Оборудование для охлаждения

Известно, что температура озера Верхнего, крупнейшего из системы Великих озер в США и Канаде, никогда не поднимается выше 11 ° С, даже в самый разгар лета. Жилой дом или жилой комплекс, построенный на его побережье, может комфортно охлаждаться путем использования воды, которая забирается из практически неистощимого источника, пропускается через охлаждающее воздух оборудование и возвращается назад в озеро слегка подогретой. При этом должен осуществляться некоторый контроль со стороны общества, чтобы этот источник поистине дарового охлаждения не мог чрезмерно эксплуатироваться, иначе температура воды в озере повысится и его' нельзя будет использовать.

Для охлаждения здания до комфортного уровня в большинстве районов мира из воздуха необходимо удалить некоторое количество влаги. Вода при температуре выше 13° С в большинстве случаев бесполезна для этой цели.
 
Для таких благодатных мест, где могут «похвастаться» достаточными источниками воды с температурой ниже 13° С (родники, реки, озера или резервуары, собирающие дождевые воды), природная вода является таким даром природы, которым следует непременно воспользоваться. К сожалению, на нашей планете не так уж много подобных мест, где, с одной стороны, температура воздуха такова, что требуется охлаждение зданий, а с другой стороны, имеются источники холодной воды.
 
Существует еще один способ прибегнуть к помощи природы с целью охлаждения, который также применим только в ограниченных районах. Это так называемое испарительное охлаждение, которое может быть с успехом применено в пустынях или районах, близких к ним по климату, где относительная влажность наружного воздуха крайне низка (ниже 10%), даже когда температура его выше 38° С. В таких редких случаях бытовая вода при любой температуре может быть распылена в этом сухом, жаждущем влаги воздухе. Вода, испаряясь, будет повышать влажность, но снижать температуру. Если степень испарения влаги контролируется, то можно достичь достаточного охлаждения воздуха и не слишком высокой для комфортных условий влажности.
 
Охлаждение с применением холодильных машин — это тот способ, к которому мы вынуждены прибегать в подавляющем большинстве случаев, решая проблему охлаждения воздуха, когда отсутствуют необходимые условия для охлаждения с помощью природных источников воды или для испарительного охлаждения. В первые полвека развития техники кондиционирования воздуха были созданы три основных типа холодильных машин, используемых в зависимости от соответствия их различным условиям применения. Прежде чем мы сравним достоинства и недостатки этих машин, давайте уточним саму механику холодильного процесса в том его виде, в каком он применяется к решению задач охлаждения воздуха.
 
Цель охлаждения — удаление избыточного тепла оттуда, где оно нежелательно. Тепло — это вид энергии, и оно не может исчезнуть; в то же время температурный уровень, при котором тепло извлекается из воздуха, не позволяет преобразовать его в полезную работу. Следовательно, вторая функция холодильной станции состоит в том, чтобы избавиться от этого тепла способом, не создающим новых нежелательных последствий.
 
Если люди, далекие от техники, осознают это, для них прояснятся многие тайны процесса создания холода. А теперь изложим основные его принципы языком техники.
 
Вещество, к помощи которого прибегают для переноса нежелательного избыточного тепла, называют хладагентом; им может быть вещество, обладающее свойством легко поглощать тепло. Хладагенты дорогостоящи и даже слишком дорогостоящи, чтобы от них избавляться после поглощения ими определенной порции тепла. Поэтому указанный процесс превращают в непрерывный цикл, предусматривающий многократное использование хладагента. Вот основные составляющие цикла и необходимое для него оборудование:
 
1) хладагент  поглощает  нежелательное  тепло  из  охлаждаемого пространства;
2) хладагент приводится в такое состояние, в котором он легко может отдать приобретенное им тепло. Изменение его состояния требует затраты механической работы в компрессоре или дополнительного тепла концентратора;
3) нежелательное тепло (плюс тепло, добавленное к хладагенту на втором этапе) отделяется от системы в конденсаторе;
4) сконденсированный хладагент с помощью расширительного клапана, дросселя или дозирующего устройства вновь приводится в состояние,  в  котором он  наилучшим образом способен поглощать тепло.
 
Затем цикл вновь повторяется, начиная с первого этапа.
 
Охлаждающее оборудование предназначено в основном для создания комфортных условий, а не для производства какого-либо продукта. Работа затрачивается только на перенос тепла из одного места в другое.
 
Охлаждающие системы подразделяются на системы непосредственного и косвенного охлаждения. В первых, часто называемых системами непосредственного испарения, охлаждаемый воздух обтекает сребренные трубки, по которым циркулирует готовый абсорбировать тепло хладагент. Во вторых системах хладагент охлаждает воду, которая в свою очередь направляется в сребренные трубки, обтекаемые охлаждаемым воздухом. Принцип непосредственного охлаждения применяется только в охлаждающих установках малой производительности, таких, как комнатные кондиционеры или кондиционеры для небольших магазинов или контор, а также в более крупных системах, в которых холодильная станция расположена вблизи от воздухообрабатывающего оборудования (станция может обслуживать не более двух единиц воздухообрабатывающего оборудования).
 
Несколько слов о производительности холодильных установок. В американской промышленности принято понятие, исторически восходящее к первым холодильным машинам, единственным назначением которых было производство льда. Мерой производительности является степень охлаждения, потребная для производства 1 т льда за 24 ч. Она носит название «тонна охлаждения» и составляет 3020 ккал/ч. Производительность систем непосредственного охлаждения находится в диапазоне от 0,5 т (или 1510 ккал/ч) для комнатных охладителей до 75 т (или 227 тыс. ккал/ч) для установок, размещаемых на крыше. Производительность систем косвенного охлаждения может совпадать с указанным нижним пределом, который начинается от 75 тыс. ккал/ч для небольших конторских комплексов и достигает нескольких миллионов ккал/ч для крупного жилого или административного здания или комплекса (или для зала большой вместимости). Строительные нормы регламентируют производительность систем непосредственного охлаждения, в частности, для применения в жилых помещениях, значительно ниже указанного нами верхнего предела, и их следует принимать во внимание при анализе систем.
 
Третий этап охлаждения, как описано выше, протекает в конденсаторе. Его название в точности соответствует содержанию: он конденсирует хладагент из газообразного состояния в жидкое, в процессе чего хладагент теряет все приобретенное тепло. Для выполнения этой операции в конденсаторе используется значительное количество охладителя, в качестве которого самым доступным и дешевым считается воздух, а следующим в ряду охладителей стоит вода. В основном применяют эти две конденсирующие субстанции. Теперь становится ясным смысл второго этапа охлаждения: хладагент переводится в его новое состояние, при котором воздух или вода в условиях доступных температур могут его конденсировать.
 
Воздух — даровое средство для этих целей, но поскольку он плохой проводник тепла, нужно, чтобы большие количества воздуха обтекали соответственно значительные теплопередающие поверхности, за которыми будет происходить конденсация. Вода по сравнению с ним — прекрасный проводник тепла, но, будучи предпочтительной с этой точки зрения, она зачастую слишком дорога и становится недоступной для целей охлаждения воздуха. При совершенствовании технологии охлаждения было найдено компромиссное решение.
 
Вода, которая циркулирует как среда для конденсации хладагента, не имеет непосредственного отношения к конечному процессу охлаждения воздуха в жилых помещениях. Циркулируя, она забирает тепло и, естественно, нагревается. Эта вода затем разбрызгивается в потоке наружного воздуха. При этом небольшое ее количество испаряется, охлаждая оставшуюся часть воды, которая затем вновь циркулирует через конденсатор. Та часть воды, которая испаряется, должна постоянно возмещаться за счет притока свежей воды, но эта часть составляет только от 2 до 4% общего количества циркулирующей воды. Установка, в которой конденсирующая вода разбрызгивается в потоке воздуха, называется градирней.
 
Другой вид установки — испарительный конденсатор, объединяющий градирню и конденсатор. Назначение обеих установок одинаковое. Градирня или испарительный конденсатор должны располагаться там, где имеется доступ больших объемов наружного воздуха, используемого для испарения небольшого количества конденсирующей воды. Лучше всего для этого использовать крышу — место, достаточно удаленное от жилых пространств, поскольку движение воздуха и воды сопровождается некоторым шумом, а удаляемый влажный воздух неприятен. Если выбрано расположение на крыше, то достаточно громоздкое оборудование следует архитектурно объединить с надстройкой, где находится машинное отделение лифта.
 
Если размещение на крыше неприемлемо (например по эстетическим соображениям), то следует найти возможность расположить его на некотором расстоянии от зданий. И, наконец, последний вариант — размещение внутри здания; он также допустим, но стоит весьма дорого и создает, как правило, всякого рода неприятности и приносит ущерб.
 
При размещении конденсатора воздушного охлаждения следует руководствоваться теми же правилами, что и приведенные выше для размещения градирен и испарительных конденсаторов.
 
В различного размера холодильных станциях обычно применяются следующие типы конденсаторов:
 
1) конденсаторы с водяным охлаждением, в которых конденсирующая вода после ее одноразового прохождения через конденсатор сбрасывается в канализацию. Их применяют все реже в связи с тем, что кондиционирование воздуха получает все большее распространение, а запасы воды сокращаются. В настоящее время практически используются только установки производительностью не более 23 тыс. ккал/ч и то лишь в тех случаях, когда невозможно применить воздушно-охлаждаемые конденсаторы;
2) конденсаторы с воздушным охлаждением. Они находят широкое применение в установках производительностью от 1500 ккал/ч (обычные «оконные» комнатные кондиционеры) до 2,5 млн. ккал/ч, а иногда и более (холодильные станции);
3) градирни  или  испарительные конденсаторы, которые находят применение в больших холодильных станциях. Их производительность может быть малой и находится в диапазоне производительности, свойственной воздушно-охлаждаемым конденсаторам, однако обычно они применяются в станциях производительностью свыше 300 тыс. ккал/ч.
 
Известны три типа холодильных машин: с поршневыми компрессорами, турбокомпрессорные и абсорбционные. Рассмотрим некоторые данные, характеризующие их применение.
 
1. Холодильные машины с поршневыми компрессорами — это наиболее сложное из всех трех типов оборудования, наиболее подверженное износу и требующее частой замены многочисленных движущихся деталей. И все же оно наиболее широко используется. Поршневые холодильные машины находят применение и при производительности менее 75 тыс. ккал/ч, а в диапазоне 75 — 300 тыс. ккал/ч они практически вне конкуренции.  Самые маленькие установки производительностью 15 тыс. ккал/ч и менее продаются в огромных количествах для применения в комнатных и квартирных кондиционерах. Изготовители были вынуждены создавать их бесшумными  и с ограниченной вибрацией. Однако чем крупнее машины, тем больше они создают шума, вибрации и тем больше потребляют энергии. Как правило, они приводятся в движение электродвигателями; иногда для этих целей используются газовые двигатели или турбины.
 
2. Турбокомпрессорные холодильные машины — это в основе своей простые турбиноподобные машины, приводимые в движение электродвигателями, паровыми или газовыми турбинами. Производительность машин этого типа от 150 тыс. до 3 млн. ккал/ч; потребность в ремонте и замене деталей минимальная, шумность умеренная, вибрация незначительная.  Турбокомпрессор  неконкурентен  по стоимости  установки с поршневыми машинами при производительности менее 600 тыс. ккал/ч. Например, две машины с поршневыми компрессорами производительностью 225 тыс. ккал/ч обычно стоят дешевле одной турбокомпрессорной холодильной машины производительностью 450 тыс. ккал/ч.
 
3. Абсорбционные холодильные машины отличаются тем, что в оборудовании этого типа для осуществления холодильного цикла используется тепловая энергия вместо механической. Их применяют обычно в тех случаях, когда топливо имеется в большом количестве, а электроэнергия дорога. В некоторых районах это наблюдается в летний период; потребление топлива в этот период способствует «сглаживанию» пиков на кривой годового расхода. Преимущество абсорбционных холодильных машин— малый шум и небольшая вибрация при их работе. Единственными движущимися частями служат маленькие центробежные насосы, приводимые в действие электродвигателями; один из насосов помогает поддерживать очень большой вакуум внутри холодильной системы.
 
В небольших машинах производительностью 75 тыс. ккал/ч для нагревания используют газ, однако в последние годы имеется тенденция к применению машин производительностью от 300 тыс. до 4,5 млн. ккал/ч, использующих пар или перегретую воду (115° С и выше). Принципиальный недостаток абсорбционных холодильных машин заключается в том, что при сравнительно небольших колебаниях нагрузки машина выходит из режима, и требуется затратить половину дня и более, чтобы вернуть машину в прежний режим работы. Кроме того, они очень громоздки.
 
Холодильные установки могут, конечно, состоять более чем из одной машины. При выборе машин следует руководствоваться неизменным правилом: лучше меньшая полная стоимость установки, состоящей из одной большой машины, чем стоимость установки из нескольких машин той же суммарной производительности. Если в качестве критериев для сравнения анализировать, помимо стоимости, и другие факторы, каждый из них следует рассмотреть отдельно. Для производственного процесса, требующего охлаждения в количестве 3 млн. ккал/ч, лучшим решением будет применение трех машин производительностью 1,5 млн. ккал/ч каждая. В этом случае полная производительность будет обеспечена даже в случае выхода из строя одной машины.
 
При кондиционировании воздуха в жилых зданиях, где непрерывное охлаждение желательно, но не является абсолютно необходимым, с нагрузкой 3 млн. ккал/ч теоретически могут справиться две машины производительностью 1,5 млн. ккал/ч каждая, потому что при поломке одной машины другая примет на себя часть нагрузки, а иметь частичное охлаждение все же лучше, чем совсем его не иметь. Во многих случаях, однако, минимальные первоначальные затраты имеют решающее значение, и тогда устанавливают одну машину, несмотря на риск лишиться жильцов.
 
При выборе градирен также рассматривают альтернативные решения, однако в иных аспектах. Градирня или испарительный конденсатор — сравнительно менее сложная часть холодильной установки и в меньшей степени подверженная поломкам при работе. Градирни достаточно велики по размерам, поэтому при установке двух агрегатов можно занять всю площадь, имеющуюся в наличии. С другой стороны, это оборудование стоит значительно дешевле оборудования для механического охлаждения при той же холодопроизводительности; поэтому установка дублирующих агрегатов не представляет серьезной экономической проблемы.
 
В таблице приведены размеры площади, необходимой для размещения холодильных установок различной производительности:
 
Полная полезная площадь, тыс. м. кв. Холодопроизводительность, млн. ккал/час * Длина, включая зону обслуживания, м Глубина, м Высота, м Число машин Тип машины
10 0,6 7,6 5,2 2,3 2 поршневая
10 0,6 9,8 4 2,1 1 турбомашина
10 0,6 10,4 3,7 2,6 1 абсорбционная
25 1,5 10,1 4,9 2,6 1 турбомашина
25 1,5 13,7 4,3 3 1 абсорбционная
25 1,5 9,8 6,7 2,1 2 турбомашина
50 3 12,2 7,3 4 1 турбомашина
50 3 18,6 4,9 3,7 1 абсорбционная
50 3 12,2 7,3 3 2 абсорбционная
 
* Здесь принята нагрузка 60 ккал/ч на 1 м2 фактической полезной площади жилого помещения (с учетом туалетов, ванных комнат, внутренних холлов, но исключая общественные коридоры и лестничные площадки). Это среднее значение изменяется в зависимости от климатического пояса, конструкции здания, направления облучения и других факторов.
 
К размерам площади для размещения холодильного оборудования следует прибавить площадь для размещения центральной отопительной установки. Изредка суммарная потребность в площади может быть уменьшена путем объединения вспомогательных площадей зон обслуживания однотипного оборудования. Если это возможно осуществить, длину зоны обслуживания холодильной установки можно сократить на одну треть. Это сокращение можно иногда осуществить, предусмотрев вспомогательные двери на одном конце каждой холодильной машины, позволяющие производить демонтаж труб из машинного отделения. Однако на уменьшение площади за счет объединения холодильной и отопительной установок могут налагаться ограничения в законодательном порядке. Так, местные законы могут запретить размещение отопительного и холодильного оборудования в одном машинном зале. В этом нужно удостовериться заранее, прежде чем предусматривать общие машинные залы.
 
Автор: Harry S. Nachman / Гарри Нахман. Источник: "Housing". John Wiley & Sons. New York. 1976 / «Проектирование жилых зданий». Стройиздат. Москва. 1979

Добавить комментарий

CAPTCHA
Этот вопрос задается для проверки того, не является ли обратная сторона программой-роботом (для предотвращения попыток автоматической регистрации).