales de refroidissement par évaporation : directe et indirecte.

Refroidissement par évaporation directe

Le refroidissement par évaporation directe est le processus consistant à réduire la température de l'air dans une pièce en l'humidifiant directement. En d’autres termes, grâce à l’évaporation de l’eau atomisée, l’air ambiant est refroidi. Dans ce cas, l'humidité est distribuée soit directement dans la pièce à l'aide d'humidificateurs et de buses industriels, soit en saturant l'air soufflé en humidité et en le refroidissant dans une section de l'unité de ventilation.

Il convient de noter que dans des conditions de refroidissement par évaporation directe, une augmentation significative de l'humidité de l'air soufflé dans la pièce est inévitable. Par conséquent, pour évaluer l'applicabilité de cette méthode, il est recommandé de se baser sur la formule connue sous le nom de « indice de température et d’inconfort ». La formule calcule la température confortable en degrés Celsius, en tenant compte des lectures d'humidité et de température sèche (tableau 1). Pour l’avenir, nous notons que le système de refroidissement par évaporation directe n’est utilisé que dans les cas où l’air extérieur en été présente des températures de bulbe sec élevées et de faibles niveaux d’humidité absolue.

Refroidissement par évaporation indirect

Pour augmenter l’efficacité du refroidissement par évaporation lorsque l’humidité de l’air extérieur est élevée, il est recommandé de combiner le refroidissement par évaporation avec la récupération de chaleur. Cette technologie est connue sous le nom de « refroidissement par évaporation indirect » et convient à presque tous les pays du monde, y compris les pays aux climats très humides.

Le schéma général de fonctionnement d'un système d'alimentation et de ventilation avec récupération est que l'air chaud soufflé, passant à travers une cassette d'échange thermique spéciale, est refroidi par l'air frais évacué de la pièce. Le principe de fonctionnement du refroidissement par évaporation indirect est l'installation d'un système d'humidification adiabatique dans le conduit d'évacuation des climatiseurs centraux de soufflage et d'évacuation, avec transfert ultérieur du froid à travers le récupérateur vers l'air soufflé.

Comme le montre l'exemple, grâce à l'utilisation d'un échangeur de chaleur à plaques, l'air extérieur du système de ventilation est refroidi de 6 °C. L'utilisation du refroidissement par évaporation de l'air évacué augmentera la différence de température de 6°C à 10°C sans augmenter la consommation d'énergie et les niveaux d'humidité intérieure. L'utilisation du refroidissement par évaporation indirect est efficace pour les flux thermiques élevés, par exemple dans les bureaux et centres commerciaux, les centres de données, les locaux industriels, etc.

Système de refroidissement indirect utilisant l'humidificateur adiabatique CAREL humiFog :

Cas : Estimation des coûts d'un système de refroidissement adiabatique indirect par rapport au refroidissement par refroidisseurs.

Prenons l'exemple d'un centre de bureaux avec une résidence permanente de 2000 personnes.

Modalités de paiement
Teneur en température et humidité extérieures :	+32ºС, 10,12 g/kg (indicateurs pris pour Moscou)
Température ambiante:	+20 ºС
Système de ventilation:	4 unités de soufflage et d'extraction d'une capacité de 30 000 m3/h (soufflage d'air selon normes sanitaires)
Puissance du système de refroidissement, ventilation comprise :	2500 kW
Température de l'air soufflé :	+20 ºС
Température de l'air extrait :	+23 ºС
Efficacité sensible de la récupération de chaleur :	65%
Système de refroidissement central :	Système refroidisseur-ventilo-convecteur avec température de l'eau 7/12ºС

Calcul

Pour effectuer le calcul, nous calculons l'humidité relative de l'air évacué.
À une température dans le système de refroidissement de 7/12 °C, le point de rosée de l'air évacué, compte tenu des dégagements d'humidité internes, sera de +8 °C.
L'humidité relative de l'air évacué sera de 38 %.

*Il faut tenir compte du fait que le coût d'installation d'un système de réfrigération, en tenant compte de tous les coûts, est nettement plus élevé que celui des systèmes de refroidissement indirects.

Dépenses en capital

Pour analyse, nous prenons le coût de l'équipement - des refroidisseurs pour le système de réfrigération et un système d'humidification pour le refroidissement par évaporation indirect.

Coût d’investissement pour le refroidissement de l’air soufflé pour un système de refroidissement indirect.

Le coût d'un rack d'humidification Optimist fabriqué par Carel (Italie) dans une centrale de traitement d'air est de 7570 €.

Coûts d'investissement pour le refroidissement de l'air soufflé sans système de refroidissement indirect.

Le coût d'un refroidisseur d'une capacité de refroidissement de 62,3 kW est d'environ 12 460 €, sur la base d'un coût de 200 € pour 1 kW de capacité de refroidissement. Il faut tenir compte du fait que le coût d'installation d'un système de réfrigération, tous coûts confondus, est nettement plus élevé que celui des systèmes de refroidissement indirect.

Les coûts d'exploitation

Pour l'analyse, nous supposons que le coût de l'eau du robinet est de 0,4 € pour 1 m3 et que le coût de l'électricité est de 0,09 € pour 1 kW/h.

Coûts d'exploitation pour le refroidissement de l'air soufflé pour un système de refroidissement indirect.

La consommation d'eau pour le refroidissement indirect est de 117 kg/h pour une unité de soufflage et d'évacuation, en tenant compte des pertes de 10 %, nous la prendrons à 130 kg/h ;

La consommation électrique du système d'humidification est de 0,375 kW pour une centrale de traitement d'air.

Le coût horaire total est de 0,343 € pour 1 heure de fonctionnement du système.

Coûts d'exploitation pour le refroidissement de l'air soufflé sans système de refroidissement indirect.

La puissance frigorifique requise est de 62,3 kW par centrale de traitement d'air.

On prend le coefficient de refroidissement égal à 3 (le rapport entre la puissance de refroidissement et la consommation électrique).

Le coût horaire total est de 7,48 € pour 1 heure de fonctionnement.

Conclusion

L’utilisation du refroidissement par évaporation indirect vous permet de :

Réduisez les coûts d’investissement pour le refroidissement de l’air soufflé de 39 %.

Réduire la consommation d'énergie des systèmes de climatisation du bâtiment de 729 kW à 647 kW, soit de 11,3 %.

Réduire les coûts d'exploitation des systèmes de climatisation des bâtiments de 65,61 €/heure à 58,47 €/heure, soit de 10,9 %.

Ainsi, bien que le refroidissement par air neuf représente environ 10 à 20 % des besoins totaux de refroidissement des bureaux et des centres commerciaux, c'est ici qu'il existe les plus grandes réserves pour augmenter l'efficacité énergétique d'un bâtiment sans augmentation significative du capital. frais.

L'article a été préparé par les spécialistes de TERMOKOM pour publication dans le magazine ON n° 6-7 (5) juin-juillet 2014 (pp. 30-35)

2018-08-15

L'utilisation de systèmes de climatisation (ACS) avec refroidissement par évaporation comme l'une des solutions économes en énergie dans la conception de bâtiments et de structures modernes.

Aujourd’hui, les systèmes de ventilation et de climatisation sont les consommateurs les plus courants d’énergie thermique et électrique dans les bâtiments administratifs et publics modernes. Lors de la conception de bâtiments publics et administratifs modernes visant à réduire la consommation d'énergie des systèmes de ventilation et de climatisation, il est logique d'accorder une préférence particulière à la réduction de la puissance au stade de l'obtention des spécifications techniques et de la réduction des coûts d'exploitation. La réduction des coûts d’exploitation est la plus importante pour les propriétaires ou les locataires. Il existe de nombreuses méthodes toutes faites et diverses mesures pour réduire les coûts énergétiques des systèmes de climatisation, mais dans la pratique, le choix de solutions économes en énergie est très difficile.

L'un des nombreux systèmes CVC qui peuvent être considérés comme économes en énergie sont les systèmes de climatisation à refroidissement par évaporation abordés dans cet article.

Ils sont utilisés dans les locaux résidentiels, publics et industriels. Le processus de refroidissement par évaporation dans les systèmes de climatisation est assuré par des chambres à buses, des dispositifs à film, à buses et à mousse. Les systèmes considérés peuvent avoir un refroidissement par évaporation direct, indirect ou à deux étages.

Parmi les options ci-dessus, l'équipement de refroidissement par air le plus économique est le système de refroidissement direct. Pour eux, il est supposé que l'équipement standard sera utilisé sans l'utilisation de sources supplémentaires de froid artificiel et d'équipements de réfrigération.

Un diagramme schématique d'un système de climatisation avec refroidissement par évaporation directe est présenté sur la Fig. 1.

Les avantages de tels systèmes incluent des coûts de maintenance minimes pendant le fonctionnement, ainsi que la fiabilité et la simplicité de conception. Leurs principaux inconvénients sont l'incapacité de maintenir les paramètres de soufflage d'air, l'exclusion de la recirculation dans les locaux desservis et la dépendance aux conditions climatiques extérieures.

La consommation d'énergie dans de tels systèmes est réduite au mouvement de l'air et de l'eau recirculée dans les humidificateurs adiabatiques installés dans le climatiseur central. Lors de l’utilisation de l’humidification adiabatique (refroidissement) dans les climatiseurs centraux, il est nécessaire d’utiliser de l’eau de qualité potable. L’utilisation de tels systèmes peut être limitée dans les zones climatiques à prédominance sèche.

Les domaines d'application des systèmes de climatisation avec refroidissement par évaporation sont des objets qui ne nécessitent pas de maintien précis des conditions de chaleur et d'humidité. Ils sont généralement gérés par des entreprises de diverses industries, où un moyen peu coûteux de refroidir l'air intérieur est nécessaire dans des conditions d'intensité thermique élevée des locaux.

La prochaine option pour un refroidissement économique de l’air dans les systèmes de climatisation est l’utilisation du refroidissement par évaporation indirecte.

Un système avec un tel refroidissement est le plus souvent utilisé dans les cas où les paramètres de l'air intérieur ne peuvent pas être obtenus par refroidissement par évaporation directe, ce qui augmente la teneur en humidité de l'air soufflé. Dans le schéma « indirect », l'air soufflé est refroidi dans un échangeur de chaleur de type récupérateur ou régénératif en contact avec un flux d'air auxiliaire refroidi par refroidissement évaporatif.

Un schéma de variante d'un système de climatisation avec refroidissement par évaporation indirect et utilisation d'un échangeur de chaleur rotatif est illustré à la Fig. 2. Le schéma du SCR avec refroidissement par évaporation indirect et utilisation d'échangeurs de chaleur à récupération est illustré à la Fig. 3.

Les systèmes de climatisation à refroidissement par évaporation indirecte sont utilisés lorsque l’air soufflé est requis sans déshumidification. Les paramètres d'air requis sont pris en charge par des ferme-portes locaux installés dans la pièce. La détermination du débit d'air soufflé s'effectue selon les normes sanitaires, ou en fonction du bilan d'air de la pièce.

Les systèmes de climatisation à refroidissement par évaporation indirect utilisent l’air extérieur ou l’air évacué comme air auxiliaire. Si des ferme-portes locaux sont disponibles, ces derniers sont préférés, car ils augmentent l'efficacité énergétique du processus. Il convient de noter que l'utilisation de l'air évacué comme air auxiliaire n'est pas autorisée en présence d'impuretés toxiques et explosives, ainsi que d'une teneur élevée en particules en suspension contaminant la surface d'échange thermique.

L'air extérieur est utilisé comme flux auxiliaire dans le cas où le flux d'air évacué dans l'air soufflé à travers des fuites dans l'échangeur de chaleur (c'est-à-dire l'échangeur de chaleur) est inacceptable.

Le flux d'air auxiliaire est nettoyé dans des filtres à air avant d'être alimenté pour l'humidification. Une conception de système de climatisation avec des échangeurs de chaleur régénératifs offre une plus grande efficacité énergétique et des coûts d’équipement inférieurs.

Lors de la conception et de la sélection de circuits pour systèmes de climatisation à refroidissement par évaporation indirect, il est nécessaire de prendre en compte des mesures de régulation des processus de récupération de chaleur pendant la saison froide afin d'éviter le gel des échangeurs de chaleur. Il est nécessaire de prévoir un réchauffage de l'air évacué devant l'échangeur thermique, en contournant une partie de l'air soufflé dans un échangeur thermique à plaques et en régulant la vitesse de rotation dans l'échangeur thermique rotatif.

L'utilisation de ces mesures empêchera le gel des échangeurs de chaleur. Également dans les calculs lors de l'utilisation de l'air évacué comme flux auxiliaire, il est nécessaire de vérifier le fonctionnement du système pendant la saison froide.

Un autre système de climatisation économe en énergie est un système de refroidissement par évaporation à deux étages. Le refroidissement par air dans ce schéma est assuré en deux étapes : méthodes par évaporation directe et par évaporation indirecte.

Les systèmes « à deux étages » permettent un réglage plus précis des paramètres de l'air à la sortie du climatiseur central. De tels systèmes de climatisation sont utilisés dans les cas où un refroidissement plus important de l'air soufflé est requis par rapport au refroidissement par évaporation direct ou indirect.

Le refroidissement de l'air dans les systèmes à deux étages est assuré dans des échangeurs de chaleur à plaques régénératifs ou dans des échangeurs de chaleur à surface avec un liquide de refroidissement intermédiaire utilisant un flux d'air auxiliaire - dans le premier étage. Le refroidissement de l'air dans les humidificateurs adiabatiques en est à la deuxième étape. Les exigences de base pour le débit d'air auxiliaire, ainsi que pour vérifier le fonctionnement du SCR pendant la saison froide, sont similaires à celles appliquées aux circuits SCR avec refroidissement par évaporation indirect.

L'utilisation de systèmes de climatisation avec refroidissement par évaporation vous permet d'obtenir de meilleurs résultats qui ne peuvent être obtenus avec des machines frigorifiques.

L'utilisation de systèmes SCR avec refroidissement par évaporation par évaporation, indirect et à deux étages permet, dans certains cas, d'abandonner l'utilisation de machines frigorifiques et de réfrigération artificielle, ainsi que de réduire considérablement la charge de réfrigération.

En utilisant ces trois systèmes, l’efficacité énergétique dans le traitement de l’air est souvent obtenue, ce qui est très important lors de la conception de bâtiments modernes.

Histoire des systèmes de refroidissement par évaporation de l'air

Au fil des siècles, les civilisations ont trouvé des méthodes originales pour lutter contre la chaleur sur leurs territoires. Une des premières formes de système de refroidissement, le « coupe-vent », a été inventée il y a plusieurs milliers d'années en Perse (Iran). Il s'agissait d'un système de puits de vent sur le toit qui captait le vent, le faisait passer à travers l'eau et soufflait de l'air refroidi à l'intérieur. Il est à noter que beaucoup de ces bâtiments avaient également des cours avec de grandes réserves d'eau, donc s'il n'y avait pas de vent, alors en raison du processus naturel d'évaporation de l'eau, l'air chaud montant vers le haut évaporait l'eau de la cour, après quoi l'air déjà refroidi traversait le bâtiment. Aujourd'hui, l'Iran a remplacé les « capteurs de vent » par des refroidisseurs par évaporation et les utilise largement, et le marché iranien, en raison du climat sec, atteint un chiffre d'affaires de 150 000 évaporateurs par an.

Aux États-Unis, le refroidisseur par évaporation a fait l'objet de nombreux brevets au XXe siècle. Beaucoup d'entre eux, datant de 1906, proposaient l'utilisation de copeaux de bois comme joint d'étanchéité, transportant de grandes quantités d'eau en contact avec l'air en mouvement et entretenant une évaporation intense. La conception standard du brevet de 1945 comprend un réservoir d'eau (généralement équipé d'un robinet à flotteur pour régler le niveau), une pompe pour faire circuler l'eau à travers les tampons de copeaux de bois et un ventilateur pour souffler de l'air à travers les tampons dans les espaces de vie. Cette conception et ces matériaux restent au cœur de la technologie des refroidisseurs par évaporation dans le sud-ouest des États-Unis. Dans cette région, ils sont également utilisés pour augmenter l’humidité.

Le refroidissement par évaporation était courant dans les moteurs d'avion des années 1930, comme le moteur du dirigeable Beardmore Tornado. Ce système a été utilisé pour réduire ou éliminer complètement le radiateur, qui autrement créerait une traînée aérodynamique importante. Des unités de refroidissement par évaporation externes ont été installées sur certains véhicules pour refroidir l'intérieur. Ils étaient souvent vendus comme accessoires supplémentaires. L'utilisation de dispositifs de refroidissement par évaporation dans les automobiles s'est poursuivie jusqu'à ce que la climatisation à compression de vapeur se généralise.

Le refroidissement par évaporation est un principe différent de celui des unités de réfrigération à compression de vapeur, bien qu'ils nécessitent également une évaporation (l'évaporation fait partie du système). Dans le cycle de compression de vapeur, une fois le réfrigérant évaporé à l'intérieur du serpentin de l'évaporateur, le gaz de refroidissement est comprimé et refroidi, se condensant sous pression pour devenir liquide. Contrairement à ce cycle, dans un refroidisseur par évaporation, l’eau ne s’évapore qu’une seule fois. L'eau évaporée dans le dispositif de refroidissement est évacuée dans un espace avec de l'air refroidi. Dans une tour de refroidissement, l'eau évaporée est évacuée par le flux d'air.

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Union des Soviétiques

Socialiste

Républiques

Comité d'État

URSS pour les inventions et les découvertes (53) UDC 629. 113. .06.628.83 (088.8) (72) Auteurs de l'invention

V. S. Maisotsenko, A. B. Tsimerman, M. G. et I. N. Pecherskaya

Institut de génie civil d'Odessa (71) Candidat (54) CLIMATISEUR ÉVAPORATOIRE À DEUX ÉTAGES

REFROIDISSEMENT POUR VÉHICULE

L'invention concerne le domaine de la technique des transports et peut être utilisée pour la climatisation des véhicules.

On connaît des climatiseurs pour véhicules qui contiennent une buse d'évaporateur à fentes d'air avec des canaux d'air et d'eau séparés les uns des autres par des parois constituées de plaques microporeuses, tandis que la partie inférieure de la buse est immergée dans un bac contenant du liquide (1).

L'inconvénient de ce climatiseur est la faible efficacité du refroidissement par air.

La solution technique la plus proche de l'invention est un climatiseur de refroidissement par évaporation à deux étages pour véhicule, contenant un échangeur de chaleur, un bac de liquide dans lequel est immergée la buse, une chambre de refroidissement du liquide entrant dans l'échangeur de chaleur avec des éléments de refroidissement supplémentaires. refroidissement du liquide, et un canal pour amener de l'air du milieu extérieur dans la chambre, réalisé en se rétrécissant vers l'entrée de la chambre (2

Dans ce compresseur, les éléments de refroidissement supplémentaire de l'air sont réalisés sous forme de buses.

Cependant, l'efficacité de refroidissement de ce compresseur est également insuffisante, puisque la limite du refroidissement par air dans ce cas est la température humide du flux d'air auxiliaire dans le bac.

10 De plus, le climatiseur connu est structurellement complexe et contient des composants en double (deux pompes, deux réservoirs).

L'objectif de l'invention est d'augmenter le degré d'efficacité de refroidissement et la compacité du dispositif.

L'objectif est atteint grâce au fait que dans le climatiseur proposé, les éléments de refroidissement supplémentaire sont réalisés sous la forme d'une cloison d'échange thermique située verticalement et fixée à l'une des parois de la chambre avec formation d'un espace entre celle-ci et la paroi de la chambre. en face, et

25, du côté d'une des surfaces de la cloison, un réservoir est installé avec du liquide s'écoulant le long de ladite surface de la cloison, tandis que la chambre et le plateau sont réalisés d'une seule pièce.

La buse est réalisée sous la forme d'un bloc de matériau capillaire-poreux.

En figue. 1 montre un diagramme schématique d'un climatiseur; 2 rares A-A sur la Fig. 1.

Le climatiseur se compose de deux étapes de refroidissement de l'air : la première étape refroidit l'air dans l'échangeur thermique 1, la deuxième étape le refroidit dans la buse 2, qui se présente sous la forme d'un bloc de matériau capillaire-poreux.

Un ventilateur 3 est installé devant l'échangeur de chaleur, entraîné en rotation par un moteur électrique 4°. Pour faire circuler l'eau dans l'échangeur de chaleur, une pompe à eau 5 est installée coaxialement au moteur électrique, fournissant de l'eau par les canalisations 6 et 7 de. chambre 8 au réservoir 9 avec du liquide. L'échangeur thermique 1 est installé sur un plateau 10, rendu solidaire de l'enceinte

8. Un canal est adjacent à l'échangeur de chaleur

11 pour fournir de l'air provenant de l'environnement extérieur, tandis que le canal est réalisé en se rétrécissant dans le plan en direction de l'entrée 12 de la cavité d'air.

13 chambres 8. Des éléments de refroidissement par air supplémentaire sont placés à l'intérieur de la chambre. Ils sont réalisés sous la forme d'une cloison d'échange thermique 14, située verticalement et fixée à la paroi 15 de la chambre, à l'opposé de la paroi 16, par rapport à laquelle est située la cloison avec un interstice. La cloison divise la chambre en deux cavités communicantes. 17 et 18.

La chambre est munie d'une fenêtre 19, dans laquelle un éliminateur de gouttes 20 est installé, et une ouverture 21 est pratiquée sur la palette. Lorsque le climatiseur fonctionne, le ventilateur 3 entraîne le flux d'air total à travers l'échangeur de chaleur 1. Dans ce cas. , le flux d'air total L est refroidi, et une partie de celui-ci constitue le flux principal L

Grâce à l'exécution du canal 11 se rétrécissant vers le trou d'entrée 12 ! cavité 13, le débit augmente et l'air extérieur est aspiré dans l'espace formé entre le canal mentionné et le trou d'entrée, augmentant ainsi la masse du flux auxiliaire. Ce flux pénètre dans la cavité 17. Puis ce flux d'air, contournant la cloison 14, pénètre dans la cavité de chambre 18, où il se déplace dans le sens inverse de son déplacement dans la cavité 17. Dans la cavité 17, un film 22 de liquide s'écoule le long de la cloison en direction du mouvement du flux d'air - eau du réservoir 9.

Lorsque le flux d'air et l'eau entrent en contact, sous l'effet de l'évaporation, la chaleur de la cavité 17 est transférée à travers la cloison 14 jusqu'au film d'eau 22, favorisant son évaporation supplémentaire. Après cela, un flux d'air à température plus basse pénètre dans la cavité 18. Ceci, à son tour, conduit à une diminution encore plus importante de la température de la cloison 14, ce qui provoque un refroidissement supplémentaire du flux d'air dans la cavité 17. Par conséquent, la température du flux d'air diminuera à nouveau après avoir contourné la cloison et entré la cavité

18. Théoriquement, le processus de refroidissement se poursuivra jusqu'à ce que sa force motrice devienne nulle. Dans ce cas, la force motrice du processus de refroidissement par évaporation est la différence psychométrique de température du flux d'air après sa rotation par rapport à la cloison et son entrée en contact avec le film d'eau dans la cavité 18. Puisque le flux d'air est pré-refroidi dans cavité 17 à taux d'humidité constant, l'écart psychrométrique de température du flux d'air dans la cavité 18 tend vers zéro à l'approche du point de rosée. Par conséquent, la limite du refroidissement par eau est ici la température du point de rosée de l’air extérieur. La chaleur de l'eau pénètre dans le flux d'air dans la cavité 18, tandis que l'air est chauffé, humidifié et libéré dans l'atmosphère à travers la fenêtre 19 et l'éliminateur de gouttes 20.

Ainsi, dans la chambre 8, un mouvement à contre-courant des fluides caloporteurs est organisé, et la cloison séparatrice d'échange thermique permet de pré-refroidir indirectement le flux d'air amené à refroidir l'eau grâce au processus d'évaporation de l'eau. l'eau refroidie s'écoule le long de la cloison jusqu'au fond de la chambre, et comme cette dernière est complétée d'un seul tenant avec le plateau, elle est alors pompée dans l'échangeur de chaleur 1 et est également consacrée au mouillage de la buse en raison des forces intracapillaires.

Ainsi, le flux principal d'air.L.", ayant été prérefroidi sans modification de la teneur en humidité dans l'échangeur thermique 1, est fourni pour un refroidissement ultérieur à la buse 2. Ici, en raison de l'échange de chaleur et de masse entre la surface mouillée de la buse et le flux d'air principal, ce dernier est humidifié et refroidi sans modifier son contenu calorifique. Ensuite, le flux d'air principal traverse l'ouverture du bac.

59 oui ça refroidit, en refroidissant en même temps la cloison. Pénétrer dans la cavité

17 de la chambre, le flux d'air circulant autour de la cloison est également refroidi, mais il n'y a pas de changement de teneur en humidité. Réclamer

1. Climatiseur de refroidissement par évaporation à deux étages pour véhicule, contenant un échangeur de chaleur, un sous-réservoir de liquide dans lequel la buse est immergée, une chambre pour refroidir le liquide entrant dans l'échangeur de chaleur avec des éléments pour un refroidissement supplémentaire du liquide. , et un canal pour amener de l'air de l'environnement extérieur dans la chambre, réalisé en se rétrécissant en direction de l'entrée de la chambre, c'est-à-dire en ce que pour augmenter le degré d'efficacité de refroidissement et la compacité du compresseur, les éléments de refroidissement supplémentaire de l'air sont réalisés sous la forme d'une cloison d'échange thermique située verticalement et montée sur l'une des parois de la chambre avec formation d'un espace entre elle et la paroi de la chambre opposée, et du côté de l'une des parois de la cloison, un réservoir est installé avec du liquide s'écoulant le long de ladite surface de la cloison, tandis que la chambre et le plateau ne forment qu'un tout. .

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