Энергосберегающие системы Хасан Акулkompressor-ufa.ru/files/energosberegaushietehnologii.pdfСистема естественного охлаждения

Энергосберегающие системы

в кондиционировании и системах технологического охлаждения с естественным

охлаждением холодной водой

Хасан Акул – инженер-механик, руководитель департамента НИОКР

Повышение энергоэффективности при производстве, передаче и потреблении на

промышленных предприятиях, зданиях, энергетических установках, на транспорте и при

кондиционировании воздуха становиться наиболее важным аспектом в наши дни. В связи с этим

различные системы разрабатываются таким образом, чтобы обеспечить наиболее оптимальное

расходование природных ресурсов.

Для кондиционирования воздуха очень часто используются системы с естественным

охлаждением. Данные системы подразделяются на две большие категории: по водной стороне и

воздушной стороне.

Поскольку блоки с естественным охлаждением повышают эффективность системы, они

сокращают эксплуатационные расходы установок, в которых используется охлажденная вода,

таких как охлаждающие балки, которые широко используются в Европе, в основном в северных

странах, и становятся все популярнее в США. В данной статье представлены обе системы, и

подчеркивается важность энергоэффективности блоков кондиционирования воздуха.

Введение.

Технологии естественного охлаждения дополнительно классифицируются как

технологии естественного охлаждения по водному контуру. Они используются для снижения

расходов на выработку холодной воды в центральном блоке охлаждения. Данное оборудование

применяется в составе систем охлаждения, в которых необходима холодная вода. При этом

охлаждение воды достигается без использования или с частичным использованием компрессора

чиллера, с использованием более низкой температуры окружающего воздуха.

Технологии естественного охлаждения по водному контуру дополнительно

подразделяются на две основные категории:

1. Технологии испарительного охлаждения

1.1. Технологии прямого естественного охлаждения

1.2. Технологии косвенного естественного охлаждения

2. Технологии охлаждения с использованием теплообменников

2.1. Технологии естественного охлаждения с использованием кожухо-змеевикового

теплообменника.

2.1. Технологии естественного охлаждения с использованием сухих и влажных/сухих градирен.

Поскольку каждая из указанных технологий имеет свои преимущества и недостатки,

одним из основных факторов, влияющих на выбор системы конкретного типа, является задача,

которую выбранная система должна решить. Она же определяет конструкцию системы

охлаждения.

Другим важным фактором, который должен учитываться при выборе системы, являются

климатические условия в регионе, где будет эксплуатироваться оборудование. Для оценки

преимуществ использования системы естественного охлаждения на стадии проектирования

необходимо знать диапазон изменения температуры окружающего воздуха в данном

конкретном регионе в течение года (показатель BIN). При проведении анализа стоимости и

эксплуатационных характеристик систем охлаждения, необходимо сравнение требуемых

температур охлаждающей воды и температур окружающего воздуха, для обеспечения выбора

оптимальной системы для данных условий.

При выборе оптимальной системы охлаждения необходимо также учитывать и

следующие факторы:

Холодопроизводительность системы;

Периоды и время эксплуатации чиллера;

Стоимость системы естественного охлаждения и период окупаемости;

Влияние другого вспомогательного оборудования системы;

Стоимость электроэнергии, воды и т.д. в регионе, где будет эксплуатироваться

оборудование.

2. Системы естественного охлаждения для водяного контура (для использования со

стороны воды)

2.1. Испарительное охлаждение

2.1.1. Системы прямого естественного охлаждения

В системах, оснащенных градирнями, конденсатор охлаждается с помощью воды. Чаще

всего для этих целей используется конденсатор кожухо-трубного типа. Охлаждающий пар,

проходящий снаружи труб, охлаждается и конденсируется с помощью воды, циркулирующей

внутри труб. На данном этапе охлаждение воды осуществляется с помощью градирен. Это

происходит, когда чиллер работает в условиях высоких температур окружающего воздуха.

Однако, при понижении температуры окружающего воздуха ниже температуры воды,

используемой в системах охлаждения, нет необходимости в эксплуатации оборудования

охлаждающей группы. В этом случае, в системах прямого охлаждения, вода направляется из

градирни в обход чиллера напрямую в систему охлаждения. Основным преимуществом данной

системы при работе градирен в открытом цикле является то, что требуемая температура

охлаждающей воды близка к температуре окружающего воздуха. При этом максимальная

выгода может быть получена от использования технологии естественного охлаждения. Однако,

серьезным недостатком является загрязнение контура холодной воды, вызванное сравнительно

грязной водой конденсатора. Несмотря на попытки использовать различные технологии для ее

очистки, такие как, например, фильтрование, применение данных систем в последнее время

становится все более непопулярным. Данная проблема может быть устранена путем

использования градирен, работающих в закрытом цикле, в составе системы непрямого

охлаждения или драйкулеров (сухих градирен).

Рисунок 1.а – 1.б Принципиальные схемы системы прямого охлаждения открытого цикла

с использованием градирен.

2.1.2. Системы непрямого охлаждения

В данных системах контуры конденсаторной воды и холодной воды разделены. При этом

отсутствует риск загрязнения системы. Однако, увеличение поверхности теплообмена в данных

системах приводит к повышению температуры воды по сравнению с системами открытого

цикла с использованием градирен. Это приводит к снижению эффективности систем

естественного охлаждения.

Три основных варианта применения систем непрямого охлаждения:

1. Системы с применением градирен замкнутого цикла

Применение градирен замкнутого цикла характерно для систем естественного

охлаждения. Как было указано выше, это устраняет риск загрязнения в отличие от систем

открытого цикла. В летнее время, когда эксплуатируется оборудование главной охлаждающей

группы, конденсаторная вода, подаваемая из градирен, циркулирует в замкнутом цикле. В

зимний период, когда работают только системы естественного охлаждения, вода, подаваемая из

градирен, циркулирует в контуре холодной воды в замкнутом цикле.

На рисунке 2б показана схема системы естественного охлаждения замкнутого цикла с

распределением нагрузки. В данной системе возвратная охлаждающая вода предварительно

охлаждается перед подачей в испаритель. При этом снижается нагрузка на чиллер и повышается

эффективность всей системы при работе в промежуточные сезоны.

Рисунок 2а. Система непрямого естественного охлаждения замкнутого цикла с

применением градирен.

Рисунок 2б. Система естественного охлаждения замкнутого цикла с применение градирен

с распределением нагрузки.

В градирнях, в зависимости от конструкции, вода может охлаждаться до температуры на

3-6 оС выше температуры по влажному термометру. В градирнях замкнутого цикла температура

воды обеспечивается на уровне 2-3 оС выше температуры, которая может быть достигнута в

градирнях открытого цикла. В идеальных условиях может быть обеспечена температура воды

практически равная температуре по влажному термометру путем увеличения размеров

градирни, однако, в этом случае значительно увеличиваются капитальные затраты. Хотя,

использование градирен привлекательно с точки зрения капитальных затрат, они могут

вызывать проблемы с эксплуатацией оборудования. Это связано с тем, что вода из градирен

напрямую подается в систему охлаждения, а это в свою очередь может вызывать загрязнение и

известковый налет на поверхностях теплообменников. Более того, та, часть воды, которая

испаряется в градирнях, должна постоянно восполняться. И, наконец, вода должна

периодически очищаться или заменяться для того, чтобы избежать отложения осадков в емкости

градирни. Вода в градирне может достигать очень высоких уровней жесткости. При этом при ее

испарении образуется большое количество отложений на стенках емкости. При принятии

решения об использовании данной системы необходимо учитывать проблемы, связанные с

потерями и загрязнением воды.

2. Системы с использованием вспомогательных теплообменников.

В данных системах используются отдельные дополнительные теплообменники. Чаще

всего при этом используются теплообменники пластинчатого типа. В зимнее время

необходимая тепловая нагрузка в контуре холодной воды обеспечивается водой из градирен,

подаваемой через вспомогательные теплообменники без применения чиллеров.

Рисунок 3. Системы с использованием вспомогательных теплообменников [1]

3. Системы с использованием газообразного хладагента

Данные системы используются крайне редко. В случаях, когда может быть достигнута

температура конденсаторной воды ниже требуемой температуры холодной воды, чиллер

работает как термосифон. Низкотемпературная конденсаторная вода конденсирует

газообразный хладагент в конденсаторе. Затем он направляется в испаритель силой гравитации

или с помощью вспомогательного насоса. Охлаждающая вода с высокой температурой вызывает

испарение хладагента в испарителе. Перепад давления между испарителем и конденсатором

обеспечивает возврат газа в конденсатор. В данной системе потоки между испарителем и

конденсатором обеспечиваются через байпасные каналы. В данной системе нет необходимости

в эксплуатации компрессора. Блоки с использованием охлаждающего газа могут применяться в

составе не всех систем охлаждения. А в тех системах, в которых они применяются, мощность

блоков естественного охлаждения ограничивается показателем 10-30 % от расчетной мощности

чиллера. Мощность блоков естественного охлаждения зависит от расчетной мощности чиллера

и разницы между требуемой температурой воды и температурой конденсаторной воды.

Рисунок 4. Системы с использованием газообразного хладагента

2.2. Системы охлаждения с использованием теплообменников

В системах кондиционирования воздуха возможность использования различных

технологий для выработки холодной воды, используемой в блоках охлаждения технологической

воды и т.д., а также классификация блоков естественного охлаждения, применяемых в данных

системах, были представлены выше. Воздухо-водяные системы охлаждения (чиллеры),

градирни открытого и закрытого циклов, пластинчатые и кожухо-трубные теплообменники

используются в данных системах..

Кроме того, в составе данных систем для производства холодной воды используются

теплообменники с трубными полками с оребрением. Поскольку данные системы могут работать

без блоков охлаждения воды в зависимости от необходимой температуры охлажденной воды,

они могут быть использованы в составе блоков производства холодной воды для систем

естественного охлаждения. данные системы могут применяться когда температура

окружающего воздуха падает на 1,5-2,0 оС ниже требуемой температуры охлаждающей воды.

Конструкция данных систем определяется тремя различными подходами: полностью

механическое охлаждение (без естественного охлаждения), частичное естественное охлаждение

(распределение нагрузок – предварительное охлаждение) и полностью естественное охлаждение

(охлаждающая группа не работает).

Благодаря использованию замкнутого цикла в данной системе, отсутствует проблема

снижения количества охлаждающей воды, и, кроме того, риск загрязнения контура полностью

отсутствует.

Теплообменники с трубными полками с оребрением могут быть использованы в двух

различных вариантах:

1. Системы естественного охлаждения с чиллером;

2. Системы с использованием сухих и влажных/сухих охладителей.

2.2.1. Системы охлаждения с теплообменником естественного охлаждения

Повышенное внимание, которое уделяется вопросам энергосбережения, оказывает

влияние на конструкцию блоков охлаждения воды, как наиболее энергозатратных в системах

охлаждения. В противоположность традиционным, чиллеры со встроенным теплообменником

естественного охлаждения в последнее время становятся все более популярными.

Теплообменники естественного охлаждения серийно производятся различными компаниями.

При модификации существующих систем охлаждения они могут быть легко интегрированы в

охлаждающие блоки.

При разработке конструкции теплообменников естественного охлаждения необходимо

знать, будут ли они использоваться для кондиционирования воздуха технологического

охлаждения, а также будет ли вода, циркулирующая в системе, подвергаться воздействию

окружающего воздуха с температурами ниже 0 оС. Поскольку 100 % воды может быть

использовано в качестве охлаждающей воды, при температуре окружающего воздуха ниже 0 оС

необходимо использовать смесь воды с гликолем для предотвращения ее замерзания. (20-30 %

гликоля в смеси предотвращают замерзание при темпеатуре 10-16 оС. При этом необходимо

учитывать два важных момента. Первый – это то, что производительность системы при

использовании водо-гликолевой смеси намного ниже, чем при использовании только воды.

Следовательно, необходима большая поверхность теплообмена и, соответственно, большие

размеры чиллера, что увеличивает его стоимость. Второй момент – это то, что использование

водо-гликолевой смеси для блоков централизованного кондиционирования воздуха или

теплообменников с вентиляторным обдувом нежелательно, поскольку при этом необходим

дополнительный теплообменник между блоком холодной воды, разработанным для системы,

использующей водо-гликолевую смесь, и контуром холодной воды. Данные моменты

необходимо прежде всего учитывать при разработке конструкции систем охлаждения в

зависимости от региона применения и температуры окружающего воздуха на месте

эксплуатации.

Рисунок 5а. Рисунок 5б

Рисунок 5а. Схематическое изображение блока охлаждения с теплообменником


Рисунок 5б. Блок охлаждения с теплообменником естественного охлаждения

На рисунках, представленных ниже, показан принцип работы системы охлаждения с

теплообменником естественного охлаждения летом, зимой и весной. Данная базовая концепция

также в системах с сухими охладителями, а также в системах, в которых сухой охладитель

работает как отдельный блок.

Рисунок 6а. Эксплуатационные условия чиллеров с теплообменниками естественного

охлаждения в летний сезон [5]

Температура окружающего воздуха выше требуемой температуры холодной воды и

возвратной воды (например: температура окружающего воздуха – 35 оС, температура

охлаждающей воды 10 оС, температура возвратной воды – 15

оС). Необходимая холодная вода

вырабатывается только блоком охлаждения в рамках обычного цикла охлаждения.

Теплообменник естественного охлаждения не задействован.

Рисунок 6б. Эксплуатационные условия чиллеров с теплообменниками естественного

охлаждения в весенний сезон [5]




оС). Охлаждающая вода

предварительно охлаждается, проходя через теплообменник естественного охлаждения.

Производительность блока естественного охлаждения зависит от температуры окружающего

воздуха. Трехпозиционный клапан и блок управления обеспечивает оптимальный режим работы

системы охлаждения.

Рисунок 6с. Эксплуатационные условия чиллеров с теплообменниками естественного

охлаждения в весенний сезон [5]




оС). Необходимая холодная вода в

системе полностью обеспечивается теплообменником естественного охлаждения с

использованием окружающего воздуха. Количество энергии, потребляемое системой

охлаждения, определяется энергопотреблением вентиляторов охлаждающей группы.

Пример использования системы с блоком охлаждения воды естественного охлаждения

Рисунок 7 Принципиальная схема применения блока подготовки охлаждающей воды с

использованием теплообменника естественного охлаждения [6]

Данная принципиальная схема была использована на предприятии по производству

пластиковой продукции в Стамбуле. В данной системе охлаждающая группа отключалась в

зависимости от сезонных температур окружающего воздуха, а система блок естественного

охлаждения использовался для охлаждения форм и масла. Таким образом, обеспечивалась

энергоэффективность системы. Охлаждающая группа оснащена автоматической системой

управления и контроля.

Ниже приведены сравнительные характеристики системы.

Теплообменник естественного охлаждения (сухой охладитель) расположен внутри того

же самого блока, что и конденсатор системы охлаждения воздуха. Таким образом, блок имеет

компактную конструкцию.

Система охлаждения эксплуатируется на предприятии по производству пластиковых

изделий (вешалки для одежды). График работы предприятия, 12 месяцев, 6 дней в неделю по 24

часа. 7 установок работают с чиллерами с воздушным охлаждением, оснащенными

теплообменниками.

Система охлаждения работает в течение 4 месяцев (июнь-сентябрь) в летнем режиме

и 8 месяцев (октябрь-май) в зимнем режиме.

Летний режим эксплуатации (июнь-сентябрь)

1. Охлаждение форм. Чиллеры работают. Нижний уровень рабочей температуры охлаждающей

воды – 24,5 оС, верхний уровень – 26

оС. В составе системы чиллеры находятся в резервном

режиме в течение 30 минут и работают в течение 30 минут каждого часа эксплуатации. Для

производства вешалок для одежды используется полистирол или полипропилен.

Многочисленные испытания, проведенные изготовителями, подтвердили, что охлаждение форм

при более низкой температуре не оказывает существенного влияния на производительность при

изготовлении продукции. Таким образом, формы охлаждаются при сравнительно высоких

температурах. В случае, если при производстве используется другой материал, или толщина

форм больше, использование охлаждающей воды с более низкой температурой может быть

необходимо для повышения производительности.

2. Охлаждение гидравлических масел литьевых машин. В составе системы используется

блок естественного охлаждения (сухой охладитель). Нижний уровень рабочей температуры

охлаждения масла – 30 оС, верхний уровень – 36

оС. В условиях экстремальных температур,

превышающих сезонные нормы для охлаждения масла используются пластинчатые

теплообменники.

Зимний режим эксплуатации (октябрь-май)

1. Охлаждение форм. Используется блок естественного охлаждения (сухой охладитель).

Чиллерная группа остановлена. Нижний уровень рабочей температуры охлаждающей воды –

24,5 оС, верхний уровень – 26

оС. Из 6 вентиляторов, которыми оснащен блок естественного

охлаждения, 2 постоянно работают, остальные 4 включаются по команде системы управления

при необходимости. (Более того, воздушный поток, образующийся в результате юго-восточных

ветров в январе и феврале, заставляет вентиляторы вращаться, при этом они работают только 5

часов в день, что обеспечивает дополнительные возможности для энергосбережения. Однако,

учитывая непредсказуемость данного процесса, он не берется в расчет при анализе

эксплуатационных и экономических параметров системы.

2. Охлаждение гидравлических масел литьевых машин. Используется блок естественного

охлаждения (сухой охладитель). Нижний уровень рабочей температуры охлаждения масла –

24,5 оС, верхний уровень – 26,5

оС. Поскольку температура масла в зимние месяцы остается

низкой, требуемая температура масла поддерживается путем регулирования потока

охлаждающей воды в контуре.

Процесс

охлаждения

ян

вар

ь

фев

рал

ь

мар

т

апрел

ь

май

ию

нь

ию

ль

авгу

ст

сен

тяб

рь

октя

брь

но

яб

рь

дек

абрь

С кондиционированием

Охлаждение

форм Сухой охладитель

Охлаждающая

группа (чиллер) Сухой

охладитель Охлаждение

масла Сухой охладитель

Без естественного охлаждения


форм Охлаждающая группа (чиллер) 1


масла Охлаждающая группа (чиллер) 2

Таблица 1. Периоды эксплуатации существующей системы охлаждения и отключения

блоков естественного охлаждения.

При расчете выгоды от применения блока естественного охлаждения проведено

сравнение варианта с использованием существующего чиллера совместно с блоком

естественного охлаждения и без него (вводится в эксплуатацию вторая охлаждающая группа).

Требуемая мощность системы охлаждения в рассматриваемом случае составляет 180 кВт.

При этом 60 кВт требуется для охлаждения форм и 120 кВт для охлаждения масла. В случае,

если для системы выбран чиллер большей мощности с целью покрытия будущих потребностей в

холоде при расширении производства, он будет работать в течение 30 минут, и оставаться в

резерве в течение 30 минут каждого часа. Теплообменник естественного охлаждения (сухой

охладитель) работает в составе системы в качестве конденсатора группы воздушного

охлаждения. В состав блока входят 6 высокооборотных вентиляторов с диаметром 630 мм.

При отключении блока естественного охлаждения в эксплуатацию вводятся два чиллера

мощностью по 120 кВт с тем, чтобы обеспечить требуемую холодопроизводительность 180 кВт.

для обеспечения требуемой мощности чиллеры общей мощностью 240 кВт должны работать по

18 часов каждый. Для анализа стоимость электроэнергии была принята на уровне 0,09

евро/кВтч, включая НДС и другие налоги. Затраты на электроэнергию для системы охлаждения

летом и зимой, с использованием блока естественного охлаждения и без него, а также

возможные выгоды приведены в таблице ниже. В результате анализа выгода от применения

блоков естественного охлаждения в составе системы составила 15998,73 евро (63,72 %).

Существующая система (чиллер + сухой охладитель)

Охлаждение форм и масла

Летний период, 4 месяца 5.612,52 €

Зимний период, 8 месяцев 3.498,08 €

Ежегодное потребление 9.110,60 €

Сценарий чиллер + чиллер (без сухого охладителя)

Охлаждение форм и масла

Летний период, 4 месяца 10.761,14 €

Зимний период, 8 месяцев 14.348,19 €

Ежегодное потребление 25.109,33 €

Экономическая выгода (евро в год) 15.998,73 €

Экономическая выгода (%) 63,72%

Таблица 2. Выгода от применения блоков естественного охлаждения.

Дополнительно к анализу системы технологического охлаждения, производителями

холодильного оборудования были проведены измерения и анализ эксплуатационных и

экономических параметров теплообменников естественного охлаждения в составе воздушных

систем охлаждения воды, которые работают в составе систем кондиционирования воздуха в 4

европейских города.

График 1. Данные по экономии энергии при использовании теплообменников

естественного охлаждения в составе холодильных систем в 4 европейских городах при

соответствующих температурах окружающего воздуха [7].

Из приведенных графиков ясно видно, что эффективность применения теплообменников

естественного охлаждения выше в населенных пунктах с холодным климатом.

Результаты применения теплообменника естественного охлаждения в составе системы

кондиционирования воздуха в Милане показаны на графике ниже. (Средняя температура

окружающего воздуха составляет 30 оС, температура воды 10

оС/15

оС, 30 % водо-гликолевая

смесь). По данным производителя оборудования полученная выгода составляет 27,6 %.

График 2. Данные по использованию теплообменника естественного охлаждения в составе

системы кондиционирования воздуха мощностью 1123 кВт, установленной в Милане, в

зависимости от температуры окружающего воздуха [7].

По данным другого теоретического исследования, которое было проведено в 3-х городах

в Турции, эффективность использования теплообменников естественного охлаждения в составе

систем кондиционирования воздуха мощностью 1625 кВт составила 15 % в г. Измир, 30 % в г.

Стамбул и 37 % в г. Анкара.

В таблице представлены данные Государственной Метрологической Службы Турции за

11 лет наблюдений. Из таблицы видно, что выгода от использования теплообменников

естественного охлаждения увеличивается с повышением требуемой температуры охлаждающей

воды.

Стамбул Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь

Средние данные по многолетним наблюдениям

Средняя

температура

(оС)

6,1 5,9 7,7 12,1 16,7 21,5 23,8 23,5 20,0 15,6 11,2 8,0

Средняя

максимальная


(оС)

9,0 9,2 11,6 16,6 21,3 26,2 28,5 28,3 24,9 19,9 14,8 10,7

Средняя

минимальная


(оС)

3,6 3,2 4,6 8,3 12,4 16,8 19,4 19,5 16,0 12,3 8,3 5,4

Среднее

время

солнечных

дней (часов)

2,3 3,1 4,6 6,0 8,0 9,8 10,5 9,4 7,9 5,2 3,3 2,2

Среднее

время

дождливых


17,3 14,9 13,0 11,3 7,6 6,4 3,9 5,6 7,0 11,3 13,7 16,9

Самые высокие и низкие показатели по результатам многолетних исследований

Максимальная


(оС)

18,3 24,0 26,2 32,9 33,0 39,2 39,7 38,8 33,6 34,2 27,2 21,2

Минимальная


(оС)

-7,9 -8,0 -6,9 0,6 3,6 9,0 13,5 12,2 9,2 3,2 -1,0 -3,4

Таблица 3а. Температурные показатели за 11 лет наблюдений в г. Стамбуле по данным

Государственной Метрологической Службы Турции [9]

Анкара Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь


Средняя


(оС)

0,4 1,9 6,0 11,2 15,9 19,9 23,4 22.9 18,5 12,9 6,6 2,3

Средняя



(оС)

4,3 6,5 11,6 17,0 21,3 26,3 30,0 29,8 25,9 19,7 12,3 6,1

Средняя



(оС)

-2,9 -2,2 0,8 5,7 12,4 12,9 16,0 15.8 11.7 7,3 2,2 -0,8

Среднее

время

солнечных


2,6 4,0 5,6 6,4 8,0 10,4 11,4 10,9 9,4 6,6 4,4 2,4

Среднее

время

дождливых


11,5 10,2 10,2 12,6 7,6 9,3 4,0 3,3 3,7 7,3 9,0 11,1




(оС)

16,6 19,9 25,7 30,3 33,0 37,0 40,8 39,0 35,2 32,2 24,4 18,0



(оС)

-21,2 -21,5 -19,2 -6,7 -1,6 5,0 6,8 7,2 2,8 -3,4 -8,8 -14,6

Таблица 3б. температурные показатели за 11 лет наблюдений в г. Анкара по данным


Измир Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь


Средняя


(оС)

8,9 9,1 11,7 15,9 20,8 25,7 28,1 27,4 23,6 18,9 13,7 10,3

Средняя



(оС)

12,6 13,2 16,4 20,9 26,0 31,0 33,3 32,7 29,2 24,2 18,2 13,8

Средняя



(оС)

5,9 5,8 7,7 11,4 25,6 20,1 22,7 22,4 18,7 14,7 10,4 7,5

Среднее

время

солнечных


4,3 5,0 6,6 7,5 9,5 11,8 12,2 11,6 10,0 7,5 5,3 3,8

Среднее

время

дождливых


11,4 10,3 8,3 8,4 5,0 2,2 1,7 1,3 3,7 5,4 8,9 12,3




(оС)

20,4 23,5 30,5 37,5 37,5 41,3 42,6 43,0 38,0 36,0 28,6 25,2



(оС)

-4,0 -5,0 -3,1 7,0 0,6 10,0 16,1 15,6 12,6 5,7 0,0 -2,7

Таблица 3в. температурные показатели за 11 лет наблюдений в г. Измир по данным


2.2.2 Применение сухих и влажных/сухих систем охлаждения

Сухие охладители

Еще одной технологией применения кожухо-трубных теплообменников в системах

охлаждения воды являются сухие охладители (драйкулеры). Основным принципом данной

технологии является передача температуры возвратной воды воздуху путем использования

системы теплообмена на базе вентиляторов. При этом воздух всасываемый вентиляторами

охлаждает жидкость внутри трубок при прохождении через трубную полку с оребрением. При

этом внешняя плоскость теплообменника остается сухой. В этом случае не возникает проблем,

связанных с известковыми отложениями или коррозией. Благодаря замкнутому контуру в

системе проблем, связанных с уменьшением количества охлаждающей воды, также не

возникает.

Однако, необходимо принимать меры против возможного замерзания воды в сухих

охладителях в зимние месяцы. В противном случае, повреждения трубок, которые могут

возникнуть при замерзании жидкости, не могут быть устранены. Наиболее часто сухие

охладители, которые были повреждены из-за замерзания воды в трубках теплообменника,

необходимо заменять. Чаще всего в зимние месяцы для предотвращения повреждения

теплообменника в нерабочие периоды вода просто удаляется из трубок. Однако не всегда

имеется возможность полностью удалить воду из теплообменника в связи с особенностями

конструкциями трубной обвязки. В этом случае необходимо в охлаждающую жидкость

добавлять антифриз (этилен гликоль) в соответствующем процентном соотношении.

При добавлении гликоля к охлаждающей жидкости необходимо учитывать особенности

конструкции радиаторов. Конструкция сухих охладителей должна обеспечивать возможность

использования 25-30 % гликоля в воде. В противном случае снижение

холодопроизводительности из-за использования гликоля приведет к значительному снижению

эффективности работы сухого охладителя.

Рисунок 8а. Рисунок 8б. Рисунок 8в.

Рисунок 8а. Плоский сухой охладитель.

Рисунок 8б. Сухой охладитель с V-образным теплообменником.

Рисунок 8в. Совместное применение чиллера и сухого охладителя.

Температура воды, которую обеспечивают сухие охладители, зависит от температуры

окружающего воздуха по сухому термометру. При этом вода охлаждается до температуры на 5 оС выше температуры по сухому термометру. В случаях, когда необходима охлаждающая вода с

более низкой температурой, применяются влажные/сухие охладители.

Данные системы охлаждения работают по тому же принципу, что и описанные ранее

теплообменники естественного охлаждения. Если чиллер уже установлен на предприятии и если

есть необходимость использовать преимущества технологии естественного охлаждения при

низких температурах окружающего воздуха, системы на базе сухих охладителей являются

идеальными для данных условий. Сухие охладители, которые эксплуатируются в комплексе с

охлаждающими группами на химических, энергетических предприятиях и для

кондиционирования, могут с успехом использоваться и отдельно в зависимости от требований,

предъявляемых к охлаждающей воде.

100% Естественное

охлаждение

Частичное естественное


100% Механическое


Рисунок 9. Схема применения сухих охладителей в комплексе с охлаждающей группой [10]

Влажные/сухие охладители

Влажные/сухие охладители работают на тех же принципах, что и сухие охладители. В их

состав входит системы распыления воды, которая при необходимости обеспечивает

дополнительное охлаждение. Распыленная вода обеспечивает адиабатическое охлаждение

входящего потока воздуха. Когда необходимо охладить жидкость в систем до температуры

ниже температуры окружающего воздуха система распыления воды включается пошагово,

насыщая подаваемый воздух водой, что обеспечивает снижение температуры воздуха до

требуемого значения.

Система подачи воды включает по команде системы управления для обеспечения

дополнительного охлаждения только в конкретные часы жарких летних дней. При этом

устраняется необходимость использования дополнительной системы охлаждения для

специальных условий. Поскольку в остальное время система работает в сухом режиме, то

расход воды незначительный. Система распыления воды может быть также использована для

конденсаторов в воздушных охладителях воды, как и сухие охладители. Влажные сухие

охладители могут быть использованы в трех различных вариантах.

1. Влажные/сухие охладители с системой прямого распыления воды.

Вода, которая используется для распыления, должна быть декальцинирована и

отфильтрована. В противном случае известковый налет и осадок на ребрах теплообменника

значительно снизят эффективность работы теплообменника и сократят срок его службы. Для

предотвращения этого были разработаны влажные/сухие охладители с водо-распылительной

системой и охлаждающей сеткой. Для дополнительной защиты от коррозии во влажных/сухих

охладителях используется оребрение с эпоксидным покрытием. Данное покрытие обеспечивает

высокую устойчивость к воздействию различных солей и кислот. Наиболее предпочтительным

материалом для изготовления теплообменников являются оцинкованные листы с эпоксидным

покрытием, а для высокоагрессивных сред нержавеющая сталь. Хотя влажные/сухие охладители

подвержены вредному воздействию воды в меньшей степени, чем градирни, данные моменты

являются крайне важными для их длительной и надежной эксплуатации.

Количество воды, расходуемой на распыление в потоке входящего воздуха, зависит от

типа используемого распылителя и уровня давления распыления. Выбор зависит от

относительной влажности окружающего воздуха. При этом необходимо обратить особое

внимание на то, чтобы качество и количество увлажненного воздуха были оптимальными для

обеспечения относительной влажности как можно ближе к 100 %. По этой причине распыляется

больше воды, чем может испариться. Избыточная вода остается в среде в жидком состоянии. В

этом случае обеспечивается возможность избежать снижения эксплуатационных параметров

системы распыления воды.

Рисунок 10. Влажные/сухие охладители с системой прямого распыления воды [6].

2. Влажные/сухие охладители с охлаждением водяным туманом

При использовании данной технологии, которая аналогична технологии прямого

распыления воды, капли воды размером менее 35 микрон распыляются под большим давлением

через форсунки и насыщают подаваемый воздух. При этом температура воздуха приближается к

температуре по влажному термометру. В данной системе, как и в предыдущей, вода должна

быть декальцинирована и отфильтрована.

Рисунок 11. Влажный/сухой охладитель с охлаждением водяным туманом [6].

3. Влажные/сухие охладители с системой распыления воды и охлаждающей сеткой.

Одной из технологий для повышения эффективности конденсаторов с воздушным охлаждением

является технология распыления воды над решеткой. При этом вода в необходимом системе

количестве распыляется с помощью форсунок, расположенных в специальных местах на

решетке перед конденсатором. При этом понижается температура подаваемого воздуха,

который входит в контакт с поверхностью теплообменника, путем адиабатического испарения

распыляемой воды. В результате эффективность охлаждения повышается.

Распыленная вода обеспечивает адиабатическое охлаждение подаваемого воздуха. Как

только превышаются расчетные показатели, система контроля инициирует систему распыления

воды для понижения температуры воздуха входящего в теплообменник. В очень сухих регионах

данная система может обеспечить адиабатическое охлаждение подаваемого наружного воздуха

до 15-20 оС. Время эксплуатации и частота запусков системы распыления воды постоянно

регулируется системой контроля и управления с целью обеспечения оптимальной работы

системы и минимизации потребления воды. Поскольку вода не распыляется на поверхность

теплообменника, а только на поверхность решетки (ячеистого материала), накипь на оребрении

трубок не образуется. При этом исключается снижение эффективности теплообмена. Данная

система требует использования блоков опреснения воды.

Рисунок 12. Влажные/сухие охладители с системой распыления воды и охлаждающей

сеткой

Другим важным моментом при выборе влажных/сухих охладителей является

необходимость обеспечения оптимального охлаждения подаваемого воздухах в регионах с

высокой температурой окружающего воздуха. Однако, в периоды, когда температура

окружающего воздуха низкая, эксплуатация всех вентиляторов на максимальном режиме для

достижения необходимой мощности является излишним и затратным. В системах,

регулирование работы которых осуществляется на основании данных по температуре

охлаждающей воды на выходе, эксплуатация вентиляторов на пониженном режиме или

отключение их в случае необходимости обеспечит подачу достаточного количества воздуха в

систему. Использование вентиляторов с двумя скоростями вращения, блоков контроля частоты

вращения, вентиляторов с электронной системой управления обеспечит оптимальный уровень

энергосбережения в системе.

Сравнение систем охлаждения применяемых для охлаждения масла на предприятиях по

производству изделий из пластмассы.

Предприятие данной отрасли промышленности было выбрано, поскольку на данных

предприятиях высокая потребность в охлаждении и наиболее часто применяются системы


Охлаждение форм является очень важным для обеспечения требуемого качества готовой

продукции. Температура форм должна поддерживаться в определенном диапазоне в

зависимости от типа пластмассы. При несоблюдении данного требования поверхность изделия

может оказаться неровной, а также цвет изделия может стать неоднородным. Более того, при

несоответствующем охлаждении может увеличиться время открывания и закрывания форм и,

соответственно, к снижению производительности предприятия. В случаях, когда температура

окружающего воздуха по влажному термометру превышает требуемую температуру

охлаждающей воды остальные системы охлаждения не состоянии обеспечить потребности в

охлаждении. При этом необходимо подключение чиллеров.

Для оборудования, работающего надежно и эффективно, используемое масло также

должно охлаждаться до оптимальной температуры. В противном случае, эффективность работы

оборудования падает и увеличивается трение. Кроме того, наряду со снижением эффективности

сокращается срок службы оборудования. Данных проблем можно избежать путем оптимального

охлаждения масла. Для охлаждения масла необходима охлаждающая вода с температурой 29-35 оС. для экономической оценки систем охлаждения масла, необходимо учитывать

эксплуатационные расходы данных систем наряду с начальными затратами на приобретение и

установку оборудования. При выборе систем охлаждения необходимо отдавать предпочтение

системам, которые обеспечат ощутимые преимущества в средне- и долгосрочной перспективе.

Результаты сравнения градирен открытого и закрытого циклов и систем охлаждения на

базе влажных/сухих охладителей, способных обеспечить одинаковые потребности в

охлаждении, приведены ниже. 630 кВт тепловой энергии отбирается из конденсатора системы

охлаждения. Температура водо-гликолевой смеси (70%/30%) на входе в охладитель составляет

30 оС. Температура смеси на выходе – 26

оС. температура окружающего воздуха 32

оС,

относительная влажность 38 %. Для анализа стоимость воды определена как 1.98 €/m3,

стоимость электричества 0,09 евро/кВтч, включая НДС и все налоги. Для расчета капитальных

затрат годовой процент по евро определен на уровне 10 %. Все три выбранные системы будут

работать в течение 15 лет (Необходимо также иметь ввиду, что срок службы градирен с

компонентами из оцинкованного железа составляет 5-10 лет в связи с воздействием

агрессивных газов и другими причинами).

Система

Затраты

Градирня

открытого

цикла

Градирня

закрытого цикла

Влажный/сухой

охладитель

Начальные инвестиции

(€) 4350 9500 23500

Затраты на воду (€/год) 31300 31300 4600

Затраты на

электричество (€/год) 5900 7020 11260

Затраты на техническое 510 640 510

обслуживание (€/год)

Платежи по процентам

(€/год) 570 1250 3090

Общие ежегодные

эксплуатационные

затраты

(€/год)

38280 40210 19460

Таблица 4. Сравнение экономических параметров градирен различного типа и

влажного/сухого охладителя.

Ежегодные эксплуатационные затраты складываются из стоимости воды,

электроэнергии, платежам по процентам и затрат на техническое обслуживание оборудования. в

соответствии с приведенной таблицей амортизационный период для системы с

влажными/сухими охладителями короче на 1 год по сравнению с градирнями открытого цикла и

на 2 года по сравнению с градирными закрытого цикла. В конце данных периодов системы с

влажными/сухими охладителями становятся наиболее экономически выгодными, по сравнению

с другими системами. Поскольку данные, использованные для сравнения, могут изменяться в

зависимости от места эксплуатации и срока эксплуатации оборудования, приведенная таблица

может быть использована только для общего сравнения. Для регионов, где вода доступна и ее

стоимость невысокая, начальные инвестиции могут стать наиболее важным критерием при

выборе оборудования. Однако, в регионах, где воды недостаточно и ее стоимость высокая,

оборудование, которое обеспечивает наибольшую экономию охлаждающей воды, будет

наиболее приемлемо.

В следующей таблице приводится сравнение энергозатрат чиллера, обеспечивающего 560

кВт потребностей по холоду, с влажным/сухим охладителем, обеспечивающим те же

потребности по холоду. Жидкость, проходящая через охладитель должна быть охлаждена с 35

до 31 оС. Температура окружающего воздуха составляет 33

оС, относительная влажность – 48 %.

Определено, что обе системы работают 16 часов в день. Стоимость электроэнергии составляет

0,09 евро/кВтч, включая НДС и все налоги.

Чиллер Влажный/сухой охладитель

Мощность,

потребляемая

компрессором

136 кВт

Мощность, потребляемая

16 вентиляторами

32 кВт

Мощность, потребляемая 10 вентиляторами

20 кВт

Общая потребляемая мощность 168 кВт Общая потребляемая мощность 20 кВт

Расход электроэнергии в месяц

80640 кВтч

Расход электроэнергии в месяц

9600 кВтч

Затраты на электроэнергию в месяц

7258 евро

Затраты на электроэнергию в месяц

864 евро

Таблица 5. Экономическое сравнение чиллера и системы на базе влажного/сухого

охладителя.

В соответствии с данными, представленными в таблице, при использовании систем на

базе влажного/сухого охладителя ежемесячная выгода составит 6395 евро. необходимо также

помнить, что когда в расчет берутся только охладители, исключая блоки подготовки воды и

соответствующие инвестиции, для чиллера капитальные затраты составят 61355 евро, для

влажного/сухого охладителя – 27600 евро. В заключение необходимо отметить, что системы на

базе влажных/сухих охладителей являются более предпочтительными по сравнению с

чиллерами с точки зрения, как начальных инвестиций, так и эксплуатационных затрат.

4. Применение технологий естественного охлаждения в системах с охлаждающими

балками

Системы охлаждения с охлаждающими балками широко применяются в Европе,

особенно в северных странах, и становятся все более популярными в США и других странах.

Это достаточно эффективные системы, которые обеспечивают экономное использование

энергии, путем сокращения потребностей в центральном кондиционировании помещений. При

этом они не снижают качества воздуха внутри помещений. Использование технологии

естественного охлаждения в данных системах обеспечивает большую экономию электроэнергии

по сравнению с чиллерами, поскольку требуемая температура охлаждающей воды у них выше.

Охлаждающая балка может быть определена как блок кондиционирования, который включает

кожухо-трубный водяной теплообменник, и, который работает по другому принципу, нежели

воздушные диффузоры в системах центрального кондиционирования. В данных блоках

возможен подогрев подаваемого воздуха путем использования горячей воды в водяном контуре.

Системы с охлаждающими балками подразделяются на две категории – пассивные и

активные.

Пассивные системы с охлаждающими балками

В пассивных системах теплопередача осуществляется в основном путем естественной

конвекции и излучения. Пассивные системы состоят из кожухо-трубного теплообменника,

расположенного внутри корпуса. Для оребрения трубок теплообменника используется

алюминий, трубки чаще всего изготавливаются из меди. Холодная вода, получаемая из

центрального блока охлаждения, циркулирует по контуру охлаждающей воды. Наружный

воздух пройдя сквозь теплообменник двигается с верхней части комнаты в нижнюю. Воздух

внутри комнаты, нагреваясь, поднимается вверх. Холодопроизводительность системы зависит

от разницы температур в теплообменнике и в комнате.

Рисунок 13. Пассивная система с охлаждающими балками [11],[12],[13].

Активные системы с охлаждающими балками

В активных системах с охлаждающими балками наиболее важными являются каналы

подачи свежего воздуха и контур холодной воды. Предварительно охлажденный воздух

подается из блока центрального кондиционирования. Он продувается через воздушные

форсунки внутри блока, создавая движение воздуха из блока комнату. Данное движение воздуха

обеспечивает поступление воздуха из комнаты внутрь блока, где он охлаждается с помощью

теплообменника. Движение воздуха в комнате также обеспечивает его перемешивание со

свежим воздухом. Несмотря на большие размеры и более высокую стоимость по сравнению с

традиционными воздушными диффузорами данные системы имеют более низкие

эксплуатационные затраты, что делает их недостатки несущественными.

Рисунок 14. Активная система с охлаждающими балками [11],[12],[13].

Рисунок 15. Конструктивная схема блока с охлаждающей балкой

В случаях, когда объем воздуха, необходимый для обеспечения требуемого количества

охлаждающей энергии, больше, чем требуемый объем свежего воздуха, система значительно

сокращает объем циркулирующего воздуха. При этом сокращается производительность

центрального блока кондиционирования. Поскольку данные системы обеспечивают требуемый

уровень охлаждения воздуха в помещениях и сокращают общие потребности охлаждения в системе,

разделяют потребности в охлаждении от вентиляции и контроля влажности воздуха в помещении,

они дают возможность снизить мощность центрального блока кондиционирования, что в свою

очередь приводит к снижению необходимых инвестиций и эксплуатационных затрат. Поскольку

эксплуатация данных системы осуществляется в зависимости от условий в помещении, чиллеры

могут работать пр более высокий температурах воды, имеется возможность использовать

естественное охлаждение и, таким образом, существенно сокращаются эксплуатационные расходы.

Кроме того, отсутствует необходимость в дренажной системе.

Ниже приведены данные по влиянию активной системы с охлаждающими балками на

эффективность системы центрального кондиционирования.

Рисунок 16 График 3

Рисунок 16. Сравнение традиционной системы HVAC с системой на базе охлаждающих

балок с точки зрения затрат энергии.

График 3. Сравнение Системы на базе охлаждающих балок, установленной в

Исследовательском центре Тахоэ (поселение Инклайн, Невада, США) с традиционной

системой HVAC с точки зрения ежегодных затрат на элетроэнергию.

Области применения систем с охлаждающими балками:

Применение активных систем с охлаждающими балками рекомендуется в следующих

случаях:

Разделенные и общие офисные помещения;

Гостиничные номера;

Больницы;

Магазины;

Банки;

Лаборатории.

Однако, применение данных систем не рекомендуется в конференц-залах, переговорных

комнатах, учебных классах и т.д., в которых требуется постоянная вентиляция.

Рабочий диапазон систем с охлаждающими балками:

Активные системы с охлаждающими балками могут использоваться для

кондиционирования помещений, у которых нагрузка по охлаждению составляет не более 120

Вт/м2. Оптимальный рабочий диапазон для данных систем составляет 60-80 Вт/м

2. Пассивные

системы данного типа могут применяться для кондиционирования помещений, у которых

нагрузка по охлаждению составляет не более 40-80 Вт/м2. Температура в помещения в летний

период может быть обеспечена с помощью данных систем на уровне 23-26 оС.

Технологии естественного охлаждения и системы с охлаждающими балками

В системах с охлаждающими балками высокотемпературная охлаждающая вода

используется для предотвращения конденсации. Температура воды, циркулирующей в трубках

теплообменника для охлаждения воздуха в комнате составляет 14-18 оС. (Температура

циркулирующей воды для подогрева воздуха составляет 30-45 оС). Высокая температура

охлаждающей воды приводит к использованию охлаждающей группы с низкой

производительностью. При этом сокращаются начальные инвестиции и эксплуатационные

расходы. [14]

Поскольку системы естественного охлаждения работают с более высокой температурой

охлаждающей воды, чем 6/11 оС или 7/12

оС, они могут использоваться к комплексе с

существующими системами на базе охлаждающих балок.

Рисунок 17. Система на базе охлаждающих балок и градирня открытого цикла с

естественным охлаждением [2].

Технологии естественного охлаждения могут применяться в составе систем охлаждения на

базе охлаждающих балок в различных вариантах, включая:

Сухие охладители;

Градирни;

Системы подземного сохранения энергии

На рисунке 17 представлена схема использования системы охлаждения на базе

охлаждающих балок. В данном случае вместо градирен могут быть использованы сухие

охладители. Применение технологии естественного охлаждения в составе систем на базе

охлаждающих балок значительно повышает эффективность работы системы охлаждения.

Выводы и предложения

Как было указано выше, использование технологий естественного охлаждения в составе

систем охлаждения воды и систем на базе охлаждающих балок для повышения их эффективности

становится все более и более популярным в разных странах.

Повышение эффективности работы систем и снижение их эксплуатационных затрат является

наиболее важным направлением в условиях современного конкурентного рынка. Использование

данных систем, а также привлечение опытных инженеров для их установки и эксплуатации

значительно увеличивает производительность и эффективность работы современных предприятий и

повышает его конкурентоспособность. Кроме того, данные системы являются экологически

чистыми, что также не менее важно в настоящее время.

Использованная литература

[1] ASHRAE Handbook 2000 Systems And Equıpment, Chapter 36, Chapter 38, ASHRAE, 2000

[2] De Saulles,T.,” BSRIA Guide: Free Cooling Systems”, BSRIA,2004

[3] Aermec Technical Catalogue (http://www.aermec.com)

[4] ICS Technical Catalogue (http://www.industrialcooling.co.uk)

[5] Climaveneta Technical Brochure (http://www.climaveneta.it)

[6] Friterm A.Ş Technical Documents (http://www.friterm.com)

[7] Climaveneta, FOCS-FC/NG Technical Catalogue (http://www.climaveneta.it)

[8] Cansevdi B.,Akdemir Ö.,Güngör A.,”Energy Economy for Facilities Utiizing Cooling Water

Throughout the Year” Article, VII. TESKON, 2005

[9] Turkish State Meteorological Service’s report on average temperatures in Istanbul.

(http://meteoroloji.gov.tr)

[10] TPC Technical Catalogue (http://www.totalprocesscooling.co.uk)

[11] REHVA Chilled Beam Application Guidebook,REHVA,2004

[12]Rumsey P.,Weale J.,”Chilled Beams in Labs” article, ASHRAE Journal,Vol.49,Ocak 2006

[13] Flaktwoods Technical Catalogue (http://www.flaktwoods.com)

[14] Özgür A.E.,Üçgül İ.,Selbaş R.,”Radiant Cooling Installation” article,IV.TESKON, 1999

Сведения об авторе

Хасан Акул родился в г. Айвалик, Эгейского региона (Турция) в 1976 году. Он закончил

инженерный факультет технического университета г. Йилдиц в 1999 году. Он работал в отделах

продаж, производства и исследования и разработок (НИОКР) различных компаний в области

разработки и производства систем охлаждения/нагрева воздуха и кондиционирования. В

настоящее время занимает пост главного инженера отдела НИОКР компании Friterm A.Ş. и

обучается для получения ученой степени магистра на факультет науки и технологий в

Технологическом институте в г. Гребце. Он активный член Палаты инженеров-механиков

Турции. Женат, имеет дочь.