คอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศ: ลักษณะการทำงานและเกณฑ์การคัดเลือก

ในบรรดาเทคโนโลยีที่มีอยู่สำหรับการปฏิเสธความร้อนจากระบบทำความเย็นและเครื่องปรับอากาศคอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศมีตำแหน่งที่ชัดเจน ไม่ใช่วิธีแก้ปัญหาที่เป็นสากล และไม่ใช่ผลิตภัณฑ์เฉพาะกลุ่ม เป็นเทคโนโลยีเฉพาะที่มีคุณสมบัติด้านประสิทธิภาพ เงื่อนไขการใช้งาน และข้อแลกเปลี่ยนทางเศรษฐกิจ-เฉพาะ บทความนี้จะตรวจสอบเทคโนโลยีจากมุมมองทางวิศวกรรม ทบทวนปัจจัยที่กำหนดประสิทธิภาพของเทคโนโลยี ข้อดีและข้อจำกัดที่เกี่ยวข้องกับคอนเดนเซอร์ประเภทอื่นๆ และเกณฑ์ที่ควรเป็นแนวทางในการเลือก

หลักการทำงาน

คอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศจะปฏิเสธความร้อนจากสารทำความเย็นไปยังอากาศโดยรอบ สารทำความเย็นจะเข้าสู่คอนเดนเซอร์ในรูปของไอร้อนยวดยิ่งที่ความดันและอุณหภูมิทางออก เมื่อมันไหลผ่านท่อครีบ ความร้อนจะถูกถ่ายโอนไปยังกระแสลมที่ผ่านท่อและครีบ สารทำความเย็นจะควบแน่นเมื่อปล่อยความร้อนแฝงออกมา และออกมาเป็นของเหลวที่เย็นต่ำกว่า

กระบวนการถ่ายเทความร้อนอยู่ภายใต้ปัจจัยสามประการ ได้แก่ ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างสารทำความเย็นกับอากาศ พื้นที่ผิวการถ่ายเทความร้อน และค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม พื้นที่ผิวได้มาจากการจัดวางท่อครีบ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนถูกกำหนดโดยความเร็วลมที่ผ่านครีบและคุณลักษณะการถ่ายเทความร้อนด้านข้างของสารทำความเย็น-

ลักษณะการถ่ายเทความร้อน

ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมของคอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศถูกกำหนดโดยผลรวมของความต้านทานความร้อนที่ด้านสารทำความเย็น ผนังท่อ และด้านอากาศ ในจำนวนนี้ ความต้านทานด้านข้างของอากาศ-มีความโดดเด่น โดยคิดเป็น 70% ถึง 85% ของความต้านทานทั้งหมด

ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้านข้างของอากาศ-เป็นฟังก์ชันของความเร็วลม รูปทรงของครีบ และระยะห่างของครีบ สำหรับการออกแบบคอนเดนเซอร์ทั่วไป ค่าสัมประสิทธิ์ด้านอากาศ-จะอยู่ในช่วง 20 ถึง 60 W/m²·K ขึ้นอยู่กับความเร็วของหน้าผาและการกำหนดค่าครีบ โดยทั่วไปค่าสัมประสิทธิ์ด้านสารทำความเย็น-จะมีลำดับความสำคัญสูงกว่า ตั้งแต่ 500 ถึง 2,000 W/m²·K เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว ความต้านทานของผนังท่อก็น้อยมาก

ค่าสัมประสิทธิ์โดยรวมสำหรับคอนเดนเซอร์ที่สะอาดโดยทั่วไปคือ 25 ถึง 40 W/m²·K การเปรอะเปื้อนที่พื้นผิวครีบสามารถลดสิ่งนี้ลงได้ 20% ถึง 40% ขึ้นอยู่กับระดับของการปนเปื้อนและความถี่ในการทำความสะอาด

ประสิทธิภาพเทียบกับอุณหภูมิแวดล้อม

ความจุของคอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศมีความสัมพันธ์โดยตรงกับความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิการควบแน่นและอุณหภูมิกระเปาะแห้ง-โดยรอบ สำหรับขนาดคอนเดนเซอร์และการไหลเวียนของอากาศที่กำหนด ความจุคือ:

Q=U × A × (Tcond - แทม)

โดยที่ Q คืออัตราการปฏิเสธความร้อน U คือสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม A คือพื้นที่ผิว Tcond คืออุณหภูมิควบแน่น และ Tamb คืออุณหภูมิกระเปาะแห้ง-โดยรอบ

หากอุณหภูมิโดยรอบเพิ่มขึ้น ความแตกต่างของอุณหภูมิจะลดลง เว้นแต่อุณหภูมิควบแน่นจะเพิ่มขึ้น การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิการควบแน่นจะเพิ่มแรงดันในการปล่อยคอมเพรสเซอร์และการใช้พลังงาน ส่งผลให้ประสิทธิภาพของระบบลดลง นี่เป็นข้อจำกัดทางอุณหพลศาสตร์พื้นฐานของคอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศ

ขนาดของผลกระทบนี้สามารถวัดปริมาณได้ สำหรับคอนเดนเซอร์ทั่วไปที่ทำงานด้วยแนวทาง 15 องศา (ความแตกต่างระหว่างการควบแน่นและอุณหภูมิโดยรอบ) อุณหภูมิแวดล้อมที่เพิ่มขึ้น 5 องศาจะลดความจุลงประมาณ 20% หากอุณหภูมิการควบแน่นคงที่ หรือต้องการให้อุณหภูมิการควบแน่นเพิ่มขึ้น 5 องศาเพื่อรักษาความจุ อย่างหลังจะเพิ่มกำลังของคอมเพรสเซอร์ประมาณ 8% ถึง 12%

จะต้องคำนึงถึงความสัมพันธ์ระหว่างความจุและอุณหภูมิโดยรอบในกระบวนการคัดเลือก คอนเดนเซอร์ที่มีขนาดสำหรับสภาพแวดล้อม 35 องศาจะให้ความจุประมาณ 75% ที่ 45 องศา ในสภาพอากาศที่อบอุ่น เงื่อนไขการออกแบบต้องขึ้นอยู่กับอุณหภูมิแวดล้อมสูงสุดที่คาดหวัง ไม่ใช่ค่าเฉลี่ย

ข้อดีและข้อจำกัด

ข้อดีของคอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศ:

• การใช้น้ำเป็นศูนย์ ข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดคือการกำจัดน้ำหล่อเย็น ในพื้นที่ที่มีน้ำ-ขาดแคลน นี่มักจะเป็นปัจจัยชี้ขาด คอนเดนเซอร์ไม่จำเป็นต้องใช้หอทำความเย็น สารเคมีบำบัดน้ำ หรือการกำจัดแบบเป่า
• ต้นทุนเงินทุนที่ต่ำกว่า สำหรับความจุขนาดเล็กถึงขนาดกลาง (สูงถึงประมาณ 200 กิโลวัตต์) คอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศมักจะมีต้นทุนการติดตั้งต่ำกว่าระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ ค่าใช้จ่ายพรีเมียมสำหรับระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ ได้แก่ หอทำความเย็น ปั๊ม ท่อ และอุปกรณ์บำบัดน้ำ
• บำรุงรักษาง่ายกว่า ข้อกำหนดในการบำรุงรักษาจำกัดอยู่ที่การทำความสะอาดคอยล์ การตรวจสอบพัดลมและมอเตอร์ และการตรวจสอบระบบไฟฟ้า ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำต้องมีการบำรุงรักษาเพิ่มเติมสำหรับหอทำความเย็น ปั๊ม และการบำบัดน้ำ

ข้อจำกัดของคอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศ:

• ประสิทธิภาพลดลงที่อุณหภูมิแวดล้อมสูง ความจุจะลดลงเมื่ออุณหภูมิโดยรอบเพิ่มขึ้น ในสภาพอากาศร้อน คอนเดนเซอร์จะต้องมีขนาดใหญ่กว่าปกติเพื่อให้ตรงตามภาระการทำความเย็นที่สภาวะสูงสุด การเพิ่มขนาดมากเกินไปจะเพิ่มต้นทุนเงินทุนและอาจส่งผลให้ส่วน-ประสิทธิภาพในการโหลดลดลง
• การใช้พลังงานที่สูงขึ้นในบางสภาพอากาศ คอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศใช้พลังงานพัดลมมากกว่าปั๊มและพลังงานพัดลมของระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ โดยทั่วไปความแตกต่างจะอยู่ที่ 10% ถึง 20% ของกำลังไฟฟ้าทั้งหมดของระบบ แม้ว่าความแตกต่างนี้จะแตกต่างกันไปตามการออกแบบและสภาพอากาศที่เฉพาะเจาะจง
• เสียงรบกวน. ระดับเสียงของพัดลมหลายตัวที่ทำงานด้วยความเร็วเต็มสามารถมีได้มาก ในที่พักอาศัยหรือสถานที่ซึ่งไวต่อเสียงรบกวน- อาจจำเป็นต้องมีการบำบัดด้วยเสียง โดยจะมีค่าใช้จ่ายเพิ่ม
• ความต้องการพื้นที่กลางแจ้ง ต้องติดตั้งคอนเดนเซอร์ในตำแหน่งกลางแจ้งที่มีระยะห่างเพียงพอสำหรับการไหลเวียนของอากาศ ในพื้นที่เมืองที่มีความหนาแน่นหรือพื้นที่กลางแจ้งมีจำกัด นี่อาจเป็นข้อจำกัดได้

ขนาดและการเลือก

ข้อมูลต่อไปนี้จำเป็นในการเลือกคอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศ:

• การออกแบบอุณหภูมิโดยรอบ อุณหภูมิกระเปาะแห้งโดยรอบ-สูงสุดที่คาดไว้ในช่วงฤดูทำความเย็น ค่าที่เหมาะสมคือสภาวะการออกแบบ 2.5% จากข้อมูล ASHRAE หรือบันทึกอุตุนิยมวิทยาในท้องถิ่น
• สารทำความเย็น ประเภทของสารทำความเย็นจะเป็นตัวกำหนดความสัมพันธ์ของแรงดัน-อุณหภูมิและอุณหภูมิการควบแน่นที่ต้องการ
• อัตราการปฏิเสธความร้อน ความร้อนรวมที่คอนเดนเซอร์จะปฏิเสธ นี่คือผลรวมของความสามารถในการทำความเย็นและกำลังไฟฟ้าเข้าของคอมเพรสเซอร์
• อุณหภูมิเข้าใกล้ ความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิควบแน่นและอุณหภูมิโดยรอบการออกแบบ ค่าทั่วไปคือ 10 องศาถึง 15 องศา แนวทางที่เล็กกว่านั้นต้องใช้คอนเดนเซอร์ที่ใหญ่กว่า แนวทางที่ใหญ่กว่าจะเพิ่มกำลังของคอมเพรสเซอร์

ด้วยข้อมูลเหล่านี้ ความจุคอนเดนเซอร์ที่ต้องการสามารถกำหนดได้จากข้อมูลการเลือกของผู้ผลิต ซึ่งโดยทั่วไปจะให้ไว้เป็นความจุเทียบกับอุณหภูมิแวดล้อมสำหรับช่วงอุณหภูมิควบแน่น

การคำนวณการออกแบบการระบายความร้อน

พื้นที่ผิวการถ่ายเทความร้อนที่จำเป็นสำหรับหน้าที่ที่กำหนดถูกกำหนดโดย:

A=Q / (U × ΔTlm)

โดยที่ ΔTlm คือบันทึกความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยระหว่างสารทำความเย็นและอากาศ สำหรับคอนเดนเซอร์ อุณหภูมิสารทำความเย็นจะค่อนข้างคงที่ในระหว่างกระบวนการควบแน่น และอุณหภูมิของอากาศจะเพิ่มขึ้นเมื่อผ่านขดลวด บันทึกค่าเฉลี่ยความแตกต่างของอุณหภูมิจะพิจารณาความแปรผันนี้

ต้องกำหนดค่า U- สำหรับรูปทรงเฉพาะของคอยล์และการไหลเวียนของอากาศ สำหรับคอนเดนเซอร์ใหม่ที่สะอาด ค่า U- โดยทั่วไปสำหรับระบบ R-22, R-134a และ R-410A มีช่วงตั้งแต่ 25 ถึง 35 W/m²·K สำหรับระบบ R-744 (CO₂) ซึ่งทำงานที่ความดันสูงกว่า ค่า U จะใกล้เคียงกัน แต่อุณหภูมิการควบแน่นจะสูงกว่าอย่างมาก

กำลังพัดลมที่ต้องการถูกกำหนดโดยแรงดันตกผ่านคอยล์และการไหลของอากาศที่ต้องการ กำลังพัดลมโดยทั่วไปคือ 1 ถึง 2 kW ต่อการปฏิเสธความร้อน 10 kW ขึ้นอยู่กับการออกแบบ

คุณค่าการประหยัดน้ำ-: การประเมินเชิงปริมาณ

การประหยัดน้ำของคอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศสัมพันธ์กับระบบระบายความร้อนด้วยน้ำที่มีหอทำความเย็นสามารถประมาณได้จากความสัมพันธ์ต่อไปนี้:

ปริมาณการใช้น้ำของคูลลิ่งทาวเวอร์ประกอบด้วยการระเหย การดริฟท์ และการเป่าลง การระเหยเป็นองค์ประกอบหลัก โดยคิดเป็น 70% ถึง 90% ของทั้งหมด อัตราการระเหยจะอยู่ที่ประมาณ 1.5 ถึง 2.5 ลิตรต่อกิโลวัตต์-ชั่วโมงของความร้อนที่ถูกปฏิเสธ ขึ้นอยู่กับช่วงและวิธีการของหอทำความเย็น

สำหรับระบบ 250 kW ที่ทำงาน 3,000 ชั่วโมงต่อปี ปริมาณการใช้น้ำของระบบระบายความร้อนด้วยน้ำต่อปีคือ:

การระเหย: 250 × 3,000 × 2.0=1,500,000 ลิตร

การดริฟท์และการระเหย: ประมาณ 30% ของการระเหย=450,000 ลิตร

รวม: 1,950,000 ลิตรต่อปี

คอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศไม่กินน้ำ ประหยัดน้ำได้ 1.95 ล้านลิตรต่อปีสำหรับระบบเดียวนี้

การเปรียบเทียบพลังงาน

การใช้พลังงานของคอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศคือกำลังของพัดลมเป็นหลัก การใช้พลังงานของระบบระบายความร้อนด้วยน้ำประกอบด้วยพัดลมหอทำความเย็นและปั๊มน้ำคอนเดนเซอร์ การเปรียบเทียบโดยทั่วไปสำหรับระบบ 250 kW คือ:

คอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศ: กำลังพัดลม 20 kW, 3,000 ชั่วโมง/ปี=60,000 kWh/ปี

ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ: พัดลมคูลลิ่งทาวเวอร์ 2 kW + 5 kW ปั๊ม=7 kW, 3,000 ชั่วโมง/ปี=21,000 kWh/ปี

ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศกินไฟเพิ่มเติม 39,000 กิโลวัตต์ชั่วโมง/ปี ที่อัตราค่าไฟฟ้า 0.12 เหรียญสหรัฐฯ/kWh ค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานเพิ่มเติมคือ 4,680 เหรียญสหรัฐฯ ต่อปี การประหยัดน้ำที่อัตราน้ำ 2.00 เหรียญสหรัฐฯ/1,000 ลิตรคือ 3,900 เหรียญสหรัฐฯ ต่อปี ส่วนต่างสุทธิคือ $780 ต่อปีสำหรับระบบระบายความร้อนด้วยอากาศ

การเปรียบเทียบนี้ขึ้นอยู่กับอัตราค่าไฟฟ้า อัตราค่าน้ำ และเวลาทำการ ในอัตราค่าไฟฟ้าที่ต่ำลงหรืออัตราน้ำที่สูงขึ้น ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศก็จะดีกว่า

การติดตั้งและการกวาดล้าง

การติดตั้งคอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศต้องมีระยะห่างเพียงพอสำหรับการรับอากาศเข้าและระบายออก ต้องปฏิบัติตามระยะห่างที่ระบุของผู้ผลิต

ระยะห่างขั้นต่ำสำหรับยูนิตทั่วไปคือ:

ฝั่งไอดี: 1.0 ถึง 2.0 เมตร ขึ้นอยู่กับการออกแบบ

ด้านปล่อย: 2.0 ถึง 4.0 เมตร ขึ้นอยู่กับความสูงของยูนิตและทิศทางการปล่อย

ระหว่างยูนิตที่อยู่ติดกัน: 2.0 ถึง 3.0 เมตร เพื่อป้องกันการหมุนเวียนซ้ำ

การหมุนเวียน-การส่งคืนอากาศที่ระบายออกสู่ท่อไอดี-จะช่วยลดความแตกต่างของอุณหภูมิที่มีประสิทธิภาพและสามารถลดความจุลง 10% ถึง 30% ความเสี่ยงของการหมุนเวียนจะสูงขึ้นในพื้นที่จำกัด ระหว่างยูนิตที่อยู่ติดกัน และเมื่อติดตั้งคอนเดนเซอร์ใกล้ผนังหรือใต้หลังคา

การบำรุงรักษาและการทำความสะอาด

ข้อกำหนดการบำรุงรักษาเบื้องต้นคือการทำความสะอาดพื้นผิวคอยล์ครีบ ฝุ่น สิ่งสกปรก ละอองเกสรดอกไม้ และอนุภาคอุตสาหกรรมที่สะสมบนครีบช่วยลดการไหลเวียนของอากาศและการถ่ายเทความร้อน อัตราการสะสมขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม:

• สภาพแวดล้อมที่สะอาด (พื้นที่อยู่อาศัย อาคารสำนักงาน): ทำความสะอาดประจำปี
• สภาพแวดล้อมปานกลาง (พื้นที่เชิงพาณิชย์ ชานเมือง): ทำความสะอาดปีละสองครั้ง-
• สภาพแวดล้อมที่รุนแรง (พื้นที่อุตสาหกรรม พื้นที่เกษตรกรรม ชายฝั่ง): การทำความสะอาดรายไตรมาส

การทำความสะอาดสามารถทำได้ด้วย:

• ฉีดน้ำด้วยผงซักฟอกสูตรอ่อน แล้วล้างออก
• อากาศอัดส่งตรงจากภายในสู่ภายนอก (ไหลย้อนกลับ)
• การทำความสะอาดสารเคมีสำหรับคราบน้ำมันหรือจาระบี

ควรใช้การทำความสะอาดน้ำแรงดันสูง-ด้วยความระมัดระวัง เนื่องจากอาจทำให้ครีบโค้งงอ ลดการไหลของอากาศ และเพิ่มแรงดันตกคร่อม เครื่องมือยืดครีบมีจำหน่ายแต่ต้องใช้แรงงานคน-มาก

บทสรุป

คอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศเป็นเทคโนโลยีที่สมบูรณ์พร้อม-คุณลักษณะด้านประสิทธิภาพที่กำหนดไว้อย่างดี ข้อได้เปรียบหลักของพวกเขาคือการกำจัดการใช้น้ำ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในพื้นที่ที่ขาดแคลนน้ำ- ข้อจำกัดหลักคือการลดกำลังการผลิตที่อุณหภูมิแวดล้อมสูง ซึ่งจะต้องพิจารณาผ่านขนาดที่เหมาะสม

การเลือกคอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศควรขึ้นอยู่กับ-การประเมินสภาพอากาศ ปริมาณการทำความเย็น ข้อจำกัดด้านเสียง และข้อจำกัดในการติดตั้งเฉพาะสถานที่ ต้นทุนทุน ค่าใช้จ่ายในการดำเนินงาน และข้อกำหนดในการบำรุงรักษาควรเปรียบเทียบกับทางเลือกอื่นที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ เมื่อการประเมินดำเนินไปอย่างเป็นระบบ ทางเลือกที่เหมาะสมจะมีความชัดเจน