Конденсаторы с водяным охлаждением: типы, эффективность и руководство по выбору системы

Руководитель технического обслуживания холодильного склада мощностью 400 кВт в субтропическом климате заметил, что агрегатные агрегаты с воздушным охлаждением работали до глубокой ночи в июле, в то время как винтовой агрегат с водяным охлаждением в машинном помещении комфортно удерживал заданное значение и регистрировал меньшее количество часов работы компрессора. Это различие сводится к одному принципу: вода отводит тепло в несколько раз эффективнее, чем воздух, и конденсатор с водяным охлаждением использует это, чтобы поддерживать температуру конденсации, близкую к температуре окружающей среды по влажному термометру.

В этом руководстве объясняется, как работают конденсаторы с водяным охлаждением, сравниваются три основные конструкции и преобразуются инженерные данные в практические решения по выбору для проектов пищевой промышленности, логистики холодовой цепи, фармацевтики и промышленного охлаждения.

Как работает конденсатор с водяным охлаждением

Конденсатор отводит тепло, поглощенное испарителем, плюс работу компрессора. В конденсаторе с водяным охлаждением горячий пар хладагента из нагнетания компрессора поступает в конденсатор и передает тепло охлаждающей воде, протекающей через теплообменник. По мере того, как хладагент теряет тепло, он перегревается, конденсируется в жидкость и слегка переохлаждается, прежде чем попасть в расширительное устройство.

Охлаждающая вода движется по одному из трех путей:

• Прямоточный: городская или колодезная вода проходит через конденсатор и сбрасывается в канализацию.
• Рециркуляция с помощью градирни или жидкостного охладителя: та же вода прокачивается по контуру и отдает тепло окружающему воздуху.
• Рециркуляция с помощью сухого охладителя для закрытых контуров, в которых необходимо избегать испарения воды.

Большинство промышленных предприятий используют систему рециркуляции, поскольку она обеспечивает самые низкие и стабильные температуры конденсации без потерь больших объемов воды.

Три основных типа конденсаторов с водяным охлаждением

Производители изготавливают конденсаторы с водяным охлаждением в трех основных конфигурациях. Каждый из них соответствует разному диапазону производительности и профилю качества воды.

Кожухотрубные конденсаторы

Кожухотрубные конденсаторы состоят из стального кожуха, через который проходит пучок трубок. В большинстве галогенуглеродных и аммиачных конструкций хладагент занимает сторону корпуса, а вода проходит через трубы. Поскольку пучок труб можно снять, а трубы очистить щеткой или вытолкнуть, этот тип является лучшим выбором для крупных промышленных систем и для предприятий с умеренным качеством воды. Мощность варьируется от примерно 50 кВт до нескольких мегаватт.

Паяные пластинчатые конденсаторы

Паяные пластинчатые конденсаторы состоят из стопки гофрированных пластин из нержавеющей стали, спаянных вместе. Хладагент и вода текут в противоточных направлениях через чередующиеся каналы, обеспечивая очень высокие коэффициенты теплопередачи в небольшой части пространства. Они компактны, легки и эффективны, но узкие каналы плохо переносят грязную воду, поэтому лучше всего работают с чистой оборотной водой и адекватной фильтрацией.

Коаксиальные (трубные) конденсаторы

В коаксиальных конденсаторах используется спиральная внутренняя трубка внутри большей внешней трубки. Одна жидкость течет через внутреннюю трубку, другая – через кольцевое пространство. Компактная спиральная форма распространена в комплектных чиллерах и тепловых насосах мощностью до нескольких сотен киловатт. Они справляются с водой среднего качества лучше, чем пластинчатые агрегаты, но очистить засоренный змеевик сложнее, чем вскрыть кожухотрубный пучок.

В таблице ниже сравниваются три конструкции в ежедневном использовании.

Для проектов, которым требуется конденсатор, соответствующий существующей компрессорной стойке, доступны комплектные промышленные конденсаторы с водяным охлаждением в диапазоне производительности, используемом большинством холодильных складов и пищевых предприятий.

Промышленный конденсатор с водяным охлаждением для холодильного оборудования с высокими нагрузками Этот компактный конденсатор подходит для холодильных систем большой мощности, которым требуется компактный и эффективный отвод тепла. В отличие от агрегатов с воздушным охлаждением, он конденсируется ближе к температуре по влажному термометру, что снижает мощность компрессора и повышает стабильность в летнюю жару. Посмотреть продукт →

Водяное и воздушное охлаждение: разница в эффективности

Конденсаторы с воздушным охлаждением отводят тепло при температуре, определяемой температурой окружающей среды по сухому термометру, обычно на 10–15 К выше нее. Днем при температуре 38 °C это означает, что температура конденсации составит от 48 до 53 °C. Конденсаторы с водяным охлаждением работают при температуре по влажному термометру, обычно на 5–8 К выше нее. При температуре 27 °C по влажному термометру температура конденсации может оставаться около 32–35 °C даже в летнюю жару.

Более низкая температура конденсации напрямую снижает степень сжатия компрессора и потребляемую мощность. Как правило, каждое снижение температуры конденсации на 1 К повышает эффективность системы примерно на 2–3 процента. Таким образом, установка с водяным охлаждением, работающая при температуре на 10–15 К ниже эквивалентной с воздушным охлаждением, может сократить потребление энергии компрессором примерно на 20–30 процентов во время пиковой нагрузки, одновременно обеспечивая большую производительность.

Эти выгоды связаны с компромиссами: очистка воды, энергия насосов, энергия вентиляторов градирни и более высокие первоначальные затраты на водяной контур. Решение зависит от наличия местной воды, климата, цен на электроэнергию, а также от того, работает ли станция с высокой нагрузкой круглый год.

Более глубокий взгляд на компромиссы можно найти в нашем предыдущем анализе Ключевые преимущества конденсаторов с воздушным охлаждением перед конструкциями с водяным охлаждением . Выбор редко бывает абсолютным; это баланс энергии, воды и капитальных затрат для конкретного проекта.

Критерии выбора: что указать перед покупкой

Прежде чем выбрать конденсатор с водяным охлаждением, определите режим отвода тепла, температуру воды на входе в конденсатор, температуру воды на выходе из конденсатора и допустимое падение давления. Эти четыре цифры определяют правильный размер и конфигурацию любой из трех конструкций.

1. Обязанность по отводу тепла: нагрузка испарителя плюс тепловложение компрессора, часто в 1,25–1,35 раза превышающее холодопроизводительность одноступенчатой ​​установки.
2. Температура конденсации: обычно от 30 до 40 °C для установок с водяным охлаждением; Стандартным стартовым выбором является температура 35 °C при температуре воды на входе 30 °C.
3. Расход воды: рассчитывается на основе нагрузки и повышения температуры воды, обычно расчетное повышение на 5 K в контурах башни.
4. Коэффициент загрязнения: расчетный допуск на накипь и биопленку, обычно от 0,000044 до 0,000176 м2 К/Вт в зависимости от качества воды.

Фактор загрязнения – это то, из-за чего многие покупки идут не так. Конденсатор, размер которого имеет слишком низкий коэффициент загрязнения, снижает производительность в течение нескольких месяцев в районах с жесткой водой. Медные или медно-никелевые трубы лучше противостоят образованию накипи, чем обычная сталь, а пластинчатые элементы из нержавеющей стали предпочтительнее при высоком уровне хлоридов. Если качество воды сомнительно, не позволяйте первоочередным затратам преобладать над возможностью очистки.

В комплектных компрессорно-конденсаторных агрегатах конденсатор с водяным охлаждением сочетается с винтовым или поршневым компрессором и необходимыми органами управления на одной опорной раме, что упрощает установку и ввод в эксплуатацию.

Низкотемпературный винтовой конденсаторный агрегат Bitzer с водяным охлаждением Конденсаторный агрегат заводской сборки с полугерметичным винтовым компрессором, рассчитанный на устойчивую работу при низких температурах испарения. Идеально подходит для холодильных камер и промышленных предприятий, где надежность и простота обслуживания являются ключевыми факторами. Посмотреть продукт →

Выбор, основанный на применении, на практике

Холодильные склады и предприятия пищевой промышленности обычно выбирают кожухотрубные конденсаторы для центральных стоек с галогеноуглеродом или аммиаком, потому что их можно чистить на месте и они служат десятилетиями. Фармацевтические предприятия, как правило, предпочитают паяные пластинчатые агрегаты с замкнутым контуром, где химическая обработка воды позволяет свести загрязнение к минимуму. В комплектных чиллерах для технологического охлаждения обычно используются коаксиальные конденсаторы, чтобы уменьшить занимаемую площадь.

Климат имеет такое же значение, как и промышленность. В жарких и засушливых регионах градирни обеспечивают низкие температуры по мокрому термометру, что обеспечивает значительную экономию энергии. В прибрежных районах соль, переносимая по воздуху, в сочетании с переносом с башни может вызвать коррозию обычных труб; пластинчатый конденсатор из нержавеющей стали или пучок медно-никелевых трубок являются более безопасными.

Доступность водоснабжения является ограничивающим фактором на многих объектах. Там, где вода дорогая или ее мало, испарительный конденсатор или соответствующая система с воздушным охлаждением с тщательным контролем частичной нагрузки могут обеспечить более низкую стоимость жизненного цикла, чем контур с водяным охлаждением. Правильный ответ зависит от местных тарифов на коммунальные услуги, а не только от вида бизнеса.

Энергия, вода и картина устойчивого развития

Поскольку конденсатор с водяным охлаждением поддерживает низкое давление конденсации, он также снижает температуру нагнетания компрессора и улучшает состояние масла и хладагента. Сочетание более низкого коэффициента давления, лучшего объемного КПД и эффективного переохлаждения объясняет, почему винтовые установки с водяным охлаждением обычно сообщают об удельном энергопотреблении от 0,25 до 0,35 кВт на кВт охлаждения для среднетемпературного режима, в то время как эквивалентные машины с воздушным охлаждением потребляют на 15–25 процентов выше.

Общий эквивалентный эффект потепления сочетается с прямыми выбросами хладагента и косвенными выбросами CO2 от электричества. Каждый киловатт-час, сэкономленный на компрессоре, помогает косвенной стороне, а более низкая температура конденсации конденсатора с водяным охлаждением остается одним из самых простых способов снизить эту косвенную нагрузку. Более строгое управление водными ресурсами, включая контроль продувки, каплеуловители и обнаружение утечек, устраняет основное возражение против систем с водяным охлаждением.

Регулирование холодовой цепи и внедрение натуральных хладагентов подталкивают отрасль в этом направлении. Более эффективный отвод тепла, более герметичные системы и более низкая интенсивность выбросов углекислого газа на тонну хранимой продукции становятся требованиями к закупкам, как описано в нашем обзоре Переход к «зеленой» холодовой цепи и внедрение натуральных хладагентов .

Производители теперь предлагают конденсационные агрегаты с водяным охлаждением, которые соответствуют этим целям, не усложняя конструкцию установки.

Винтовой водяной конденсационный агрегат средней и высокой температуры Hanbell Полностью интегрированный конденсаторный агрегат с водяным охлаждением, обеспечивающий средние и высокие температуры испарения. Он объединяет компрессор, маслоотделитель, ресивер и элементы управления на одной раме, что позволяет сократить затраты на установку и занимаемую площадь, одновременно поддерживая универсальные возможности холодильного хранения. Посмотреть продукт →

Конденсаторы с водяным охлаждением заслужили свое место везде, где температура конденсации определяет ежегодные затраты на электроэнергию. Начните с температуры по влажному термометру на объекте, выберите тип конденсатора, соответствующий качеству воды и доступу к обслуживанию, а также размер с честным коэффициентом загрязнения. Заводы, которые делают это, обычно имеют меньшую мощность компрессора, более стабильную производительность и меньшее количество отключений из-за высокого давления — это три результата, которые наиболее важны для тех, кто платит за электроэнергию.