Efektyvus desikantinis vėsinimas: inžinerinė integracijos su absorbciniais čileriais analizė

Autorius: Mycond techninis skyrius

Šiuolaikinės klimato kontrolės technologijos susiduria su svarbiu inžineriniu iššūkiu: kaip vienu metu efektyviai kontroliuoti oro temperatūrą ir drėgmę, kartu mažinant energijos sąnaudas. Tradicinis požiūris, paremtas suspaudiminiu vėsinimu žemiau rasos taško su vėlesniu pakartotiniu pašildymu (reheat), lemia reikšmingus energijos nuostolius. Šios sąnaudos priklauso nuo pradiniių oro parametrų, džiovinimo gylio ir šilumokaičių efektyvumo, ir gali sudaryti 30-50% viso oro kondicionavimo sistemos energijos suvartojimo.

Desikantinis vėsinimas siūlo iš esmės kitokį požiūrį — skirti juntamosios apkrovos (temperatūros) ir latentinių apkrovų (drėgmės) apdorojimo procesus. Ši technologija naudoja adsorbcijos procesą drėgmei pašalinti iš oro, o po to išdžiovintą orą vėsina. Toks metodas leidžia ženkliai padidinti sistemos energinį efektyvumą, ypač esant sąlygoms, kai būtina gili drėgmės kontrolė.

Desikantinio vėsinimo fiziniai pagrindai

Desikantinio vėsinimo pagrindas yra adsorbcija — fizinis vandens molekulių prisijungimas prie kieto adsorbento (desikanto) paviršiaus. Adsorbcija vyksta dėl vandens garų dalinių slėgių skirtumo tarp oro ir desikanto paviršiaus. Šio proceso efektyvumas didele dalimi priklauso nuo adsorbento specifinio paviršiaus ploto, kuris šiuolaikinėms medžiagoms gali siekti 500-800 m²/g.

Prisotintas drėgmės desikantas reikalauja regeneracijos — sugertos drėgmės pašalinimo proceso kaitinant. Temperatūra, reikalinga efektyviai regeneracijai, priklauso nuo desikanto tipo ir siekiamo rasos taško. Tradiciniam silikageliui šis diapazonas yra 80-120°C, o modernioms kompozitinėms medžiagoms gali būti sumažintas iki 60-90°C.

Svarbus adsorbcijos termodinaminis aspektas — sorbcijos šiluma, kuri susideda iš slaptosios kondensacijos šilumos (apie 2500 kJ/kg vandens) ir papildomos cheminės prisijungimo šilumos (100-400 kJ/kg, priklausomai nuo desikanto tipo). Dėl to išdžiovintas oras įkaista, ir tai būtina įvertinti projektuojant vėsinimo sistemą.

Apsvarstykime psichrometrinį pavyzdį: oras, kurio pradiniai parametrai 30°C ir 60% santykinė drėgmė (drėgmės kiekis ~16 g/kg), praeina per desikantinį ratą. Po išdžiovinimo iki 10°C rasos taško (drėgmės kiekis ~7,5 g/kg) oras dėl sorbcijos šilumos įkaista iki ~45°C. Tolimesniam šio išdžiovinto oro vėsinimui reikia mažiau energijos nei tradiciniam vėsinimui su kondensacija.

Desikantinio vėsinimo sistemos komponentai

Sistemos šerdis yra besisukantis desikantinis ratas — cilindrinė konstrukcija iš laikiklio medžiagos (dažniausiai gofruoto aliuminio), padengto adsorbentu. Rato skersmuo nustatomas pagal oro debitus ir apskaičiuojamas taip, kad oro greitis per pjūvį būtų 2,5-3,5 m/s. Rato gylis (10-40 cm) ir sukimosi greitis (10-20 aps./val.) parenkami pagal reikalingą džiovinimo efektyvumą.

Regeneracijos sistema apima regeneracinio oro šildytuvą, kuris užtikrina reikiamą temperatūrą drėgmės desorbcijai. Regeneracinio oro debitas paprastai sudaro 30-40% procesinio srauto, bet gali kisti priklausomai nuo regeneracijos temperatūros ir lauko oro parametrų. Energijos sąnaudos regeneracijai yra 3000-4500 kJ vienam pašalintos drėgmės kilogramui.

Sistemos energiniam efektyvumui didinti naudojamas entalpinis šilumogrąžos ratas, užtikrinantis energijos rekuperaciją tarp oro srautų, kurio efektyvumas siekia 65-80%. Jo efektyvumas priklauso nuo konstrukcijos, sukimosi greičio ir oro srautų išdėstymo schemos.

Absorbciniai čileriai ir integracija su desikantinėmis sistemomis

Absorbcinis čileris — tai šiluminė šaldymo mašina, naudojanti vandenį kaip šaltnešį ir ličio bromidą (LiBr) kaip absorbentą. Darbo principas paremtas keturių komponentų ciklu:

• Garintuvas: vanduo garuoja esant žemam slėgiui (0,6-1,0 kPa) ir žemoje temperatūroje (3-8°C), atimdamas šilumą iš aušinamo vandens
• Absorberis: vandens garai sugeriami koncentruotu LiBr tirpalu, išsiskiriant absorbcijos šilumai, kurią reikia pašalinti
• Generatorius: tirpalas kaitinamas iki 80-95°C (vienpakopėms mašinoms) arba 120-150°C (dvipakopėms), išskiriant vandens garus
• Kondensatorius: garai kondensuojasi, perduodant šilumą aušinimo vandeniui

Naudingumo koeficientas (COP) absorbcinių čilerių yra 0,65-0,8 vienpakopėms ir 1,1-1,4 dvipakopėms mašinoms, tai mažiau nei garosuspaudiminių čilerių (3,0-5,5). Tačiau pagrindinis pranašumas — galimybė naudoti šiluminę energiją vietoje elektros.

Yra trys pagrindinės desikantinio džiovinimo ir absorbcinių čilerių integracijos schemos:

1. Nuosekli schema: oras pirmiausia praeina per desikantinį ratą, kur išdžiovinamas ir įkaitinamas, o tuomet vėsinamas absorbciniu čileriu. Privalumas — nepriklausoma temperatūros ir drėgmės kontrolė.
2. Lygiagreti schema: desikantas apdoroja šviežią lauko orą, pašalindamas drėgmę, o čileris nuima juntamąją šiluminę apkrovą nuo recirkuliuojamo oro. Privalumas — sumažinama bendroji čilerio apkrova.
3. Kogeneracinė schema: vienas šiluminės energijos šaltinis tiekia energiją ir desikanto regeneracijai, ir absorbcinio čilerio generatoriui. Privalumas — maksimali pirminės energijos panauda, bendras naudingumo koeficientas iki 70-85%.

Šių technologijų derinimas sukuria kelis sinerginius efektus:

• Apkrovos perkėlimas nuo pikinio elektros tinklo į šiluminius šaltinius
• Absorbcinės mašinos COP padidėjimas dėl galimybės pakelti aušinamo vandens temperatūrą nuo 6-8°C iki 10-14°C, nes po desikantinio džiovinimo nebereikia gilaus vėsinimo
• Galimybė naudoti žemos temperatūros atliekamą šilumą šiuolaikinių žematemperatūrinių desikantų regeneracijai

Desikantinio vėsinimo sistemų energetinis efektyvumas

Desikantinės vėsinimo sistemos naudingumo koeficientas (COP) apibrėžiamas kaip naudingos šaldymo galios santykis su visų energinių sąnaudų suma. Tipinės COP reikšmės skirtingoms sistemų konfigūracijoms yra 0,5-1,8, ir stipriai priklauso nuo lauko oro parametrų, komponentų efektyvumo ir šiluminės energijos šaltinio.

Šiluminio ciklo efektyvumui įvertinti atskirai nuo elektrinės sudedamosios dalies naudojamas rodiklis thermal COP, kuris įvertina tik terminę energiją. Šis rodiklis ypač svarbus lyginant sistemas su skirtingais energijos šaltiniais.

Lyginant su tradicinėmis vėsinimo-džiovinimo sistemomis, desikantinės sistemos turi pranašumą trimis sąlygomis:

• Aukšta latentinės apkrovos dalis (SHR mažiau nei 0,7)
• Reikalingas žemas rasos taškas (žemiau 7-10°C)
• Prieinama pigi šiluminė energija

Dvipakopė regeneracija — veiksmingas būdas didinti energinį efektyvumą, leidžiantis naudoti skirtingų temperatūrų šilumos šaltinius. Pirma pakopa naudoja žemesnės temperatūros šilumą (60-80°C) daliai drėgmės pašalinti, o antra — aukštesnės temperatūros (80-120°C) gilesnei regeneracijai. Tai leidžia sumažinti aukštos temperatūros energijos sąnaudas 25-40%.

Tipinės taikymo sritys ir projektiniai sprendimai

Desikantinės sistemos su absorbciniais čileriais yra efektyvios įvairiuose taikymuose:

• Supermarketai: atviros vitrinoms būdingos didelės latentinės apkrovos, o desikantinė sistema užtikrina tikslų drėgmės valdymą. Galimas kondensatorių atmetamos šilumos panaudojimas regeneracijai.
• Viešbučiai: šviežias oras atneša pagrindinę latentinę apkrovą, desikantinė sistema leidžia sumažinti čilerio dydį ir sumažinti pikinį elektros suvartojimą.
• Baseinai: intensyvi garavimo apkrova su SHR iki 0,3-0,4, kas idealiai tinka desikantiniam džiovinimui.
• Spindulinio vėsinimo sistemos: reikalauja žemo rasos taško, kad būtų išvengta kondensacijos ant šaltų paviršių.

Projektuojant desikantines vėsinimo sistemas, pagrindiniai aspektai yra:

• Oro srautų skaičiavimas: procesinio oro debitas nustatomas iš drėgmės balanso kaip drėgmės išsiskyrimų santykis su drėgmės kiekio skirtumu.
• Regeneracijos temperatūros parinkimas: aukštesnė temperatūra pagerina džiovinimo gylį, bet didina energijos sąnaudas.
• Optimalus šilumokaičių išdėstymas maksimaliai energijos rekuperacijai.
• Oro nuotėkių tarp zonų minimizavimas: net ir maži nuotėkiai (3-5%) gali smarkiai pabloginti sistemos našumą.

Valdymo sistemos turi užtikrinti efektyvią galios moduliaciją pagal kintamas apkrovas. Veiksmingiausios yra proporcinės valdymo sistemos su PID algoritmais ir prognoziniu valdymu, atsižvelgiančiu į dinaminį sistemos modelį.

Ekonominiai aspektai ir vertinimo metodika

Kapitalinės desikantinių sistemų su absorbciniais čileriais išlaidos paprastai yra 30-50% didesnės, palyginti su tradicinėmis sistemomis. Tačiau papildomas sąnaudas iš dalies kompensuoja mažesnis čilerio dydis ir taupymas elektros prijungimuose.

Eksploatacinės sąnaudos struktūriškai kitokios: vietoje didelio elektros suvartojimo kompresoriams pagrindinę dalį sudaro šiluminė energija regeneracijai. Sistemos ekonominis efektyvumas stipriai priklauso nuo elektros ir šiluminės energijos (dujų) tarifų santykio.

Veiksniai, lemiantys ekonominį tikslingumą:

• Elektros ir dujų tarifų santykis: kritinis parametras, lemiantis eksploatacines išlaidas
• Klimato zona: karštame ir drėgname klimate desikantinių sistemų privalumai ryškesni
• Darbo režimas: objektams, turintiems ilgą vėsinimo sezoną, atsiperkamumas greitesnis
• Pigios šiluminės energijos prieinamumas: atliekamos šilumos buvimas kardinaliai gerina ekonomiką

Atsiperkamumo termino skaičiavimo metodika remiasi metinių eksploatacinių išlaidų skirtumu, padalintu iš papildomų kapitalinių investicijų. Esant tarifams su mokesčiu už pikinę elektros galią, desikantinės sistemos gali suteikti papildomą ekonomiją dėl apkrovos perkėlimo.

Dažniausiai užduodami klausimai

Kuo desikantinis vėsinimas iš esmės skiriasi nuo tradicinio kondicionavimo ir kada jis tikslingas?

Tradicinis kondicionavimas naudoja vieną procesą (vėsinimą žemiau rasos taško), kad vienu metu sumažintų temperatūrą ir drėgmę. Tai reikalauja didelių energijos sąnaudų, ypač gilaus džiovinimo atveju. Pavyzdžiui, norint išdžiovinti orą nuo 30°C/60% RH iki 7°C rasos taško, tradicinė sistema turi atvėsinti orą iki 7°C, o po to jį pašildyti iki komfortinės temperatūros. Energijos sąnaudos pakartotiniam pašildymui gali sudaryti 30-50% bendrų sąnaudų.

Desikantinis vėsinimas atskiria drėgmės (per adsorbciją) ir temperatūros (per vėsinimą) apdorojimą, kas leidžia nepriklausomai valdyti šiuos parametrus. Tai tikslinga, kai:

• Aukšta latentinės apkrovos dalis (SHR < 0,7)
• Reikalingas žemas rasos taškas (žemiau 7-10°C)
• Yra prieinama pigi šiluminė energija

Tikslingumo nustatymo metodika apima apkrovos struktūros (juntamųjų ir latentinių šilumos srautų santykio) skaičiavimą, energijos nešėjų kainos analizę ir alternatyvių sistemų metinių eksploatacinių sąnaudų palyginimą.

Kaip veikia absorbcinis čileris ir kodėl jis efektyviai derinamas su desikantu?

Absorbcinis čileris veikia termocheminiu ciklu, kuriame vanduo naudojamas kaip šaltnešis, o ličio bromidas (LiBr) — kaip absorbentas. Garintuve vanduo esant žemam slėgiui (0,6-1,0 kPa) garuoja 3-8°C temperatūroje, atimdamas šilumą iš aušinamo vandens. Garai sugeriami koncentruotu LiBr tirpalu absorberyje, kuris aušinamas. Praskiestas tirpalas tuomet kaitinamas generatoriuje (80-95°C vienpakopėms mašinoms), kur išsiskiria vandens garai ir patenka į kondensatorių.

Nors absorbcinių čilerių COP (0,65-0,8 vienpakopėms) mažesnis nei elektrinių čilerių (3,0-5,5), jie efektyviai derinami su desikantinėmis sistemomis dėl trijų priežasčių:

1. Abi sistemos naudoja šiluminę energiją, todėl galima naudoti vieną šilumos šaltinį ir perkelti apkrovą nuo elektros tinklo.
2. Išankstinis džiovinimas desikantu leidžia padidinti čilerio aušinamo vandens temperatūrą nuo 6°C iki 12-14°C, pagerinant absorbcinės mašinos COP 10-20%. Pavyzdžiui, pakėlus garintuvo temperatūrą nuo 5°C iki 12°C esant tai pačiai kondensacijos temperatūrai, COP gali padidėti nuo 0,7 iki 0,8-0,85.
3. Galimybė naudoti žemos temperatūros atliekamą šilumą maksimalizuoja bendrą sistemos naudingumą.

Kokius šiluminės energijos šaltinius galima naudoti ir kaip tai veikia ekonomiką?

Šiluminės energijos šaltiniai desikantinėms sistemoms ir absorbciniams čileriams (didėjančių sąnaudų tvarka):

1. Atliekamoji šiluma: pigiausia (dažnai tik rekuperacijos įrangos kaina). Šaltiniai: šaldymo sistemų kondensatoriai (35-45°C), technologiniai procesai (40-90°C), kogeneracinės jėgainės (80-120°C).
2. Saulės energija: amortizavus įrangą, eksploatacinės sąnaudos minimalios. Vakuuminiai kolektoriai gali pasiekti 70-120°C temperatūrą, pakankamą desikantų regeneracijai.
3. Gamtinės dujos: tarifai priklauso nuo regiono ir sezono. Šiuolaikinių degiklių naudingumas yra 85-95%.
4. Elektriniai šildytuvai: brangiausias šaltinis, ekonomiškai tikslingas tik esant išskirtinėms tarifų sąlygoms.

Atliekamos šilumos panaudojimas gali sumažinti eksploatacines sąnaudas 40-70% palyginti su dujiniu šildymu, kas kardinaliai sutrumpina sistemos atsiperkamumą. Pavyzdžiui, prekybos centrui su šaldymo įranga kondensatorių šilumos utilizavimas gali suteikti 50-70% energijos, reikalingos desikanto regeneracijai.

Kokios tipinės klaidos projektuojant desikantines vėsinimo sistemas?

1. Neįvertinta likutinė šiluma: oro džiovinimas nuo 30°C/60% RH iki 10°C rasos taško lemia įkaitimą iki 40-45°C dėl sorbcijos šilumos. Projektuotojai dažnai to neįvertina, dėl ko pritrūksta šaldymo galios. Sprendimas: skaičiuoti bendrą apkrovą, įtraukiant sorbcijos šilumą (2600-2900 kJ/kg pašalintos drėgmės).
2. Neteisingas srautų santykio parinkimas: optimalus regeneracinio ir procesinio srautų santykis priklauso nuo regeneracijos temperatūros ir siekiamo rasos taško. Sprendimas: atlikti skaičiavimus konkrečioms sąlygoms, naudojant medžiagos adsorbcijos izotermas.
3. Ignoruojami oro nuotėkiai: net 5% drėgno regeneracinio oro nuotėkis į išdžiovintą srautą gali padidinti rasos tašką 2-3°C. Sprendimas: kokybiški sandarikliai, sandarumo patikra, teigiamo slėgio palaikymas procesinėje zonoje.
4. Nepakankama filtracija: užterštumas gali sumažinti desikanto talpą 20-50%. Sprendimas: prieš ratą naudoti ne žemesnės nei F7/M5 klasės filtrus.
5. Nepaisoma sezoninio garinimo vėsinimo efektyvumo pokyčio: vasarą esant didelei sausojo ir drėgnojo termometro temperatūrų skirtumui efektyvumas aukštas, žiemą — žemas. Sprendimas: hibridinė schema su atsargine sistema.

Išvados

Desikantinis vėsinimas su absorbciniais čileriais — tai inovatyvi technologija, skirianti juntamąsias ir latentines apkrovas, naudojanti šiluminę energiją vietoje elektros. Toks požiūris leidžia pasiekti reikšmingą energijos taupymą ir lankstų mikroklimato valdymą.

Praktinės rekomendacijos inžinieriams:

1. Rinkitės integracijos schemą pagal apkrovos struktūrą: nuoseklią esant didelei latentinei apkrovai, lygiagretę esant dideliam šviežio oro kiekiui, kogeneracinę — esant kompleksiniams poreikiams.
2. Maksimaliai naudokite atliekamąją arba atsinaujinančią šilumą kaip pagrindinį ekonominio efektyvumo veiksnį.
3. Įvertinkite adsorbcijos likutinę šilumą skaičiuojant sistemos šaldymo galią.

Desikantinės sistemos optimalios, kai latentinis apkrovos santykis su SHR mažesnis nei 0,7, reikalingas rasos taškas žemiau 7-10°C ir prieinama pigi šiluma. Atsiperkamumą lemia energijos nešėjų tarifų santykis, darbo režimas ir šilumos utilizavimo galimybės.

Tačiau yra sąlygų, kai desikantinis vėsinimas neefektyvus: esant žemai latentinei apkrovai, nesant prieigos prie šiluminės energijos, labai sauso klimato sąlygomis, mažiems objektams su trumpais vėsinimo sezonais. Absorbciniai čileriai taip pat turi apribojimų esant žemai aušinamo vandens temperatūrai ir nesant patikimo šiluminės energijos šaltinio.

Šių dviejų technologijų integracija yra labiausiai pagrįsta, kai vienu metu reikalingas gilus džiovinimas ir vėsinimas, kai sinergijos efektas maksimalizuoja bendrą sistemos efektyvumą.