Među dostupnim tehnologijama za odbacivanje toplote iz sistema za hlađenje i klimatizaciju,vazdušno hlađen kondenzatorzauzima jasno definisanu poziciju. Nije univerzalno rješenje, niti je niša proizvod. To je specifična tehnologija sa specifičnim karakteristikama performansi, uslovima primjene i ekonomskim-ustupcima. Ovaj članak ispituje tehnologiju iz inženjerske perspektive, razmatra faktore koji određuju njenu performansu, njene prednosti i ograničenja u odnosu na druge tipove kondenzatora, i kriterijume koji bi trebali voditi njegov izbor.
Princip rada
Zračno hlađen kondenzator odbija toplinu iz rashladnog sredstva u okolni zrak. Rashladno sredstvo ulazi u kondenzator kao pregrijana para pri tlaku i temperaturi pražnjenja. Dok teče kroz rebraste cijevi, toplina se prenosi na struju zraka koja prolazi preko cijevi i rebara. Rashladno sredstvo se kondenzira dok oslobađa latentnu toplinu, izlazeći kao pothlađena tekućina.
Procesom prijenosa topline upravljaju tri faktora: temperaturna razlika između rashladnog sredstva i zraka, površina prijenosa topline i ukupni koeficijent prijenosa topline. Površina je obezbeđena rasporedom rebrastih cevi. Koeficijent prijenosa topline određen je brzinom zraka kroz rebra i karakteristikama prijenosa topline na strani rashladnog{2}}.
Karakteristike prijenosa topline
Ukupni koeficijent prijenosa topline zračno hlađenog kondenzatora određen je zbirom toplinskih otpora na strani rashladnog sredstva, stijenke cijevi i zračne strane. Od toga je dominantan otpor na zračnoj{1}}strani, koji čini 70% do 85% ukupnog otpora.
Koeficijent prijenosa topline{0}} na strani zraka je funkcija brzine zraka, geometrije peraja i razmaka rebara. Za tipične dizajne kondenzatora, koeficijent zračne{2}}strane se kreće od 20 do 60 W/m²·K, u zavisnosti od brzine lica i konfiguracije rebra. Koeficijent -strane rashladnog sredstva je tipično veći za red veličine, u rasponu od 500 do 2.000 W/m²·K. Otpor stijenke cijevi je zanemariv u poređenju.
Ukupni koeficijent za čisti kondenzator je tipično 25 do 40 W/m²·K. Prljanje rebraste površine može smanjiti ovo za 20% do 40%, ovisno o nivou kontaminacije i učestalosti čišćenja.
Performanse u odnosu na temperaturu okoline
Kapacitet kondenzatora koji se hladi zrakom je direktno povezan s razlikom između temperature kondenzacije i ambijentalne temperature suhe{0}}temperature. Za datu veličinu kondenzatora i protok vazduha, kapacitet je:
Q=U × A × (Tcond - Tamb)
gdje je Q stopa odbijanja topline, U je ukupni koeficijent prijenosa topline, A je površina, Tcond je temperatura kondenzacije, a Tamb je temperatura okoline suhe{0}}mjernice.
Ako se temperatura okoline poveća, temperaturna razlika se smanjuje osim ako se temperatura kondenzacije ne poveća. Porast temperature kondenzacije povećava ispusni pritisak kompresora i potrošnju energije, smanjujući efikasnost sistema. Ovo je osnovno termodinamičko ograničenje vazdušno hlađenih kondenzatora.
Veličina ovog efekta je kvantificirana. Za tipičan kondenzator koji radi sa pristupom od 15 stepeni (razlika između temperature kondenzacije i temperature okoline), porast temperature okoline od 5 stepeni smanjuje kapacitet za približno 20% ako se temperatura kondenzacije održava konstantnom ili zahteva povećanje temperature kondenzacije za 5 stepeni da bi se održao kapacitet. Ovo posljednje povećava snagu kompresora za otprilike 8% do 12%.
Odnos između kapaciteta i temperature okoline mora se uzeti u obzir u procesu odabira. Kondenzator veličine za 35 stepeni ambijenta će isporučiti približno 75% svog nominalnog kapaciteta na 45 stepeni. U toplim klimatskim uslovima, projektno stanje mora biti zasnovano na najvišoj očekivanoj temperaturi okoline, a ne na prosjeku.
Prednosti i ograničenja
Prednosti vazdušno hlađenih kondenzatora:
- Potrošnja vode nula. Najznačajnija prednost je eliminacija rashladne vode. U regijama -sa nedostatkom vode, ovo je često odlučujući faktor. Kondenzator ne zahteva rashladni toranj, hemikalije za prečišćavanje vode ili odlaganje izduvavanjem.
- Niži kapitalni troškovi. Za male i srednje kapacitete (do približno 200 kW), vazdušno hlađeni kondenzatori obično imaju niže instalirane troškove od sistema hlađenih vodom. Premija troškova za sisteme sa hlađenjem vodom uključuje rashladni toranj, pumpe, cjevovode i opremu za tretman vode.
- Jednostavnije održavanje. Zahtjevi za održavanje ograničeni su na čišćenje zavojnice, pregled ventilatora i motora, te električne provjere. Sistemi sa vodenim hlađenjem zahtevaju dodatno održavanje rashladnog tornja, pumpi i tretmana vode.
Ograničenja vazdušno hlađenih kondenzatora:
- Smanjenje performansi na visokim temperaturama okoline. Kapacitet se smanjuje kako temperatura okoline raste. U vrućim klimama, kondenzator mora biti prevelik kako bi zadovoljio opterećenje hlađenja u vršnim uslovima. Ova prevelika veličina povećava kapitalne troškove i može rezultirati lošim performansama djelomičnog{3}}opterećenja.
- Veća potrošnja energije u nekim klimatskim uslovima. Zračno hlađeni kondenzatori troše više snage ventilatora od snage pumpe i ventilatora vodeno hlađenog sistema. Razlika je tipično 10% do 20% ukupne snage sistema, iako to zavisi od specifičnog dizajna i klime.
- Buka. Nivo zvuka više ventilatora koji rade punom brzinom može biti značajan. U stambenim objektima ili lokacijama{2}}osjetljivim na buku, možda će biti potreban akustični tretman, što povećava troškove.
- Potreba za otvorenim prostorom. Kondenzator mora biti instaliran na vanjskoj lokaciji s adekvatnim razmakom za protok zraka. U gustim urbanim područjima ili gdje je vanjski prostor ograničen, ovo može biti ograničenje.
Dimenzioniranje i odabir
Za odabir kondenzatora sa zračnim hlađenjem potrebni su sljedeći podaci:
- Projektovana temperatura okoline. Najviša temperatura okoline suve{1}}očekivane tokom sezone hlađenja. Odgovarajuća vrijednost je projektno stanje od 2,5% iz ASHRAE podataka ili lokalnih meteoroloških zapisa.
- Rashladno sredstvo. Vrsta rashladnog sredstva određuje odnos pritisak{1}}temperatura i potrebnu temperaturu kondenzacije.
- Stopa odbijanja toplote. Ukupna toplota koju kondenzator odbija. Ovo je zbir rashladnog kapaciteta i ulazne snage kompresora.
- Prilazna temperatura. Razlika između temperature kondenzacije i projektovane temperature okoline. Tipična vrijednost je 10 do 15 stepeni. Manji pristup zahtijeva veći kondenzator; veći pristup povećava snagu kompresora.
Sa ovim podacima, potreban kapacitet kondenzatora može se odrediti iz podataka o odabiru proizvođača, koji se obično daju kao kapacitet u odnosu na temperaturu okoline za raspon temperatura kondenzacije.
Thermal Design Calculation
Površina za prijenos topline potrebna za datu funkciju određena je:
A=Q / (U × ΔTlm)
gdje je ΔTlm logaritamska srednja temperaturna razlika između rashladnog sredstva i zraka. Za kondenzator, temperatura rashladnog sredstva je relativno konstantna tokom procesa kondenzacije, a temperatura vazduha raste kako prolazi kroz zavojnicu. Logička srednja temperaturna razlika objašnjava ovu varijaciju.
U-vrijednost se mora odrediti za specifičnu geometriju zavojnice i protok zraka. Za novi, čisti kondenzator, tipične U-vrijednosti za R-22, R-134a i R-410A sisteme se kreću od 25 do 35 W/m²·K. Za R-744 (CO₂) sisteme, koji rade na višim pritiscima, U-vrijednosti su slične, ali je temperatura kondenzacije znatno viša.
Potrebna snaga ventilatora određena je padom tlaka kroz zavojnicu i potrebnim protokom zraka. Tipična snaga ventilatora je 1 do 2 kW na 10 kW odbijanja topline, ovisno o dizajnu.
Vrijednost{0}}uštede vode: kvantitativna procjena
Ušteda vode vazdušno hlađenog kondenzatora u odnosu na sistem hlađenja vodom sa rashladnim tornjem može se proceniti iz sledećih odnosa:
Potrošnja vode u rashladnom tornju sastoji se od isparavanja, odnošenja i propuštanja. Isparavanje je dominantna komponenta, koja čini 70% do 90% ukupne količine. Brzina isparavanja je otprilike 1,5 do 2,5 litara po kW-sat odbačene topline, ovisno o rasponu rashladnog tornja i pristupu.
Za sistem od 250 kW koji radi 3.000 sati godišnje, godišnja potrošnja vode sistema sa hlađenjem vodom je:
Isparavanje: 250 × 3.000 × 2.0=1, 500.000 litara
Drift i izduvavanje: približno 30% isparavanja=450, 000 litara
Ukupno: 1.950.000 litara godišnje
Zračno hlađen kondenzator ne troši vodu. Ušteda vode je 1,95 miliona litara godišnje za ovaj jedinstveni sistem.
Poređenje energije
Potrošnja energije zračno hlađenog kondenzatora je prvenstveno snaga ventilatora. Potrošnja energije sistema sa vodenim hlađenjem uključuje ventilator rashladnog tornja i kondenzatorsku pumpu za vodu. Tipično poređenje za sistem od 250 kW je:
Zračno hlađeni kondenzator: snaga ventilatora 20 kW, 3.000 sati godišnje=60, 000 kWh/godišnje
Sistem vodenog hlađenja: ventilator rashladnog tornja od 2 kW + 5 kW pumpa=7 kW, 3.000 sati/godišnje=21. 000 kWh/godišnje
Sistem sa vazdušnim hlađenjem troši dodatnih 39.000 kWh godišnje. Uz stopu električne energije od 0,12 USD/kWh, dodatni operativni troškovi su 4,680 USD godišnje. Ušteda vode pri stopi vode od 2,00 USD/1000 litara iznosi 3900 USD godišnje. Neto razlika je 780 dolara godišnje u korist sistema sa vazdušnim hlađenjem.
Ovo poređenje je osjetljivo na cijenu struje, vodu i radno vrijeme. Pri nižim cijenama električne energije ili višim cijenama vode, sistem hlađenja zrakom je povoljniji.
Ugradnja i čišćenje
Instalacija vazdušno hlađenog kondenzatora zahteva adekvatan prostor za usis i ispuštanje vazduha. Moraju se poštovati razmake koje je odredio proizvođač.
Minimalni razmaci za tipične jedinice su:
Usisna strana: 1,0 do 2,0 metara, ovisno o dizajnu
Strana pražnjenja: 2,0 do 4,0 metara, ovisno o visini jedinice i smjeru pražnjenja
Između susjednih jedinica: 2,0 do 3,0 metra, kako bi se spriječila recirkulacija
Recirkulacija-povratak ispuštenog zraka u usis-smanjuje efektivnu temperaturnu razliku i može smanjiti kapacitet za 10% do 30%. Rizik od recirkulacije je veći u skučenim prostorima, između susjednih jedinica i kada je kondenzator instaliran u blizini zida ili ispod nadstrešnice.
Održavanje i čišćenje
Primarni zahtjev za održavanje je čišćenje površine rebraste spirale. Akumulacija prašine, prljavštine, polena i industrijskih čestica na perajima smanjuje protok zraka i prijenos topline. Brzina akumulacije zavisi od okoline:
- Čisto okruženje (stambena područja, poslovne zgrade): godišnje čišćenje
- Umjerena okruženja (komercijalna područja, prigradska naselja): čišćenje dvaput-godišnje
- Teške sredine (industrijska područja, poljoprivredna područja, priobalje): tromjesečno čišćenje
Čišćenje se može obaviti sa:
- Prskajte vodom blagim deterdžentom, nakon čega slijedi ispiranje
- Komprimirani zrak, usmjeren iznutra prema van (obrnuti tok)
- Hemijsko čišćenje naslaga ulja ili masti
Čišćenje vodom pod visokim-pritiskom treba koristiti oprezno, jer može savijati peraje, smanjujući protok vazduha i povećavajući pad pritiska. Alati za ispravljanje peraja su dostupni, ali su-intenzivni za upotrebu.
Zaključak
Zračno hlađeni kondenzatori su zrela tehnologija s dobro-definiranim karakteristikama performansi. Njihova primarna prednost je eliminacija potrošnje vode, što je presudno u regijama{2}}oskudnim vodama. Njihovo primarno ograničenje je smanjenje kapaciteta pri visokim temperaturama okoline, što se mora uzeti u obzir pravilnim dimenzioniranjem.
Odabir kondenzatora sa zračnim hlađenjem bi trebao biti zasnovan na-ocjeni klime, opterećenja hlađenja, zvučnih ograničenja i ograničenja instalacije. Kapitalne troškove, operativne troškove i zahtjeve za održavanjem treba uporediti sa alternativama hlađenim vodom. Kada se evaluacija sprovodi sistematski, jasan je odgovarajući izbor.