Системы охлаждения с использованием теплообменников

Кроме традиционных элементов в составе данных систем охлаждения для производства холодной воды используются теплообменники с трубными полками с оребрением. Данные системы применяются, когда температура окружающего воздуха падает на 1,5—2,0°С 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 оребренными полками могут быть использованы в двух различных вариантах:

• • системы с использованием теплообменников естественного охлаждения;
• • системы с использованием сухих и влажных/сухих охладителей.

Рассмотрим системы с использованием теплообменников естественного охлаждения.

Так, например, традиционная схема «термопласт автомат — водоохладитель» имеет следующие минусы в процессе эксплуатации:

• • постоянное потребление электроэнергии в зимний и летний периоды;
• • большая теплоотдача при работы компрессоров;
• • относительно небольшой срок службы водоохладителя;
• • постоянная или растущая в летний период расходная статья в стоимости изделия.

Для эффективного охлаждения промышленного оборудования, а в частности литьевых форм, в последнее время становятся все более популярными чиллеры со встроенным теплообменником естественного охлаждения, использующие технологию фрикулинга (free-cooling).

Охлаждение воды может производиться не только с помощью компрессоров, но и за счет естественного охлаждения. Водоохлатители этого типа предназначены для наружной установки. Они представляют собой моноблочные холодильные машины, оснащенные дополнительным контуром охлаждения — секцией фрикулинга с функцией естественного охлаждения.

Секция фрикулинга позволяет одновременно использовать в одном агрегате как фреоновое охлаждение, так и охлаждение окружающим воздухом. Холодильник с фрикулингом использует преимущества низких наружных температур для охлаждения воды и исключения работы компрессоров. Охлаждающая жидкость, перед тем как попасть в испаритель, переводится для частичного (или полного охлаждения) в дополнительный теплообменник секции фрикулинга. Это позволяет экономить, даже если наружная температура недостаточно низкая для обеспечения полной работы по охлаждению, так как в этом случае компрессоры выполняют лишь оставшуюся часть работы. Таким образом, водоохладитель с фрикулингом может работать в механическом режиме охлаждения и/или режиме фрикулинга, в зависимости от тепловой нагрузки и наружной температуры.

Водоохладитель подобной конструкции позволяет значительно экономить электроэнергию в холодное время года. При модификации существующих систем охлаждения они могут быть легко интегрированы в охлаждающие блоки.

На рисунках, представленных ниже, на примерах показан принцип работы системы охлаждения с теплообменником естественного охлаждения летом, зимой и весной.

В летний период, когда температура окружающего воздуха выше требуемой температуры холодной и возвратной воды (например: температура окружающего воздуха — 30 °C, температура охлаждающей воды — 10 °C, температура возвратной воды — 15°С). Необходимая холодная вода вырабатывается только блоком охлаждения в рамках обычного цикла охлаждения. Теплообменник естественного охлаждения не задействован (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Эксплуатационные условия водоохладителя с теплообменниками естественного охлаждения в летний сезон

В межсезонный период, когда температура окружающего воздуха выше требуемой температуры холодной воды и возвратной воды (например: температура окружающего воздуха — 13 °C, температура охлаждающей воды — 10°^с, температура возвратной воды — 15°С), 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 (рис. 1.13).

В зимний период, когда температура окружающего воздуха ниже требуемой температуры холодной воды и возвратной воды (например:

зо температура окружающего воздуха — 0 °C, температура охлаждающей воды — 10 °C, температура возвратной воды — 15°С), необходимая холодная вода в системе полностью обеспечивается теплообменником естественного охлаждения с использованием окружающего воздуха. Количество энергии, потребляемое системой охлаждения, определяется энергопотреблением вентиляторов охлаждающей группы (рис. 1.14) [12].

Рис. 1.13. Эксплуатационные условия водоохладителя с теплообменниками естественного охлаждения в весенний сезон

Рис. 1.14. Эксплуатационные условия водоохладителя с теплообменниками естественного охлаждения в зимний сезон

Пример использования системы охлаждения с блоком естественного охлаждения воды приведен на рис. 1.15. Принципиальная схема задействована при организации системы охлаждения семи литьевых машин, которые эксплуатируется на предприятии в Стамбуле [13]. В данной системе охлаждающая группа функционирует в зависимости от сезонных температур окружающего воздуха, а блок естественного охлаждения используется для охлаждения литьевых форм и масла. Таким образом, обеспечивается энергоэффективность системы. Теплообменник естественного охлаждения (сухой охладитель) расположен внутри того же самого блока, что и конденсатор системы охлаждения воздуха. Охлаждающая группа оснащена автоматической системой управления и контроля.

Еще одной технологией применения кожухотрубных теплообменников в системах охлаждения воды являются сухие охладители (сухая градирня, драйкулер). Основной принцип данной технологии — передача тепла от возвратной воды воздуху путем использования системы теплообмена на базе вентиляторов.

Конструктивно сухой охладитель это ребристо-трубчатый теплообменник, оснащенный вентиляторами для охлаждения теплоносителя, который циркулирует по замкнутому контуру. Охлаждение теплоносителя в этом устройстве происходит благодаря потоку уличного воздуха, нагнетаемого вентиляторами. Сухой охладитель разработан для наружной установки, а в качестве теплоносителя в нем используется вода с гликолем, что предохраняет его от замерзания. Из градирни теплоноситель поступает в систему холодильной установки для охлаждения узлов и механизмов, а затем снова возвращается в сухой охладитель, чтобы отвести тепло конденсации в атмосферу.

Принцип работы оборудования заключается в том, чтобы вывести тепловую энергию наружу и затем эффективно обдуть контур холодным воздухом из окружающей среды.

Основные составляющие элементы сухого охладителя:

• — воздушный теплообменник (калорифер), главным предназначением которого является тепловой обмен между теплоносителем и наружным воздухом;
• — вентиляторы, обеспечивающие циркуляцию атмосферного воздуха;
• — регуляторы вращения, которые предназначаются для контроля и регулирования вращения лопастей: чем выше их скорость, тем больше воздуха поступает для охлаждения контура.

Обычно сухой охладитель оборудуется осевыми вентиляторами такой мощности, что ее вполне хватает, чтобы нагнетать необходимую силу потока. Однако, когда надо повысить напор воздуха, в этих устройствах используют более мощные и эффективные центробежные вентиляторы.

Данная установка позволяет эффективно охлаждать гидравлическое масло сразу, например, у нескольких литьевых машин.

Рис. 1.15. Принципиальная схема применения блока подготовки охлаждающей воды с использованием теплообменника.

естественного охлаждения Сухие охладители бывают горизонтального или вертикального исполнения. Корпус оборудования изготавливается из оцинкованной стали на основе полиэстера. Это обеспечивает надежную защиту от коррозии [14].

Основные параметры сухих охладителей:

• — производительность;
• — потребляемая мощность;
• — номинальная скорость вращения вентилятора.

Температура воды, которую обеспечивают сухие охладители, зависит от температуры окружающего воздуха. При этом вода охлаждается до температуры на 5 °C выше температуры воздуха. В случаях, когда необходима охлаждающая вода с более низкой температурой, применяются влажные/сухие охладители.

Влажные/сухие охладители работают на тех же принципах, что и сухие охладители. В их состав дополнительно входит система распыления воды, которая при необходимости обеспечивает дополнительное охлаждение. Распыленная вода обеспечивает адиабатическое охлаждение входящего потока воздуха. Когда необходимо охладить жидкость в системе 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.

Первый вариант — это 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 водораспылительной 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 крайне важны для их длительной и надежной эксплуатации.

Количество воды, расходуемой на распыление в потоке входящего воздуха, зависит от типа используемого распылителя и 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 жидком состоянии. В этом случае обеспечивается возможность избежать снижения эксплуатационных параметров системы распыления воды.

Второй вариант — это 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. В данной системе, как и в предыдущей, вода должна быть декальцинирована и отфильтрована.

И наконец, третий вариант — это влажные/сухие охладители с системой распыления воды над охлаждающей решеткой. Для повышения эффективности конденсаторов с воздушным охлаждением в них используется технология распыления воды над решеткой. При этом вода в необходимом системе количестве распыляется с помощью форсунок, расположенных в специальных местах над решеткой перед конденсатором. Это ведет к снижению температуры подаваемого воздуха, который входит в контакт с поверхностью теплообменника, путем адиабатического испарения распыляемой воды. В результате эффективность охлаждения повышается. Распыленная вода обеспечивает адиабатическое охлаждение воздуха. Данная система может обеспечить охлаждение подаваемого наружного воздуха до 15—20°С. 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 [10].