Bland de tillgängliga teknikerna för att avvisa värme från kyl- och luftkonditioneringssystem,den luftkylda kondensornintar en klart definierad position. Det är ingen universallösning och inte heller en nischprodukt. Det är en specifik teknik med specifika prestandaegenskaper, applikationsförhållanden och ekonomiska-avvägningar. Den här artikeln undersöker tekniken ur ett ingenjörsperspektiv, och granskar de faktorer som bestämmer dess prestanda, dess fördelar och begränsningar i förhållande till andra kondensortyper och kriterierna som bör vägleda dess val.
Verksamhetsprincip
Den luftkylda kondensorn avvisar värme från köldmediet till den omgivande luften. Köldmediet kommer in i kondensorn som en överhettad ånga vid utloppstryck och temperatur. När den strömmar genom flänsrören överförs värme till luftströmmen som passerar över rören och fenorna. Köldmediet kondenserar när det avger latent värme och kommer ut som en underkyld vätska.
Värmeöverföringsprocessen styrs av tre faktorer: temperaturskillnaden mellan köldmediet och luften, värmeöverföringsytan och den totala värmeöverföringskoefficienten. Ytan tillhandahålls av flänsrörsarrangemanget. Värmeöverföringskoefficienten bestäms av lufthastigheten över lamellerna och värmeöverföringsegenskaperna på kylmediets-sida.
Värmeöverföringsegenskaper
Den totala värmeöverföringskoefficienten för en luftkyld kondensor bestäms av summan av de termiska motstånden på köldmediesidan, rörväggen och luftsidan. Av dessa är luft-sidans motstånd dominerande och står för 70 % till 85 % av det totala motståndet.
Luft-sidans värmeöverföringskoefficient är en funktion av lufthastigheten, fengeometrin och fenans avstånd. För typiska kondensorkonstruktioner sträcker sig luft-sidokoefficienten från 20 till 60 W/m²·K, beroende på ythastigheten och fenans konfiguration. Köldmediets-sidokoefficient är vanligtvis en storleksordning högre, från 500 till 2 000 W/m²·K. Rörväggsmotståndet är försumbart i jämförelse.
Den totala koefficienten för en ren kondensor är typiskt 25 till 40 W/m²·K. Nedsmutsning av flänsytan kan minska detta med 20 % till 40 %, beroende på föroreningsnivån och rengöringsfrekvensen.
Prestanda kontra omgivningstemperatur
Kapaciteten hos en luftkyld kondensor är direkt relaterad till skillnaden mellan kondenseringstemperaturen och den omgivande torra-bulbstemperaturen. För en given kondensorstorlek och luftflöde är kapaciteten:
Q=U × A × (Tcond - Tamb)
där Q är värmeavvisningshastigheten, U är den totala värmeöverföringskoefficienten, A är ytarean, Tcond är kondenseringstemperaturen och Tamb är den omgivande torra-bulbtemperaturen.
Om den omgivande temperaturen ökar, minskar temperaturskillnaden om inte kondenseringstemperaturen stiger. En ökning av kondenseringstemperaturen ökar kompressorns utloppstryck och energiförbrukning, vilket minskar systemets effektivitet. Detta är den grundläggande termodynamiska begränsningen för luftkylda kondensorer.
Storleken på denna effekt är kvantifierbar. För en typisk kondensor som arbetar med 15 graders tillvägagångssätt (skillnaden mellan kondenserings- och omgivningstemperatur), minskar en 5 graders ökning av omgivningstemperaturen kapaciteten med cirka 20 % om kondenseringstemperaturen hålls konstant, eller kräver en 5 graders ökning av kondenseringstemperaturen för att bibehålla kapaciteten. Den senare ökar kompressoreffekten med cirka 8 % till 12 %.
Förhållandet mellan kapacitet och omgivningstemperatur måste beaktas i urvalsprocessen. En kondensor som är dimensionerad för 35 graders omgivningsförhållanden kommer att leverera ungefär 75 % av sin nominella kapacitet vid 45 grader . I varma klimat måste designvillkoren baseras på den högsta förväntade omgivande temperaturen, inte genomsnittet.
Fördelar och begränsningar
Fördelar med luftkylda kondensorer:
- Noll vattenförbrukning. Den viktigaste fördelen är elimineringen av kylvatten. I vatten-regioner är detta ofta den avgörande faktorn. Kondensorn kräver inget kyltorn, vattenbehandlingskemikalier eller avfallshantering.
- Lägre kapitalkostnad. För små till medelstora kapaciteter (upp till cirka 200 kW) har luftkylda kondensorer vanligtvis en lägre installationskostnad än vattenkylda system. Kostnadspremien för vattenkylda system inkluderar kyltornet, pumpar, rörledningar och vattenbehandlingsutrustning.
- Enklare underhåll. Underhållskraven är begränsade till spolarrengöring, fläkt- och motorinspektion samt elektriska kontroller. Vattenkylda system kräver ytterligare underhåll av kyltornet, pumparna och vattenbehandlingen.
Begränsningar för luftkylda kondensorer:
- Prestandaförsämring vid höga omgivningstemperaturer. Kapaciteten minskar när omgivningstemperaturen stiger. I varmt klimat måste kondensorn vara överdimensionerad för att klara kylbelastningen vid toppförhållanden. Denna överdimensionering ökar kapitalkostnaden och kan resultera i dålig del-prestanda.
- Högre energiförbrukning i vissa klimat. Luftkylda kondensorer förbrukar mer fläktkraft än pump- och fläkteffekten i ett vattenkylt system. Skillnaden är vanligtvis 10 % till 20 % av den totala systemeffekten, även om detta varierar med den specifika designen och klimatet.
- Buller. Ljudnivån för flera fläktar som arbetar på full hastighet kan vara betydande. I bostads- eller bullerkänsliga-platser kan akustisk behandling krävas, vilket ökar kostnaden.
- Utomhusutrymmesbehov. Kondensorn måste installeras på en utomhusplats med tillräckligt utrymme för luftflöde. I täta tätorter eller där uteutrymmet är begränsat kan detta vara en begränsning.
Storlek och urval
Följande data krävs för att välja en luftkyld kondensor:
- Designa omgivningstemperatur. Den högsta omgivande torra-lamptemperaturen som förväntas under svalningssäsongen. Det lämpliga värdet är 2,5 % designvillkor från ASHRAE-data eller lokala meteorologiska register.
- Kylmedel. Typen av kylmedel bestämmer tryck-temperaturförhållandet och den erforderliga kondenseringstemperaturen.
- Värmeavvisningshastighet. Den totala värmen som ska avvisas av kondensorn. Detta är summan av kylkapaciteten och kompressorns effekttillförsel.
- Närmar sig temperatur. Skillnaden mellan kondenseringstemperaturen och den designade omgivningstemperaturen. Ett typiskt värde är 10 grader till 15 grader. Ett mindre tillvägagångssätt kräver en större kondensor; ett större tillvägagångssätt ökar kompressoreffekten.
Med dessa data kan den erforderliga kondensorkapaciteten bestämmas från tillverkarens urvalsdata, som vanligtvis tillhandahålls som kapacitet kontra omgivningstemperatur för ett intervall av kondenseringstemperaturer.
Termisk designberäkning
Den värmeöverföringsyta som krävs för en given drift bestäms av:
A=Q / (U × ΔTlm)
där ΔTlm är logga medeltemperaturskillnaden mellan köldmediet och luften. För en kondensor är köldmedietemperaturen relativt konstant under kondensationsprocessen, och lufttemperaturen ökar när den passerar genom slingan. Logmedeltemperaturskillnaden står för denna variation.
U--värdet måste bestämmas för den specifika spolgeometrin och luftflödet. För en ny, ren kondensor varierar typiska U--värden för R-22, R-134a och R-410A-system från 25 till 35 W/m²·K. För R-744 (CO₂)-system, som arbetar vid högre tryck, är U-värdena liknande, men kondenseringstemperaturen är betydligt högre.
Den fläkteffekt som krävs bestäms av tryckfallet genom spolen och det erforderliga luftflödet. Typisk fläkteffekt är 1 till 2 kW per 10 kW värmeavvisande, beroende på design.
Vattenbesparingsvärdet-: en kvantitativ bedömning
Vattenbesparingarna för en luftkyld kondensor i förhållande till ett vattenkylt system med ett kyltorn kan uppskattas utifrån följande samband:
Kyltornets vattenförbrukning består av avdunstning, drift och nedblåsning. Avdunstning är den dominerande komponenten och står för 70 % till 90 % av den totala komponenten. Avdunstningshastigheten är cirka 1,5 till 2,5 liter per kW-timme av bortkastad värme, beroende på kyltornets räckvidd och tillvägagångssätt.
För ett 250 kW system som arbetar 3 000 timmar per år är den årliga vattenförbrukningen för ett vattenkylt system:
Avdunstning: 250 × 3 000 × 2.0=1 500 000 liter
Drift och utblåsning: cirka 30 % av avdunstningen=450 000 liter
Totalt: 1 950 000 liter per år
En luftkyld kondensor förbrukar inget vatten. Vattenbesparingen är 1,95 miljoner liter per år för detta enda system.
Energijämförelse
Energiförbrukningen för en luftkyld kondensor är i första hand fläkteffekten. Energiförbrukningen för ett vattenkylt system inkluderar kyltornsfläkten och kondensorvattenpumpen. En typisk jämförelse för ett 250 kW-system är:
Luftkyld kondensor: 20 kW fläkteffekt, 3 000 timmar/år=60 000 kWh/år
Vattenkylt system: 2 kW kyltornsfläkt + 5 kW pump=7 kW, 3 000 timmar/år=21 000 kWh/år
Det luftkylda systemet förbrukar ytterligare 39 000 kWh/år. Vid en elpris på 0,12 USD/kWh är den extra driftskostnaden 4 680 USD per år. Vattenbesparingen vid en vattenhastighet på 2,00 USD/1 000 liter är 3 900 USD per år. Nettoskillnaden är $780 per år till förmån för det luftkylda systemet.
Denna jämförelse är känslig för elpriset, vattenpriset och drifttimmar. Vid lägre elpriser eller högre vattenpriser är det luftkylda systemet mer fördelaktigt.
Installation och rensning
Installationen av en luftkyld kondensor kräver tillräckligt utrymme för luftintag och utsläpp. Tillverkarens specificerade spelrum måste följas.
Minsta spelrum för typiska enheter är:
Insugssida: 1,0 till 2,0 meter, beroende på design
Utloppssida: 2,0 till 4,0 meter, beroende på enhetens höjd och utloppsriktning
Mellan intilliggande enheter: 2,0 till 3,0 meter, för att förhindra återcirkulation
Återcirkulation-återgången av utsläppt luft till intaget-minskar den effektiva temperaturskillnaden och kan minska kapaciteten med 10 % till 30 %. Risken för återcirkulation är högre i trånga utrymmen, mellan intilliggande enheter och när kondensorn är installerad nära en vägg eller under ett tak.
Underhåll och rengöring
Det primära underhållskravet är rengöring av den flänsförsedda spolens yta. Ansamling av damm, smuts, pollen och industriella partiklar på fenorna minskar luftflödet och värmeöverföringen. Ackumuleringshastigheten beror på miljön:
- Rena miljöer (bostadsområden, kontorsbyggnader): årlig städning
- Måttliga miljöer (kommersiella områden, förorter): två gånger-årlig städning
- Svåra miljöer (industriområden, jordbruksområden, kustnära): kvartalsstädning
Rengöring kan utföras med:
- Vattenspray med milt rengöringsmedel, följt av sköljning
- Tryckluft, riktad från insidan till utsidan (omvänt flöde)
- Kemisk rengöring för olje- eller fettavlagringar
Rengöring med hög-vatten bör användas med försiktighet, eftersom det kan böja fenorna, minska luftflödet och öka tryckfallet. Verktyg för att räta fenor är tillgängliga men är arbetsintensiva- att använda.
Slutsats
Luftkylda kondensorer är en mogen teknik med väl-definierade prestandaegenskaper. Deras främsta fördel är elimineringen av vattenförbrukningen, vilket är avgörande i områden med -vattenbrist. Deras primära begränsning är minskningen av kapaciteten vid höga omgivningstemperaturer, vilket måste beaktas genom korrekt dimensionering.
Valet av en luftkyld kondensor bör baseras på en platsspecifik-utvärdering av klimatet, kylbelastningen, ljudbegränsningarna och installationsbegränsningarna. Kapitalkostnaden, driftskostnaden och underhållskraven bör jämföras med vattenkylda alternativ. När utvärderingen genomförs systematiskt är det lämpliga valet klart.