Температурный напор в конденсаторах с воздушным охлаждением

Приведен расчет сроков окупаемости конденсаторов с разными температурными напорами и показан потенциал экономии электроэнергии. При расчете учитывался годовой профиль температур в указанной местности и возможность регулирования производительности конденсатора для поддержания постоянной температуры конденсации. Расчетный срок окупаемости при установки конденсаторов с температурным напором меньшим 15 К составил менее 1 года.

При постоянном росте тарифов на электроэнергию и требований к защите окружающей среды возрастает интерес к энергосбережению в кондиционировании и холодоснабжении. Значительное энергосбережение можно получить, проводя оптимизацию на различных этапах проектирования, монтажа и эксплуатации холодильного оборудования. В последнее время работы по снижению затрат на потребляемую электроэнергию проводились в области совершенствования компрессорного оборудования, систем автоматического регулирования и применения новых эффективных и экологически безопасных хладагентов (ХА).
При этом был обойдено вниманием снижение температурного напора в теплообменных аппаратах (ТО). До недавнего времени наблюдалась тенденция к снижению размеров ТО, а, следовательно, и их стоимости, что, однако приводит к резкому повышению эксплуатационных расходов, поскольку рост температуры конденсации tк на 1 К увеличивает расход электроэнергии приблизительно на 3 %.
По общепринятым рекомендациям температурный напор в конденсаторах (КД) с воздушным охлаждением составляет 10…20 К. При этом максимальное значение определяет предел для безопасной эксплуатации компрессора (КМ): превышение этого параметра ведет к уменьшению ресурса работы КМ.
Аналогичная ситуация наблюдается и при подборе испарителей – максимальное рекомендованное значение температурного напора определяет безопасную работу КМ (поддержание оптимального перегрева в испарителях, работающих по циклу прямого расширения). Однако с развитием техники, например, применением электрических расширительных клапанов вместо механических, появилась возможность поддерживать меньшие значения перегрева в испарителе, а значит и меньшие значения температурного напора.
При увеличении поверхности ТО встает вопрос о его массогабаритных характеристиках и цене: быстрое повышение стоимости цветных металлов, в частности меди, делает такой способ довольно дорогостоящим при попытке найти «лобовое» решение. Альтернативным методом может стать применение алюминиевого микроканального ТО в качестве КД. Благодаря малому диаметру каналов такой КД имеет превосходные характеристики теплообмена со стороны ХА, при этом его гидравлическое сопротивление сравнимо с классическим ТО, что позволяет уменьшить температурный напор в КД при той же его цене, повысив, таким образом, эффективность холодильной установки (ХУ).
При подборе КД с малой разностью температур следует обращать внимание на сроки окупаемости такого решения. Рассчитаем сроки окупаемости при установке КД с разными температурными напорами относительно КД с температурным напором ΔT = 15K (базовый вариант), рассмотрев ХУ с температурой в холодильной камере 0 0С и следующими параметрами:
• расчетная температура окружающего воздуха, tов = + 31 0С;
• хладагент – R404A;
• потери давления на линии всасывания – эквивалентны 2 К;
• изоэнтропный КПД КМ – ηкм = 0,7.
Температурные параметры (значения температур, количество рабочих часов с определенной температурой) приняты в соответствии с программами расчета коэффициента сезонной эффективности.
При расчете принимаются следующие допущения:
• температура конденсации tк в течение рассматриваемого периода (календарный год) поддерживается на уровне, определяемом расчетной температурой окружающего воздуха и соответствующим температурном напором за счет включения /отключения вентиляторов КД;
• конфигурация компрессорного оборудования (включая системы регулирования) выбрана таким образом, чтобы холодопроизводительность соответствовала требуемой нагрузке;
• нагрузка на холодильное оборудование Qтреб принимается постоянной и равной 276,5 кВт;
• тепловая нагрузка на КД рассчитывается как сумма холодопроизводительности и потребляемой мощности компрессорного оборудования;
• стоимость электроэнергии равна 4,3 руб за 1 кВт∙ч.
Для определения сроков окупаемости произведем расчет годовой потребляемой мощности для ХУ по следующему алгоритму:
• определяем расчетную температуру конденсации tк;
• рассчитываем холодильный цикл и определяем параметры в узловых точках;
• вычисляем мощность, потребляемую КМ с учетом времени работы; где Nкм – потребление электроэнергии компрессорным оборудованием, кВт∙ч; Nцентрали – потребляемая мощность централи, кВт; n – количество часов в году с определенной температурой, при которой рассчитывается холодопроизводительность и потребляемая мощность, ч.
• повторяем расчет мощности, потребляемой КМ для каждого значения температуры окружающего воздуха с шагом 5 К;
• определяем годовую потребляемую мощность КМ (кВт∙ч за год);
• рассчитываем производительность КД по программам завода — производителя теплообменного оборудования;
• сравниваем со значением тепловой нагрузки и определяем требуемую производительность вентиляторов (ВН) и их энергопотребление с учетом времени работы компрессорного оборудования; где nвент – требуемое регулирование ВН; Qном – номинальная производительность КД, рассчитанная по программам завода — производителя по соответствующей разности температур, кВт; Qнагр – тепловая нагрузка на КД, кВт.
• зная величину nвент, выбираем ближайшее большее количество ВН, способных обеспечить требуемую производительность КД.
• определяем коэффициент рабочего времени ВН; где nраб. вент – коэффициент рабочего времени ВН, Qконд – производительность КД при соответствующем количестве ВН.
• рассчитываем энергопотребление ВН; где Nконд – мощность, потребляемая КД, кВт∙ч; t – количество ВН, необходимое для обеспечения производительности КД в соответствии с требуемой нагрузкой; Nвент – мощность, потребляемая одним ВН, кВт.

Общее энергопотребление и возможная экономия электроэнергии представлены в табл.1.

Таблица 1. Общее энергопотребление и возможная экономия электроэнергии
Энергопотребление (740х430)

Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. При современном соотношении цены электроэнергии и ТО и общей тенденции на увеличение стоимости энергоносителей следует очень серьезно обратить внимание на выбор размера КД. На этапе проектирования следует производить расчет сроков окупаемости для принятия решения о целесообразности применения оборудования с определенными параметрами.
2. При проектировании новых объектов целесообразно производить подбор КД на малый температурный напор и следует отдавать предпочтение моделям с большой поверхностью теплообмена, что актуально для крупных промышленных предприятий с длительным сроком эксплуатации.
3. Альтернативным решением может стать применение алюминиевого микроканального КД.
4. КД с воздушным охлаждением следует оснащать ВН с малым энергопотреблением, например с ЕС — двигателями, или применять частотные преобразователи.

Литература:
1. Шишов В.В. Энтропийно – статистический анализ холодильных циклов для систем кондиционирования // Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. Сер. Машиностроение.- 2012. Спец. выпуск.

Авторы: Шишов В.В., Талызин М.С.

Яндекс.Метрика