Охлаждение воды ниже температуры мокрого термометра (на 10–15°C) применяют в системах кондиционирования воздуха, а также при осуществлении многих современных производственных процессов, использующих рециркуляционную воду. Охлаждение воды и воздуха наиболее часто реализуют с помощью фреоновых компрессорных холодильных машин (чиллеров).

Применение охлаждаемой воды в качестве холодильного агента в холодильной машине является наиболее предпочтительным вариантом, как с точки зрения безопасности, так и в плане отсутствия экологического вреда.

Практическое применение воды в качестве рабочего тела (агента) известно в пароэжекторных холодильных машинах, преимущественно в судовом исполнении, в которых вода после кипения/охлаждения подаётся в кондиционеры [1]. Создаваемый вакуум в эжекторах позволяет охлаждать воду обычно до 5–7°C. Процесс охлаждения воды обеспечивается за счёт кинетической энергии водяного пара, поступающего под значительным избыточным давлением из парового котла в эжектор. Низкотемпературный охладитель воды для систем кондиционирования воздуха представляет собой новый тип водоохлаждающей холодильной машины, использующий воду в качестве холодильного агента [2].

В состав обсуждаемого модернизированного низкотемпературного охладителя воды (НОВ) входит вращающийся поддон со слоем воды на его стенках, выполненный в виде кругового цилиндра с заглушенными торцевыми отверстиями. В цилиндрической стенке поддона, снабжённого приводом, предусмотрены водовыпускные и паровоздушные отверстия — к последним подсоединены паровоздушные каналы, проложенные через слой воды, входные отверстия которых располагают над её открытой поверхностью. Поддон снабжают дополнительным наружным коаксиально с ним зафиксированным круговым цилиндром также с заглушенными торцевыми отверстиями, в наружной стенке которого образованы выпускные отверстия, причём между стенками поддона и дополнительного цилиндра образована паровоздушная камера. Поддон с дополнительным цилиндром заключены в кожух-сборник охлаждённой воды (и пара), которая через патрубок и трубопровод направляется на технологические нужды. Через второй патрубок тёплая вода поступает внутрь поддона. Корпус объединяет и фиксирует перечисленные элементы конструкции (рис. 1).


Рис. 1. Схематичное изображение варианта НОВ, снабжённого наружным коаксиально размещённым дополнительным цилиндром с заглушенными торцевыми отверстиями, в цилиндрической стенке которого образованы выпускные отверстия [1 — поддон, выполненный в виде тонкостенного цилиндра; 2 — слой воды во вращающемся поддоне; 3 — паровоздушные каналы; 4 — паровоздушная камера; 5 — отверстия для тёплой воды, поступающей из полого вала привода; 6 — кожух-сборник охлаждённой воды и пара; 7 — подшипник; 8 — наружный дополнительный цилиндр с выпускными отверстиями; 9 — патрубок для отведения охлаждённой воды; 10 — корпус (рама) охладителя воды низкотемпературного; 11 — патрубок тёплой воды (подвижно соединён с полым валом привода); 12 — привод поддона; 13 — патрубок для отвода пара]

В процессе работы в поддон НОВ подают воду, которую необходимо охладить. При вращении цилиндрического поддона вода распределяется (растекается) тонким слоем и стабильно удерживается центробежной силой на его внутренней поверхности. При достижении окружной скорости вращения наружной поверхности дополнительного цилиндра 300–400 м/с на его поверхности возникает значительное понижение статического давления воздуха, которое уравнивается посредством паровоздушных каналов с давлением внутри поддона. Когда величина этого давления в поддоне понизится до уровня, соответствующего парциальному давлению водяных паров на поверхности воды, возникает процесс её пузырькового кипения, вызывающий очень интенсивное охлаждение массы вращающегося слоя воды. Испаряющаяся вода в виде пара выводится из поддона через паровоздушные каналы и выпускные отверстия, предусмотренные в дополнительном цилиндре.

Более подробное изложение сущности процесса охлаждения воды рассмотрим на конкретном примере (модернизированном варианте) НОВ со следующими расчётными размерами: наружный диаметр дополнительного цилиндра — 0,6 м (при его длине, равной длине поддона L = 1,0 м), толщина вращающегося слоя воды — 0,005 м, внутренний диаметр открытой цилиндрической поверхности воды — d = 0,5 м.

Примечание: В представленном примере НОВ в поддоне и на поверхности дополнительного цилиндра не располагаются выступающие конструктивные элементы, плохо обтекаемые высокоскоростным (и сверхзвуковым) воздушным потоком, поэтому исключается возможность ударного сжатия воздуха, повышения его плотности и температуры. Отсутствует возможность возникновения ударных волн — скачков уплотнения, нарушающих структуру установившегося воздушного потока [3].

Предварительные расчёты позволяют оценить холодопроизводительность обсуждаемого НОВ [2].

Воспользуемся уравнением Бернулли: рдин + рст = рполн или 0,5ρv2 + рст = const. В пограничном слое воздуха с «ровно-гладкой» наружной поверхностью дополнительного цилиндра (ламинарном подслое) его скорость относительно этой поверхности всегда принимают равной нулю. В этом тонком пристенном слое воздуха его динамическое давление практически полностью преобразуется в статическое давление, то есть происходит безударное затормаживание воздушного потока: 0,5ρv2 = рст = рполн.

Для инициирования режима кипения воды при температуре ≈ 7°C необходимо создать давление воздуха (статическое) над поверхностью воды, условно равное таковому над наружной поверхностью дополнительного цилиндра: рполн = рст ≈ 1000 Па.

Итак, получены расчётные величины, характеризующие функционирование охладителя воды: окружная скорость поверхности воды составляет около 408 м/с и обеспечивается частотой вращения поддона с водой 217 с-1 ≈ 13000 мин-1.

Примечание: Примером практического применения центробежных устройств со сравнимыми характеристиками являются высокоскоростные и конструктивно наиболее совершенные, близкие по диаметрам и окружной скоростью вращения газовые центрифуги, применяемые для разделения — обогащения изотопов урана, надёжное безостановочное вращение которых на практике применялось в нашей стране в течение десятков лет. Длина вращающегося в вертикальном положении цилиндрического ротора в таких центрифугах обычно составляет несколько метров (описаны образцы длиной до 12 м). Это позволяет реализовать многократное увеличение единичной холодопроизводительности НОВ за счёт наращивания длины поддона (1,0 м), указанной в расчётном примере.

Масса вращающейся в поддоне воды составляет 31,5 кг. Масса воды, испаряемая для её охлаждения за расчётное время 32 с (при этом толщина слоя испарившейся воды составит доли миллиметра), равна 0,16 кг.

Количество теплоты, передаваемой кипящему приповерхностному слою воды от основной массы охлаждаемой воды (тепловой поток, поддерживающий режим кипения — режим охлаждения), или полная холодильная мощность охладителя воды составит примерно 12,5 кВт, чего достаточно для кондиционирования воздуха в бытовых, административных или офисных помещениях площадью до 100–120 м². Количество водяного пара, испаряющегося с поверхностности воды при её кипении и затем выводимого из него в кожух-сборник (расчётная производительность увлажнителя), равно 10–12 кг/ч.

По итогам расчётов предложенного варианта НОВ его можно рекомендовать к применению в установках кондиционирования воздуха, использующих систему рециркуляции воды.

Примечание: В приведённом расчёте не учитываются некоторые физические эффекты, положительно влияющие на достижение желаемого результата:

1. Понижение давления воздуха в рассматриваемом приповерхностном слое на наружной поверхности дополнительного цилиндра за счёт действия центробежных сил приводит к дополнительному увеличению эффекта вакуумирования приповерхностного ламинарного подслоя.

2. В предварительных расчётах также не рассматривается процесс распыления и доохлаждения воды, преодолевающей паровоздушную камеру и затем поступающей в кожух-сборник, в которых разбрызгиваемая вода вскипает, попадая на поверхности дополнительного цилиндра, вращающегося с наибольшей скоростью.

Рассмотрим более подробно возможность вакуумирования внутреннего объёма поддона — проанализируем дополнительные расчётные параметры (приведены в табл. 1) воздушного потока, пограничного с наружной поверхностью вращающегося с переменной частотой дополнительного цилиндра. В расчётах принимаем барометрическое давление воздуха Б = 101300 Па.

Анализируя результаты расчёта, представленные в табл. 1, можно выделить три диапазона скоростей приповерхностного баротропного воздушного потока:

  • 0–100 м/с — статическое давление в потоке воздуха практически равно барометрическому, рст ≈ 100 кПа, температура кипения воды около 100°C;
  • 200–300 м/с — статическое давление в потоке воздуха уменьшается примерно на 25–50%, температура кипения воды понижается до 90–80°C;
  • 310–410 м/с (сверхзвуковой диапазон скоростей) — статическое давление в потоке воздуха очень быстро уменьшается (примерно на порядок) до значения рст ≈ 1000 Па, температура кипения воды стремительно понижается с 70 до 7°C.

Пограничный слой (подслой) воздуха толщиной в несколько миллиметров (или долей миллиметров) обладает способностью прилипания к контактной поверхности, в нём преимущественно проявляются свойства ламинарного вязкого взаимодействия замедленно перемещающихся внутри более тонких квазимолекулярных слоёв воздуха. Если окружная скорость наружной поверхности вращающегося дополнительного цилиндра по расчёту составляет, например, 400 м/с, то на наружной поверхности пограничного (заторможенного) слоя воздуха расчётную скорость принимают 99% (396 м/с) скорости поверхности цилиндра [4].

Ламинарный подслой с противоположной от наружной цилиндрической стенки стороны контактирует (граничит) также с тонким, называемым турбулентным подслоем воздуха, в котором лишь частично проявляются вязкостные и в большей степени хаотичные пульсирующие вихревые турбулентные свойства движущегося воздушного потока.

В турбулентном пограничном подслое генерируются аэродинамические процессы «по Бернулли», способствующие вакуумированию воздуха, находящегося в ламинарном подслое. На расчётной границе ламинарного и турбулентного подслоев наблюдается наибольший градиент падения величины скорости воздуха (проскальзывания его слоёв).

Примечание: Столь значимые скоростные изменения можно наблюдать на границе струи паро-эжектора, создающего значительный вакуум в камере смешения, подключённой к испарителю пароэжекторной холодильной машины.

Работоспособность струйных эжектирующих устройств (эжекторов, пульверизаторов, краскопультов, карбюраторов и т. д.) основана на известном законе Бернулли, что утверждается во многих источниках популярной и технической литературы [5]. Условную (расчётную) контактную границу между турбулентным и ламинарным подслоями воздуха над поверхностью дополнительного цилиндра с достаточной достоверностью можно отождествлять с наружной контактной границей высокоскоростной струи, образуемой в паровоздушном эжекторе.

Это предопределяет возможность эжектирования и удаления молекул воздуха и водяного пара из приповерхностного ламинарного подслоя (условно заменяющего камеру смешения эжектора), объединённого посредством паровоздушных каналов с внутренним объёмом поддона. Давление воздуха в этом подслое и в поддоне будет понижаться, а молекулы воздуха и пара будут перемещаться (инжектироваться) в турбулентный подслой и далее в установившийся турбулентный воздушный поток, обладающий меньшей (дозвуковой) скоростью.

По мере увеличения частоты вращения и, соответственно, окружной дозвуковой скорости наружной поверхности дополнительного цилиндра и при её достижении (а затем и превышении) величины скорости звука в воздухе аэродинамические процессы в приповерхностном слое принципиально изменяются.

Ускоряющийся пристенный сверхзвуковой воздушный поток будет расширяться (в дозвуковом диапазоне скоростей наблюдается обратный эффект сжатия линий тока при увеличении скорости воздуха). При расчётных окружных скоростях движения наружной поверхности дополнительного цилиндра, способствующих вакуумированию внутреннего объёма поддона, и возникновению режима кипения воды (400–410 м/с) образуется «отсоединённый» от поверхности дополнительного цилиндра звуковой барьер в виде воображаемой коаксиально расположенной очень тонкой цилиндрической поверхности, разделяющий дозвуковую отдалённую от поверхности дополнительного цилиндра и сверхзвуковую приповерхностную с ней зоны с различающимися аэродинамическими (физическими) свойствами. Причём размер сверхзвуковой зоны имеет величину, соразмерную с толщиной пограничного ламинарно-турбулентного подслоя дозвукового воздушного потока, наблюдаемого при меньшей частоте вращения поддона.

Заметим также, что, проходя через турбулентный подслой, образованная паровоздушная смесь молекул направляется в зону с более высоким статическим давлением воздуха (как и в паровоздушном эжекторе) за счёт резкого падения (на порядок и более) кинетической энергии — торможения смеси молекул, изначально принадлежащих к смежным пограничным подслоям. Паровоздушная смесь из сверхзвуковой приповерхностной зоны должна «проскочить» при этом сквозь «барьерную воображаемую цилиндрическую поверхность» в дозвуковую воздушную зону. Далее статическое давление смеси уже в установившемся дозвуковом потоке внутри кожуха-сборника полностью сравнивается с атмосферным барометрическим давлением воздуха.

Перечислим также примечания (дополнения) к анализу рассматриваемых физических процессов:

1. Дополнительное положительное влияние на рассматриваемый процесс кипения воды оказывает возникающая при вращении поддона центробежная сила, обеспечивающая эффект сепарирования молекул, усиливающий перемещение (выдавливание) более лёгких молекул водяного пара в паровоздушные каналы, лавинообразно образующиеся в приповерхностном слое. Этот же эффект вытесняет присутствующие в воде парогазовые пузырьки, влияющие на инициирование процесса кипения, к открытой её поверхности, а также способствует обессоливанию поверхностного слоя воды.

2. На открытой поверхности вращающегося слоя воды в вакуумированном поддоне формируется её скользящее обтекание потоком воздуха и незначительное безударное его центробежное пристенное уплотнение. При этом возможен лишь некоторый нагрев и электризация (ионизация) слоёв воздуха, возникающие за счёт проявления сил вязкостного трения при движении воздуха вдоль условной пограничной цилиндрической поверхности с наибольшим относительным проскальзыванием относительно ламинарного подслоя [6]. Нагревание воздуха вызывает его расширение, что также способствует перемещению (удалению) парогазовых молекул в паровоздушные каналы.

3. Минимальные выступающие элементы паровоздушных каналов в зоне их входных отверстий над открытой поверхностью вращающейся в поддоне воды оказывают влияние на аэродинамические процессы, происходящие в приповерхностном парогазовом слое. Рациональная конфигурация выступающих элементов обеспечивает их плавное обтекание потоком воздуха, что стабилизирует ламинарный подслой и способствует образованию так называемой «аэродинамической тени» — зоны (вблизи входных отверстий) с дополнительно пониженным статическим давлением воздуха. Изменяя и фиксируя высоту расположения над поверхностью воды выступающих элементов паровоздушных каналов или толщину вращающегося в поддоне слоя воды, можно осуществлять управление системой, то есть влиять на условия протекания аэродинамических процессов над её поверхностью. Фиксированное расположение входных отверстий паровоздушных каналов выполняет также и защитную роль — предотвращает образование чрезмерной (нерасчётной) массы толщины слоя воды во вращающемся поддоне.

Рассматриваемая конструкция НОВ со сдвоенными коаксиально расположенными цилиндрами (поддона и дополнительного цилиндра) позволяет оптимизировать прочностные и массогабаритные параметры быстровращающихся зафиксированных элементов охладителя и упростить их динамическую балансировку.

При создании кинематически развязанной конструкция НОВ предусматривается возможность вращения поддона с водой со значительно меньшей (в пять-десять раз) частотой, чем применяемая для вращения дополнительного цилиндра, обеспечивающего необходимое вакуумирование внутреннего объёма поддона. Такая более сложная конструкция НОВ позволяет значительно уменьшить расчётные центробежные нагрузки при конструировании цилиндрического поддона.

Рассматриваемые варианты нетрадиционного охладителя воды отличаются простотой и компактностью конструкции, экологической чистотой, прогнозируемым незначительным удельным энергопотреблением. Высокие скорости взаимодействия воды и воздуха, доведение воды до кипения многократно интенсифицируют процесс тепломассообмена, при этом не происходит обычный для испарительных контактных аппаратов унос капельной влаги [7]. При эксплуатации НОВ возможно его эффективное применение при любой ориентации в пространстве.