Испарительное охлаждение

Испарительное охлаждение — это физический процесс снижения температуры воздуха или жидкости за счёт испарения воды или другой летучей жидкости. В основе процесса лежит поглощение тепла при фазовом переходе жидкости в пар (скрытая теплота парообразования), что приводит к охлаждению оставшейся жидкости или окружающей газовой среды. Испарительное охлаждение применяется в системах кондиционирования, промышленных установках, теплоэнергетике и бытовых приборах.

Физические основы

Процесс испарительного охлаждения основан на законе сохранения энергии. Для испарения 1 грамма воды требуется приблизительно 2450 Дж тепла (при температуре 20 °C). Это тепло отбирается от окружающей среды — воздуха, поверхности или самой жидкости.

Различают два основных механизма испарительного охлаждения:

• Прямое испарительное охлаждение — воздух охлаждается за счёт непосредственного контакта с водой. Вода испаряется, поглощая тепло из воздуха, температура которого падает, а влажность возрастает.
• Косвенное испарительное охлаждение — охлаждение происходит через теплообменник. Одна часть воздуха (или жидкости) охлаждается за счёт испарения воды, а затем охлаждает другой поток через стенку теплообменника, не смешиваясь с влажным воздухом. Влажность основного потока не увеличивается.

Эффективность испарительного охлаждения зависит от относительной влажности воздуха: чем ниже влажность, тем интенсивнее испарение и тем сильнее охлаждение. При 100 % влажности процесс практически прекращается.

История

Самые ранние свидетельства использования испарительного охлаждения относятся к Древнему Египту, где для охлаждения воздуха в жилых помещениях применяли мокрые циновки, развешиваемые на окнах. В Древней Персии (Иран) строили ветровые башни (бадгиры) и купола с водными каналами, обеспечивающие естественное испарительное охлаждение.

В XVIII—XIX веках в промышленности применяли градирни — устройства для охлаждения воды в паровых двигателях и на заводах с использованием испарения. В 1902 году американский инженер Уиллис Кэрриер создал первую систему кондиционирования, использующую принцип как испарительного, так и компрессионного охлаждения, что положило начало современному HVAC-оборудованию.

В СССР с 1930-х годов разрабатывались и внедрялись испарительные охладители для промышленных нужд и сельского хозяйства (птицефабрики, теплицы). В середине XX века в регионах с жарким сухим климатом (Средняя Азия, Казахстан) получили распространение бытовые испарительные кондиционеры — «кулеры».

Классификация и виды

Испарительное охлаждение подразделяется на несколько типов по принципу действия и конструкции.

По способу организации потока

• Открытые — вода испаряется в свободный объём (бассейны, фонтаны, полив дорог).
• Закрытые — испарение происходит внутри теплообменного аппарата (градирни, абсорберы).

По типу контакта фаз

• Прямой контакт — воздух и вода смешиваются (мокрые воздухоохладители, кондиционеры с водяной завесой).
• Косвенный контакт — теплопередача через стенку (пластинчатые теплообменники, косвенно-испарительные установки).

По направлению движения воды и воздуха

• Противоток — вода и воздух движутся навстречу друг другу (наиболее эффективно, используется в промышленных градирнях).
• Поперечный ток — вода стекает сверху вниз, а воздух проходит горизонтально (компактные бытовые охладители).
• Прямоток — оба потока движутся в одном направлении (менее эффективно, редко применяется).

По конструктивному исполнению

• Градирни — башни или аппараты для охлаждения воды в оборотных системах водоснабжения. Бывают вентиляторные (с принудительной тягой) и башенные (естественная тяга).
• Испарительные кондиционеры (кулеры) — бытовые и промышленные устройства, в которых вентилятор продувает воздух через влажную насадку (целлюлозные, полимерные или керамические соты).
• Мокрые воздухоохладители — аппараты прямого испарительного охлаждения воздуха с распылением воды (форсунки, вращающиеся диски).
• Абсорберы — устройства, в которых водяной пар поглощается раствором абсорбента (например, бромистого лития) с последующей регенерацией.

Устройство и характеристики

Современный испарительный охладитель прямого типа состоит из следующих основных элементов:

• Вентилятор (осевой или центробежный) — создаёт поток воздуха.
• Увлажняющая насадка (испарительная панель) — пористая структура, удерживающая воду (целлюлоза, полипропилен, керамика). Чем больше площадь поверхности насадки, тем выше эффективность.
• Водяной контур — насос, резервуар, распределительные трубки для подачи воды на насадку.
• Корпус — защищает внутренние элементы и направляет воздушный поток.
• Автоматика — датчики температуры и влажности, контроллер, регулирующий скорость вентилятора и подачу воды.

Ключевые характеристики:

• Производительность по воздуху — (м³/ч);
• Расход воды (л/ч);
• Эффективность охлаждения (КПД) — отношение реального снижения температуры к теоретически максимальному (разность температур воздуха по сухому и мокрому термометру). Обычно составляет 70–95 %;
• Потребляемая мощность (Вт) — в первую очередь определяется вентилятором и насосом. Испарительное охлаждение потребляет значительно меньше электроэнергии, чем компрессионные кондиционеры (на 50–80 % меньше).

Применение

Промышленность

• Охлаждение оборотной воды на тепловых и атомных электростанциях (градирни). В России градирни используются на многих ТЭС, например, на Костромской ГРЭС и Нововоронежской АЭС.
• Охлаждение технологических сред в химической, нефтехимической и металлургической промышленности.
• Создание микроклимата на птицефабриках, свинокомплексах, тепличных хозяйствах.
• Охлаждение воздуха в цехах машиностроительных и пищевых предприятий.

Сельское хозяйство

• Испарительные кулеры в птичниках и коровниках позволяют поддерживать оптимальную температуру в жаркий период, снижая падёж и повышая продуктивность.

Бытовое и коммерческое

• Портативные испарительные кондиционеры (кулеры) — популярны в регионах с сухим климатом (Юг России, Казахстан, Средняя Азия). Они дешевле компрессорных кондиционеров, потребляют мало энергии, не содержат фреонов.
• Охлаждение воздуха на открытых верандах, террасах, в павильонах, на строительных объектах.
• Охлаждение технических помещений (серверные, электрошкафы) в условиях, где невозможна установка традиционных кондиционеров.

Теплоэнергетика

• Водяные градирни — важный элемент замкнутых систем охлаждения. В России большинство крупных ТЭС используют градирни башенного или вентиляторного типа (например, на Рефтинской ГРЭС, Сургутской ГРЭС-1, Заинской ГРЭС).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Низкое энергопотребление (основные затраты — на вентилятор и насос);
• Простота конструкции и обслуживания (нет компрессора, конденсатора, фреона);
• Экологическая безопасность — не используются озоноразрушающие хладагенты;
• Низкая стоимость изготовления и эксплуатации;
• Увлажнение воздуха, что полезно в сухом климате.

Недостатки

• Эффективность резко падает при высокой влажности воздуха (выше 65–70 %);
• Прямое испарительное охлаждение увеличивает влажность в помещении, что может быть дискомфортным;
• Риск биологического загрязнения (бактерии, плесень) в водяном контуре при несвоевременной очистке;
• Ограниченное снижение температуры — обычно не более чем на 10–15 °C относительно температуры наружного воздуха;
• Требуется источник воды и её очистка от солей жёсткости для предотвращения накипи.

Испарительное охлаждение в России

В России испарительное охлаждение наиболее востребовано в регионах с жарким сухим климатом — на юге (Краснодарский край, Ставрополье, Ростовская область, Крым), в Поволжье (Астраханская, Волгоградская области), на Урале (Оренбургская область) и в Сибири (Алтайский край). Бытовые испарительные кондиционеры («кулеры») широко распространены в частных домах и на дачах, особенно в районах, где центральное водоснабжение позволяет использовать недорогие устройства.

Промышленные градирни являются неотъемлемой частью отечественной теплоэнергетики. Крупнейшие производители градирного оборудования в РФ — ООО «Градирни», НПО «Тепломаш», заводы «Энергомаш» и «Композит». Разработки российских инженеров направлены на повышение эффективности (использование полимерных насадок, капельных уловителей, автоматизации).

Перспективы развития

Современные направления совершенствования испарительного охлаждения включают:

• Разработку гибридных систем, сочетающих прямое и косвенное испарительное охлаждение с компрессионными кондиционерами;
• Использование наноматериалов для увеличения площади испарения и снижения гидравлического сопротивления;
• Применение систем с рекуперацией тепла и воды;
• Внедрение «зелёных» технологий — солнечных панелей для питания насосов и вентиляторов, сбор дождевой воды для подпитки градирен.

По мнению специалистов, в условиях глобального потепления и роста цен на электроэнергию испарительное охлаждение будет всё активнее использоваться как в бытовом, так и в промышленном секторе, особенно в регионах с жарким сухим климатом.

Интересные факты

• Температура «мокрого термометра» — физический предел, до которого можно охладить воздух прямым испарительным способом. В пустынях (например, в Средней Азии) эта разница может достигать 20–25 °C, что позволяет эффективно охлаждать помещения без электроэнергии.
• В некоторых экстремальных условиях (например, на Международной космической станции) применяются модифицированные испарительные теплообменники для отвода тепла.
• В Древнем Риме состоятельные граждане использовали фонтаны и водные каналы для естественного испарительного охлаждения в атриумах домов.

Источники

• ГОСТ 31838-2012. Оборудование холодильное. Термины и определения.
• Белова И. Н. Системы кондиционирования воздуха. — М.: Евроклимат, 2018.
• Кутузов А. С. Испарительное охлаждение в промышленности и энергетике. — М.: Энергоатомиздат, 2005.
• *Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Часть 3. Вентиляция и кондиционирование воздуха / под ред. Н. Н. Барановского. — М.: Стройиздат, 2004.
• ASHRAE Handbook — HVAC Systems and Equipment, 2020.