Методика подбора и расчета воздушного конденсатора

Подбор конденсатора для холодильной установки начинают с его тепловой нагрузки: Q_к = Q_о + N_эл, то есть холодопроизводительность плюс электрическая мощность компрессоров, или ориентировочно Q_о × 1,2–1,35. Затем задают температурный напор между конденсацией и наружным воздухом — обычно 10–15 K — и выбирают по каталогу модель с нужной теплоотдачей при этом напоре, проверяя уровень шума.

Во время подбора холодильного оборудования выбор конденсатора является ответственным шагом. Его совершают после выбора испарителя, компрессора и определения суммарной холодопроизводительности имеющихся испарителей ∑Qисп, а также общей суммы электрической мощности ∑Nэл, которая необходима для работы всех двигателей компрессоров.

Температуры вокруг конденсатора

Рассмотрим на примере самой обычной холодильной машины (схема 1а) поведение температур вокруг конденсатора и поступающего в него холодильного агента.

• где, РУ – расширительное устройство (вентиль, клапан, дроссель и пр.);
• Pk – давление конденсации;
• Ро – давление кипения.

На графике (рис.1 б) представлено графическое изображение изменения состояния хладагента в зависимости от температуры. На отрезке кривой АВ хладагент находится в состоянии насыщенного пара. Его температура в точности соответствует началу кипения: доля пара составляет 100%, а перегрев равен нулю. В левой стороне от кривой хладагент имеет состояние перегретого пара (ПП), поэтому его температура превышает температуру кипения.

Точка В характеризуется такими значениями давления и температуры, при которых хладагент не может перейти в жидкое состояние. Отрезок кривой ВС отображает хладагент в состоянии насыщенной жидкости. Его температура соответствует температуре конца конденсации. При этом доля пара равна 0%, а переохлаждение хладагента близко к нулю. В левой части кривой ВС состояние хладагента соответствует переохлажденной жидкости (ПЖ) – его температура меньше температуры кипения.

Внутри кривой АВС состояние хладагента соответствует состоянию парожидкостной смеси (П+Ж). доля пара в единице объема приравнивается к 100% - кривая АВ, до 0% - кривая ВС.

В дальнейшем будем рассматривать конденсатор воздушного охлаждения, поскольку он является самым распространенным типом устройств среди себе подобных, испоьзуемым в парокомпрессионных холодильных машинах. Предполагается, что он имеет один или несколько вентиляторов, которые обеспечивают ему обдув воздухом и представляет собой трубчато-ребристый теплообменный аппарат (рис.2).

• где, Та3 – показатель температуры воздуха на входе в конденсатор;
• Та4 – показатель температуры воздуха на выходе из конденсатора;
• Тk – показатель температуры конденсации хладагента в конденсаторе;
• FF – температура хладагента;
• L – равнозначная длина конденсатора;
• отметки 2,3,4 и 5 соответствуют аналогичным точкам на рис. 1б.

Процесс, отображенный на рис. 2б, характеризуется следующими величинами

Перепадом температур по воздуху на конденсаторе ΔТак=Та4-Та3. Если работа холодильной установки стабильна, то величина ΔТак для трубчаторебристых конденсаторов воздушного охлаждения с принудительным обдувом обычно находится в пределах 3–9К. Другими словами, воздух, проходящий через конденсатор, должен иметь температуру не меньше 3К и не превышать отметку в 9К. Если температура воздуха, которая проходит через конденсатор с принудительным обдувом менее 3 К, то это говорит о снижении теплоотдачи хладагента (причиной этому может быть загрязнение наружной поверхности оребрения конденсатора), которое приводит к росту температуры, следовательно, и давления. Более высокие значения ΔТак (>10К) по сравнению с номинальным, свидетельствуют о том, что расход воздуха проходящего через конденсатор (по причине нестабильной работы вентилятора, приводит к росту температуры и, соответственно, повышению давления конденсации.

Максимальный температурный напор ΔTмакс= Тk-Та3. Данный показатель применяют при выборе конденсатора, поскольку в большинстве случаев значение производительности Qконд зависит от показателя DTмакс. Так для всех трубчатых конденсаторов воздушного охлаждения расчетное значение DTмакс считают равным 15± 3К (независимо от марки используемого хладагента и назначения холодильной установки). Таким образом мы видим, что для стабильной работы любой холодильной установки, в которой применяются хладоны, температура конденсации Тk в трубчато-ребристых конденсаторах должна превышать температуру наружного воздуха (быть не ниже 12К и не выше 18К).

Холодильный агент (кривая, отмеченная красным цветом на рис. 2б) - имеет вид перегретого пара на входе в конденсатор и температуру, равную температуре нагнетания Тнагн. На участке 2–3 происходит отбор теплоты от хладагента и ее передача окружающей среде. На отрезке 3–4 совершается процесс конденсации при стабильной температуре Тk. Процесс переохлаждения жидкого хладагента начинается в точке 4 и завершается в точке 5. В результате температура хладагента снижается от Тk до Тж. При этом давление хладагента, если не брать во внимание его потери в конденсаторе, остаются постоянными и равняются давлению конденсации Рk. Переохлаждением на выходе из конденсатора будет разность температур конденсации Тk и жидкости на выходе из него Тж:

ΔТпереохл= Тk – Тж

При этом величина переохлаждения не зависит от типа применяемого хладагента и типа конденсатора, при условии нормальной работы холодильной установки (данный показатель должен находиться в диапазоне 3–6К).

Конденсатор водяного охлаждения

Если для охлаждения конденсатора используется вода (рис.3), то температурные параметры будут теми же, что и для конденсаторов воздушного охлаждения. Но цифровые значения температур охлаждающей воды, которые должны использоваться во время эксплуатации холодильной установки, будут отличаться от аналогичных показателей для конденсаторов воздушного охлаждения.

где:

• Те3 – показатель температуры воды на входе в конденсатор;
• Те4 – показатель температуры воды на выходе из конденсатора;
• Тk – температура конденсации хладагента в конденсаторе;
• FF – температура хладагента;
• L – равнозначная длина конденсатора.

Перепад температур для пластинчатых и кожухотрубных конденсаторов определяют по следующей формуле: ΔТек=Те4-Те3. Для нормальной работы установки его необходимо поддерживать в пределах 10–15К.

Если речь идет о конденсаторах водяного охлаждения, то следует поддерживать не максимальный температурный напор, а минимальный: DTмин=Тk-Те4 – разность между температурой конденсации хладагента в конденсаторе и температурой окружающей среды на выходе из него. Для нормальной работы установки данный показатель должен находиться в пределах 4–5К.

Конструкции воздушных конденсаторов

В приведенных примерах было описано поведение температур вокруг конденсатора и хладагента, который поступает в конденсатор парокомпрессионной холодильной установки. Сейчас же мы рассмотрим основные параметры выбора конденсатора воздушного охлаждения. Вначале отметим, что конденсатор, в первую очередь, представляет собой теплообменное устройство, которое предназначено для отвода теплоты, которую поглощает хладагент от окружающей среды. В качестве нее может выступать воздух или вода, если процесс охлаждения хладагента осуществляется при помощи градирен или используется конденсатор водяного охлаждения.

Конструктивное исполнение конденсаторов воздушного охлаждения может быть различным (рис.4). На схеме 5 представлена их классификация. Таким образом, перед тем, как приступить к выбору характеристик конденсатора, необходимо выбрать ту или иную разновидность, которая будет зависеть от условий их расположения и эксплуатации. После определения разновидности конденсатора выбирают необходимую производительность.

Исходные данные для подбора конденсатора

Необходимые показатели для выбора конденсатора воздушного охлаждения:

• разновидность используемого хладагента (R22, R134, R507 и пр.);
• максимальная нагрузка на конденсатор (с учетом выхода установки на режим). Производительность конденсатора определяется следующим способом:

∑Qконд = ∑Qиспj + ∑(Nкомпрi + ψi) (1)

где:

• Qиспj – холодопроизводительность j-го испарителя;
• ψi – коэффициент, определяющий долю электрической мощности приводного двигателя i-го компрессора, которая поступает в виде теплоты в конденсатор;
• Nкомпрi – электрическая мощность, потребляемая двигателем i-го компрессора.

Значение ψ для различных видов компрессоров принимают следующее:

• для герметичных- ψ=1;
• для бессальниковых – ψ=0,85–0,95;
• для сальниковых ψ=ηэл.дв х ηпм, где ηэл.дв – КПД приводного двигателя i-го компрессора, а ηпм – КПД передаточного механизма i-го компрессора.

Каталожные условия и поправка на температурный напор

Согласно принятому стандарту производители теплообменной аппаратуры предоставляют данные по производительности конденсаторов при следующих условиях:

DTмакс=15К, Та3=25С, Тk=40С, ΔТпереохл≥3К, Тнагн= Тk+25К (2)

Таким образом, определяя по формуле (1) производительность конденсатора, ее значение будет соответствовать показателю в каталоге, но при условии, что во время эксплуатации конденсатора будут выполняться вышеуказанные требования(2). Если рабочие параметры будут отличаться, то для определения производительности конденсатора следует вводить поправочные коэффициенты.

Наиболее влияют на отклонение значения производительности конденсатора от показателя, приведенного в каталоге, следующие причины: температура воздуха на входе в конденсатор Та3, температура перегретого пара на входе в конденсатор Тнагн и расположение установки относительно уровня моря. Величина поправочных коэффициентов определятся из табл.1. Она умножается на величину производительности, которую определяют по формуле (1), для вычисления фактического значения производительности.

Производительность конденсатора в зависимости от величины DT, которая находится в диапазоне 10К≤DT≤20К, определяется следующим образом:

Qконд=Q*конд х 15/ DT (3),

где Q*конд – производительность конденсатора при DT=15К.

Уровень шума конденсатора

Особое внимание при выборе конденсатора необходимо уделять требованиям по допустимому уровню шума, который происходит от вентиляторов. Согласно санитарным нормам, допустимый уровень шума должен быть следующим:

• территория жилых домов, больниц, поликлиник, учебных заведений – 60–70дБ;
• больницы и санатории – 50–60 дБ;
• жилые комнаты 40–30 дБ.

Для систем кондиционирования, вентиляции, отопления и прочих инженерных решений уровень шума принимают на 5 дБ меньше указанных.

Поэтому если конденсатор правильно подобран, но не отвечает требованиям по уровню шума. То следует принимать меры по его снижению (установка менее шумных вентиляторов, экранов, увеличение поверхности теплообмена и пр.).

Типовой пример промышленного оборудования для охлаждения жидкости — чиллер 21 кВт (вариант с конденсатором на улице — чиллер 21 кВт с выносным конденсатором) серии ВМТ-Ксирон.

Как подобрать конденсатор к компрессору холодильника: пример

Компрессор даёт 20 кВт холода и потребляет 6 кВт. Тепловая нагрузка конденсатора — 20 + 6 = 26 кВт. При наружном воздухе +32 °C и напоре 13 K температура конденсации 45 °C, и по каталогу выбирают конденсатор, отдающий не менее 26 кВт при ΔT = 13 K, с запасом 10–15 % на загрязнение.

Конструкции и типы воздушных конденсаторов описаны в статье воздушный конденсатор: что это и какие бывают, а когда его выгодно выносить на улицу отдельно от холодильной машины — в статье чиллер с выносным конденсатором.

Найденную мощность пересчитывают на каталожные условия производителя с поправкой на разность температур конденсации и воздуха, а для установок выше 1 000 м над уровнем моря — ещё и на плотность воздуха. Если конденсатор подбирают к чиллеру с выносным конденсатором, удобнее сразу смотреть готовые комплекты в подборе чиллера онлайн.

Частые вопросы

Как подобрать конденсатор к компрессору холодильника?

Сложить холодопроизводительность компрессора и его электрическую мощность — это тепло, которое нужно отвести. Затем выбрать по каталогу конденсатор, который отдаёт это тепло при температурном напоре 10–15 K между конденсацией и воздухом.

Воздушный конденсатор подобрать с каким запасом?

Обычно 10–15 % по теплоотдаче — на загрязнение оребрения и жаркие дни. Для работы зимой при отрицательных температурах дополнительно нужен регулятор давления конденсации.

Какой температурный напор принимать для воздушного конденсатора?

10–15 K для большинства установок. Меньший напор даёт ниже давление конденсации и экономию энергии, но требует более крупного и дорогого конденсатора.

Как рассчитать мощность конденсатора?

Сложить холодопроизводительность и мощность компрессора: Q_к = Q₀ + N. Для оценки умножают холодопроизводительность на 1,25 для кондиционирования, на 1,35 для среднетемпературных и на 1,6 для низкотемпературных установок.

Читайте также

• Основные правила выбора испарителя
• Методика регулирования ТРВ
• Схема работы холодильной установки на поршневой компрессоре
• Конденсаторы холодильных машин