цикл Кромера

Цикл Кромера — это термодинамический цикл , который использует осушитель для взаимодействия с воздухом с более высокой относительной влажностью, оставляющим холодную поверхность. Когда система проходит через ряд различных состояний и наконец возвращается в исходное состояние, говорят, что произошел термодинамический цикл. Осушитель поглощает влагу из воздуха, оставляющего холодную поверхность, выделяя тепло и высушивая воздух, который может быть использован в процессе, требующем сухого воздуха. Затем осушитель высушивается потоком воздуха при более низкой относительной влажности, где осушитель отдает свою влагу путем испарения , увеличивая относительную влажность воздуха и охлаждая его. Этот более холодный, влажный воздух затем может быть подан на ту же холодную поверхность, что и выше, чтобы опустить его ниже точки росы и высушить его еще больше, или он может быть удален из системы.

Осушитель проходит обратимый процесс, при котором в первой части цикла он поглощает или адсорбирует влагу из воздуха, оставляя холодную поверхность, выделяя тепло, а затем во второй части цикла испаряет влагу, поглощая тепло и возвращая осушитель в исходное состояние, чтобы снова завершить цикл. Результатом цикла Кромера является то, что технологический воздух, выходящий из цикла, осушается больше (более высокий латентный коэффициент), чем он покидал бы холодную поверхность без цикла. Концепция цикла Кромера была первоначально запатентована в середине 1980-х годов. Эти патенты истекли, и поэтому цикл является бесплатным для использования любым человеком. Цикл был впервые опубликован в 1997 году журналом Popular Mechanics в разделе Tech Update. ^[1]

Цикл Кромера в основном используется в системах кондиционирования и осушения воздуха. Холодная поверхность цикла чаще всего является результатом обратного цикла Карно или холодильного цикла. Для работы цикла Кромера осушитель должен подвергаться воздействию двух потоков воздуха, одного с более высокой влажностью от холодной поверхности и одного с более низкой влажностью для его осушения. Это проще всего сделать, перемещая осушитель. Можно использовать любой циклический механизм, например, перекачивание жидкого осушителя, однако простым механическим применением является вращающееся колесо, загруженное осушителем, через которое проходят различные потоки воздуха. Это показано на рисунке 1, где колесо осушителя было применено к стандартной установке кондиционирования воздуха.

Психрометрический процесс прохождения воздуха через систему с четырьмя точками состояния показан на психрометрической диаграмме рисунка 2 как 1, 2, 3 и 4. Точки состояния воздуха также изображены на рисунке 1. В этом приложении воздух, возвращающийся из помещения, обычно с относительной влажностью около 50% (RH), подается на колесо осушителя и осушает осушитель. Воздух впитывает влагу и охлаждается в процессе 1–2. Влажный воздух теперь подается на охлаждающую поверхность (охлаждающий змеевик кондиционера), которая охлаждает его ниже точки росы и осушает воздух в процессе 2–3. Это представляет собой работу, выполняемую холодным змеевиком. Тем временем высушенный осушитель снизу вращается в верхний воздушный поток. Насыщенный воздух, выходящий из змеевика, обычно с относительной влажностью 93–98%, подается в осушитель в точке 3, где воздух дополнительно осушается в процессе 3–4, где он подается в помещение в качестве приточного воздуха. Осушитель, теперь уже насыщенный влагой, вращается в направлении обратного воздуха, где цикл повторяется.

Типичное охлаждение и осушение холодным змеевиком без цикла Кромера изображено на психрометрической диаграмме, а также показано на рисунке 2. Точка состояния 1 — это воздух, который возвращается из помещения в систему (возвратный воздух). Для типичной системы кондиционирования воздуха этот воздух в точке состояния 1 поступает в охлаждающий змеевик и выходит примерно в точке состояния 4' после охлаждения и осушения. Точка состояния 4' представляет собой температуру и влажность воздуха, который покидает типичный блок, около 45–50 °F (7–10 °C) и 95–98% относительной влажности.

Психрометрическая диаграмма отображает изменения цикла по сравнению со стандартным циклом кондиционирования воздуха. Во-первых, конечная точка состояния 4 для воздуха из колеса представляет собой увеличение скрытого отношения (удаление влаги) примерно до 45%, в отличие от 25% типичного показанного змеевика. Во-вторых, качество воздуха, поставляемого циклом, намного суше, около 55% относительной влажности (точка состояния 4), а не 98% со стандартным змеевиком (точка состояния 4'). В-третьих, это достигается за счет более высокой средней температуры испарителя. Сравните среднюю точку температуры испарителя, линии 1-4', со средней точкой температуры испарителя цикла Кромера, линии 2-3. Эти линии представляют работу, выполненную змеевиком над потоком воздуха (изменение его энтальпии ) . Это важно, поскольку при постоянной температуре конденсатора и эквивалентном изменении энтальпии, чем выше температура испарительного змеевика, тем эффективнее холодильный цикл Карно и тем большую энергоэффективность может обеспечить конкретная система.

Обычные стратегии осушения включают: повторный нагрев (электрический или газовый байпас), где явное тепло добавляется к воздуху, выходящему из оборудования; рекуперативное тепло (циркуляционные змеевики или тепловые трубы), где явное тепло передается от обратного воздуха к приточному воздуху; или цикл Кромера, где скрытая теплота сорбции и испарения влаги передается от обратного воздуха к приточному воздуху. Эти различные стратегии были сравнены в статье журнала ASHRAE , в которой было обнаружено, что «цикл Кромера обеспечивает такую ​​же улучшенную производительность осушения, как и при рекуперативных конфигурациях». ^[2]

Для работы в этом цикле осушитель должен поглощать влагу из воздуха, выходящего из змеевика, который холоднее и имеет относительную влажность около 98%, и десорбировать влагу в воздух, который теплее и имеет более низкую относительную влажность. Осушитель регенерируется за счет перепада давления пара, присущего разнице относительной влажности, а не за счет тепла или разницы температур. Распространены осушители, имеющие изотерму сорбции влаги типа, показанного на рисунке 3 (тип III), например, многие составы силикагеля . Осушители типа III поглощают мало влаги при относительной влажности ниже 70%, но многие из них поглощают больше собственного веса воды из воздуха при относительной влажности более 90%. Изотерма поглощения очень крутая между 90 и 100% относительной влажности. Осушители типа III обладают большим потенциалом для циркуляции влаги из воздуха, выходящего из змеевика, с относительной влажностью около 98%, в поток возвратного воздуха, обычно с относительной влажностью около 50%.

В 2011 году Халифа, Аль-Омран и Мохаммед сообщили о контролируемом исследовании кондиционера мощностью 2 тонны при замене силикагелевого колеса на колесо из активированного угля, чтобы определить, снизит ли это относительную влажность в небольшой комнате в Багдаде по сравнению с блоком без добавления цикла Кромера. Они обнаружили, что «цикл Кромера может снизить относительную влажность в помещении с 80% до примерно 60% при использовании активированного угля толщиной колеса 5 см». ^[3]

Для поддержания качества воздуха в помещении может быть желательно удалить возвратный воздух из кондиционируемого помещения и заменить его свежим наружным воздухом, иногда называемым «воздухом подпитки». Оптимальное место для удаления возвратного воздуха из системы цикла Кромера находится сразу после осушителя (место 2 на рисунке 1). На этом этапе возвратный воздух насыщен влагой из осушителя, и его удаление удаляет дополнительную влагу из помещения. Кроме того, этот вытяжной воздух охлаждается ниже состояния возвратного воздуха за счет испарения влаги осушителем. Место 2 (но перед вентилятором) также является идеальным местом для подачи наружного воздуха в систему, поскольку змеевик затем может снизить его температуру и влажность до того, как он попадет в помещение. Кроме того, если между вытяжным воздухом и наружным воздухом обеспечивается теплообмен, входящий воздух может быть охлажден и доведен до состояния, близкого к насыщению или равного ему, до того, как он попадет в охлаждающий змеевик для процесса 2–3, что улучшает его осушение. ^{[4] [5]}

Когда требуется больше осушения или сушки, цикл Кромера может быть улучшен за счет использования свободного тепла, доступного со стороны конденсации обратного цикла охлаждения Карно. Это тепло, иногда называемое «обход горячего газа», может быть добавлено перед колесом осушителя для улучшения осушения колеса в месте 1 на рисунке 1 (но после фильтра), называемом предварительным нагревом. Тепло обхода горячего газа также может быть добавлено к процессу в месте 4, называемом повторным нагревом, который обеспечивает более теплый, но еще более низкий относительный уровень влажности подаваемого воздуха. Можно использовать одно или оба места обхода горячего газа. Когда система кондиционирования воздуха с циклом Кромера улучшается с помощью обхода горячего газа, это обычно называется «активным» кондиционированием воздуха с циклом Кромера. Когда цикл используется как оборудование, предназначенное для осушения или сушки, его обычно называют осушителем с циклом Кромера или сушилкой с циклом Кромера.

Журнал R&D в 2006 году наградил цикл Cromer премией R&D 100 в категории «Механика/Материалы», отметив 100 самых значимых технологических инноваций года. ^[6]