Типы, виды и принципы подбора конденсаторов воздушного охлаждения

Владимир Сапожников
конденсаторы воздушного охлаждения на объекте

Известно, что задача конденсатора заключается в отводе тепла, попадающего в него вместе с хладагентом и накопленного, с одной стороны, в испарителе (тепло, отнятое у охлаждаемой среды), а с другой — в компрессоре (тепловой эквивалент механической работы компрессора с точностью до потерь). Поток хладагента, выходящий из компрессора в виде перегретого пара, как правило, при подходе к расширительному устройству представляет собой переохлажденную жидкость.

Если читатель посмотрит на рис. 1, он сможет констатировать, что хладагент, вышедший из компрессора в состоянии перегретых паров при давлении конденсации Pk (точка 2), попадает на вход в расширительное устройство в состоянии переохлажденной жидкости при том же давлении (точка 5). 

Схема (а) и холодильный цикл (б) в координатах «давление P-энтальпия i» простейшей парокомпрессионной холодильной машины

Рис. 1. Схема (а) и холодильный цикл (б) в координатах «давление P-энтальпия i» простейшей парокомпрессионной холодильной машины: РУ — расширительное устройство (дроссель, вентиль, клапан и т.п.), Pk —давление конденсации, P0 —давление кипения; ПП - область, где хладагент находится в состоянии перегретого пара; ПЖ — область, где хладагент находится в состоянии переохлажденной жидкости; П+Ж — область, соответствующая хладагенту в состоянии двухфазной парожидкостной среды.

Действительно, при переходе от точки 2 к точке 5 поток хладагента проходит через три фазы:

  • снижение перегрева между точками 2 и 3, т.е. понижение температуры хладагента, все еще остающегося в газовой фазе, причем в точке 3 достигается состояние насыщенных паров;

  • собственно конденсация, т.е. переход хладагента из газообразного состояния в жидкое при постоянной температуре между точками 3 и 4, при этом точка 4 соответствует состоянию, называемому насыщенной жидкостью;

  • переохлаждение между точками 4 и 5, где температура жидкого хладагента понижается до некоторого значения tж.

В тех случаях, когда в составе установки предусмотрен специальный теплообменник, называемый устройством для снятия перегрева, а также другой специальный теплообменный аппарат, обеспечивающий переохлаждение, или регенеративный теплообменник, конденсатор выполняет только собственно задачу конденсации хладагента. Во всех других случаях переход хладагента из состояния перегретого пара в состояние переохлажденной жидкости происходит в одном и том же аппарате, также называемом конденсатором, хотя он обеспечивает и устранение перегрева, и переохлаждение.

Таким образом, конденсатор холодильной установки — это теплообменный аппарат, предназначенный для сброса теплоты работы сжатия компрессора и теплоты, отбираемой хладагентом от охлаждаемой среды с помощью испарителя, в окружающую среду. В случае конденсатора воздушного охлаждения (КВО) окружающей средой является наружный воздух.

В любом конденсаторе, обеспечивающем, кроме обычного процесса конденсации, еще и устранение перегрева, и переохлаждение, существуют три функциональные зоны, отличающиеся друг от друга характером теплообменных процессов. Тем не менее, принимая во внимание, что количество тепла, снимаемое в зоне как устранения перегрева, так и переохлаждения, гораздо меньше по отношению к количеству тепла, снимаемому в зоне собственно конденсации, разработчики часто устанавливают тепловые мощности (производительность) конденсаторов исходя из среднего значения коэффициента теплоотдачи К.

Конденсаторы воздушного охлаждения в основном представляют собой набор медных или стальных трубок диаметром от 10 до 15 мм с надетыми на них внатяжку без сварки ребрами (рис. 2). 

Конструкция теплообменного узла трубчато-ребристого конденсатора воздушного охлаждения

Рис. 2. Конструкция теплообменного узла трубчато-ребристого конденсатора воздушного охлаждения

Ребра, натягиваемые на трубки с помощью механических или гидравлических устройств, располагают на расстоянии 2,5-6 мм друг от друга и изготавливают из меди, алюминия или стали.  отдельных случаях диаметры трубок могут достигать 25 мм. Некоторые производители используют трубки эллиптического сечения, что, с одной стороны, повышает коэффициент теплоотдачи поверхности, а с другой — снижает потери давления в воздушном тракте.

Конденсация хладагента происходит внутри трубок. Чтобы поддерживать температуру конденсации на возможно более низком уровне даже летом, когда окружающая температура повышена, необходимо пропускать через конденсаторы значительный расход воздуха. Поэтому настоятельно рекомендуется располагать конденсаторы с воздушным охлаждением на открытом воздухе, например на плоских крышах.

Для холодопроизводительности установки, не превышающей 8-10 кВт и лишь в некоторых исключительных случаях доходящей до 25 кВт, конденсаторы с воздушным охлаждением можно монтировать на тех же станинах, что и компрессоры, образуя тем самым компрессорно-конденсаторный агрегат, собираемый непосредственно на заводе-изготовителе. Для компрессорно-конденсаторных агрегатов, оборудованных сальниковыми компрессорами такой производительности, конденсаторный вентилятор устанавливают на валу приводного двигателя компрессора.

В случаях, когда конденсаторы с принудительным воздушным охлаждением нужно установить внутри помещения, предусматриваются воздуховоды как для всасываемого, так и для выходящего воздуха, а также в большинстве случаев шумоглушители. При этом следует удостовериться, что вентиляторы смогут нормально работать, несмотря на дополнительные потери напора. Для холодильных установок, включающих несколько контуров, можно расположить различные конденсаторы, обслуживающие совокупность контуров, на одной раме, при этом вентиляторы могут быть общими (конденсатор с несколькими контурами). В этом случае использование осевых вентиляторов дает возможность некоторым изготовителям создавать конденсаторные батареи на основе блочных конструкций, что позволяет обеспечивать наращивание их производительности простым присоединением одного или нескольких блоков. Приводные двигатели также можно использовать для обслуживания нескольких блоков. В зависимости от размеров блоков и располагаемого места их установки можно выбрать один из трех вариантов расположения теплообменного блока конденсаторов воздушного охлаждения — вертикальное, горизонтальное или V-образное (рис. 3). 

Классификация и внешний вид конденсаторов воздушного охлаждения

Рис. 3. Классификация и внешний вид конденсаторов воздушного охлаждения: а — вертикальные; б — горизонтальные; в — V-образные; г — с центробежным вентилятором.

Вертикальное расположение блоков сокращает площадь поверхности, занимаемой под конденсатор, однако не позволяет устанавливать последовательно более двух вентиляторов один над другим. При необходимости вертикальной установки нескольких комплектов конденсаторных батарей их можно располагать под прямым углом друг к другу, что, во-первых, требует меньших площадей, а во-вторых, исключает взаимовлияние воздушных потоков.

Горизонтальное расположение блоков с вентиляторами, установленными над конденсаторной батареей и всасывающими воздух через оребренные трубки, позволяет разместить конденсаторные батареи вместе с вентиляторами в нужном количестве в одной плоскости, однако требует значительных размеров площади поверхности, занимаемой под конденсатор.

V-образное расположение блоков с вентиляторами является промежуточным вариантом и, хотя по стоимости уступает первым двум, но при определенных условиях его можно рассматривать как наиболее предпочтительное, поскольку такое расположение обеспечивает компактность размещения в сочетании с высокой производительностью.

Подбор конденсатора производят после того, как определены типы и конкретные модели испарителей и компрессоров и, следовательно, известны суммарная холодопроизводительность холодильной машины (установки) Q0, а также мощность P, потребляемая компрессорами.

При подборе КВО первым вопросом, на который предстоит ответить, является выбор варианта конструктивного исполнения конденсатора. В общем случае конденсаторы воздушного охлаждения принято классифицировать по типу вентилятора и пространственному расположению теплообменного блока.

Подавляющее большинство современных конденсаторов воздушного охлаждения оборудованы осевыми вентиляторами с внешним ротором и электродвигателем, прикрепленным к защитной решетке вентилятора. Осевые вентиляторы не способны создавать высокого давления, однако имеют более высокое значение КПД по сравнению с центробежными вентиляторами, более просты в изготовлении, более дешевы, имеют меньшие габариты и массу. Производители конденсаторов используют осевые вентиляторы разных фирм, но все применяемые для конденсаторов вентиляторы в большинстве случаев имеют одинаковый тип крепления к корпусу конденсатора, а типоразмеры всех производителей вентиляторов «укладываются» в одинаковый ряд диаметров лопастей. Например, для конденсаторов воздушного охлаждения производительностью от 20 до 200 кВт используют вентиляторы с лопастями диаметром 400, 450, 500 (иногда 560) и 630 мм. Поток воздуха для всех вентиляторов конденсатора направлен от теплообменной решетки конденсатора через лопасти вентилятора к защитной решетке вентилятора. Если конденсатор смонтирован горизонтально, например на крыше здания, то поток воздуха происходит через теплообменную решетку конденсатора и выбрасывается вверх. Направление вращения и движения потока воздуха у вентилятора только одно. Поток может быть направлен либо на защитную решетку вентилятора, либо от нее. Поменяв две фазы, можно изменить направление вращения, но производительность вентилятора при этом существенно снизится.

Центробежные вентиляторы способны создавать больший напор на выходе по сравнению с осевыми вентиляторами. Поэтому их применяют, как правило, в конструкции конденсаторов, устанавливаемых в помещениях и оснащаемых сетью воздуховодов.

Работа вентиляторов сопровождается шумом, интенсивность которого обусловливается типом вентилятора, режимом его работы, качеством изготовления и монтажа. Снижению шумов способствуют установка вентилятора на одном валу с двигателем, применение специальных виброгасителей при креплении на станине, качественная балансировка ротора, тщательная обработка и отделка поверхностей лопаток рабочего колеса, мягкое соединение с воздуховодами.

Для подбора конденсаторов воздушного охлаждения следует использовать каталоги производителей, в которых номинальную производительность конденсаторов указывают при так называемых стандартных условиях согласно Европейскому стандарту EN 327-2014 «Heat exchangers - Forced convection air cooled refrigerant condensers - Test procedures for establishing performance» («Теплообменники. Конденсаторы воздушного охлаждения с принудительным обдувом. Условия испытаний по определению производительности»). В соответствии с этим стандартом испытания по определению производительности конденсатора проводят с использованием R4O4A в качестве хладагента при температуре окружающей среды tос = 25 °C, температуре конденсации tк = 40 °C (температурный напор по воздуху на входе в конденсатор DT = tк-tос = 15 К), перегреве пара на выходе из компрессора (разность между температурой пара на выходе из компрессора tвых. компр. и температурой конденсации tк), ∆Tперегр. = 25 К и переохлаждении жидкого хладагента на выходе из конденсатора (разность между температурой конденсации хладагента tк и температурой жидкого хладагента tж на выходе из конденсатора) ∆Tпереохл. <3 K

С учетом этих условий требуемую номинальную производительность конденсатора (блока конденсаторов) для установки, включающей n компрессоров, можно найти по формуле

номинальная холодопроизводительность

где Qi – номинальная холодопроизводительность i-го компрессора при указанных выше условиях;

Pi – мощность, потребляемая приводным двигателем i-го компрессора при тех же условиях;

Ψi – коэффициент, учитывающий вариант конструктивного исполнения i-го компрессора.

Для герметичных компрессоров Ψ = 1, для бессальниковых – Ψ = 0,85–0,95, для сальниковых компрессоров

 

коэффициент, учитывающий вариант конструктивного исполнения i-го компрессор

где КПД эл. дв – коэффициент полезного действия приводного электродвигателя сальникового компрессора и КПД перед. мех – коэффициент полезного действия механизма передачи крутящего момента от вала приводного электродвигателя к валу сальникового компрессора).

На практике значение коэффициента Ψ для сальниковых компрессоров можно принимать в диапазоне Ψ = 0,6–0,65.

По найденному таким образом значению производительности конденсатора воздушного охлаждения (блока конденсаторов) можно подобрать подходящую модель из каталогов компаний-производителей только в том случае, если условия работы КВО совпадают с описанными выше стандартными условиями испытаний согласно стандарту EN 327-2014. Если же фактические условия эксплуатации конденсатора (блока конденсаторов) отличаются от стандартных условий, значение потребной производительности конденсатора (блока конденсаторов) следует скорректировать, приняв во внимание отличие условий испытаний по определению производительности согласно стандарту EN 327-2014 от фактических условий эксплуатации.

Наиболее заметное влияние на отклонение значения производительности конденсатора от величины, получаемой при стандартных условиях, оказывают следующие параметры:

  • температура перегретого пара (температура нагнетания) на выходе из компрессора (входе в конденсатор) Т2 = Тнагн;

  • высота установки конденсатора над уровнем моря Н;

  • температура окружающего воздуха на входе в конденсатор Т возд вх. к;

  • тип холодильного агента;

  • температурный напор по воздуху на входе в конденсатор DT = tк – tос.

По результатам такой корректировки может быть определена фактическая требуемая производительность:

фактическая требуемая производительность

Последний множитель в формуле учитывает влияние на производительность конденсатора температурного напора DT по воздуху на входе в конденсатор. Значения других поправочных коэффициентов KN согласно стандарту EN 327-2014 приведены в таблице.

Поправочные коэффициенты для конденсаторов воздушного охлаждения

После того как по формуле будет найдена фактическая требуемая производительность конденсатора, по каталогам производителей теплообменной аппаратуры можно подобрать модель, которая обеспечивает требуемое значение.

По поводу еще одного конструктивного параметра, а именно шага оребрения (расстояния между двумя смежными ребрами), при выборе нужной модели конденсатора воздушного охлаждения целесообразно руководствоваться следующими соображениями. Как уже отмечалось выше, на российском рынке теплообменных аппаратов для холодильной техники представлены конденсаторы с шагом оребрения от 2,3 до 6 мм. Понятно, что чем меньше шаг оребрения, тем компактнее при прочих равных условиях конструкция конденсатора воздушного охлаждения. Однако очевидно, что теплообменные узлы конденсатора с малым шагом оребрения при эксплуатации потребуют более частой очистки поверхности ребер от пыли, листвы и прочих возможных негативных атмосферных воздействий и загрязнений. Поэтому шаг оребрения должен соответствовать предполагаемым условиям эксплуатации конденсатора с учетом его местонахождения (на открытом воздухе, под навесом, в помещении, вблизи возможных источников загрязнения и т.п.). 

Наконец, отдельное внимание при выборе конденсатора необходимо уделять требованиям по допустимому уровню шума при работе вентиляторов. Согласно действующим на территории России Санитарным нормам СН 2.2.4/2.1.8.562-96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки» допустимый уровень шума должен быть следующим:

  • территория жилых домов, больниц, поликлиник, учебных заведений - 60-70 дБ;

  • больницы и санатории – 50-60 дБ;

  • жилые комнаты – 40-30 дБ.

Для систем кондиционирования, вентиляции, отопления и прочих инженерных систем уровень шума принимают на 5 дБ меньше указанных. Если конденсатор правильно подобран, но не отвечает требованиям по уровню шума, то следует принимать меры по его снижению (установка менее шумных вентиляторов, экранов, увеличение поверхности теплообмена и пр.). Большинство компаний, производящих теплообменные аппараты для холодильной техники, предлагают несколько вариантов КВО одной и той же производительности, но с различными шумовыми характеристиками в зависимости от ограничений на местах предполагаемого размещения конденсаторов.

Завершая рассмотрение вопросов подбора комплектующих для холодильного оборудования, применяемого в пищевой промышленности, следует отметить, что компании - производители оборудования, как правило, предоставляют своим потенциальным клиентам различного рода программы и методики для подбора оборудования. Однако, чтобы грамотно и со знанием дела пользоваться этими программами и методиками, необходимо четко представлять себе:

  • процессы, происходящие в том или ином элементе холодильного контура;

  • понимать, какие рабочие параметры и в какой степени будут определять характеристики этих элементов при их функционировании в холодильной установке.

Представляется, что данная статья окажется полезной для специалистов, отвечающих за комплектацию производственных линий холодильной техникой, заказ холодильного оборудования и его эксплуатацию.

Автор: Владимир Сапожников, д.т.н, профессор

При поддержке
логотип Север-М
логотип Спектропласт
логотип Россоюзхолодпром
логотип Фригопоинт
логотип КриоФрост
логотип Техностиль
логотип Ридан
логотип Фриготехника
логотип Технофрост
логотип Техноватт
логотип ЭлДжиТи Рус
логотип Международная академия холода