Dauwpuntkoeling RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING
Door M. Janssen Re\GenT BV en P.G.H. Uges StatiqCooling BV
Waardoor wordt de werking van een dauwpuntkoeler beïnvloed? Deel 2
Een dauwpuntkoeler wordt gedefinieerd als een indirecte verdampingskoeler met een tegenstroom warmtewisselaar die de primaire lucht koelt en de proceslucht bevochtigt en afgeeft aan de omgeving. Een aantal van dergelijke installaties zijn in opdracht van StatiqCooling BV experimenteel onderzocht door Re\GenT BV. In dit deel worden het model en de experimenten vergeleken, wordt het belang van de invloed van de primaire en de procesluchtstroom op de prestatieparameters bestudeerd, evenals de invloed van de inlaattemperatuur en –vochtigheid. betekent dat een aanzienlijke toename van warmtewisselaaroppervlakte slechts leidt tot een kleine toename in koelcapaciteit en dauwpuntefficiëntie. Gezien deze kleine verschillen was het onmogelijk vast te stellen of deze effectiviteit in belangrijke mate afhangt van het luchtdebiet of van de inlaatvoorwaarden. Omdat het model de experimenten na tuning aan de experimenten redelijk ac-
curaat voorspelde, wordt het nu gebruikt voor het bespreken van de fundamentele eigenschappen van de dauwpuntkoeler met weer hetzelfde demokoelerblok als in het basisscenario. Het is van belang de invloed van de primaire en de procesluchtstroom op de prestatiesparameters te bestuderen, evenals de invloed van de inlaattemperatuur en -vochtigheid. Eerst werd een basissimulatie uitgevoerd onder nominale
Koelerkenmerken Figuur 1: Vergelijking model en experimenten De experimenten uitgevoerd op de demokoeler werden ook gesimuleerd. Uit figuur 1 blijkt dat de berekende koelcapaciteiten (de punten met een oppervlakte effectiviteit = 1) de prestaties overschatten. Vandaar dat een corrigerende factor werd toegevoegd aan het model, die ervan uitgaat dat slechts een deel van de koeler daadwerkelijk werd gebruikt voor het verdampen van water (een effectief oppervlak parameter). Door gebruik te maken van een factor van 0,6 correleerden de experimenten in het algemeen binnen het vijf procent, zoals aangegeven in figuur 1. Het verschil in koelcapaciteit tussen het gebruik van een factor 0,6 of 1,0 is gemiddeld slechts tien procent. Dit wordt veroorzaakt doordat de koeler al relatief lang in omvang is. Dat
H -DDUJDQJ'HFHPEHU
Figuur 2: Basisscenario inputdata en de prestaties van het 1380 mm lange koelerblok
Dauwpuntkoeling
RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING
Figuur 3: Invloed primaire luchtstroom (naast de curven in m3/h gegeven) en procesluchtstroom ratio. De rode stip vertegenwoordigt de nominale toestand.
condities, waarvan de resultaten en de belangrijkste koelerblok afmetingen zijn weergegeven in figuur 2. De berekening wordt weergegeven aan de hand van de referentievoorwaarde voor AC-unittesting (EN 14511), namelijk 27°C / 47,5% RH. De nominale luchtstroom voor dit toestel is 1.900 m³/h. Op deze simulatie is, net als in alle volgende simulaties, een oppervlakte-effectiviteit van 0,6 toegepast. De grafiek in het midden van de figuur, vertegenwoordigt de primaire en proceslucht drogeboltemperatuur en de oppervlaktetemperatuur van de waterfilm in de proceskanalen, alle als functie van de positie in het kanaal. De invloed van de primaire en de procesluchtstroom wordt gepresenteerd in figuur 3. De uitgangstemperatuur daalt continu met de toenemende processtroomratio. Verhoging van de processtroomhoeveel-
heid resulteert in eerste instantie in een toename van de koelcapaciteit tot een maximum dat rond 25 tot 35 procent ligt. Daarna vermindert de koelcapaciteit. Dit wordt veroorzaakt door het feit dat de toename van de procesluchtstroom bij een constante primaire luchtstroom resulteert in een verlaging van de nettoluchtstroom in de te conditioneren ruimte, waardoor het positieve effect van de verlaagde temperatuur verdwijnt. Het effect van een verhoogde primaire luchtstroom is dat de koelcapaciteit inderdaad verhoogt, maar de uitlaattemperatuur ook. Omdat de drukval lineair is met het debiet, nemen de wrijvingsverliezen toe met het kwadraat van de luchtstroom. Dit maakt de COP van het toestel zeer gevoelig voor de stromingscondities. Bij een processtroomhoeveelheid van 33 procent kan de
COP-waarde oplopen tot 14 voor 1000 m³/h of zakken tot een waarde van 3 bij 3000 m³/h. Bij de berekening van deze COP is uitgegaan van een ventilatorefficiëntie van 60 procent, wat bijvoorbeeld haalbaar is met een borstelloze DC-motorventilator. Bij een vergelijking van deze waarden met die van een goed ontworpen mechanische airco-unit, die een waarde van 4 behaalt bij deze inputtemperaturen/ vochtigheid, is het duidelijk dat het debiet niet te hoog mag worden genomen. Figuur 3 laat ook zien dat een hogere processtroomratio dan ongeveer 35 procent niet nuttig is. De figuur laat tevens zien dat capaciteitcontrole door middel van ventilatorsnelheidscontrole tot een zeer efficiënte werking bij deellastcondities leidt. Vervolgens wordt het effect van de inputtemperatuur en -vochtigheid op de
Figuur 4: Invloed van relatieve vochtigheid (naast de curves in % RV) en temperatuur op de primaire luchtinlaat. De rode stip vertegenwoordigt de nominale toestand. H -DDUJDQJ'HFHPEHU
Dauwpuntkoeling RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING
Figuur 5: Invloed van plaat lengte op de koelerprestatie
prestaties van de koeler geëvalueerd (figuur 4). Een verhoging van de temperatuur bij de inlaat resulteert bij constante relatieve luchtvochtigheid in een toename van de uitlaattemperatuur. Dit is te wijten aan de warmte-overdrachtbeperking van de koeler zelf. Interessant om te vermelden is dat de koelcapaciteit toeneemt bij hogere temperaturen en dat die daarmee de thermische belasting van de te koelen ruimte volgt. Dit staat in duidelijk contrast met mechanische koeling. Aangezien de wrijvingsverliezen vrijwel onafhankelijk zijn van de inlaatcondities, neemt de COP proportioneel met de koelcapaciteit toe. Het grootste nadeel van (alle) verdampingskoelers is eveneens weergegeven in deze diagrammen. In het geval dat de luchtvochtigheid stijgt, daalt het koelvermogen verhoudingsgewijs, tot deze uiteindelijk theoretisch op nul uitkomt vanwege verzadigde inlaatcondities. Het is echter een conditie die nooit voorkomt, zelfs niet tijdens een regenbui. Bovendien daalt de temperatuur van de aangezogen lucht tijdens een bui aanzienlijk, daarmee het capaciteitsverlies deels compenserend. Om deze specifieke reden moet de verdampingskoeler worden gezien als een topkoeler, zonder gegarandeerde prestaties het hele jaar rond. Door matige inlaattemperaturen daalt de koelcapaciteit ook ten opzichte van de
H -DDUJDQJ'HFHPEHU
nominale conditie, wat betekent dat bij temperaturen van bijvoorbeeld 22 °C omgevingstemperatuur, de efficiëntie van de koeler kritisch laag is, tenzij de luchtstroom wordt verminderd. Dat is haalbaar, omdat de thermische belasting van de te koelen ruimte ook vermindert.
Koeler verbetering
De demokoeler bestudeerd als basis was vooral ontworpen om een zo laag mogelijke uitlaattemperatuur te bereiken. Figuur 5 toont het effect van de lengte van de plaat op de koelerprestaties, terwijl verder dezelfde nominale condities worden gehandhaafd als weergegeven in figuur 2. Om een lage uitlaattemperatuur te bereiken, moet een disproportionele hoeveelheid warmteoverdragend oppervlak worden toegevoegd. Een interessant punt is dat het vrijwel onmogelijk is om de dauwpunttemperatuur te bereiken, zoals dat ook geldt voor het bereiken van de natteboltemperatuur met adiabatische koelers. Met een koelerlengte van drie meter bedraagt de uitlaattemperatuur 18 °C, 1 K onder de natteboltemperatuur, maar nog steeds 3 K boven de dauwpunttemperatuur. Dit effect wordt veroorzaakt door een veel lagere warmteoverdracht als gevolg van de toenemende vermindering van de temperatuurverschillen tussen de primaire lucht en het waterfilmoppervlak.
Figuur 5 suggereert dat de optimale koelerlengte voor efficiëntie rond 1200 mm is. Dat is bijna de lengte van de basiskoeler. Dit is echter alleen waar als alle andere parameters, zoals de hoogte en de breedte van het koelerblok, hetzelfde blijven. Met behulp van het model in combinatie met MS Excel Solver werden twee optimalisatieruns gemaakt, beide gericht op het verhogen van de COP, maar met verschillende beperkingen (beide runs op 27°C / 47,5% RH inlaatcondities): 1. Maximale efficiëntie met behulp van dezelfde hoeveelheid kunststofmateriaal en met dezelfde koelcapaciteit als het basisscenario (3 kW). De volgende parameters werden vrij gelaten: lengte plaat, plaathoogte, het aantal platen, platenafstand, plaatdikte (= breedte van het primaire luchtstroomkanaal), de primaire en procesluchtstroomhoeveelheid. Hierdoor kan het koelerblok heel anders worden in hoogte en breedte. 2. Hoogst mogelijke koelcapaciteit met een dubbele COP (11.2) in vergelijking met het basisscenario, blokhoogte en -breedte blijven hetzelfde, zodat het koelerblok nog steeds kan worden geplaatst in hetzelfde luchtkanaal. De volgende parameters werden vrijgelaten: plaatlengte, aantal platen, platenafstand, plaatdikte, primaire en procesluchtstroom hoeveelheid. De resultaten van deze optimalisaties staan vermeld in tabel 1, die een COP-verhoging met een factor 3 toont voor de eerste run en een COPverhoging met een factor 2, (zoals vereist), voor de tweede run. Beide in vergelijking met de basislijn. Er zijn een aantal redenen te noemen voor de grote prestatieverhoging in de eerste optimalisatie run: • De koeler is met meer dan een factor 2 in lengte gekort. Het overschot aan materiaal wordt gebruikt om de koeler hoger en breder te maken. • Als gevolg van deze maatregelen dalen de luchtsnelheden aanzienlijk.
Dauwpuntkoeling
RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING
Tabel 1: Vergelijk basis en geoptimaliseerde units • De lagere luchtsnelheden resulteren in veel lagere drukdalingen, wat resulteert in een verlaging van de totale wrijvingsverliezen met een factor 3. • De lagere luchtsnelheden hebben geen negatieve invloed op de warmteoverdrachtcoefficiënten, omdat de stroming laminair is. • De warmteoverdrachtscoëfficiënt in de primaire luchtstroom is sterk toegenomen als gevolg van de verminderde hydraulische diameter door de verminderde plaatdikte. • De primaire luchtstroom is nog steeds zeer vergelijkbaar; de procesluchthoeveelheid was optimaal bij 24,5%.
De temperatuurprestatie is licht gedaald doordat de uitgangstemperatuur is gestegen van 20,1°C naar 21,2°C. Het is duidelijk dat als er voldoende ruimte beschikbaar is in de hoogte en de breedte, dat een optimale koeler dan heel kort zal zijn. Dit kan echter onpraktisch zijn en kan ook leiden tot kostenverhoging, omdat de kosten van een luchtbehandelingkast afhankelijk zijn van de afmetingen van de kanalen. De tweede optimalisatie houdt rekening met dit effect en handhaaft dezelfde hoogte en breedte van het blok. Dan blijven alleen de kanaalplaat afmetingen en -afstand over
om te optimaliseren. De hogere COP kan alleen worden bereikt door wat warmtewisselaarlengte op te offeren en de primaire luchtstroom te verminderen. Dit resulteerde in een 24 procent lagere koelcapaciteit van de unit, maar met een dubbele efficiëntie ten opzichte van de basislijn. Vermeld moet worden dat er in het algemeen een drukval over het distributiesysteem van de gekoelde lucht is. In de eerste optimalisatie is de drukval over het proceskanaal zo klein dat de drukval over het distributiesysteem waarschijnlijk groter is. Dat betekent dat meer lucht dan gewenste door het proceskanaal zal worden geduwd. Om dit te voorkomen kan
H -DDUJDQJ'HFHPEHU
Dauwpuntkoeling RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING
Kunststof luchtbehandelingkast:
Figuur 6: Basisgegevens korte koeler en prestatie (dikte kanaalplaten is 3 mm en de plaatafstand is hier 2,5 mm). Totaal 89 platen. De hier berekende COP = 22,0.bij 60% ventilatorefficiëntie.
een regelklep worden geplaatst in de uitlaat van het proceskanaal. In een dergelijk geval moeten de drukverliezen in deze afsluiter uiteraard worden toegevoegd aan de bovenstaande berekening, waarmee de berekende COP vermindert.
Verificatie
Uit de optimalisatie runs blijkt dat veel kortere koelers dan de eerder onderzochte demokoeler interessant zijn. Daarom is een koeler gebouwd met de parameters zoals gegeven in figuur 6. Voor deze koeler zijn een aantal proeven uitgevoerd bij verschillende condities. Een deel hiervan is gerepresenteerd in figuur 7 waarbij de punten de gemeten waardes voorstellen en de lijnen de resultaten met het model (met opnieuw een oppervlakteffectiviteit van 0,6).
Conclusie
Experimenten en modellering zijn uitgevoerd op een kleine versie van een statische dauwpuntkoeler en de invloed van de bedrijfsomstandigheden is besproken. De resultaten kunnen gemakkelijk worden vertaald naar koelerblokken op normale schaal, als dezelfde interne snelheid in zowel de primaire- als de procesluchtstroom
H -DDUJDQJ'HFHPEHU
worden gehandhaafd. Luchtweerstandverliezen nemen toe met het kwadraat van de luchtstroomsnelheden, terwijl het koelvermogen minder dan lineair stijgt. Dit resulteert in een snelle vermindering van de prestatiecoëfficiënt van de unit bij een verhoogde luchtstroom. Met behulp van modellering is bewezen dat het haalbaar is om de energie-efficiëntie van een unit aanzienlijk te verbeteren. Als er geen specifieke ruimtelijke beperkingen zijn, leidt het inkorten van de koeler tot een zeer hoge COP, bij gebruik van dezelfde
De in tweede instantie genomen proeven met een standaard korte (690 mm) koeler werden uitgevoerd in samenwerking met Global Air Systems B.V. onderdeel van de Altena Group. Dit in renovatie gespecialiseerd bedrijf, wil in voorkomende gevallen Statische Dauwpuntkoeling bij bestaande installaties toepassen om zo de koelcapaciteit te vergroten en/of het energiegebruik te verlagen. De toepassing van recyclebare kunststof materialen welke ongevoelig zijn voor corrosie maakt de toepassing hiervoor uitermate geschikt, vooral bij buitenopstellingen of in een agressiever milieu. Daartoe wordt gebruik gemaakt van polyester materialen met glasvezel versterkt welke UV bestendig zijn dank zij het gebruik van gelcoat in de kunststof. Door de gladde wanden en het ontbreken van naden is de vervuiling minimaal. Bovendien zal door het ontbreken van metalen delen in de wanden er geen corrosie optreden wat anders een mogelijke plaats van bacterievorming zou kunnen zijn. De ontworpen luchtbehandelingkast is zelfdragend en relatief laag in gewicht. Aantrekkelijk is ook dat bij grotere luchthoeveelheden de kast in delen kan worden aangevoerd en ter plaatse naadloos in elkaar kan worden gelijmd. Net als bij de StatiqCooler is het onderhoud van kunststof luchtbehandelingkasten minimaal omdat geen corrosie moet worden bestreden zoals het beschermen met primers en coatings.
hoeveelheid materiaal en dezelfde koelcapaciteit. Indien de afmetingen van het kanaal van de luchtbehandelingkast de beperkende factor zijn, dan is het nog steeds mogelijk om de efficiëntie van de unit toe te laten nemen, maar niet zonder het verminderen van Figuur 7: Experimentele en theoretische gegevens van de de maximale koelcapaciteit. Aanvullende experimenten op de geoptimaliseerde koeler korte dauwpunt koeler, de getallen in de grafiek geven (korte koeler) zijn uitgevoerd en ondersteude primaire luchtflow aan (zowel voor de gemeten punten als de lijnen volgend uit het theoretisch model). nen deze conclusies.
