Выносные конденсаторы систем кондиционирования воздуха

Выносной конденсатор относится к классу неавтономных систем кондиционирования и предназначен для совместной работы с  водоохладителями – чиллерами без  конденсаторов, или с другим оборудованием.

Устройство и работа

В большинстве случаев чиллер устанавливается внутри здания – в эксплуатационном помещении, в то время как выносной конденсатор устанавливается снаружи здания: на крыше или прилегающей территории.

Чиллер и выносной конденсатор соединяются между собой с помощью межблочных фреоновых коммуникаций.

Основной задачей выносного конденсатора является отвод тепловой энергии, выделяемой в процессе конденсации объединенным холодильным контуром чиллера и выносного конденсатора

Конденсатор установок кондиционирования воздуха – это устройство теплового обмена, принцип работы конденсатора схож с принципом работы испарителя.

Выносной конденсатор отводит тепло из установок кондиционирования воздуха в окружающую среду (атмосферу).

Испаритель, с другой стороны, поглощает тепло в пределах кондиционируемого помещения, то есть охлаждается воздух внутри помещения.

Функциональные элементы выносного конденсатора

Выносной конденсатор включает следующие функциональные компоненты:

• Теплообменник конденсатора является элементом объединенного фреонового контура чиллера и выносного конденсатора. В теплообменнике конденсатора происходит конденсация – хладагента и выделение тепловой энергии, удаляемой на улицу.
• Осевые вентиляторы конденсатора предназначены для организации циркуляции наружного воздуха через теплообменную поверхность выносного конденсатора.
• Регулятор скорости вращения вентиляторов предназначен для управления работой вентиляторов выносного конденсатора.

Как работает выносной конденсатор?

Выносной конденсатор получает пар хладагента под давлением и при высокой температуре, и трансформируют его в жидкий хладагент под давлением. Каким образом происходит трансформация хладагента из парообразного в жидкое состояние внутри конденсатора?

Процесс происходит следующим образом:

Выносной конденсатор установки кондиционирования воздуха переводит хладагент из парообразного в жидкое состояние следующим образом: Горячий хладагент (В газообразном состоянии),  из компрессора чиллера под высоким давлением, поступает в теплообменник выносного конденсатора. Конденсируясь хладагент выделяет тепло, тем самым нагревая теплообменную поверхность конденсатора с другой стороны. Осевые вентиляторы, организуя циркуляцию воздуха через теплообменник конденсатора, охлаждают его с другой стороны. Таким образом тепло удаляется в окружающее пространство а холод поглощается хладагентом. Теплообменная поверхность выносного конденсатора состоит из медных труб, внутри которых протекает процесс конденсации фреона, а также алюминиевых ламелей – пластин, предназначенных для увеличения поверхности теплосъема теплообменника.  В зависимости от температуры наружного воздуха,  количество воздуха, необходимое для охлаждения теплообменной поверхности различно. Поэтому регуляторы вентиляторов, уменьшают или увеличивают скорость вращения вентиляторов в зависимости от значения температуры или давления конденсации.

Ниже приводится описание принципа работы конденсирующего устройства в форме pH графика:

В конденсатор поступает хладагент из компрессора через короткую линию, расположенную между компрессором и конденсатором. Эта линия известна как линия горячего пара или отводящая линия.

• Pressure, Psia – Давление (абсолютное давление в английских фунтах на квадратный дюйм)
• Expansion – Расширение
• Condenser – Конденсатор
• Indoor – внутренний воздух
• Outdoor – Наружный воздух
• Evaporator – Испаритель
• Compressor – Компрессор
• Mixture vapor and liquid region – Зона смешения пара и жидкости
• Enthalpy (BTU’s per pound of refrigeration) heat content – Энтальпия (БТЕ на фунт охлаждение)

Точка 2 на pH диаграмме обозначает горячий пар, поступающий из конденсатора в верхние кольца змеевика конденсатора. Пары хладагента поступают в конденсатор с большой скоростью при большой температуре. Эти пары не отвечают соотношению давления/температуры насыщения, так как этот пар отводит перегрев испарителя и тепло, генерируемое в ходе работы компрессора. Данный процесс отображает кривая между точками 2 и 3.

Пар(хладагента) поступающий в конденсатор, имеет очень высокую температуру по сравнению с температурой окружающего воздуха, что автоматически запускает процесс теплообмена немедленно после выхода пара из выходного отверстия компрессора. Как правило, температуру воздуха на 90-105°F ниже температуры перегретого пара, выходящего из компрессора.

В холе первого этапа теплообмена происходит отвод теплоты перегретого пара и охлаждение паров хладагента до температуры насыщения (точки 2 и 3 pH графика).

По мере прохождения паров хладагента через конденсатор происходит отвод скрытой теплоты. Данный процесс отображают точки 3 и 4 на графике. Отвод скрытого тепла становится причиной смены агрегатного состояния хладагента.

В этот момент пары начинают превращаться в жидкость пока не достигают точки практически на конце конденсатора, в которой происходит завершение этого процесса. Данная точка называется точкой насыщения жидкости (точка 4 на графике).

В ходе движение жидкого хладагента по оставшимся рядам конденсатора отводится дополнительное тепло и происходит охлаждение хладагента до температуры ниже температуры насыщения. Данный процесс называется переохлаждение. Он отображен на графике между точками 4 и 5.

Для смены агрегатного состояния хладагента (из парообразного в жидкое) необходимо наличие достаточного количества воздуха или жидкости вокруг конденсатора. Поток воздуха или воды должен иметь достаточно низкую температуру, чтобы быть в состоянии поглощать отводимое тепло.

Весь пар должен изменить свое состояние на жидкое перед выходом из конденсатора.

Запомните, что конденсаторы:

1. Отводят тепло (отвод тепла после перегрева).
2. Отводят скрытое тепло.
3. Отводят дополнительное тепло (переохлаждение).

Именно так выглядит рабочий процесс конденсаторов, используемых в рамках систем СВиК воздуха.

Ниже представлены три важнейших этапа преобразования хладагента внутри конденсирующего устройства:

1. Горячий хладагент(В газообразном состоянии), поступающий из компрессора, необходимо охладить после перегрева (охлаждение после перегрева– это процесс отвода определенного количества тепла, в ходе которого происходит понижение температуры пара) до температуры насыщения.
2. В конденсаторе происходит смешивание жидкого и парообразного хладагента. Здесь пары хладагента переходят в жидкое состояние.
3. Понижение температуры хладагента ниже температуры насыщения, переохлаждение.

Выносные конденсаторы отводят тепло системы охлаждения, поглощаемое испарителем и выделяемое во время процесса сжатия внутри компрессора. Конденсатор содержит хладагент, который выделяет тепло в окружающую среду (воздух, окружающий конденсатор). Из этого следует, что температура хладагента конденсатора должна быть выше температуры окружающего воздуха.

Как работает система кондиционирования с выносным конденсатором?

Охлаждение – это процесс отвода тепла из определенной области, где его нахождение нежелательно, в область, где нахождение тепловой энергии не играет никакой роли. Для реализации процесса охлаждения теплота должна отводиться из одной области в другую.

Ниже приводится описание этапов отвода тепла из змеевика испарителя установки кондиционирования воздуха на конденсатор:

1. Тепло наружного воздуха поглощается хладагентом в змеевике испарителя.
2. Компрессор отводит поглощенное тепло в конденсатор.
3. Конденсатор отводит тепло, а затем цикл повторяется.

На рисунке показана схема работы системы кондиционирования, источником холода в которой является чиллер без конденсатора, работающий совместно с выносным конденсатором. Принцип работы такой системы кондиционирования заключается в переносе тепловой энергии из здания на улицу, или другими словами в переносе холода из улицы в здание. Перенос  тепловой энергии осуществляется посредствам термодинамического процесса, протекающего в объединенном холодильном контуре чиллера и выносного конденсатора. Такой термодинамический процесс имеет две важные стадии. Первая стадия – это процесс испарения фреона, который протекает в теплообменнике испарителя чиллера. Во время этого процесса фреон испаряется (Переходит из жидкого состояния в газообразное). В результате этого процесса теплообменная поверхность испарителя охлаждается, что приводит к охлаждению воды протекающей в гидравлическом контуре системы кондиционирования через теплообменник испарителя. Второй важной стадией является процесс конденсации фреона, который протекает в теплообменнике выносного конденсатора. Во время этого процесса фреон конденсируется (Переходит из газообразного состояния в жидкое), что приводит к нагреву теплообменной поверхности выносного конденсатора. При этом тепло, выделяемое в процессе конденсации, отводится в окружающее пространство, а холод поглощается хладагентом.

В качестве среды для отвода тепла выступает воздух или вода. Для отвода тепла область, куда отводится тепло, должна иметь низкую температуру. Это вызвано тем, что тепло всегда стремится в области с более низкой температурой.

Типы выносных конденсаторов

Конденсаторы установок кондиционирования воздуха делятся на группы по типу отвода тепла в окружающую среду. Ниже представлено основные типы конденсаторов:

• Конденсатор с воздушным охлаждением.
• Конденсатор с грунтовым охлаждением (геотермальные источники энергии).
• Конденсатор с водяным охлаждением.
• Конденсатор с водяным и воздушным охлаждением (испарительный конденсатор).

Выносные конденсаторы воздушного охлаждения находят самое широкое применение в системах холодоснабжения и кондиционирования воздуха, используемых в жилой и коммерческой недвижимости.

Конденсатор воздушного охлаждения:

Компоненты установки кондиционирования воздуха, устанавливаемые за пределами жилых помещений, являются конденсаторами с воздушным охлаждением. Конденсаторы воздушного охлаждения используют наружный воздух для отвода тепла, поглощаемого установками кондиционирования воздуха. Конденсаторы оснащаются компонентами, помогающими отводить тепловую энергию.

Конденсаторы с воздушным охлаждением, как правило, оснащаются вентилятором. Вентилятор конденсатора предназначен главным образом для повышения отводящей способности конденсатора.

Существует для типа конденсаторов с воздушным охлаждением:

• Трубчатые и ребристые конденсаторы.
• Пластинчатые конденсаторы.

Варианты водяного охлаждения:

Водяной конденсатор

Водяные конденсаторы используют в качестве охлаждающей среды для отвода тепла, поглощаемого системой кондиционирования воздуха воду. Раньше воду брали из водопровода, подземного источника иди водоема, а после этого горячую воду из конденсатора сбрасывали в канализацию или обратно в водоем. На сегодня такую схему практически не используют из-за дороговизны воды.

Для охлаждения конденсатора в настоящее время используют оборотную воду или незамерзающую жидкость (если сухая градирня), жидкость после конденсатора подается в градирню, где ее температуру понижается, затем жидкость возвращается и цикл повторяется.

Используемая вода должна пройти соответствующую обработку для предотвращения возможного образования ржавчины, водорослей, пленки и минеральных отложений.

Стоит отметить, что конденсаторы с водяным охлаждением требуют регулярного технического обслуживания, обладая при этом большей эффективность по сравнению с воздушными конденсаторами.

Типы конденсаторов водяного охлаждения:

• Трубка в трубке
• Кожухозмеевиковый
• Кожухотрубный

В тех случаях, когда допускается внутреннее пространство для помещений и / или дизайн конструкции шума, могут использоваться версии с водяным охлаждением этих низкоэнергетических чиллеров, которые согласовываются с градирнями с замкнутым контуром или адиабатическими охладителями.

Градирня (от технического немецкого gradieren — сгущать соляной раствор, градирни использовали для добычи соли выпариванием) Итак, градирня – это устройство для охлаждения воды направленным воздушным потоком. Градирни также называют охладительными башнями (англ. cooling tower).

Градирни используются в системах оборотного водоснабжения для охлаждения различных теплообменных устройств  на тепловых электростанциях, ТЭЦ, АЭС, для охлаждения станков в различных секторах промышленности. Используются градирни и при кондиционировании воздуха в гражданском строительстве для охлаждения конденсаторов холодильных установок и охлаждения аварийных электрогенераторов.  Использование в зимнее время градирен с оросителем затруднено вероятностью замерзания, для предотвращения обмерзания и выхода из строя градирни следует обеспечивать равномерное распределение охлаждаемой воды по поверхности оросителя и следить за одинаковой плотностью орошения. В случае использования вентиляторной градирни подвергаются обледенению вентиляторы из-за неправильного их использования. Более целесообразно использование зимой эжекционной градирни (благодаря отсутствию вентилятора и оросителя) и. сухой градирни (драйкулера) благодаря закрытому контуру и возможности использования незамерзающей жидкости.

Конструктивные параметры градирни определяются технико-экономическим расчётом в зависимости  от объёма и температуры охлаждаемой воды и параметров температуры и влажности и в месте установки.

Существую так же сухие градирни (dry cooler, драйкулеры) которые имеют закрытую конструкцию контура и могут работать на незамерзающих растворах под давлением. В драйкулерах не необходимости в постоянной подпитке контура сети, они просты в монтаже и эксплуатации. Драйкулеры практически нечем не отличаются от конденсаторов, они имеют схожие теплообменники из алюминия или меди, только в роли хладагента выступает не фреон, а вода или незамерзающая жидкость. Для охлаждения конденсатора в настоящее время используют оборотную воду или незамерзающую жидкость (если сухая градирня), жидкость после конденсатора подается в градирню, где ее температуру понижается, затем жидкость возвращается и цикл повторяется.

Сухие градирни (драйкулеры) могут устанавливаться, как снаружи, так и внутри здания, для установки внутри здания они оснащаются высоконапорными центробежными вентиляторами, осуществляющими подачу воздуха по системе воздуховодов. Для удобства при установке драйкулеры могут быть трех видов: вертикальные, V-образные и горизонтальные.

Испарительный конденсатор (с водяным и воздушным охлаждением)

Испарительные конденсаторы объединяют в себе градирню и конденсатор с воздушным охлаждением. В конденсаторах с водяным и воздушным охлаждением обеспечиваются условия интенсивного теплообмена воздуха и воды, при которых теплота хладагента расходуется на испарение воды и нагрев воздуха. Вода, орошающая поверхность теплопередачи испарительного конденсатора практически не меняет своей температуры

При нормальном функционировании испарительного конденсатора нагретый газ, поступающий из компрессора, подается через верхнюю часть батареи конденсации, которая обычно состоит из гладких трубок без пластин; на батарею подается также поток воздуха от вентилятора с одновременным разбрызгиванием определенного количества воды. Вентиляторы бывает осевыми или центробежными, и располагаться выше или ниже батареи конденсации. Испарительные конденсаторы могут устанавливаться как внутри, так и снаружи зданий. Для наружной установки в регионах, где температура воздуха зимой опускается ниже нуля, необходимо принимать меры предосторожности для предотвращения замерзания воды в накопителе. Испарительные конденсаторы имеют ряд преимуществ по сравнению с конденсаторами с воздушным охлаждением:

• возможность функционирования при низкой температурой конденсации
• низкий уровень шума
• небольшие габариты

Схемы систем кондиционирования(чиллеры) с выносным конденсатором

Чиллер с выносным конденсатором

Их можно устанавливать в замкнутых помещениях, а конденсаторный блок выносить вне помещения.

В состав чиллера входит компрессор, испаритель, ТРВ и автоматика. Конденсатор же устанавливается отдельно (выносной конденсатор). Используются конденсаторы с воздушным охлаждением и осевыми вентиляторами, размещаемые на открытом месте (крыше, на наружной стене, и т.д). Чиллер и конденсатор соединяются между собой фреоновыми трубопроводами.

Сам чиллер и гидравлический контур расположены в теплом помещении, поэтому можно заправлять системы водой, не сливая ее на зимний период.

Эта схема имеет наилучшее соотношение цены и качества и получила достаточно широкое применение.

Преимущество чиллеров с выносным конденсатором:

• Их можно устанавливать в замкнутых помещениях, а конденсаторный блок выносить вне помещения.
• В состав чиллера входит компрессор, испаритель, ТРВ и автоматика. Конденсатор же устанавливается отдельно (выносной конденсатор). Используются конденсаторы с воздушным охлаждением и осевыми вентиляторами, размещаемые на открытом месте (крыше, на наружной стене, и т.д). Чиллер и конденсатор соединяются между собой фреоновыми трубопроводами.
• Сам чиллер и гидравлический контур расположены в теплом помещении, поэтому можно заправлять системы водой, не сливая ее на зимний период.
• Эта схема имеет наилучшее соотношение цены и качества и получила достаточно широкое применение.

Чиллеры с водяным охлаждением конденсатора

В такой схеме чиллер устанавливается в подсобном помещении (венткамере, подвальном помещении, специально выделенном месте и т.п.)

Конденсаторный контур чиллера соединен с градирней. Он устанавливается на крыше здания или около здания. В конденсаторном контуре циркулирует, как правило, незамерзающая жидкость. Циркуляция обеспечивается циркуляционными насосами.

Такая система охлаждения в последнее время находит все большее распространение, несмотря на наличие дополнительных элементов и увеличенную сложность и стоимость.

Схема с конденсатором водяного охлаждения

Более универсальная схема установки чиллера, способная работать и в зимний и летний период время с заправкой водой, – это схема чиллера с конденсатором водяного охлаждения. При такой схеме сам чиллер и гидромодуль располагаются в теплом помещении, и на его работу не влияет температура наружного воздуха. Это очень важный фактор в работе чиллера, так как исключается замерзание воды в гидравлическом контуре, и нет необходимости сливать воду в зимний период. Но для охлаждения воды, которая обеспечивает работу и конденсацию холодильного агента в конденсаторе, необходим дополнительный водяной контур от конденсатора до “сухого охладителя”. Такая схема более сложная, громоздкая и все это увеличивает его стоимость относительно схемы с конденсатором воздушного охлаждения.

Центробежный чиллер – это основной элемент системы кондиционирования, который предназначен для охлаждения хладоносителя, используемого затем в воздухообрабатывающих агрегатах (Фэнкойлах и центральных кондиционерах). Центробежные чиллеры предназначены для установки внутри здания, в специально отведенных эксплуатационных помещениях. Функционально, чиллеры, представленные на рынке могут охлаждать воду в широком диапазоне температур (-6 – 15С). Гидравлическая группа, включающая циркуляционные насосы предназначена для организации циркуляции хладоносителя в гидравлическом контуре системы кондиционирования.

С другой стороны, центробежные чиллеры подключены к гидравлическому контуру охлаждения конденсатора, в который выделяется тепло, выводимое из рабочих зон кондиционируемых помещений. Градирни башенного исполнения предназначены для отвода тепла в окружающее пространство.
В тех случаях, когда допускается внутреннее пространство для помещений и / или дизайн конструкции шума, могут использоваться версии с водяным охлаждением этих низкоэнергетических чиллеров Turbocor, которые согласовываются с градирнями с замкнутым контуром или адиабатическими охладителями. На рисунке  показана типичная система. Несмотря на удвоение количества водяных контуров, данная версия чиллера Turbocor(с безмаслянный компрессором  и магнитным подшипником) с водяным охлаждением могут достигать ESEER (европейское сезонное соотношение энергоэффективности), превышающее 10, при использовании более высоких допустимых температур охлажденной воды и использования адиабатического охлаждения при более высоких окружающих условиях. Доступны центробежные, безмасляные пакеты чиллеров до 2,4 мегаватт (МВт). Более низкие температуры конденсационной воды могут быть достигнуты с помощью этого оборудования и обеспечит очень эффективный общий цикл.

По теме:

• Чиллер с технологией “Turbocor”…
• Чиллеры серии Turbomister компании Geoclima …
• Чиллеры серии Domino Компании Thermocold (Италия)…
• Коэффициенты энергетической эффективности кондиционера…