Среди доступных технологий отвода тепла от систем охлаждения и кондиционирования воздухаконденсатор с воздушным охлаждениемзанимает четко определенную позицию. Это не универсальное решение и не нишевый продукт. Это особая технология с особыми эксплуатационными характеристиками, условиями применения и экономическими компромиссами-. В этой статье технология рассматривается с инженерной точки зрения, рассматриваются факторы, определяющие ее производительность, ее преимущества и ограничения по сравнению с другими типами конденсаторов, а также критерии, которыми следует руководствоваться при ее выборе.
Принцип работы
Конденсатор с воздушным охлаждением отводит тепло от хладагента в окружающий воздух. Хладагент поступает в конденсатор в виде перегретого пара при давлении и температуре нагнетания. Проходя через оребренные трубы, тепло передается воздушному потоку, проходящему через трубки и ребра. Хладагент конденсируется, выделяя скрытое тепло, выходя в виде переохлажденной жидкости.
Процесс теплопередачи определяется тремя факторами: разницей температур между хладагентом и воздухом, площадью поверхности теплопередачи и общим коэффициентом теплопередачи. Площадь поверхности обеспечивается расположением оребренных трубок. Коэффициент теплопередачи определяется скоростью воздуха через ребра и характеристиками теплопередачи со стороны хладагента-.
Характеристики теплопередачи
Общий коэффициент теплопередачи конденсатора с воздушным охлаждением определяется суммой термических сопротивлений на стороне хладагента, стенке трубки и стороне воздуха. Из них преобладает сопротивление воздушной- стороны, составляющее от 70 % до 85 % общего сопротивления.
Коэффициент теплопередачи со стороны воздуха- зависит от скорости воздуха, геометрии ребер и расстояния между ними. Для типичных конструкций конденсаторов коэффициент на воздушной стороне-колеблется от 20 до 60 Вт/м²·К, в зависимости от лицевой скорости и конфигурации ребер. Коэффициент хладагента-обычно на порядок выше и варьируется от 500 до 2000 Вт/м²·К. По сравнению с этим сопротивление стенки трубки незначительно.
Общий коэффициент для чистого конденсатора обычно составляет от 25 до 40 Вт/м²·К. Загрязнение ребристой поверхности может снизить этот показатель на 20–40 %, в зависимости от уровня загрязнения и частоты очистки.
Производительность в зависимости от температуры окружающей среды
Производительность конденсатора с воздушным охлаждением напрямую зависит от разницы между температурой конденсации и температурой окружающей среды по сухому-термору. Для данного размера конденсатора и воздушного потока производительность составляет:
Q=U × A × (Tcond - Tamb)
где Q — коэффициент отвода тепла, U — общий коэффициент теплопередачи, A — площадь поверхности, Tcond — температура конденсации, а Tamb — температура окружающей среды по сухому -термическому термометру.
Если температура окружающей среды увеличивается, разница температур уменьшается, если только не повышается температура конденсации. Повышение температуры конденсации увеличивает давление нагнетания компрессора и энергопотребление, снижая эффективность системы. Это фундаментальное термодинамическое ограничение конденсаторов с воздушным охлаждением.
Величина этого эффекта поддается количественной оценке. Для типичного конденсатора, работающего с температурой конденсации 15 градусов (разница между температурой конденсации и температурой окружающей среды), повышение температуры окружающей среды на 5 градусов снижает производительность примерно на 20%, если температура конденсации поддерживается постоянной, или требует повышения температуры конденсации на 5 градусов для поддержания производительности. Последнее увеличивает мощность компрессора примерно на 8–12%.
В процессе выбора необходимо учитывать взаимосвязь между производительностью и температурой окружающей среды. Конденсатор, рассчитанный на температуру окружающей среды 35 градусов, будет выдавать примерно 75% своей номинальной мощности при температуре 45 градусов. В теплом климате расчетные условия должны основываться на самой высокой ожидаемой температуре окружающей среды, а не на средней.
Преимущества и ограничения
Преимущества конденсаторов с воздушным охлаждением:
- Нулевой расход воды. Наиболее существенным преимуществом является отсутствие охлаждающей воды. В регионах с-дефицитом воды это часто является решающим фактором. Конденсатор не требует градирни, химикатов для очистки воды или продувочной системы.
- Меньшие капитальные затраты. Для малых и средних мощностей (примерно до 200 кВт) конденсаторы с воздушным охлаждением обычно имеют более низкую стоимость установки, чем системы с водяным охлаждением. Надбавка к стоимости систем с водяным охлаждением включает в себя градирню, насосы, трубопроводы и оборудование для очистки воды.
- Более простое обслуживание. Требования к техническому обслуживанию ограничиваются очисткой змеевика, проверкой вентилятора и двигателя, а также электрическими проверками. Системы с водяным охлаждением требуют дополнительного обслуживания градирни, насосов и водоподготовки.
Ограничения конденсаторов с воздушным охлаждением:
- Снижение производительности при высоких температурах окружающей среды. Емкость снижается по мере повышения температуры окружающей среды. В жарком климате конденсатор должен быть большего размера, чтобы выдерживать охлаждающую нагрузку в пиковых условиях. Такое превышение размеров увеличивает капитальные затраты и может привести к снижению производительности при частичной-нагрузке.
- Более высокое потребление энергии в некоторых климатических условиях. Конденсаторы с воздушным охлаждением потребляют больше мощности вентилятора, чем мощность насоса и вентилятора системы с водяным охлаждением. Разница обычно составляет от 10% до 20% от общей мощности системы, хотя она зависит от конкретной конструкции и климата.
- Шум. Уровень шума нескольких вентиляторов, работающих на полной скорости, может быть значительным. В жилых домах или местах,-чувствительных к шуму, может потребоваться акустическая обработка, что увеличивает стоимость.
- Требование к открытому пространству. Конденсатор должен быть установлен на открытом воздухе с достаточным пространством для потока воздуха. В густонаселенных городских районах или там, где открытое пространство ограничено, это может стать препятствием.
Размер и выбор
Для выбора конденсатора с воздушным охлаждением необходимы следующие данные:
- Расчетная температура окружающей среды. Самая высокая температура окружающей среды по сухому- термометру ожидается в сезон охлаждения. Соответствующим значением является расчетное значение 2,5%, основанное на данных ASHRAE или местных метеорологических данных.
- Хладагент. Тип хладагента определяет соотношение давления-температуры и требуемой температуры конденсации.
- Скорость отвода тепла. Общее количество тепла, которое должно быть отведено конденсатором. Это сумма холодопроизводительности и потребляемой мощности компрессора.
- Приблизьтесь к температуре. Разница между температурой конденсации и расчетной температурой окружающей среды. Типичное значение составляет от 10 до 15 градусов. Меньший подход требует большего конденсатора; более крупный подход увеличивает мощность компрессора.
С помощью этих данных требуемую производительность конденсатора можно определить на основе данных выбора производителя, которые обычно представлены как зависимость производительности от температуры окружающей среды для диапазона температур конденсации.
Тепловой расчет
Площадь поверхности теплопередачи, необходимая для данного режима работы, определяется:
A=Q / (U × ΔTlm)
где ΔTlm — средняя логарифмическая разница температур между хладагентом и воздухом. В конденсаторе температура хладагента относительно постоянна во время процесса конденсации, а температура воздуха увеличивается по мере его прохождения через змеевик. Это изменение учитывается логарифмической средней температурой.
Значение U-должно быть определено для конкретной геометрии змеевика и воздушного потока. Для нового, чистого конденсатора типичные значения U-для систем с R-22, R-134a и R-410A составляют от 25 до 35 Вт/м²·К. Для систем R-744 (CO₂), которые работают при более высоких давлениях, значения U аналогичны, но температура конденсации значительно выше.
Требуемая мощность вентилятора определяется перепадом давления на змеевике и требуемым расходом воздуха. Типичная мощность вентилятора составляет от 1 до 2 кВт на 10 кВт отвода тепла, в зависимости от конструкции.
Ценность экономии воды-: количественная оценка
Экономию воды в конденсаторе с воздушным охлаждением по сравнению с системой с водяным охлаждением и градирней можно оценить по следующим соотношениям:
Потребление воды градирни состоит из испарения, дрейфа и продувки. Испарение является доминирующим компонентом, на его долю приходится от 70% до 90% общего объема. Скорость испарения составляет примерно от 1,5 до 2,5 литров на кВт-час отведенного тепла, в зависимости от диапазона и подхода градирни.
Для системы мощностью 250 кВт, работающей 3000 часов в год, годовое потребление воды системой с водяным охлаждением составляет:
Испарение: 250 × 3000 × 2.0=1 500 000 литров.
Снос и продувка: примерно 30 % испарения=450 000 литров.
Итого: 1 950 000 литров в год
Конденсатор с воздушным охлаждением не потребляет воду. Экономия воды для этой единственной системы составляет 1,95 миллиона литров в год.
Сравнение энергии
Энергопотребление конденсатора с воздушным охлаждением в первую очередь зависит от мощности вентилятора. Энергопотребление системы с водяным охлаждением включает в себя вентилятор градирни и водяной насос конденсатора. Типичное сравнение системы мощностью 250 кВт:
Конденсатор с воздушным охлаждением: мощность вентилятора 20 кВт, 3000 часов в год=60000 кВтч/год.
Система с водяным охлаждением: вентилятор градирни мощностью 2 кВт + 5 кВт насос=7 кВт, 3 000 часов в год=21 000 кВтч в год
Система воздушного охлаждения потребляет дополнительно 39 000 кВтч/год. При тарифе на электроэнергию 0,12 доллара США/кВтч дополнительные эксплуатационные расходы составят 4680 долларов США в год. Экономия воды при тарифе на воду 2,00 доллара США/1000 литров составляет 3900 долларов США в год. Чистая разница составляет 780 долларов в год в пользу системы воздушного охлаждения.
Это сравнение зависит от тарифа на электроэнергию, тариф на воду и часы работы. При более низких тарифах на электроэнергию или более высоких тарифах на воду более выгодна система с воздушным охлаждением.
Установка и очистка
Установка конденсатора с воздушным охлаждением требует наличия достаточного пространства для забора и выпуска воздуха. Необходимо соблюдать указанные производителем зазоры.
Минимальные зазоры для типичных агрегатов составляют:
Сторона всасывания: от 1,0 до 2,0 метров, в зависимости от конструкции.
Сторона разгрузки: от 2,0 до 4,0 метров, в зависимости от высоты агрегата и направления разгрузки.
Между соседними блоками: от 2,0 до 3,0 метров, чтобы предотвратить рециркуляцию.
Рециркуляция-возврат выпущенного воздуха во впуск-уменьшает эффективную разницу температур и может снизить производительность на 10 – 30 %. Риск рециркуляции выше в замкнутых пространствах, между соседними агрегатами, а также когда конденсатор установлен возле стены или под навесом.
Техническое обслуживание и очистка
Основным требованием к техническому обслуживанию является очистка оребренной поверхности змеевика. Пыль, грязь, пыльца и скопление промышленных частиц на ребрах уменьшают поток воздуха и теплопередачу. Скорость накопления зависит от окружающей среды:
- Чистая среда (жилые помещения, офисные здания): ежегодная уборка.
- Умеренные условия (коммерческие помещения, пригород): уборка дважды-в год.
- Тяжелые условия (промышленные зоны, сельскохозяйственные районы, прибрежные зоны): ежеквартальная очистка.
Чистку можно производить с помощью:
- Распыление воды с мягким моющим средством с последующим ополаскиванием.
- Сжатый воздух, направленный изнутри наружу (обратный поток)
- Химическая очистка от масляных или жировых отложений
Очистку водой-под высоким давлением следует использовать с осторожностью, так как она может погнуть ребра, уменьшив поток воздуха и увеличив падение давления. Инструменты для выпрямления плавников доступны, но их использование-трудоёмко.
Заключение
Конденсаторы с воздушным охлаждением — это зрелая технология с четко-определенными эксплуатационными характеристиками. Их основным преимуществом является отсутствие потребления воды, что имеет решающее значение в регионах с-дефицитом воды. Их основным ограничением является снижение емкости при высоких температурах окружающей среды, что необходимо учитывать путем правильного подбора размеров.
Выбор конденсатора с воздушным охлаждением должен основываться на конкретной-оценке климата на конкретной площадке, охлаждающей нагрузке, ограничениях по шуму и ограничениях при установке. Капитальные затраты, эксплуатационные расходы и требования к техническому обслуживанию следует сравнивать с альтернативами с водяным охлаждением. Когда оценка проводится систематически, правильный выбор очевиден.