RS20191692A1 - Modulaciono evaporativno hlađenje - Google Patents

Abstract

Pronalazak je metoda za poboljšanje uslova rada vazduhom hlađenih kondenzatora u uslovima visokih temperatura spoljnog vazduha. Tehnički problem sadašnjih evaporativnih sistema je što evaporativni efekat potiče od malog dela tvrde vode koja je u opticaju. Voda recirkuliše umesto da isparava pa je sistem neefikasan, prljanje tvrdom vodom veliko, a upravljanje vodom skupo. Sakupljanjem meke vode iz tri izvora i upravljanjem evaporacijom pomoću depresije vlažnog termometra moguće je dobiti rashladni sistem u kome praktično sva voda isparava, gde je prljanje kondenzatora svedeno na minimum, gde se ne koriste hemikalije, a sistem radi na vrhu efikasnosti 365 dana godišnje.

Description

MODULISANO EVAPORATIVNO HLAĐENJE

II OPIS PRONALASKA

A. Oblast tehnike na koju se pronalazak odnosi

Pronalazak se generalno odnosi na hlađenje vode ili vazduha; u užem smislu pronalazak se odnosi na tehnologiju poboljšanja uslova rada vazduhom hlađenih kondenzatora uz upotrebu rashladnog efekta prirodne ili prisilne evaporacije.

Prema međunarodnoj klasifikaciji patenata predmet pronalaska je označen simbolom F28D5/00.

B. Tehnički problem

Tehnički problem koji se rešava ovim pronalaskom je poboljšanje rada i energetske efikasnosti rashladnih sistema malog do srednjeg kapaciteta sa jednim vazdušnim, evaporativnim ili adijabatskim kondenzatorom u uslovima visokih spoljnih temperatura.

C. Stanje tehnike

Poznat je princip rada kompresionih rashladnih sistema u kojima isparavanje tečnog freona u isparivaču oduzima toplotu vazduha zatvorenog prostora u kome je isparivač smešten. Freon kao gas zatim ulazi u kompresor gde mu se pritisak i temperatura dižu mehaničkim sabijanjem. Tako nastao pregrejan freon se prazni u kondenzator gde se kondenzuje delimično, ili potpuno, ukoliko se sa kondenzatora odvede dovoljna količina toplote. Posle toga freon visokog pritiska i temperature prolazi kroz ekspanzioni ventil gde ekspandira i kao tečnost niskog pritiska i temperature odlazi u isparivač gde opisani ciklus kreće iznova. Procesi u kondenzatoru i isparivaču se intenziviraju prisilnim strujanjem vazduha preko ova dva izmenjivača toplote.

Osnovna funkcija kondenzatora je da što efikasnije ukloni toplotu iz sistema. Najveći broj kondenzatora danas su vazduhom hlađeni kondenzatori. Rashladni kapacitet vazduhom hlađenih sistema je maksimalno 700 kW. Prednosti vazduhom hlađenih sistema su što ne troše vodu za hlađenje, nemaju probleme sa uljem, zahtevaju manje količine freona od vodom hlađenih sistema, nije im potrebna mašinska soba, jeftiniji su u nabavci i imaju bolje performanse od vodom hlađenih sistema pri niskim temperaturama. S druge strane, u periodu visokih temperatura spoljnog vazduha vazdušni kondenzatori rade na višim temperaturama kondenzacije od vodom hlađenih kondenzatora, pa kapacitet kompresora opada od 15 do 20%. Zbog toga se mora koristiti veći kompresor koji troši više energije za isti rashladni efekat. Kod većih jedinica problem može biti buka jer aksijalni ventilatori pomeraju velike količine vazduha. Poseban problem su korozivna ili slana okruženja u kojima aluminijumsko saće bude “pojedeno” posle izvesnog vremena.

U pokušaju da se zadrže prednosti, a eliminišu nedostaci vazduhom hlađenih kondenzatora razvijani su evaporativni i adijabatski kondenzatori koji koriste fizički fenomen evaporacije vode. Evaporativni kondenzatori su kombinacija vazduhom hlađenog kondenzatora i rashladnog tornja i koriste se pre svega u industrijskoj rashladi. Adijabatski kondenzatori su u osnovi vazduhom hlađeni kondenzatori, ali sa prethodno podhlađenim vazduhom na vlažnom medijumu.

Kao reprezentativni primer postojećeg stanja tehnike po pitanju evaporativnih kondenzatora može se uzeti instalacija 10 firme GUNTNER prikazana na slici 1. Preko golih okruglih cevi kondenzatora 28 struji vazduh koga pomera centrifugalni ventilator 17. U zavisnosti od strategije upravljanja sistemom u određenom trenutku uključuje se u rad evaporativno hlađenje i voda iz rezervoara 23 pokreće se pumpom 16 i preko razdelnika vode 15 rasprskava diznama preko golih okruglih cevi 28 kondenzatora kroz koje struji vruć freon od ulaza 11 ka izlazu 12 kondenzatora 28. Mali deo vode (3-4%) isparava u vazduhu i na kondenzatoru 28, dok se veći deo vode gravitaciono sakuplja u rezervoaru 23. Sakupljena voda recirkuliše tj ponovo se koristi za opisanu namenu. Rad sistema predviđa upotrebu vode iz vodovodne mreže ili bunara u kojoj se nalazi mnogo rastvorenih mineralnih materija. Kako u svakom ciklusu deo vode isparava koncentracija rastvorenih materija u „ostatku“ vode raste, pa voda u rezervoaru 23 postaje sve trvđa. Problem je što je tvrda voda glavni uzrok stvaranja naslaga pre svega kamenca na cevima kondenzatora 28 zbog čega mu se smanjuje efikasnost. Kamenac je uzrok i začepljenja dizni što stvara dodatne troškove održavanja, kao i gubitke zbog zastoja u radu. Da bi se ovi negativni efekti smanjili svi proizvođači evaporativnih kondenzatora instaliraju poseban sistem koji održava kvalitet vode u zadatim granicama. Pošto provodnost vode raste kako se koncentracija rastvorenih minerala i soli u vodi povećava, česta varijanta je merenje provodnosti vode konduktometrom 24 i otvaranje elektromagnetnog ventila 26 uvek kada provodnost vode premaši kritičnu vrednost. Tada se kroz ventil 26 izbacuje koncentrovana voda, a u isto vreme se u rezervoar 23 ubacuje sveža voda 20 najčešće preko postrojenja za obradu vode 22 koje ubacuje neophodna hemijska sredstva preko ulaza 21. Za rad ove rashladne instalacije neophodno je obezbediti i protok spoljnog vazduha 18, kao i električnu energiju 19. Otpadni vazduh 28 izbacuju se u okolinu preko eliminatora kapljica 14 i opcionog prigušivača buke 13. Ukoliko na mestu ugradnje postoji opasnost od zamrzavanja vode u rad se uključuje grejač 27. Po podacima proizvođača, GUNTNER, troškovi vezani za rad vodenog dela instalacije su preko 70% od svih radnih troškova evaporativnog kondenzatora.

Na mestima gde je voda i odlaganje vode skupo povoljnije je koristiti vazdušno hlađenje čak i na temperaturama kondenzacije višim od 35°C. I drugi veliki proizvođači kao JOHNSONS CONTROL, BALTIMORE AIRCOOL, AAON, MITA TECH i dr. koriste uz izvesne modifikacije gore opisan sistem sa prskanjem i recirkulacijom tvrde vode. Ove modifikacije nisu suštinske prirode i u osnovi ne koriste moćan efekat evaporacije vode u punom obimu. Ove modifikacije najčešće rešavaju pitanja vezana za optimalno strujanje vazduha i upravljanje ventilatorom, probleme buke, pranja i održavanje rezervoara za vodu, postupke i materijale za zaštitu kondenzatora od korozije, uštede vode upotrebom izmenjivača toplote za skidanje pregrevanja, upotrebe efikasnijih freona, upotrebe dodatnih izmenjivača za podhladu, strategije upravljanja sistemom, itd.

Evaporacija ili fazna promena vode iz tečnog u gasovito stanje, je jedan od energetski najintenzivnijih fizičkih procesa u prirodi sa ogromnim potencijalom za hlađenje. Poznato je da 1 kg vode absorbuje 539 Kcal latentne toplote dok isparava, ali absorbuje samo 1 Kcal toplote kada se 1 kg vode zagreva za 1°C. Drugim rečima, isparavanje samo 1 m<3>vode može da proizvede rashladni efekat od čak 700 kWh. Efikasna evaporacija u principu zahteva da voda pokriva što veću površinu kondenzatora u što tanjem sloju (filmu) jer previše vode dovodi do grejanja vode što je kako se vidi prilično neefikasno. Ne želimo grejanje vode. Ono što želimo je što intenzivnije isparavanje vode, što se može postići smanjenjem veličine čestica vode tzv dropleta), i do 20 mikrona, zatim dobrim kontaktom vazduh-vodeni film, strujanjem vazduha preko kondenzatora, sniženjem pritiska oko kondenzatora, itd.

Svi rashladni sistemi koji se u osnovi hlade vazduhom troše znatne količine energije, posebno kada su spoljne temperature vazduha koji ulazi u kondenzator visoke. Što je vazduh topliji efikasnost sistema je niža i freon postaje pregrejan. Pregrevanje je u stvari dodavanje više toplote pari freona nego što je potrebno da tečnost ispari. Na ovaj način se obezbeđuje potpuno isparavanje freona pre nego što uđe u kompresor. Iako je manja količina pregrevanja potrebna da zaštiti kompresor, višak pregrevanja vodi do visokih radnih temperatura kompresora, propadanja ulja i skraćenja radnog veka opreme, kao i težeg rada kondenzatora. U praksi je za zaštitu sistema dovoljno da pregrevanje bude oko 3°C.

Učinjeno je više pokušaja da se toplota pregrevanja ukloni pre nego što dođe do kondenzatora, kako pregrevanje ne bi opterećivalo njegov rad. Kada se toplota freona uklanja evaporacijom vode nastaje problem stvaranja mineralnih naslaga na telu kondenzatora jer brzo isparavanje vode sa vrelog tela kondenzatora ubrzano stvara štetne mineralne naslage. Ove naslage znatno smanjuju kapacitet prenosa toplote kondenzatora što je na kraju osnovni razlog njegove prerane zamene. Rešenje firme AAON po US patentu 6,715,312 je ubacivanje novog suvog kondenzatora odmah iza kompresora, a pre glavnog evaporativnog kondenzatora. Na ovaj način snižava se temperatura kondenzacije, freon je i dalje gas, ali nije više pregrejan. Slično je i rešenje iz US patenta 2005/0198995A1 koje predviđa takođe dva kondenzatora od kojih je jedan klasični vodom hlađeni koji eliminiše pregrevanje u uslovima visokih temperatura, dok drugi vazduhom hlađeni kondenzator radi samostalno u uslovima niskih temperatura.

Po US patentu 2,995,018 vazduh struji kroz kondenzator s tim što se njegova donja trećina prska hladnom vodom, a gornja ne. Na taj način gornji deo kondenzatora koji vrši skidanje pregrejanja nije izložen taloženju minerala jer radi u suvom režimu. Prednost rešenja u odnosu na patent US 6,715,312 i US2005/0198995A1 je što se problem rešava jednim kondenzatorom. Nedostatak je što se voda prska po cevima kondenzatora pa vrlo mala količina vode ispari čime je poželjni efekat evaporacije redukovan u velikoj meri. Takođe se predviđa da sistem radi sa recirkulacijom, što povlači sve probleme vezane za recirkulaciju tvrde vode.

Poznata su takođe i mnoga inovativna rešenja koja pospešuju evaporaciju, i na taj način poboljšavaju rad rashladnih sistema. Inovacija predstavljena u patentnom rešenju US 2011/0088425A1 predviđa razbijanje kapljica vode u čestice prečnika 50 mikrona koji stvaraju tanak film na cevima kondenzatora. Takav film rapidno isparava zbog male razdaljine koju toplota sa cevi treba da pređe da bi došla u dodir sa vazduhom. Predviđa se da kondenzator bude u vakuumu čime se snižava temperatura isparavanja vode i ceo proces isparavanja dodatno pospešuje. Međutim, zbog tvrdoće vode brzo isparavanje stvara problem naslaga, dok potreba za održavanjem vakuuma znatno komplikuje rešenje koje je zbog toga neprimenjivo u retrofit aplikacijama. Potrebe za vakuumom znači i znatno višu cenu novih rashladnih sistema koji bi se eventualno proizvodili po ovoj tehnologiji.

Pošto samo voda koja isparava daje pun efekat hlađenja, a brže isparavaju manje čestice vode, razvijena su mnoga rešenja distribucije i stvaranja vodene magle, koja zamenjuje prskanje velikim kapima vode, u cilju da se uniformno i u tankom filmu prekriju cevi i saće kondenzatora. Poznato da se fina vodena magla može dobiti pomoću atomizirajućih dizni (US patent 4,974,422), droplet generatora (US patent 6,152,382), ultrazvuka (patent WO9310404A1), obrtnih diskova (US patent 6,338,256), itd. Po patentu firme EVAPCO 2009/0188650A1 vodena magla se stvara tako da bar dve cevi kroz koje teče voda pod određenim pritiskom, imaju male otvore tako pozicionirane da se mlazevi vode sudaraju, prouzrokujući njeno raspršivanje u maglu koja se zatim raspoređuje po površini kondenzatora.

Posmatrano sa strane kondenzatora efikasnost rashladnih sistema je bolja što hladniji freon izlazi iz kondenzatora i ulazi u isparivač. Pošto veliki broj freona obično kondenzuje na temperaturama 40-55°C, dešava se da pri visokim spoljnim temperaturama vazduha posebno ako je kondenzator direktno izložen suncu ne dođe do potpune kondenzacije freona. Zbog toga je poželjno da se freon podhladi pre ulaska u isparivač. Jednu varijantu podhlađivanja freona evaporativnog kondenzatora opisuju US patenti 3,908,393 i 4,181,131. Uređaj sadrži rezervoar sa vodom u koga je potopljeno nekoliko donjih namotaja kondenzatora. Namotaji se hlade prskanjem vode ili adijabatski preko isparivačkog medija. Sličnu tunkciju ostvaruju i dodati izmenjivači toplote (podhlađivači) koji se pogodno postavljaju iza kondenzatora a ispred isparivača gledano iz pravca protoka freona. Takva su rešenja data u US patentu 5,113,668 i 2015/0198340A1.

Takođe je poznato da tokom normalnog rada rashladni sistemi “gube” 20-25% svog kapaciteta na kondenzovanje vlage iz vazduha prostora koji se hladi. Sam proces kondenzacije dešava se na približno konstantnoj temperaturi i ne doprinosi značajnije sniženju temperature unutrašnjeg vazduha. U minusnim hladnjačama kondenzat se pretvara u inje u značajnim količinama i predstavlja smetnju u radu isparivača. Ovo inje je potrebno otopiti sa vremena na vreme a kondenzat izbaciti iz hlađenog prostora. Pošto se kondenzat najčešće izbacuje u slivnik, onda je energija utrošena na kondenzaciju vode čist gubitak. Umesto bacanja kondenzata ova voda se može koristiti za hlađenje evaporativnih kondenzatora. Posebna prednost je što se radi o relativno čistoj i mekoj vodi u kojoj nema rastvorenih materija pa time ni prljanja površina kondenzatora. Neka rešenja u kojima se vrši sakupljanje kondenzovane vode sa isparivača koja se dalje koristi za hlađenje kondenzatora data su US patentima 5,682,757, 2012/0125027A1 i 2015/198340A1. Ova ideja je u osnovi dobra, ali je problem količina kondenzovane vode koja ni izbliza nije dovoljna za potrebe evaporativnog hlađenja u periodu visokih spoljnih temperatura.

Verovatno je najveći problem vazdušnih, evaporativnih i jednim delom adijabatskih kondenzatora vezan za vodu kao resurs, kako po pitanju dostupnosti i cene, tako i po pitanju problema koji nastaju u radu, a koji su vezani za prljanje i rđanje kondenzatora. Prljanje degradira performanse izmenjivača tako što smanjuje koeficijent prenosa toplote i povećava pad pritiska sa vazdušne strane izmenjivača. Prljanje kondenzatora sa vazdušne strane zavisi od niza faktora kao što su koncentracija materija koje vrše prljanje, veličina delova prašine u vazduhu, brzina strujanja vazduha, fizička konfiguracija kondenzatora, geometrija cevi i saća, i razmaka rebara u saću. Mnoge studije potvrđuju da je za efikasnost kondenzatora štetniji efekat povećanja pada pritiska od degradacije koeficijenta prenosa toplote sa tela kondenzatora na okolni vazduh.

Zbog toga je u rashladnim sistemima koji koriste evaporaciju posebno važan aspekt upravljanja kvalitetom vode. Voda uzeta iz vodovodne mreže, bunara i slično nikad nije potpuno čista i puna je rastvorenih materija. Kvalitet takve vode mora se nadzirati i po potrebi voda se mora tretirati dezinfekcijom, filtriranjem ili demineralizacijom iz sanitarnih i tehničkih razloga. U sistemima sa recirkulacijom, u obzir treba uzeti i bolest Legionelu, kao i potrebu da se zbog nagomilavanja minerala i čestica u vodi često mora sprovoditi njihovo “ispiranje”, što povećava potrošnju vode. Poseban problem je što voda lošeg kvaliteta stvara probleme sa začepljenjem dizni, što znači više održavanja, zastoja u radu i finansijskih gubitaka.

Zbog svega navedenog jasno je da postoji potreba za poboljšanje rada i energetske efikasnosti rashladnih sistema malog do srednjeg kapaciteta sa vazdušnim, evaporativnim ili adijabatskim kondenzatorom, posebno u uslovima visokih spoljnih temperatura.

Cilj ovog pronalaska je da ponudi metod odnosno postupak za poboljšanje efikasnosti rada sadašnjih vazdušnih, evaporativnih i adijabatskih kondenzatora srednjeg rashladnog kapaciteta tako što će se stvariti uslovi za visoko evaporativnu disipaciju toplote u skladu sa teorijom ubrzanog i potpunog isparavanja čestica meke vode prečnika od 20 do 450 mikrona, i na taj način ostvariti uštede energije od 20 do 30%.

Drugi cilj ovog pronalaska je da minimizira potrošnju meke vode za evaporativni rad sadašnjih vazdušnih, evaporativnih i adijabatskih kondenzatora malog do srednjeg rashladnog kapaciteta,

Treći cilj ovog pronalaska je da ponudi metod za produženje radnog veka sadašnjih vazdušnih, evaporativnih i adijabatskih kondenzatora malog do srenjeg rashladnog kapaciteta tako što će se koristiti meka voda i na taj način eliminisati stvaranje mineralnih naslaga i smanjiti trošak održavanja i pranja.

Četrvri cilj ovog pronalaska je da ponudi metod za produženje radnog veka kompresora rashladnog sistema malog do srednjeg kapaciteta, i to tako što će se ubrzanom i potpunom evaporacijom vode obezbediti niža temperatura kondenzacije, niži izduvni pritisak kompresora i lakši rad kompresora sa manjim mehaničkim i strujnim opterećenjem.

Peti cilj ovog pronalaska je da ponudi metod pomoću koga bi sadašnji rashladni sistemi sa vazdušnim, evaporativnim ili adijabatskim kondenzatorom malog do srednjeg rashladnog kapaciteta radili u vrhu efikasnosti 365 dana godišnje, tako što će se režim rada sistema upravljati ne samo temperaturom nego i relativnom vlagom vazduha.

Šesti cilj ovog pronalaska je da ponudi metod za rad rashladnih sistema sa jednim vazdušnim, evaporativnim ili adijabatskim kondenzatorom malog do srednjeg rashladnog kapaciteta bez recirkulacije vode i potrošnje vode iz vodovodne mreže ili bunara, i to tako što će se iz obnovljivih i neograničenih izvora obezbeđivati potpuno meka i čista voda u dovoljnim količinama, i na taj način čuvati ograničeni vodeni resursi, i izbeći upotreba hemikalija.

Sedmi cilj ovog pronalaska je da ponudi metod za minimiziranje troškova rekonstrukcije postojećih sistema sa vazdušnim, evaporativnim ili adijabatskim kondenzatorom malog do srednjeg rashladnog kapaciteta, kako bi investicija u retrofit bila ekonomski opravdana.

D. Izlaganje suštine pronalaska

Pronalazak je metoda i uređaj kojiima se unapređuje postojeća tehnologija evaporativnog hlađenja i poboljšava rad vazduhom hlađenih, evaporativnih i adijabatskih kondenzatora na rashladnim sistemima kapaciteta do 700 kW.

Rešenje je kombinacija sistema podhlade vazduha koji ulazi u kondenzator i evaporacije sitnih dropleta meke vode na samom telu kondenzatora. Metoda se zasniva i na ideji da kompletna meka voda ispari i da se na taj način maksimizira efekat evaporacije.

Kao rezultat kompletnog isparavanja meke vode u procesu ovakav rashladni sistem radi bez recirkulacije vode, vodenog tornja, kao i svih poznatih problema koji se uz recirkulaciju vode pojavljuju, a koji čine rashladni sistem skupljim i manje efikasnim.

Nova metoda i uređaj koji prati metodu opisuju sistem sakupljanja meke vode iz tri obnovljiva prirodna izvora čime se štede oskudni vodeni resursi, sprečava prljanje i propadanje kondenzatora, smanjuje potrošnja električne energije i produžava vek kompresora, koji je najskuplji deo opreme i srce svakog rashladnog sistema.

U osnovi postoje dva sistema hlađenja. Vazduhom hlađeni sistemi su investiciono jeftiniji, imaju manje bazno održavanje i bolje performanse pri niskim temperaturama spoljnog vazduha. Sistemi hlađeni vodom su efikasniji pri visokim temperaturama i imaju duži životni vek opreme.

Jedan od problema koji nije do kraja rešen je šta se dešava kada neki dan nije ni vrlo topao ni vrlo hladan, nego je nešto između. Koji sistem od gornja dva u tom slučaju ima prednost?

Veliki problem koji nije adekvatno rešen je pitanje upravljanja evaporativnim rashladnim sistemom. Poznata rešenja za parametar regulacije uzimaju najčešće temperaturu vazduha. Ali kada je u pitanju evaporativno hlađenje prava varijabla za upravljanje sistemom nije temperatura vazduha, nego temperatura vazduha i relativna vlažnost vazduha. Međutim, kombinacije ove dve varijable su bezbrojne. Ako želimo da svaki dan u godini dobijemo najbolje od oba pristupa (vazdušno i vodeno hlađenje) onda se u obzir mora uzeti ukupan opseg rada tokom cele godine, a ne samo ekstremi. U većini dana najbolje rešenje je podeljen sistem (ne hibrid), u kome se u isto vreme, jedan isti kondenzator može hladiti u jednom svom delu vazduhom, a u drugom delu evaporacijom vode. Koliki deo kondenzatora će se hladiti vodom a koliki vazduhom zavisi od konkretnih uslova spoljnog vazduha: temperature i relativne vlažnosti. Modulacija (M) je definisana kao procenat kondenzatora koji se hladi evaporativnim hlađenjem.

Novi metod modulisanog evaporativnog hlađenja može da oseti fine razlike temperatura i relativne vlažnosti i da upravlja radom evaporativnog rashladnog sistema tako da sistem radi sa maksimalnom efikasnošće 365 dana godišnje. Osim niže potrošnje energije novi sistem je jednostavan za upotrebu i može se prilagoditi postojećim instalacijama koje se hlade vazduhom. Sistem je namenjen pre svega rashladnim sistemima u kojima je pred viđeno vazdušno hlađenje kondenzatora koji se najčešće proizvodi u obliku bakarnih cevi sa mehanički vezanim aluminijumskim radijatorima (saćem). Sistem je projektovan za čuva vodene resurse i štiti kondenzator od stvaranja mineralnih naslaga jer za proces evaporacije koristi meku vodu. Zbog toga je održavanje jeftinije, a vek opreme duži. Ova tehnologija je globalno primenjiva na svim rashladnim instalacijama srednje snage bez obzira na vrstu kompresora. Jedino pravo ograničenje mogu biti klimatski uslovi određene lokacije.

Navedene i druge karakteristike pronalaska biće jasne iz detaljnog opisa i slika koji su deo ove prijave.

E. Kratak opis slika nacrta

U cilju boljeg razumevanja prednosti predstavljenih rešenja dat je opis koji je u vezi sa crtežima:

Slika 1 Postojeće stanje tehnike

Slika 2 Evaporativni rashladni sistem (inovacija)

Slika 3 Krive zasićenja vazduha

Slika 4 Modulisano evaporativno hlađenje kondenzatora

Slika 5 Prosečna mesečna depresija vlažnog termometra, Beograd

Slika 6 Linije depresije vlažnog termometra

Slika 7 Kondenzator tipa cev-saće i modulacija (M)

Slika 8 Primeri modulacije (M)

Slika 9 Zavisnost modulacije od depresije vlažnog termometra, Beograd

Slika 10 Dnevna promena temperature i relativne vlažnosti, Singapur

Slika 11 Dnevna promene depresije vlažnog termometra, Singapur

Slika 12 Dnevna promena modulacije, primer

Slika 13 Zavisnost kapaciteta kondenzatora tipa cev-saće od količine vode

F. Detaljan opis pronalaska

Na crtežima i tekstu koji sledi delovi su označeni istim referentnim oznakama. Delovi instalacije ove inovacije nisu u srazmeri, a neki delovi nisu ucrtani u interesu jasnoće i preciznosti. Ovaj pronalazak može biti predstavljen u različitim varijantama koje proizvode željene rezultate bez udaljavanja od biti inovacije.

Rashladni sistemi se unapređuju da bi se dobila veća efikasnost i veći rashladni kapacitet. Prikazan je rashladni sistem koji koristi tri izvora meke vode koji se često bacaju ili uopšte ne koriste: kondenzat, padavine i vodu iz vazduha. Cilj je poboljšanje rada sadašnjih vazdušnih, evaporativnih i adijabatskih kondenzatora malog do srednjeg kapaciteta (700 kW).

Kondenzat. Predstavljeno rešenje kao jedan od izvora koristi kondenzaciju koja se formira na unutrašnjem izmenjivaču toplote da hladi, a u nekim slučajevima i podhlađuje freon koji struji kroz spoljni izmenjivač toplote. Ovako nastala kondenzacija vode na unutrašnjem izmenjivaču naziva se “kondenzat”. Tokom normalnog rada u režimu hlađenja unutrašnji izmenjivač koji hladi unutrašnji vazduh troši 20 do 25% rashladnog kapaciteta na kondenzaciju vlage iz unutrašnjeg vazduha. Ovaj proces kondenzacije dešava se na približno stalnoj temperaturi i ne pridonosi značajno sniženju temperature unutrašnjeg vazduha. Kondenzat se obično baca u kanalizaciju pa je energija koja je potrebna za kondenzovanje vode u osnovi izgubljena. Kondenzat formiran na unutrašnjem izmenjivaču toplote je meka i relativno čista voda koja ne sadrži rastvorene materije i druge hemikalije koje bi mogle zaprljati spoljni izmenjivač toplote. Najveća prepreka u primeni ovog izvora vode je količina koja može da zadovolji samo oko 10% potreba za vodom kod evaporativnog hlađenja u periodu visokih spoljnih temperatura vazduha. To je osnovni razlog zbog koga se moraju razmotriti drugi alternativni izvori meke vode.

Padavine. Sakupljanje padavina, pre svega kiše, je deo integrisanog upravljanja vodom kao resursom. Voda može da se sakuplja sa krovova i dvorišta ako je to pogodno, i nakon pročišćavanja odlaže u posebne rezervoare. U ovoj primeni prednost mogu da imaju podzemni zatvoreni rezervoari kako bi se smanjili gubici isparavanja u odnosu na otvorene rezervoare, ali i kako bi se uštedeo prostor. Pošto padavine spadaju u meku i čistu vodu mogu se koristiti za poboljšanje rada vazdušnih, evaporativnih i adijabatskih kondenzatora. U predelima gde se jesen i zima poklapaju sa periodima većih padavina meka voda se sakuplja, a troši u letnjem periodu kada je padavina manje, a potreba za hlađenjem veća. U Srbiji su prosečne padavine od 600 do 800 mm, tj 600 do 800 lit/m<2>godišnje. Na primer, manja hladnjača u Srbiji sa jednom minusnom komorom kapaciteta 250 tona, tunelo m za zamrzavanje kapaciteta 11 tona voća za 24 sata, na geografskoj širini 45°23’12“ i geografskoj dužini 45°23’12“ ima ukupan projektovani kapacitet rashlade od 161.47 kW i površinu krova od cca 700 m<2>. Evaporativno hlađenje se koristi u sezoni leto-jesen u danima kada je to potrebno, i na delu kondenzatora na kom je tom potrebno pošto je hlađenje po modulisanom sistemu uvek kombinacija vodenog i vazdušnog hlađenja. Broj efektivnih sati rada u modulisanom evaporativnom hlađenju je prosečno 520 godišnje. Uz prosečnu modulaciju od 40% i ostvaren prosečan evaporativni efekat 400 Wh po litri vode za rad ove hladnjače u režimu evaporacije potrebno oko 160 litara vode na sat, oko 1200 litara vode na dan, ili oko 83 m<3>vode u sezoni. Sa krova površine 700 m^ moguće je sakupiti od 420 do 560 m<3>vode godišnje što je nekoliko puta više od potreba. Dakle, problem koji se pojavljuje nije kvalitet i količina vode nego njeno odlaganje, tj veličina rezervoara. Međutim, na konkretnoj lokaciji u periodu Maj-Septembar prosečan višegodišnji nivo padavina je 268 mm odnosno 268 lit/m^ godišnje. Sa krova površine 700 m^ u tom istom periodu može se sakupiti oko 188 m^ meke vode što je duplo više od potrebne količine za evaporativno hlađenje u toku sezone kada postoji potreba za evaporativnim hlađenjem. To znači da rezervoar za sakupljanje vode može da bude mnogo manji od ukupnih sezonskih potreba. U konkretnom slučaju 5 do 10% sezonskih potreba znači rezervoar zapremine od 4 do 8 m^, što je sasvim prihvatljivo.

Voda iz vazduha. Vlažnost vazduha je ogroman izvor čiste vode. Ovaj potencijal nije široko poznat jer ljudi ne shvataju o kakvim ogromnim količinama vode u vazduhu se radi. U normalnim uslovima, kubni kilometar vazduha sadrži 15 miliona litara vode. Vlaga vazduha se stalno obnavlja vetrovima sa okeana, pa se ne može iscrpiti. Vazduh sadrži 10 puta više vode nego što je nose sve reke sveta. Učinjeni su mnogi pokušaji da se dobije voda iz vazduha, a mnogi projekti su u toku. Voda u obliku pare ima mnogo veći sadržaj energije nego kada je obliku tečnosti, i njena kondenzacija je strogo eksotermički proces. Vađenje vode iz vazduha radi se hlađenjem, kompresijom vazduha, adsorpcijom na čvrstim adsorberima, adsorpcijom na tečnim adsorberima i mnogim drugim metodama, koje se mogu naći u literaturi. Jedna od pogodnih metoda za potrebe ove inovacije opisana je u US patentu 9,200,434, mada se mogu koristiti i drugi uređaji i pristupi koji obezbeđuju povoljnu cenu proizvedene vode. Po ovoj metodi i dovoljnoj cirkulaciji vazduha, na gore opisanoj lokaciji, sa absorpcione površine od 700 m<2>za 24 sata može da se prikupi oko 3000 litara vode, što su skoro trodnevne prosečne potrebe evaporativnog rashladnog sistema za mekom vodom.

Umesto bacanja i zanemarivanja ovih resursa ovaj pronalazak predviđa da se meka voda iz navedenih obnovljivih izvora sakuplja u pogodan rezervoar, kako bi se dalje distribuirala preko barem jednog dela spoljnog izmenjivača toplote.

Evaporativni kondenzatori se koriste u raznim aplikacijama, za kondicioniranje vazduha i sisteme rashlade sve u cilju smanjenja operativnih troškova energije. Za ove kondenzatore se pretežno koriste gole cevi, zbog problema sa naslagama i korozijom. Sa druge strane, vazdušni kondenzatori obično se izrađuju od bakarnih cevi kroz koje struji freon i mehanički vezanih aluminijumskih radijatora na tim cevima koji povećavaju rashladnu površinu i poboljšavaju prenos toplote. Uobičajen naziv za ove radijatore je saće. Za konfiguraciju sa saćem ne postoje detaljno razvijeni matematički model zbog složenosti same konstrukcije kondenzatora.

Kada je temperatura okoline visoka, uz pomoć vode mogu se pojačati performanse vazduhom hlađenih kondenzatora. Jedna od metoda je upotreba vodene magle za podhladu u kombinaciji sa hlađenjem kondenzatora nanošenjem tankog vodenog filma na kondenzatorsko telo, cevi i saće. Po ovom pristupu formira se magla u struji vazduha čime se vazduh hladi, a ostatak magle stiže do površine kondenzatora i hladi kondenzator 114, slika 4. Za razliku od drugih pristupa po ovom pronalasku ne zahtevaju se uniformne veličine vodenih dropleta niti potpuno pokrivanje vodom svih delova kondenzatora u isto vreme. Time se izbegava upotreba skupih droplet generatora i smanjuje prljanje kondenzatora. Po ovom pronalasku nema potrebe za dva kondenzatora, niti za izmenjivačem za podhladu i/ili izmenjivačem za skidanje pregrevanja, jer sve te funkcije u ovakvoj funkcionalnoj povezanosti i uslovima može da obavlja samo jedan kondenzator. Na kraju ovaj pronalazak ne zahteva ni recirkulaciju vode.

Ukupan model kondenzatora po ovom pronalasku, sastoji se od modela podhlade vazduha, modela suvog kondenzatora, i modela vlažnog kondenzatora. Moguć je i rad u kome se koristi podhlada vazduha dropletima i suv kondenzator. U tom slučaju svi dropleti ispare u vazduhu i do tela kondenzatora ne stiže voda u tečnom stanju nego podhlađen vazduh sa većim sadržajem vlage, što predstavlja granični slučaj koji opisuje adijabatsko hlađenje. Evaporativna podhlada dropletima moguća je kada se voda distribuira kao fina magla preko atomizera u vazdušnu struju ispred kondenzatora. Ovaj sistem se razlikuje od klasične adijabatske podhlade jer ispred kondenzatora ne postoji evaporativni medijum sa koga isparava voda i koji unosi pad pritiska u vazdušnu struju. Ukoliko postoje značajne nečistoće u vazduhu može se ispred kondenzatora predvideti odgovarajući filter koji ne unosi značajan pad pritiska vazduha.

Podhlada vazduha može biti praćena evaporativnim hlađenjem samog kondenzatora kada dropleti stignu do bakarnih cevi i aluminijumskog saća i prekriju ih barem delimično vodenim filmom. Koliki deo dropleta će stići do kondenzatora 114 zavisi od performansi razdelnika vode 111 temperature i relativne vlažnosti spoljnog vazduha T, RH i rastojanja d između razdelnika vode 111 i kondenzatora 114, koje može biti podesivo, slika 4. Kvantificiranje odziva velikog broja malih dropleta na njihovo termičko okruženje koje se menja je fundamentalno za razumevanje relevantne fizike. Razmena mase između dropleta i vazduha upravlja razvojem veličine dropleta i promena koje se dešavaju u struji vazduha. Tačno predviđanje stepena isparavanja i života dropleta je kritično za postizanje optimalnih performansi evaporativne podhlade, posebno kada je potrošnja vode jedno od ograničenja. To je kritična stvar i kod izbora odgovarajućeg načina proizvodnje dropleta kao što je upotreba standardnih dizni za prskanje, atomizirajućih dizni ili ultrazvučnih atomizera. Magleno evaporativno podhlađivanje vazduha nastaje isparavanjem vode u njemu, čime se stvara velika temperaturna razliku ispred kondenzatora i na taj način mu se poboljšavaju performanse.

Jedan od najvažnijih ciljeva ovog pronalaska je maksimiziranje rashladnog efekta evaporacije uz minimiziranje potrošnje vode. Kao što je poznato samo voda koja isparava ima pun efekat hlađenja. U vezi sa količinom vode primećeno je asimptotsko ponašanje fenomena evaporacije na kondenzatoru. Drugim rečima, povećanje dotoka vode u jednom momentu nema efekat na poboljšanje performansi kondenzatora jer sva voda ne isparava, slika 13. Voda koja ne ispari gravitaciono pada sa tela kondenzatora. To je osnovni razlog zbog koga sadašnji sistemi koriste recirkulaciju vode. Kada prva voda počne da se sakuplja ispod kondenzatora to je znak da je evaporativni efekat dostigao maksimum u datim uslovima. To što u sadašnjim evaporativnim instalacijama isparava samo 3 do 5% ukupne vode jasan je znak da je efikasnost upotrebe vode za hlađenje vrlo niska. Drugim rečima, hlađenje kondenzatora u sadašnjim instalacijama dešava se pretežno grejanjem vode a ne evaporacijom, što znači da sadašnji sistemi nisu u punom smislu evaporativni sistemi hlađenja.

Na slici 2, šematski je prikazan evaporativni rashladni sistem 100, u skladu sa jednom varijantom ovog pronalaska. Rashladni sistem 100 se generalno sastoji od unutrašnje jedinice 101, spoljne jedinice 102, jedinice za sakupljanje kondenzata 109, jedinice za sakupljanje padavina 300, jedinice sa dobijanje vode iz vazduha 400, i upravljačke jedinice 200. Upravljačka jedinica 200 generalno može da kontroliše rad unutrašnje jedinice 101 i spoljne jedinice 102.

Rashladni sistem 100 sa slike 2, može se posmatrati kao split sistem 100 koji sadrži unutrašnju jedinicu 101 postavljenu odvojeno od spoljne jedinice 102. Iako je ovde opisan split sistem, sistem i metoda ovde opisani mogu se primeniti i u drugim rashladnim instalacijama. U nekim varijantama rashladnog sistema 100, sistem 100 može biti uređaj u kome će se jedna ili više komponenti unutrašnje jedinice 101 i jedna ili više komponenti spoljne jedinice 102 nalaziti u zajedničkom kućištu. U drugačijoj konfiguraciji rashladni sistem 100 može se sastojati od kanalnog sistema gde je unutrašnja jedinica na udaljenoj lokaciji od prostora koji se hladi, pa je za razvod vazduha potreban sistem kanala.

Unutrašnja jedinica 101 obično se sastoji od unutrašnjeg izmenjivača toplote 108, unutrašnjeg ventilatora 110, ekspanzionog ventila 112, i jedinice za sakupljanje kondenzata 109. Unutrašnji izmenjivač toplote 108 tako je projektovan da omogućava razmenu toplote između freona koji struji kroz cevi unutrašnjeg izmenjivača toplote 108 i vazduha koji je u kontaktu sa unutrašnjim izmenjivačem toplote 108, ali nije u kontaktu sa freonom. U režimu hlađenja, freon koji dolazi u unutrašnji izmenjivač toplote 108 je hladniji od vazduha koji prelazi preko spoljnih delova unutrašnjeg izmenjivača toplote 108. Ukupna absorpcija toplote od strane freona dovodi do isparavanja freona u unutrašnjem izmenjivaču toplote 108. To je razlog što se unutrašnji izmenjivač toplote 108 može označiti kao isparivač. U funkciji unutrašnjeg izmenjivača toplote mogu se koristiti različite vrste izmenjivača, uključujući ali se ne ograničavajući na pločasto orebreni izmenjivač toplote, izmenjivač toplote tipa cev-saće, mikrokanalni izmenjivač toplote, i druge pogodne tipove izmenjivača toplote.

Unutrašnji ventilator 110 ima zadatak da stvori kretanje vazduha koji je u dodiru sa unutrašnjim izmenjivačem toplote 108. U stvari, unutrašnji ventilator 110 pokreće struju vazduha preko spoljnih delova unutrašnjeg izmenjivača toplote 108, ali i struju vazduha unutar hlađenog prostora. Bilo koja pogodna vrsta ventilatora može se upotrebiti u ovoj funkciji, recimo sa višebrzinskim ili frekventno regulisanim motorom. U drugim varijantama unutrašnji ventilator 110 može biti ventilator sa jednom brzinom.

Ekspanzioni ventil 112 ima funkciju da primi freon relativno visokog pritiska od spoljnog izmenjivača toplote 114 i da ekspandiranjem smanji pritisak freona pre nego što freon uđe u unutrašnji izmenjivač toplote 108. U ovoj konfiguraciji, ekspanzioni ventil 112 je postavljen između izlaza spoljnog izmenjivača toplote 114 i unutrašnjeg izmenjivača toplote 108. U nekim izvedbama, ekspanzioni ventil 112 može da upravlja količinom freona koja prolazi kroz njega. Smanjenje pritiska dovodi do hlađenja freona, koji se zatim koristi da absorbuje toplotu u unutrašnjem izmenjivaču toplote 108, dok u isto vreme hladi vazduh u zatvorenom prostoru u kome je smešten unutrašnji izmenjivač toplote 108.

Ekspanzioni ventil 112 može biti različit. U jednoj varijanti može se koristiti elektronski ekspanzioni ventil sa motorom (EEV). U drugim varijantama, ekspanzioni ventil može da bude kapilarna cev, termostatski ekspanzioni ventil, ali i druge vrste ekspanzionih uređaja.

Jedinica za sakupljanje kondenzata (vode) 109 izvedena je tako da može da primi kondenzat koji se formira na površini unutrašnjeg izmenjivača toplote 108 tokom rada sistema u režimu hlađenja. Generalno, tokom rada sistema 100 u režimu hlađenja može doći do kondenzacije barem dela vlage koja postoji u vazduhu koji se kreće preko podhlađene površine unutrašnjeg izmenjivača toplote 108. Jedinica za sakupljanje kondenzata 109 može se postaviti na bilo koje pogodno mesto kako bi prihvatila kondenzat koji nastaje na unutrašnjem izmenjivaču toplote 108. Jedna varijanta jedinice za sakupljanje kondenzata 109 je četvorougaona posuda u obliku tacne, sa dnom i četiri zida. Osim četvorougaone konstrukcije i svaki drugi oblik je moguć uz uslov da efikasno sakuplja kondenzat sa unutrašnjeg izmenjivača toplote 108.

Kako je objašnjeno, kondenzat se može upotrebiti da poboljša rad spoljnog izmenjivača toplote 114. Da bi kondenzat mogao doći do spoljnog izmenjivača toplote 114, jedinica za sakupljanje kondenzata 109 treba da ima izlaz na dnu 105 kako bi se omogućilo barem jednom delu sakupljenog kondenzata da izađe iz jedinice za sakupljanje kondenzata 109. U jednoj varijanti tečnost može teći gravitaciono do rezervoara za sakupljanje meke vode 502 iz koga se tečnost vodi u razdelnik vode 111, koji je u vezi sa spoljnim izmenjivačem toplote 114, kao što je dalje objašnjeno detaljnije.

U prikazanoj varijanti pumpa 107 se postavlja između rezervoara za sakupljanje meke vode 502 i razdelnika vode 111. Pumpa 107 bira se tako da omogući protok vode iz rezervoara za sakupljanje meke vode 502 preko usisne cevi 510 i izlazne cevi 113 do razdelnika vode 111. Kao pumpa 107 može se koristiti bilo koja pogodna pumpa za vodu. Potrebno je razmotriti različite faktore kada se bira tip i veličina ove pumpe: volumetrijski protok, napor, relativni položaj rezervoara za sakupljanje meke vode 502, gubitak trenja, uticaj fitinga, gubitak pritiska na razdelniku vode, itd. U nekim konstrukcijama pumpa 107 može da bude pumpa sa pozitivnim pomerajem, centrifugala pumpa, visokopritisna pumpa, ili bilo koja druga pogodna pumpa. Pumpa 107 može da radi trajno, intermitentno, ili po komandi, recimo kada postoji potreba za evaporativnim hlađenjem.

Spoljna jedinica 102 sastoji se generalno od spoljnog izmenjivača toplote 114, kompresora 116, spoljnog ventilatora 118 i razdelnika vode 111. Pumpa 107 može biti smeštena u spoljnoj jedinici 102, ali i na bilo kom drugom mestu pogodnom za dovod meke vode od rezervoara za sakupljanje meke vode 502 do razdelnika vode 111. Spoljni izmenjivač toplote 114 je takve konstrukcije da omogućava razmenu toplote između freona koji struji unutar njegovih cevi i spoljnog vazduha koji je u kontaktu sa spoljnom površinom spoljnog izmenjivača toplote 114, ali nije u dodiru sa freonom. U režimu hlađenja, freon koji dolazi u spoljni izmenjivač toplote 114 preko freonske linije 115 topliji je nego vazduh koji struji po površinama spoljnog izmenjivača toplote 114. Ukupan gubitak toplote freona u spoljnom izmenjivaču toplote 114 obično ima za rezultat delimičnu ili potpunu kondenzaciju freona unutar spoljnog izmenjivača toplote 114, pa se spoljni izmenjivač toplote 114 može označiti kao kondenzator. U funkciji spoljnog izmenjivača toplote mogu se koristiti različite vrste izmenjivača, uključujući ali se ne ograničavajući na pločasto orebreni izmenjivač toplote, izmenjivač toplote tipa cev-saće, mikrokanalni izmenjivač toplote, i druge pogodne tipove izmenjivača toplote.

Iako je spoljni izmenjivač toplote 114 opisan kao da se montira napolju, on ne mora fizički biti van objekta. Na primer, spoljni izmenjivač toplote 114 može biti instaliran unutar zgrade uz vazdušne kanale sa kojima je u kontaktu sa spoljnim vazduhom. U nekim varijantama, razmena toplote između spoljnog izmenjivača toplote 114 i vazduha može biti direktna ili indirektna preko fluida koji posreduje u ovoj razmeni toplote.

Kompresor 116 povezan je freonskom vezom sa izlazom unutrašnjeg izmenjivača toplote 108 i ulazom spoljnog izmenjivača toplote 114. Kompresor 116 treba da primi freon iz unutrašnjeg izmenjivača 108 preko linije 119, da sabije freon, i da ga preko linije 115 prosledi u spoljni izmenjivač toplote 114. Kako se freon sabija rastu mu pritisak i temperatura, čime se omogućava da se zatim toplota freona oslobodi u spoljnom izmenjivaču toplote 114. Postoje razne vrste kompresora koje se mogu koristiti u sistemu 100. U jednoj varijanti, kompresor 116 može da bude višebrzinski skrol kompresor povezan tako da selektivno ispumpava freon u više masenih protoka. U drugim varijantama, kompresor 116 može biti modulisani kompresor koji može da radi u jednom ili više opsega brzine, recipročni kompresor, jednobrzinski kompresor ili drugi kompresori ili pumpe za freon.

Spoljni ventilator 118 služi da stvori kretanje vazduha koji je u dodiru sa spoljnim izmenjivačem toplote 114. Generalno, spoljni ventilator 118 prevlači vazduh preko površina spoljnog izmenjivača toplote 114. U jednoj varijanti, spoljni ventilator 118 može biti aksijalni ventilator sastavljen od elise i motora koji pokreće tu elisu. U drugim primenama spoljni ventilator 118 može biti centrifugalni ventilator ili bilo koja druga vrsta pogodna za ovu primenu pod uslovom da ventilator 118 stvara potreban protok vazduha preko spoljnog izmenjivača toplote 114, kao i potreban pritisak za savladavanje otpora strujanju vazduha. Bilo koja pogodna vrsta ventilatora može se upotrebiti u ovoj funkciji, na primer ventilator sa višebrzinskim ili frekventno regulisanim motorom. U drugim primenama spoljni ventilator 118 može biti ventilator sa jednom brzinom.

Spoljni ventilator 118 može se postaviti tako da vuče vazduh iz spoljnog izmenjivača 114 ili da duva vazduh u spoljni izmenjivač 114. Iako je prikazano da spoljni ventilator 118 stoji sa strane spoljnog izmenjivača toplote 114, spoljni ventilator 118 može se montirati iznad, unutar ili uz spoljni izmenjivač 114.

Razdelnik vode 111 projektuje se tako da prima vodu iz rezervoara 502 za sakupljanje meke vode, i da vodu raspoređuje preko barem jednog dela spoljnog izmenjivača toplote 114. Razdelnik vode 111 je povezan cevnom vezom 113 sa pumpom 107 i dalje sa rezervoarem za sakupljanje meke vode 502. Razdelnik vode 111 može sadržavati bilo koji uređaj koji je pogodan da na odgovarajući način formira droplete, da ih distribuira i nanosi preko barem jednog dela spoljnog izmenjivača toplote 114. U jednoj varijanti razdelnik vode 111 je projektovan tako da prima vodu iz tri različitia izvora: kondenzata sa unutrašnjeg izmenjivača toplote 108, jedinice za sakupljanje padavina 300 i jedinice za dobijanje vode iz vazduha 400. U drugim varijantama razdelnik vode 111 može biti predviđen da prima vodu iz jednog izvora, ali je pože ljno da to budu najmanje dva od navedena tri izvora meke vode ako je jedan od izvora meke vode kondenzat sa unutrašnjeg izmenjivača toplote 108. Upotreba meke vode na spoljnom izmenjivaču 114, može rezultirati u podhladi freona ispod temperature koju daje vazdušni sistem hlađenja bez dela sa evaporativnim hlađenjem.

U jednoj varijanti rezdelnik vode 111 može podržavati sistem prskanja vode. U toj varijanti razdelnik vode 111 može imati cevni razvod sa jednom ili više dizni ili uređaja za prskanje vode koji omogučavaju da voda teče iz cevi kroz dizne ili uređaje za prskanje na spoljni izmenjivač toplote 114. Upotreba dizni i sličnih elemenata pojačava se upotrebom opisane pumpe 107 kako bi se obezbedio pritisak koji je potreban za strujanje vode kroz dizne. Sistem prskanja može se projektovati tako da bude u dodiru sa spoljnim izmenjivačem 114 bez obzira na orijentaciju. Pored toga, razdelnik vode može se projektovati tako da omogući barem delu meke vode da dođe u kontakt sa spoljnim izmenjivačem 114 u tečnom stanju. Mekoj vodi je zatim omogućeno da ispari sa spoljnog izmenjivača 114, i na taj način absorbuje i ukloni toplotu iz freona koji struji kroz spoljni izmenjivač toplote 114.

U jednoj varijanti razdelnik vode 111 može se projektovati tako da raspršuje meku vodu u obliku magle preko barem jednog dela spoljnog izmenjivača toplote 114. Kada voda isparava u vazduhu i sa cevi i saća spoljnog izmenjivača toplote 114 temperatura cevi, saća i okolnog vazduha opada ka temperaturi vlažnog termometra. Ovaj rashladni efekat se zatim može koristiti za hlađenje spoljnog izmenjivača 114. Kod sistema sa prskanjem vode, meka voda može da se prska ili atomizira u struji dolaznog vazduha, na primer u struji vazduha koju proizvodi spoljni ventilator 118. Barem deo meke vode u struji vazduhu isparava i uzrokuje da se temperatura struje vazduha snižava. Takav podhlađen vazduh može posle toga da pređe preko barem jednog dela spoljnog izmenjivača toplote 114. U drugoj varijanti meka voda može da se nanosi na poroznu mrežu ili drugu vrstu strukture velike površine. Vazdušna struja se može posle toga provući kroz takvu strukturu, pa se zbog efekta evaporacije vazdušna struja hladi. Posle toga se ohlađena vazdušna struja prevlači preko barem jednog dela spoljnog izmenjivača 114. U nekim varijantama razdelnik vode 111 može se tako projektovati da se barem deo meke vode provlači preko spoljnog izmenjivača toplote 114 u tečnom, a deo u stanju pare.

Korišćenje razdelnika vode 111 za nanošenje meke vode preko spoljnog izmenjivača toplote 114 može dovesti do kondenzacije freona unutar spoljnog izmenjivača toplote 114, čime se freon hladi, kondenzuje i/ili podhlađuje. U jednoj varijanti freon može izlaziti iz spoljnog izmenjivača toplote 114 kroz liniju 117 u tečnom stanju. Upotreba meke vode na spoljnom izmenjivaču toplote 114 može povećati kapacitet spoljnog izmenjivača toplote 114. U jednoj varijanti upotreba meke vode preko razdelnika vode 111 može povećati kapacitet spoljnog izmenjivača toplote da hladi i kondenzuje freon za oko 22 do 28% u odnosu na varijantu bez evaporacije. Rast kapaciteta spoljnog izmenjivača toplote 114 dešava se kada se meka voda distribuira i dolazi u dodir sa bilo kojim delom spoljnog izmenjivača toplote 114 uključujući njegovo kućište i okolni vazduh.

U nekim varijantama freon može izaći iz spoljnog izmenjivača toplote 114 kao podhlađena tečnost. Količina podhlade može da zavisi od količine meke vode koja se izbacuje kroz razdelnik vode 111, temperature spoljnog vazduha, vlažnosti spoljnog vazduha, kontaktne površine spoljnog izmenjivača toplote 114 i vazduha, ulazne temperature i pritiska freona u spoljnom izmenjivaču toplote 114, i drugih faktora u manjoj meri. U jednoj varijanti upotreba meke vode za podhladu freona u spoljnom izmenjivaču toplote 114 može dovesti do podhlade tog freona za oko 11°C.

Upravljačka jedinica 200, slika 2, može da prikazuje informacije vezane za rad rashladnog sistema 100 i može da prihvata korisničke inpute vezane ta rad rashladnog sistema 100. Upravljačka jedinica 200 može biti opremljena ekranom na dodir koji prikazuje informacije i prima komande korisnika. U drugim varijantama upravljačka jedinica 200 može biti bez displeja i može primati sve informacije od senzora i konfiguracionih alata. U drugim varijantama upravljačka jedinica jedinica 200 može sadržavati i/ili biti u vezi sa temperaturnim senzorom 201, senzorom relativne vlažnosti 202, senzorom pojave vode 203 i drugim senzorima, i tako konfigurisana da upravlja sa zonama hlađenja koje su u vezi sa rashladnim sistemom 100. U drugim varijantama upravljačka jedinica 200 može biti termostat koji upravlja ubacivanjem kondicioniranog vazduha u jednu ili više zona koje kondicionira rashladni sistem 100.

U drugim konstrukcijama upravljačka jedinica 200 može biti selektivno u vezi sa unutrašnjim kontrolerom 207 unutrašnje jedinice 101, sa spoljnim kontrolerom 204 spoljne jedinice 102, i/ili sa drugim komponentama rashladnog sistema 100. Moguće je da upravljačka jedinica 200 bude u komunikaciji sa oba kontrolera preko komunikacionog busa 206. U nekim varijantama komunikacioni bus je trožična veza pogodna za slanje poruka između upravljačke jedinice 200 i jedne ili više komponenti rashladnog sistema 100 koje su konfigurisane za vezu sa komunikacionim busom 206. Takođe se može izvesti da upravljačka jedinica 200 selektivno bude u vezi sa komponentama rashladnog sistema 100 komunikacione mreže 208, što može biti na primer Wi-Fi internet veza.

Unutrašnji kontroler 207 može biti smešten unutar unutrašnje jedinice 101 i može biti takav da prima ulazne informacije, prenosi izlazne informacije ili na neke druge načine komunicira sa upravljačkom jedinicom 200, spoljnim kontrolerom 204 i/ili sa nekim drugim pogodnim medijumom za vezu preko komunikacionog busa 206. U jednoj varijanti unutrašnji kontroler 207 može da primi informaciju u vezi brzine obrtanja unutrašnjeg ventilatora 110, da prenese upravljački izlaz na relej i upravlja brzinom unutrašnjeg ventilatora 110 u odnosu na maseni protok vazduha.

Spoljni kontroler 204 može biti smešten unutar spoljne jedinice 102 i može biti takav da prima ulazne informacije, prenosi izlazne informacije ili na neke druge načine komunicira sa upravljačkom jedinicom 200, unutrašnjim kontrolerom 207, i/ili sa nekim drugim pogodnim medijumom za vezu preko kumunikacionog busa 206. U jednoj varijanti kontroler 204 može biti takav da prima informacije o temperaturi 201 i vlažnosti spoljnog vazduha 202 u kome se nalazi spoljna jedinica 102, senzora za vodu 203, informacije o temperaturi spoljnog izmenjivača 114, informacije o temperaturi i pritisku freona koji ulazi, izlazi ili se nalazi unutar spoljnog izmenjivača toplote 114 i/ili kompresora 116. Takođe unutrašnji kontroler 204 može biti u stanju da komunicira sa pogonom kompresora i da upravlja njegovim radom, na primer preko frekventne regulacije brzine obrtanja motora koji pogoni kompresor.

Tokom rada, rashladni sistem absorbuje toplotu u unutrašnjem izmenjivaču toplote 108, dok se toplota izbacuje iz freona preko spoljnog izmenjivača toplote 114. U režimu rashlade freon pod pritiskom dolazi linijom 117 do ekspanzionog ventila 112. Taj freon može biti uglavnom, ili potpuno u tečnom stanju. U nekim varijantama freon može biti i podhlađena tečnost. Ekspanzioni ventil 112 redukuje pritisak freona, a razlika pritisaka ispred i iza ekspanzionog ventila 112 omogućava freonu iza ekspanzionog ventila 112 da ekspandira i da se barem delom pretvori u smešu tečnosti i gasa.

Takav dvofazni freon ulazi zatim u unutrašnji izmenjivač toplote 108 kroz liniju 121. Dok freon struji kroz unutrašnji izmenjivač toplote 108, unutrašnji ventilator 110 pokreće vazduh koji dolazi u kontakt sa spoljnim površinama unutrašnjeg izmenjivača toplote 108 što dovodi do prelaza toplote okolnog vazduha na freon koji struji kroz unutrašnji izmenjivač toplote 108. Tečni deo dvofazne smeše isparava i temperatura freo na u unutrašnjem izmenjivaču toplote 108 raste.

Na spoljnim površinama unutrašnjeg izmenjivača toplote 108, niža temperatura freona može da izazove kondenzaciju vlage iz okolnog vazduha. Kondenzat se može sakupljati u jedinici za sakupljanje kondenzata 109. Posle toga kondenzat može da struji preko izlaza 105, linije 504 do rezervoara za sakupljanje meke vode 502. Kada postoji potreba za evaporativnim hlađenjem meka voda se iz rezervoara za sakupljanje meke vode 502 prenosi preko linije 510, pomoću pumpe 107 i linije 113 do razdelnika vode 111.

Freon koji izlazi iz unutrašnjeg izmenjivača toplote 108 kroz liniju 119 ulazi u usisnu granu kompresora 116. Kompresor 116 sabija freon u gasnom stanju i izbacuje freon relativno visokog pritiska i temperature ka spoljnom izmenjivaču toplote 114 kroz liniju 115. Dok freon struji kroz spoljni izmenjivač toplote 114, spoljni ventilator 118 pokreće spoljni vazduh koji dolazi u kontakt sa spoljnim izmenjivačem 114 što dovodi do prelaza toplote sa toplijeg freona na hladniji spoljni vazduh. Freon koji ulazi u spoljni izmenjivač toplote 114 je visokotemperaturni visokopritisni gas, dok freon koji izlazi iz spoljnog izmenjivača toplote 114 može biti u tečnom stanju, ili uglavnom u tečnom stanju. Freon iz spoljnog izmenjivača toplote 114 struji dalje ka ekspanzionom ventilu 112, i proces se ponavlja.

Rad spoljnog ventilatora 118 potpomaže raspoređivanje meke vode koju distribuira razdelnik vode 111 preko barem jednog dela spoljnog izmenjivača toplote 114. Razdelnik vode 111 može biti takve konstrukcije da šalje meku vodu preko spoljnog izmenjivača 114 u obliku vrlo sitnih dropleta (magle) ili u obliku tečnosti. Meka voda može da ispari kada je u dodiru sa spoljnim izmenjivačem toplote 114. Prenos toplote može dovesti do kondenzacije i/ili podhlade freona u spoljnom izmenjivaču toplote 114. U nekim konstrukcijama freon može biti podhlađen od 3 do 17°C.

Rezervoar 502 za sakupljanje meke vode služi da primi i sačuva meku vodu sa unutrašnjeg izmenjivača toplote 108, meku vodu iz jedinice za sakupljanje padavina 300 i/ili meku vodu iz jedinice za dobijanje vode iz vazduha 400. Tako sakupljena meka voda može se koristiti na spoljnom izmenjivaču toplote 114 u periodima kada postoji potreba za evaporativnim hlađenjem. Osim kada je u pitanju sakupljanje kondenzata koga stvara unutrašnji izmenjivač toplote 108, sakupljanje padavina i vode iz vazduha ne mora vremenski da se podudara sa radom rashladnog sistema 100. Zahtevi za evaporativnim hlađenjem spoljnog izmenjivača toplote 114 dešavaju se u intervalima najviših potreba za hlađenjem, što se podudara sa najto plijim delom najtoplijih dana tokom godine. Rezervoar 502 za sakupljanje meke vode lageruje meku vodu dok se ne dostigne unapred zadata uslov pri kome se u rad uključuje sistem evaporativnog hlađenja.

Rezervoar 502 za sakupljanje meke vode vezan je cevnom vezom 504, odnosno cevnim vezama 105, 406 i 303 sa sva tri izvora meke vode. Rezervoar 502 za sakupljanje meke vode opremljen je filterom 506, koji je smešten u revizioni otvor, i ima funkciju zadržavanja nečistoća, kao što su prljavštine iz vazduha, lišće i slično. U nekim varijantama, opciono je moguća ugradnja pumpe 507 za pokretanje tečnosti iz tri izvora ka rezervoaru 502 za sakupljanje meke vode. Kao pumpa 507 može se koristiti bilo koja pogodna pumpa. Potrebno je razmotriti različite faktore kada se bira tip i veličina pumpe 507: volumetrijski protok, napor, relativni položaj rezervoara za sakupljanje meke vode 502, gubitak trenja, gubitak fitinga, količinu tečnosti koja se stvara u ova tri izvora meke vode, itd. U nekim konstrukcijama pumpa 507 može da bude pumpa sa pozitivnim pomerajem, centrifugala pumpa, ili bilo koja druga pogodna pumpa. Pumpa 507 može da radi trajno, intermitentno, ili po komandi, recimo kada se detektuje određena visina tečnosti u neka od tri navedena izvora meke vode.

Rezervoar 502 za sakupljanje meke vode sastoji se iz rezervoara koji je u stanju da kvalitetno i u dovoljnom kapacitetu zadrži i čuva vodu iz tri navedena izvora meke vode. Rezervoar 502 za sakupljanje meke vode može biti cilindričnog, pravougaonog ili nekog drugog oblika. Rezervoar 502 za sakupljanje meke vode može biti projektovan da primi od 10 litara do nekoliko hiljada litara meke vode. Iako je opisan kao jedan, rezervoari mogu biti vezani redno i paralelno kako bi se omogućilo čuvanje željenih količina meke vode.

Rezervoar 502 za sakupljanje meke vode može se postaviti bilo gde između tri izvora za sakupljanje meke vode i razdelnika vode 111. U nekim konstrukcijama rezervoar 502 za sakupljanje meke vode može se postaviti unutar unutrašnje jedinice 101. U drugim konstrukcijama rezervoar 502 za sakupljanje meke vode može biti unutar spoljne jedinice 102, ili u blizini spoljnog izmenjivača toplote 114. U većini slučajeva, zbog količine tečnosti, rezervoar 502 za sakupljanje meke vode nalazi se van unutrašnje jedinice 101 i van spoljne jedinice 102.

Meka voda se troši samo u vremenskim intervalima kada postoji potreba za evaporativnim hlađenjem vazdušnog kondenzatora, tj spoljnog izmenjivača toplote 114. Sa druge strane meka voda se sakuplja u periodima kada je to pogodno i/ili moguće. U nekim varijantama meka voda se sakuplja tokom dana, nedelja i čak meseci, a da se ne koristi na spoljnom izmenjivaču toplote 114. Na primer, meka voda se može sakupljati u period ima padavina, koji se u nekim oblastima poklapaju sa periodima kada se ne zahteva velika količina rashlade, kao što su jesenji i zimski period na severnoj hemisferi. Sistemi toplotne pumpe kada rade u režimu grejanja mogu se projektovati da sakupljaju meku vodu u režima odmrzavanja spoljnog izmenjivača toplote 114 (tzv „difrost“). Rezervoar 502 za sakupljanje meke vode može se prvo puniti iz jedinice za sakupljanje kondenzata 109, zatim iz jedinice za sakupljanje padavina 300, i na kraju iz jedinice za dobijanje vode iz vazduha 400. Na taj način može se najefikasnije i po najpovoljnijoj ceni obezbediti meka voda za potrebe kasnijeg rada rashladnog sistema 100 u režimu evaporativnog hlađenja.

Meka voda može se koristiti u raznim varijantama. U jednoj varijanti, upravljačka jedinica 200 može definisati upotrebu meke vode pod određenim uslovima, na primer, ako se dostigne jedan ili više unapred zadatih uslova. U drugoj varijanti, sistem evaporacije se uključuje u određenom periodu dana, nedelje, meseca u godini, ili sezoni kada su potrebe za hlađenjem na vrhuncu. Meka voda može se koristiti u najtoplijem delu dana, recimo 3:00 do 5:00 po podne u letnjoj sezoni, Jul-Avgust, i slično.

U drugim varijantama, uslov rada mogu biti merene vrednosti. Rashladni sistem 100 može sadržavati jedan ili više senzora koji beleže sistemske uslove, uključujući ali se ne ograničavajući na temperaturu unutrašnjeg vazduha, temperaturu spoljnog vazduha, vreme rada kompresora, temperaturu freona na izlazu iz spoljnog izmenjivača toplote 114, kvalitet pare freona na izlazu iz spoljnog izmenjivača toplote 114, snagu kompresora 116, ili bilo koju drugu veličinu vezanu za rad rashladnog sistema 100. Upravljačka jedinica 200 može inicirati upotrebu meke vode kada jedna ili više merenih veličina pređe ili padne ispod unapred zadate vrednosti. Na primer upravljačka jedinica 200 može startovati upotrebu evaporativnog hlađenja kada temperatura freona na izlazu iz spoljnog izmenjivača toplote 114 pređe zadatu vrednost. Upravljačka jedinica 200 može izračunati jednu ili više baznih vrednosti na osnovu merenih veličina da bi se odredio prag prorade evaporativnog hlađenja, odnosno startovala potrošnja meke vode iz rezervoara 502 za sakupljanje vode. Moguće je projektovati rashladni sistem 100 u kome će upravljačka jedinica 200 izračunavati razliku unutrašnje i spoljne temperature vazduha, razliku temperatura freona na ulazu i izlazu iz spoljnog izmenjivača toplote 114, kapacitet hlađenja, i slično.

U jednoj varijanti upravljačka jedinica 200 može startovati upotrebu evaporativnog hlađenja i korišćenje meke vode na osnovu spoljnog signala. U toj varijanti upravljačka jedinica 200 dobija signal iz komunikacione mreže 208, koji pokreće upotrebu sistema evaporacije. Ovakav signal je koristan u elektro distributivnom sistemu u vreme maksimalne potrošnje električne energije jer omogućava rashladnom sistemu 100 da radi efikasnije i smanji vršnu potrošnju električne energije. Dolazni signal obično uključuje i vreme tokom koga se koristi meka voda odnosno evaporativno hlađenje.

Evaporativno hlađenje je fizički fenomen u kome isparavanje tečnosti, obično u okolni vazduh, hladi objekat ili fluid sa kojim je u dodiru. Kada se razmatra isparavanje vode u vazduh prava mera potencijala evaporativnog hlađenja je razlika temperatura suvog Tst i vlažnog Tvt termometra. Što je veća razlika ove dve temperature, veći je efekat evaporativnog hlađenja. Poznato je da isparavanje vode proizvodi veliki rashladni efekat. Takođe je poznato da što je brže isparavanje veće je hlađenje. Međutim, kada su temperature suvog i vlažnog termo metra iste nema isparavanja vode u vazduh, pa nema ni hlađenja. Zbog toga efikasnost evaporativnog hlađenja direktno zavisi od vlažnosti okolnog vazduha. Jako suv vazduh može primiti mnogo vlage što može dovesti do velikog rashladnog efekta. Međutim, u slučaju potpuno zasićenog vazduha kada je relativna vlažnost RH=100% nema isparavanja ni efekta evaporativnog hlađenja bez obzira na njegovu temperaturu (temperaturu suvog termometra Tst).

Ovaj pronalazak predviđa da se kod projektovanja efikasnih evaporativnih rashladnih sistema upravljanje zasniva na razlici temperatura suvog Tst i vlažnog Tv t:

ΔT = Tst<—>Tvt

Razlika ovih temperatura ΔТ naziva se depresija vlažnog termometra i predstavlja pravu meru potencijala upotrebe evaporativnog hlađenja na nekoj lokaciji u određenom vremenskom periodu.

Prema sadašnjem stanju tehnike strategije upravljanja sistemima sa evaporativnim hlađenjem baziraju se uglavnom na temperaturi spoljnog vazduha Tst, temperaturi vazduha u hlađenom prostoru, struji kompresora, temperaturi freona na izlazu iz spoljnog izmenjivača toplote 114, ili nekim drugim parametrima sistema koji ne uzimaju u obzir vlažnost vazduha. Na taj način ne uzima se u obzir kolika je uopšte potencijalna efikasnost evaporativnog hlađenja u tom trenutku. Na primer, iako temperatura spoljnog vazduha može biti 40°C, ako je relativna vlažnost vazduha preko 90% efekat evaporativnog hlađenja je zanemarljiv. To je slučaj u toplim i vlažnim krajevima, u intervalima kada pada kiša i neposredno posle kiše kada je prirodno isparavanje vode maksimalno. Isto tako u umerenim i/ili vlažnim klimatskim uslovima depresija vlažnog termometra AT može biti mala, što znači mali potencijal evaporativnog hlađenja.

Pored klime na vlažnost vazduha, utiču i brojni mikroklimatski faktori, kao što su blizina većih vodenih površina, lokacija, pravac duvanja glavnih vetrova, blizina industrijskih postojenja, doba dana i noći itd.

Ako tabelu 1 koja opisuje krivu zasićenja vazduha, tj 100% relativne vlažnosti, predstavimo dijagramski, slika 3, postaje jasno da količina vodene pare u zasićenom vazduhu raste brže nego temperatura. Zbog toga je evaporativno hlađenje posebno efikasno u regijama koje imaju toplu i suvu klimu. Ako temperatura spoljnog vazduha poraste za 10°C sposobnost vazduha da prihvati vodenu paru se udvostruči, što se takođe vidi sa slike 3.

Kada spoljni vazduh nije u potpunosti zasićen, tj kada je depresija vlažnog termometra ΔT ≠ 0 ispunjen je osnovni uslov evaporativnog hlađenja. U skladu sa ovim pronalaskom potrebno je dalje stvoriti uslove u kojima bi se isparavanje vode u zoni oko i na spoljašnjem izmenjivaču 114 toplote maksimiziralo, slika 4. Dropleti koje izbacuje razdelnik vode 111 su idealno sfere prečnika od 20 do 450 mikrona koje se proizvode na jedan od navedenih načina. Početna brzina dropleta je označena sa v, a temperatura i relativna vlažnost nezasićenog vazduha sa T i RH. Struju vazduha stvara spoljni ventilator 118. Razdaljina d koju dropleti treba da pređu pre dodira sa spoljnim izmenjivačem 114 je podesiva i takva da na njoj ispari jedan deo dropleta, dok drugi deo dropleta završava put na telu kondenzatora gde i on kasnije isparava. Količina meke vode i veličina dropleta mogu biti predmet regulacije i biraju se uz uslov da kompletna količina meke vode ispari kako bi se maksimizirali efekti evaporativnog hlađenja.

U rešenjima koja postoje u sadašnjem stanju tehnike gde se ne koriste izvori meke vode izbegavaju se dropleti najmanjih prečnika iako imaju najveću brzinu isparavanja i stvaraju najveći rashladni efekat. Razlog je što sićušni dropleti zbog veće brzine isparavanja proizvode veće prljanje spoljnog izmenjivača toplote 114 (jer voda nije meka), pa bi korišćenje samo najmanjih kapljica vode moglo u stvari da bude kontraproduktivno.

Na svom putu od razdelnika vode 111 do tela spoljnog izmenjivača toplote 114 najmanji dropleti isparavaju, hlade vazduh i proizvode veliki pad temperature vazduha ispred spoljnog izmenjivača toplote 114 i na taj način mu poboljšavaju performanse. Krupnije čestice vode koje ne ispare raspoređuju se na telu kondenzatora u tankom filmu gde takođe ubrzano isparavaju i dodatno hlade cevi i saće spoljnog izmenjivača toplote 114 i okolni vazduh. Jedan od ciljeva ovog pronalaska je da kompletna količina vode u opisanom procesu ispari, deo u vazduhu i deo na kondenzatoru, kako bi sistem radio na vrhu efikasnosti i bez recirkulacije. Voda mora biti dostupna i jeftina, a da bi se izbeglo prljanje spoljnog izmenjivača toplote 114 rastvorenim mineralima ona mora biti i maksimalno meka. Takođe je jedan od ciljeva ovog pronalaska da se izbegne bilo kakva obrada vode posebno hemijskim sredstvima.

Pošto efikasnost evaporativnog hlađenja zavisi od depresije vlažnog termometra ΔT potrebno je izračunati razliku temperatura suvog Tst i vlažnog Tvt termometra. Ova razlika je početna tačka za postavljanje strategije upravljanja evaporativnim sistemom u skladu sa ovim pronalaskom. Izračunavanje razlike temperatura suvog Tst i vlažnog termometra Tvt, vrši se na osnovu podataka hidro-meteoroloških ustanova koji mere temperaturu Tst i relativnu vlagu RH vazduha na nekoj lokaciji u dužem vremenskom periodu. Na primer, za geografsku širinu i dužinu Beograda (44°49’00’’N, 20°28’00’’E) u prve dve kolone tabele 2 dati su dostupni podaci o prosečnim višegodišnjim vrednostima temperature Tst i relativne vlažnosti RH vazduha. Koristeći psihrometrijske obrasce ili kalkulatore na osnovu poznatih podataka o temperaturi Tst i vlagi vazduha RH moguće je izačunati temperature vlažnog termometra Tvt, odnosno depresiju vlažnog termometra ΔT[°C]. Rezultati proračuna dati su takođe u tabeli 2.

Kada se proračunate vrednosti depresije vlažnog termometra ΔТ ucrtaju u dijagram, slika 5, postaje još jasnije da su na lokaciji Beograd najbolji uslovi za korišćenje evaporativnog hlađenja u letnjim mesecima kada je depresija vlažnog termometra najveća, od 4.9°C (Jun) do 5.5°C (Jul-Avgust). Ove vrednosti su niže od vrednosti depresije vlažnog termometra ΔТ koje se beleže u ekstremno suvim i toplim predelima gde iznose i preko 20°C, ali su takođe i znatno iznad vrednosti koje postoje u vlažnim i toplim predelima, na primer u Hong Kongu gde je ΔT ≈ 2°C.

Kada se u psihometrijsku kartu, slika 6, ucrtaju podaci za razne vrednosti depresije vlažnog termometra ΔT=const., vidi se da te linije po obliku liče na linije relativne vlažnosti što ne čudi jer se obe vezuju za nivo vlage. Takođe se vidi da je slaganje linija depresije vlažnog termo metra ΔT sa linijama relativne vlažnosti RH bolje u oblasti manjih vrednosti depresije vlažnog termometra, dok su za vrednosti ΔT > 7°C te razlike značajne. Krive sa slike 6 mogu se koristiti kao pokazatelj potencijala evaporativnog hlađenja na nekoj određenoj lokaciji.

Depresija vlažnog termometra ΔT može koristiti za upravljanje rashladnim instalacijama koje u bilo kom obliku koriste efekat evaporativnog hlađenja. Na slici 6 kriva zasićenja (linija RH=100%, tj ΔT=0°C) je sasvim levo i predstavlja granicu na kojoj više nije moguća evaporacija. Prve dve krive depresije vlažnog termometra desno od krive zasićenja ΔT=0°C predstavljaju granične krive depresije vlažnog termometra za lokaciju Beograd. Najveća relativna vlažnost RH=82% odgovora najnižoj vrednosti depresije vlažnog termometra ΔT=1.4°C. Najniža relativna vlažnost RH=61% odgovara najvišoj vrednosti depresije vlažnog termometra ΔT=5.5°C. Najviše vrednosti relativne vlažnosti dešavaju se u zimskom periodu, kada su temperature spoljnog vazduha najniže. Na lokaciji Beograd u periodu Maj-Septembar depresija vlažnog termometra ΔT je najviša, i iznosi 4.6°C do 5.5°C, i to je period u kome postoje najbolji uslovi za upotrebu evaporativnog hlađenja. Povoljna okolnost je što se period najboljih uslova za evaporativno hlađenje poklapa sa periodom najviših temperatura spoljnog vazduha, tj periodom kada su i potrebe za rashladom najveće.

Međutim, depresija vlažnog termometra ΔT nije zavisna samo od sezone, nego i od blizine većih vodenih površina, lokacije, pravca duvanja glavnih vetrova, blizine industrijskih postojenja, doba dana i noći itd. Na primer, u noćnim satima vrednost depresije vlažnog termometra je često samo polovina vrednosti depresije vlažnog termometra tokom najtoplijih dnevnih sati. To znači da su i uslovi za efikasno evaporativno hlađenje znatno lošiji noću nego preko dana. Međutim, pošto noću nema insolacije i noćna temperatura je znatno niža od dnevne što može biti od značaja.

Na osnovu linija depresije vlažnog termometra ΔT moguće je definisati uslove za kontrolu rada rashladnog sistema koji ima mogućnost evaporativnog hlađenja. Kada je ΔT=0°C znači d a je vazduh potpuno zasićen vodenom parom pa isparavanje pri tim uslovima nije moguće. Tada se može dotok vode do razdelnika vode 111 isključiti, pa bi se spoljni izmenjivač toplote 114, slika 2, hladio samo vazduhom. U periodima kada je depresija vlažnog termometra na datoj lokaciji maksimalna (u datom primeru ΔT=5.5°C) kompletna površina spoljnog izmenjivača toplote 114 može se podvrgnuti efektima evaporativnog hlađenja. Pošto je depresija vlažnog termometra ΔT izračunata iz prosečnih višegodišnjih vrednosti temperature i relativne vlažnosti vazduha na datoj lokaciji, onda je jasno da su moguće i pojave depresije vlažnog termometra ΔT koje su manje od 1.4°C, ali i veće od 5.5°C.

Modulacija M je definisana kao procenat spoljnog izmenjivača toplote 114 (kondenzatora) koji se hladi evaporativnim hlađenjem. Kada je ΔT=0°C, modulacija M=0%, pa se spoljni izmenjivač toplote 114 hladi samo vazduhom, tj rashladni sistem radi u suvom režimu. U slučaju kada je ΔT≥5.5°C kompletan spoljni izmenjivač toplote 114 radi u vlažnom režimu i kompletno je podvrgnut efektima evaporativnog hlađenja pa je modulacija maksimalna i M=100%. Svi ostali mogući režimi rada rashladnog sistema 100 nalaze se između ova dva granična slučaja tj 0≤M≤100%.

Na slici 7 prikazan je izgled tipičnog spoljnog izmenjivača toplote 114, pogled sa boka i sa strane razdelnika vode 111. Spoljni izmenjivač toplote 114 sastoji se od kućišta 122 u kome su smeštete bakarne cevi 123 na koje je pričvršćeno aluminijumsko saće 124 za prenos toplote. Kroz bakarne cevi 123 struji pregrejan freon visokog pritiska koji ulazi u spoljni izmenjivač toplote 114 preko linije 115. Freon se u spoljnom izmenjivaču toplote 114 hladi, kondenzuje delimično ili potpuno i dalje linijom 117 odlazi ka ekspanzionom ventilu. Modulisanje spoljnog izmenjivača toplote 114 počinje odozdo nagore odnosno od dela spoljnog izmenjivača toplote 114 u kome freon ima najnižu temperaturu. Tretiranje vodenim dropletima, odnosno modulacija uvek počinje od dela spoljnog izmenjivača toplote 114 koji ima najnižu temperaturu, što je u ovom konkretnom slučaju njegov donji deo. Strelica u desnom kraju slike 7 označava smer rasta modulacije M od 0 do 100%. Modulacija takođe može početi sa leva udesno, ili na naki drugi način zavisno od konstrukcije spoljnog izmenjivača toplote 114.

Projektna temperatura kondenzacije kod vazduhom hlađenih spoljnih izmenjivača toplote je 35°C. U najtoplijim danima temperatura spoljnog vazduha na mestu spoljnog izmenjivača toplote 114 može biti viša od projektne temperature kondenzacije. Bez obzira na to gornji deo spoljnog izmenjivača toplote 114 kroz koji struji vreo freon biće i dalje u stanju da prenese deo toplote na okolni vazduh. U tom smislu gornji deo spoljnog izmenjivača toplote 114 može imati funkciju izmenjivača toplote za skidanje pregrevanja. Ukoliko se pogodnim zaklonom, hladom ili slično obezbede uslovi da spoljni izmenjivač toplote ne bude izložen direktnom zračenju sunca efekti skidanja pregrevanja biće bolji. Tretiranje vodom najvrelijih delova spoljnog izmenjivača toplote 114 se na ovaj način može odložiti sve dok to dozvoljava visina temperature spoljnog vazduha. Razlozi su ušteda vode i prljanje spoljnog izmenjivača toplote. Naime, bez obzira koliko je voda meka uvek će biti više prljanja toplijih delova spoljnog izmenjivača toplote 114 nego ako se vodom tretiraju delovi sa nižom temperaturom, pre svega zbog nečistoća koje uvek postoje u vazduhu.

Na slici 8 data su četiri primera modulacije, koji odgovaraju različitim temperaturama i relativnoj vlazi spoljnog vazduha. U tabeli 3 dat je proračun depresije vlažnog termometra ΔТ i modulacije M za nekoliko tipičnih slučajeva, vezanih za lokaciju Beograd, slika 6.

Treba razumeti da se hlađenje spoljnog izmenjivača toplote 114 obavlja vazdušno čim temperatura spoljnog vazduha Tst padne ispod 20°C. Drugim rečima za Tst <20°C rashladni sistem se automatski prebacuje u suvi režim rada, tj modulacija ima vrednost M=0. Kada su temperature spoljnog vazduha Tst>20°C vrednost modulacija M može da bude jednaka nuli ili veća od nule. Kolika će vrednost modulacije M biti zavisi od vrednosti depresije vlažnog termometra ΔТ. Sa druge strane na vrednost depresije vlažnog termometra presudno utiče relativna vlažnost vazduha. Poznato je da pri istoj vrednosti temperature spoljnog vazduha Tst relativna vlažnost može da varira u širokom opsegu. Na primer, pri temperaturi spoljnog vazduha od Tst = 30 °C, i relativnoj vlazi od 70%, depresija vlažnog termometra ΔТ je 4.50°C, a modulacija M=86%. Pri istoj temperaturi spoljnog vazduha od 30°C i nižoj relativnoj vlazi vazduha od 55%, depresija vlažnog termometra biće 7.08°C, odnosno modulacija će biti M=100%, tabela 3. Kada vrednost depresije vlažnog termometra dostigne ili premaši graničnih 5.5°C, vrednost modulacije postaje M=100%. Zbog klimatskih promena, u letnjem periodu na lokaciji Beograd sve češće se klimatske situacije u kojima vrednost depresije vlažnog termometra ДТ može da dostigne i premaši vrednost od 10°C, što odgovara subtropskim uslovima. Pošto je vrednost modulacije već maksimalna M=100%, a da bi se iskoristio pun potencijal evaporativnog isparavanja po ovom pronalasku se predviđa mogućnost povećanja količine vode koja se šalje u pravcu spoljnog izmenjivača toplote 114. Ovo se može obezbediti uključenjem dodatnih dizni, povećanjem protoka vode, ili na neki drugi poznat način regulacije protoka tečnosti. Zavisnost modulacije M od depresije vlažnog termometra ΔТ, za odabranu lokaciju prikazana je na slici 8 kao linearna. Treba razumeti da su u zavisnosti od konkretnih radnih uslova moguće su i druge zavisnosti M=f(ΔT) koje ne moraju biti linearne.

Pored opisanih sezonskih promena temperature i relativne vlažnosti postoje i njihove dnevne varijacije koje su vezane pre svega za smenu dana i noći, ali i prisustvo padavina, uticaja lokalnih postrojenja, saobraćaja, itd. Na slici 10, kao primer, dat je jedan tipičan dnevni dijagram promena temperature i relativne vlažnosti u letnjem periodu za grad Singapur. Na bazi vrednosti sa slike 10 izračunate su odgovarajuće vrednosti depresije vlažnog termometra ΔТ što je grafički prikazano na slici 11. Iz dnevnog profila sa slike 11 može se očitati da se najveća depresija vlažnog termometra dešava u periodu od 13:00 do 20:00 i da iznosi između 6°C i 8°C.

Pomoću dijagrama prosečne mesečne depresije vlažnog termo metra (slika 5) i dijagrama dnevne promene depresije vlažnog termometra (slika 11) moguće je oceniti primenjivost i efikasnost sistema evaporativnog hlađenja na nekoj lokaciji, što čini osnovu ekonomske analize sistema.

U ovako definisanom sistemu evaporativnog hlađenja iza svake vrednosti modulacije M stoji samo jedna vrednost depresije vlažnog termometra ДТ. Međutim, iza svake vrednosti depresije vlažnog termometra ДТ može da stoji više različitih parova temperatura suvog termometra i relativne vlažnosti RH, { Tst /RH }. Prema tome depresija vlažnog termometra ДТ nije jednoznačno određena samo jednim parom {Tst/RH}. Na primer, depresiji vlažnog termometra ΔT=5°C odgovara vrednost para {Tst = 35°C, RH=70%}, ali i vrednost para {Tst = 25°C, RH=63%}, kao i mnogih drugih parova [Tst /RH]. Srećom kod projektovanje evaporativnih rashladnih sistema jedino što je važno je koliko meke vode može da ispari u određenim klimatskim uslovima i tako stvori rashladni efekat. Sposobnost isparavanja je ista za sve klimatske situacije koje proizvode istu depresiju vlažnog termometra ДТ bez obzira na vrednost konkretne temperature suvog termometra Tst i relativne vlažnosti vazduha RH.

Vremenska zavisnost modulacije M u toku 24 sata može imati mnogo različitih oblika od kojih je jedan prikazan na slici 10. U principu ova zavisnost je za svaki dan drugačija. Dnevna promena modulacije zavisi pre svega od strategije upravljanja rashladnim sistemom 100, od klime u kojoj se instalacija nalazi, postavljenih radnih uslova, ciljanih ušteda energije, preciznosti modulacije, itd. Jedan od uslova može biti donja granica temperature suvog termostata Tst ispod koje nije potrebno evaporativno hlađenje. U ovom primeru evaporativno hlađenje se isključuje uvek kada je Tst<20°C, i rashladni sistem radi u suvom režimu, M=0, tj spoljni izmenjivač toplote 114 hladi se samo vazduhom. Sa slike 12 vidi se da je uslov Tst <20°C ispunjen u intervalu od 18:00 do 07:00. Međutim, modulacija može biti M=0 i u slučajevima kada evaporativno hlađenje nema efekta, ili kada efekti evaporativnog hlađenja ne opravdavaju radne troškove evaporativnog dela instalacije. To može biti slučaj kada je depresija vlažnog termometra ispod unapred zadate minimalne vrednosti, recimo ΔТ<1.4°С za lokaciju Beograd. Modulacija je M=0 (evaporacija je isključena) i u periodu od 10:30 do 12:00 kada je RH=100%. Ovi uslovi postoje kada pada kiša, a ponekad i u određenim vremenskim intervalima neposredno pošto kiša prestane da pada.

Iako se u poznatim rešenjima iz sadašnjeg stanja tehnike tvrdi da se spoljni izmenjivači toplote hlade isparavanjem vode, u praktično svim pronalascima, isparavanje vode je samo između 2-3% vode koja recirkuliše u sistemu. Drugim rečima veći deo hlađenja potiče od ventilatora i/ili absorpcije toplote od strane vode, što je vrlo neefikasan način odvođenja toplote u poređenju sa evaporacijom. Mnogo je primera u sadašnjem stanju tehnike u kojima se vidi nerazumevanje uslova i zahteva kako manipulisati sa vodom kako bi se toplota iz kondenzatora absorbovala uz evaporativni proces visoke efikasnosti. Da bi se maksimiziralo isparavanje vode na složenom fizičkom obliku kondenzatora sa cevima i saćem mora se ispuniti više uslova. Prvi uslov je da se koriste što manji dropleti vode (10-20 mikrona) kako bi isparavanje bilo brže. Kako je poznato, ukoliko voda nije dovoljno meka, vrlo brzo isparavanje vrlo malih dropleta vodi ubrzanom prljanju tela kondenzatora sa koga voda isparava, kao i začepljenju dizni. To je osnovni razlog zbog koga se u praktično svim današnjim rešenjima koriste veći dropleti i recirkulacija vode, što sistem evaporacije čini neefikasnim. U skladu sa ovim pronalaskom recirkulacija vode se eliminiše, čime se eliminiše i trošak nabavke, rada i održavanja pumpe za vodu. Posebno je važno što nema rezervoara za recirkulaciju, nema odlivanja niti hemijske obrade vode.

Najefikasnije rešenje je evaporativni sistem u kome isparavaju praktično svi vrlo mali dropleti meke vode, i u kome nema recirkulacije niti prljanja kondenzatora odnosno začepljenja dizni. Primarni efekat hlađenja treba da potiče od evaporacije meke vode (promena iz tečne u gasnu fazu) u vazdušnoj struji ispred kondenzatora, i sa tela samog kondenzatora. Količina meke vode koja se u obliku sitnih dropleta šalje u pravcu kondenzatora, slika 4, povećava se sve dok svi dropleti uspevaju da ispare. U trenutku kada meka voda koja dolazi iz razdelnika vode 111 ne uspe da ispari u datim uslovima više nema svrhe povećavati količinu meke vode koja u obliku dropleta kreće ka spoljnom izmenjivaču toplote 114. Meka voda koja ne uspe da ispari počinje da se sakuplja ispod spoljnog izmenjivača toplote 114, što može da detektuje senzor za vodu 203 postavljen slobodno, ili montiran u manjoj posudi koja nije nacrtana. Signal od senzora za vodu 203 predstavlja informaciju da ne isparava kompletna količina meke vode i da je potrebno smanjiti njen dotok što se radi korigovanjem stepena modulacije M na niže, ili na neki drugi način recimo smanjenjem veličine dropleta.

Povećanje dotoka meke vode u jednom trenutku nema efekat ni na performanse spoljnog izmenjivača toplote 114 tipa cev-saće, što se vidi sa slike 13. Slično asimptotsko ponašanje primećeno je pod raznim radnim uslovima i kod drugih vrsta varenih i mikrokanalnih izmenjivača. Sa slike 13 takođe se vidi da se oko 70% maksimalnog kapaciteta spoljnog izmenjivača toplote 114 može postići primenom polovine količine vode, tj 0.25 g/(m<2>s).

Kako je objašnjeno strategija upravljanja novim evaporativnim rashladnim sistemom zasniva se na određivanju modulacije M. Dosadašnji pristupi upravljanju evaporativnim sistemima najčešće se baziraju na merenju temperatura spoljnog vazduha. Jedan od poznatih pristupa je da se evaporativno hlađenje uključuje tek kada temperatura spoljnog vazduha Tst dostigne 32°C. To se dešava uvek bez obzira kolika je relativna vlaga odnosno temperatura vlažnog termometra. U tom trenutku počinje tretiranje površine spoljnog izmenjivača toplote 114 vodom, kao i recirkulacija vode. Voda najvećim delom ne isparava pa samim tim ne proizvedi značajan rashladni efekat. Drugi problem ovakve strategije regulacije je što postoji samo jedna tačka praga Tst=32°C. Za sve temperature spoljnog vazduha ispod 32°C sistem radi u suvom režimu (hlađen vazduhom), a za sve temperature spoljnog vazduha koje su više od 32°C u evaporativnom režimu (hlađen vodom). Ovako gruba regulacija čini da se eliminišu uštede energije koje bi se inače mogle ostvariti u određenoj meri i za temperaturni opseg 20°C< Tst <32°C. Iz svega rečenog jasno je da postoji mogućnost većih ušteda energije u sistemu evaporativnog hlađenja u danu u kome je temperatura spoljnog vazduha Tst=25°C ako je RH=50%, nego u danu u kome je temperatura vazduha Tst=35°C ako je relativna vlažnost RH=80%. U prvom slučaju depresija vlažnog termometra je 7.11°C, a u drugom 3.19°C. Drugim rečima, iako je u drugom slučaju spoljna temperatura čak 10°C viša nego u prvom zbog veće relativne vlažnosti vazduha potencijal vode da ispari je više nego duplo manji nego u prvom slučaju. Dakle, rashladni sistem koji se upravlja samo temperaturom spoljnog vazduha moguće uštede u prvom slučaju ne može ni da detektuje, ni da koristi. Jasno je da spuštanje temperature praga prorade ne bi učinilo postojeće sisteme efikasnijim jer be se pojavilo samo još više neisparene vode u recirkulacionom krugu uz pojačano prljanje kompletnog spoljnog izmenjivača toplote 114.

Po istoj kontrolnoj logici funkcionišu rashladni sistemi koji za tačku praga prorade evaporativne instalacije uzimaju vrednost struje kondenzatora, temperature freona na izlazu iz spoljnog izmenjivača toplote 114 i slično. Kako je objašnjeno, kada je u pitanju evaporativno hlađenje nije dovoljno da se u obzir uzme samo jedna promenljiva, kao temperatura spoljnog vazduha ili struja kompresora, nego se u obzir mora uključiti i vlažnost vazduha koja definiše kolika je sposobnost vazduha da ostvari evaporaciju. Ukoliko su uslovi vazduha takvi da je vrednost depresije vlažnog termometra ΔT=0, ili vrlo niska, nema ekonomskog opravdanja za upotrebu evaporativnog hlađenja. Ukoliko se hlađenje vodom ipak koristi, pošto nema evaporacije, ono što preostaje je samo hlađenje u kome voda absorbuje toplotu provođenjem što je krajnje neefikasno. Iako ga proizvođači često tako nazivaju, takav sistem se ne može zvati evaporativnim sistemom hlađenja.

Pošto su moguće kombinacije temperature i relativne vlažnosti spoljnog vazduha bezbrojne, ako želimo da dobijemo najbolje efekte vazdušnog i evaporativnog hlađenja strategija upravljanja treba da se zasniva na kompleksnijem pristupu, koji sve ove promene može da uvaži na odgovarajući način. Ako se kao osnovni parametar uzme depresija vlažnog termometra AT, onda dobijamo način da efikasno upravljamo evaporativnim rashladnim sistemom svih 365 dana u godini, a ne samo kada je spoljni vazduh u ekstremima temperature i vlažnosti. Način da se to ostvari je modulacija M, koja predstavlja istovremeni rad u oba režima, suvom i vlažnom, na jednom istom kondenzatoru. Koliki deo kondenzatora u procentima M, će raditi u evaporativnom režimu zavisi od konkretnih vrednosti spoljne temperature i relativne vlage vazduha. Na ovaj način voda se ne “prosipa” nego se uvek ka kondenzatoru šalje upravo ona količina vode koja će ispariti i proizvesti pun efekat rashlade. Ukoliko određena količina vode ipak ne ispari, senzor vlage smešten ispod kondenzatora daće signal da se stepen modulacije M smanji za određenu vrednost. Na ovaj način se štedi voda i ostvaruje maksimalno moguća ušteda električne energije.

G NAČIN INDUSTRIJSKE ILI DRUGE PRIMENE PRONALASKA

Rashladni sistemi hlađeni vazduhom čine ogromnu većinu svih rashladnih sistema na svetu. Svi oni imaju zajednički problem a to je neefikasan rad sistema u uslovima visokih spoljnih temperatura vazduha. Ovaj pronalazak je primennjiv za sve postojeće i nove rashladne sisteme hlađene vazduhom kapaciteta do 700 kW.

Claims (2)

III. PATENTNI ZAHTEVI

1. Metoda odnosno postupak za rad rashladnog sistema kompresiono freonskog tipa u kome se za kondenzaciju i podhlađivanje freona na spoljnom izmenjivaču toplote koriste u isto vreme i vazdušno i evaporativno hlađenje, i u kome meka voda koja se koristi u procesu evaporacije ne recirkuliše, naznačena time da metoda sadrži sledeće korake:

• Sakupljanje meke vode sa unutrašnjeg izmenjivača toplote u rezervoar,

• Sakupljanje meke vode iz padavina u rezervoar,

• Sakupljanje meke vode iz vazduha u rezervoar,

• Merenje temperature spoljnog vazduha Tst i relativne vlažnosti spoljnog vazduha RH, • Izračunavanje temperature vlažne sonde Tvt spoljnog vazduha,

• Izračunavanje depresije vlažnog termometra ΔT=Tst-Tvt,

• Određivanje stepena modulacije M spoljnog izmenjivača toplote u funkciji depresije vlažnog termometra ΔT, M = f (ΔT),

• Usmeravanje vodenih dropleta samo u pravcu dela spoljnog izmenjivača toplote koji je definisan stepenom modulacije M,

• Merenje kompletnosti evaporacije, kada sva voda koja se kreće u pravcu spoljnog izmenjivača toplote isparava,

• Podešavanje stepena modulacije M u skladu sa merenjem kompletnosti evaporacije.

2. Funkcionalno povezan rashladni sistem (100) za sprovođenje metode iz prethodnog stava, koji se sastoji od freonskog kruga u kome se nalazi unutrašnji izmenjivač toplote (108) koji je vezan na kompresor (116), kompresor (116) je povezan na spoljni izmenjivač toplote (114) koji je preko ekspanzionog ventila (112) vezan na unutrašnji izmenjivač toplote (108), naznačen time da sistem sadrži sredstvo za sakupljanje meke vode (500) koji u sastavu ima jedinicu za sakupljanje kondenzata (109), jedinice za dobijanje vode iz spoljnog vazduha (400), i jedinice za sakupljanje padavina (300), sredstvo za merenje temperature spoljnog vazduha Tst (201), sredstvo za merenje relativne vlage spoljnog vazduha RH (202), sredstvo za određivanje temperature vlažnog termometra Tvt (204), sredstvo za izračunavanje depresije vlažnog termometra AT (205), sredstvo za određivanje stepena modulacije M (205) koristeći merene i izračunate vrednosti temperature spoljnog vazduha Tst i depresije vlažnog termometra AT, i sredstvo za korekciju podešenja (203) stepena modulacije M.