Содержание
Каждый раз, когда завод останавливает перегретый пресс, а дата-центр не перегревает серверы в жару, за этим стоит одна и та же пара процессов: испарение и конденсация. На них построены вентиляторные градирни, промышленные чиллеры, конденсаторы турбин и даже тепловые трубки в ноутбуке. Применение испарения и конденсации в технике настолько широкое, что без этих двух процессов остановилась бы половина современной промышленности.
Физика в двух словах
При испарении жидкость поглощает тепло и переходит в пар. При конденсации происходит обратный переход, и это же тепло выделяется обратно в окружающую среду. Разница обычных температур для этого не нужна: жидкость забирает энергию у окружения даже при постоянной температуре, если речь идет о скрытой теплоте фазового перехода. Именно она в 5-7 раз больше, чем теплота, нужная для нагрева той же воды на один градус, поэтому испарительные системы получаются такими компактными и эффективными.
|
Вещество |
Теплота испарения, кДж/кг |
|
Вода (100 °C) |
2260 |
|
Аммиак (-33 °C) |
1370 |
|
Фреон R134a (-26 °C) |
217 |
|
Этанол (78 °C) |
846 |
У фреонов теплота испарения заметно ниже, чем у воды, зато точка кипения хладагента легко управляется давлением. Один и тот же хладагент закипает и при минус тридцати градусах, и при плюс десяти. На этом принципе строят и морозильные камеры, и чиллеры для теплого цеха.
Холодильный цикл: испаритель и конденсатор в связке
В любом чиллере фазовые переходы работают по замкнутому контуру:
- Хладагент попадает в испаритель, закипает при низком давлении и забирает тепло у воды или воздуха, которые нужно охладить.
- Пар хладагента идет в компрессор, где давление и температура растут.
- Горячий пар поступает в конденсатор, отдает тепло наружному воздуху или воде и снова становится жидкостью.
- Терморегулирующий вентиль сбрасывает давление, и цикл повторяется.
Мощность системы зависит от того, насколько эффективно жидкость закипает в испарителе и насколько быстро пар конденсируется на другом конце контура. Слабое место в любом из двух узлов сразу снижает холодопроизводительность установки, поэтому при подборе чиллера площадь теплообменников важна не меньше, чем мощность компрессора.
Градирни: испарение как способ сбросить тепло с воды
Оборотная вода на заводе, ТЭЦ или в системе кондиционирования охлаждается тем же способом, только без хладагента и компрессора. Вода разбрызгивается над насадкой, часть ее испаряется и забирает тепло у оставшейся массы. При испарении всего 1% воды температура остатка падает примерно на 5,5 °C, отсюда и высокая эффективность градирен по сравнению с сухими радиаторами того же размера.
|
Тип градирни |
Как создается тяга |
Где применяется |
|
Вентиляторная |
Принудительно, вентилятором |
Заводы, ТЭЦ, крупные ХОЦ, где важна стабильная температура |
|
Башенная (естественная тяга) |
За счет высоты башни и разницы плотности воздуха |
Крупные энергоблоки, АЭС |
|
Атмосферная |
Ветер и естественная конвекция |
Объекты с невысокой тепловой нагрузкой |
|
Адиабатическая |
Испарение только в жаркий период, в остальное время сухой режим |
Объекты с ограничением по расходу воды |
Вентиляторные градирни остаются самым распространенным вариантом для среднего и крупного производства: они компактны, предсказуемо работают в любую погоду и позволяют точно управлять температурой воды через частоту вращения вентилятора.
Особенности для украинских условий
Летние пики в Украине нередко держатся неделями, и сухие радиаторы в такую погоду теряют мощность именно тогда, когда охлаждение нужнее всего. Испарительная схема почти не теряет эффективность в жару, потому что ее предел задает не температура воздуха, а точка росы, которая растет медленнее. Плата за это, вода и ее подготовка, поэтому многие производства ставят связку из сухого чиллера и адиабатического модуля: летом включается испарение, а в остальные месяцы система работает всухую и экономит воду.
Где еще работает эта пара процессов
- В конденсаторах паровых турбин на ТЭС и ТЭЦ пар после турбины конденсируется, освобождает объем и поддерживает разрежение, от которого зависит КПД всего энергоблока.
- Тепловые трубки переносят тепло от процессора или силового модуля к радиатору за счет испарения на горячем конце и конденсации на холодном конце герметичной трубки, без насосов и без электричества.
- При адиабатическом охлаждении воздуха распыленная вода испаряется в потоке и снижает его температуру перед подачей в цех или на конденсатор чиллера, а летом это заметно снижает нагрузку на компрессор.
- В промышленных осушителях воздух проходит через холодный теплообменник, влага конденсируется и стекает, а в сушильных камерах работает обратный процесс: материал отдает влагу, и она испаряется в поток горячего воздуха.
Испарительное охлаждение против воздушного
|
Параметр |
Испарительное (градирня) |
Сухое воздушное (радиатор) |
|
Эффективность при жаре |
Высокая, температура привязана к точке росы |
Падает вместе с ростом температуры воздуха |
|
Расход воды |
Требуется подпитка и водоподготовка |
Не требуется |
|
Компактность оборудования |
Выше при той же мощности |
Ниже, нужны большие поверхности |
|
Обслуживание |
Регулярная химическая обработка воды |
Периодическая чистка от пыли |
На что смотреть при выборе оборудования
- Тепловая нагрузка объекта в кВт и пиковая температура наружного воздуха летом.
- Доступность воды и требования к ее подготовке, если рассматривается испарительная схема.
- Допустимый уровень шума от вентиляторов, если оборудование стоит рядом с цехом или офисом.
- Возможность резервирования: вторая градирня или секция чиллера на случай пикового спроса или ремонта.
Правильный выбор между чиллером, градирней или их связкой зависит от десятка параметров конкретного объекта, и ошибка на этом этапе потом обходится дороже самого оборудования. Специалисты Термоком ВК подберут чиллер, вентиляторную градирню или связку из чиллера и градирни под вашу тепловую нагрузку, климат и бюджет. Обращайтесь за консультацией и расчетом в одну заявку.
Вопросы и ответы
Испарение и конденсация: частые вопросы
Собрали вопросы, которые чаще всего ищут об испарении, конденсации и их связи с чиллерами и градирнями.
Чем испарение отличается от кипения?
Испарение идет с поверхности жидкости при любой температуре и зависит от влажности воздуха и скорости потока над жидкостью. Кипение возникает по всему объему жидкости и только при температуре, которая зависит от давления. В промышленном охлаждении работает именно испарение: в градирне вода не закипает, а постепенно переходит в пар при обычной температуре.
Сколько воды тратит градирня на испарение?
Ориентировочно 1-2% от объема циркуляционной воды на каждые 10°C, на которые нужно охладить воду. К этому добавляется продувка контура для удаления солей, поэтому общий расход свежей воды немного выше чисто испарительных потерь. Точную цифру дает расчет под конкретную тепловую нагрузку и качество исходной воды.
Почему летом чиллер охлаждает хуже, чем зимой?
Эффективность охлаждения в градирне зависит от температуры воздуха по мокрому термометру, которая учитывает и температуру, и влажность. В жаркую влажную погоду разница между температурой воды и воздуха сокращается, поэтому градирня отводит меньше тепла за единицу времени, а компрессор чиллера работает с большей нагрузкой.
Что лучше для объекта: вентиляторная градирня или сухой градирник (драйкулер)?
Градирня эффективнее и компактнее при одинаковой мощности, особенно в засушливом климате, но требует воды, химической обработки и регулярного обслуживания контура. Драйкулер не зависит от воды и проще в содержании, но проигрывает в эффективности при высокой температуре воздуха. Выбор зависит от доступа к воде на площадке и требований к размеру оборудования.
Как часто нужно обслуживать градирню?
Химический анализ и коррекцию воды обычно проводят раз в месяц или чаще при интенсивной работе, а чистку форсунок, поддона и проверку вентиляторов, не реже двух раз в год: перед сезоном активной нагрузки и после него. Точный график зависит от качества исходной воды и режима работы объекта.
