Холодная вода широко применяется для создания микроклимата в зданиях или для организации технологических процессов, требующих отвода теплоты. Для её производства используются различные устройства, как то:
- • холодильные машины (чиллеры);
- • открытые и закрытые (мокрые) градирни;
- • выносные и испарительные конденсаторы;
- • драйкулеры (сухие градирни).
В данной статье речь пойдет о сухих охладителях или драйкулерах (от английского «Dry Cooler»). В зависимости от требуемых температур теплоносителя при производстве холодной воды, эти устройства могут работать как с источником холода, которым является чиллер, так и без него. А также совместно с механическими устройствами для производства холодной воды, в том числе с использованием технологии естественного охлаждения (free-cooling). Автономное применение сухих охладителей возможно, если температура окружающей среды опускается на 1,5—2,0°C ниже требуемой температуры теплоносителя в системе охлаждения.
Что такое теплообменник?
Теплообменник, как следует из названия, это устройство, используемое для передачи (обмена) тепловой энергии между средами. В теплообменники подается теплоноситель в виде горячей жидкости для нагрева или холодной жидкости для охлаждения другой среды, например воздуха в системе кондиционирования. Ключевые аспекты теплообмена:
- • Теплоноситель может быть жидкостью или газом;
- • Теплота всегда переходит от горячего тела или среды к холодному;
- • Движущим процессом для передачи тепловой энергии между двумя средами является разница их температур.
Как происходит передача тепловой энергии?
Тепловая энергия передается с помощью трех процессов:
- • Теплопроводности;
- • Конвекции;
- • Радиации.
В большинстве теплообменников для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха основными процессами являются конвекция и теплопроводность. Радиационная теплопередача действительно происходит, но составляет лишь весьма небольшую долю от общего количества передаваемой теплоты.
Теплопроводность
Теплопроводность происходит, когда два материала с разной температурой физически соприкасаются. Например, мы ставим чашку горячего кофе на стол на несколько минут, а затем снимаем чашку, стол получит часть тепловой энергии от горячей чашки.
Конвективный теплообмен
Перенос тепловой энергии путем конвекции возникает при движении одной или двух сред, соприкасающихся друг с другом. Тепловая энергии от более нагретой среды переходит к менее нагретой. Это может происходить естественным путем или под действием механической силы, например, при использовании вентилятора. Вы дуете на ложку с горячим чаем, чтобы остудить его, и воздух уносит эту теплоту, остужая чай в ложке.
Радиационный теплообмен
Любое твердое тело излучает электромагнитные волны со своей поверхности. Все предметы в природе, включая человека, выделяет некоторое количество теплоты путем теплового излучения. Чем выше температура поверхности твердого тела, тем больше она генерирует теплового излучения. Примером этого может служить солнце. Тепловая энергия от солнца распространяется в виде электромагнитных волн через пространство и достигает предметов на поверхности Земли, без всякой промежуточной среды.
Теплообменники и теплоносители
В системах кондиционирования и охлаждения технологических процессов в качестве среды для передачи тепловой энергии используют теплоносители, которыми являются: вода, пар, воздух, хладагент или масло. Передача теплоты от более нагретого теплоносителя (жидкого или газообразного) к более холодному осуществляется при помощи устройства, именуемого теплообменником.
Теплообменники в системах холодоснабжения обычно выполняют одну из двух функций: они либо нагревают, либо охлаждают воздух или воду. Некоторые теплообменники также используются для охлаждения или нагрева технологического оборудования в целях увеличения его производительности.
Конструкция большинства теплообменников для нагрева или охлаждения воздуха представляет собой трубчатый змеевик с тем или иным видом оребрения. Ниже рассмотрены принципы работы и некоторые конструктивные особенности теплообменников змеевикового типа.
Теплообменники змеевикового типа
Змеевиковые теплообменники в своей простейшей форме используют одну или несколько труб, которые изогнуты в определенной плоскости несколько раз, обеспечивая движение жидкости внутри трубы. Стенка трубы разделяет две среды: жидкую и газообразную. Жидкость течет внутри трубки, а газ, то есть, воздух — снаружи. Принцип работы такого теплообменника можно рассмотреть на примере отопления. Теплота передается от горячей жидкости внутри трубы к стенке трубы посредством конвекции, затем тепловая энергии путем теплопроводности проходит через стенку трубы на другую сторону, а воздух, обтекающий трубу снаружи, уносит эту энергию также посредством конвекции.
Теплообменники с пластинчатым оребрением
Трубы с оребрением часто называют просто нагревательным или охлаждающим змеевиком. Такие теплообменники присутствуют в установках кондиционирования воздуха, в фанкойлах, драйкулерах и конденсаторах систем кондиционирования воздуха, на задней стенке бытовых холодильников, во внутрипольных конвекторах, и т. п. Этот список можно продолжать до бесконечности. В таких теплообменниках вода, хладагент или пар обычно циркулируют внутри труб, а воздух — обтекает их снаружи. Поскольку существует разница температур между жидкостью внутри трубы и воздухом снаружи, тепловая энергия проходит через стенку трубы и передается воздуху, обтекающему трубу снаружи, посредством конвекции. Оребрение представляет собой металлические пластины, которые соединяют между собой трубы теплообменника, и которые расположены прямо по ходу движения воздуха. Таким образом, эти пластины увеличивают площадь поверхности теплообмена, повышая эффективность процесса теплопередачи. Чем больше площадь поверхности теплообменника, тем бо́льшее количество теплоты передается воздуху, проходящего между пластинами оребрения.
Микроканальные теплообменники
Микроканальные теплообменники — это усовершенствованный вариант теплообменника змеевикового типа с пластинчатым оребрением. Конструкция микроканального теплообменника выполнена целиком из алюминиевого сплава и обеспечивает превосходные параметры теплопередачи. Основным методом передачи тепловой энергии в этих теплообменниках является конвекция. Микроканальный теплообменник имеет панельную конструкцию. По бокам панели теплообменника расположены коллекторы, между которыми проходят несколько плоских труб с ребрами между ними. Воздух проходит через щели между пластинами оребрения и уносит тепловую энергию. Жидкость из коллектора на одном конце панели проходит по плоским трубкам, пока не достигнет коллектора на противоположном конце панели теплообменника. Коллекторы содержат перегородки, которые определяют направление потока жидкости и обеспечивают многократное прохождение ее по трубкам. Так происходит интенсификация процесса теплопередачи. Внутри каждой плоской трубки по всей ее длине имеются несколько микроканалов, которые вместе с пластинами оребрения значительно увеличивают площадь поверхности теплообменника, делая его максимально компактным и вместе с тем наиболее эффективным.
Благодаря высокой эффективности, надежности и малому весу, этот тип теплообменников с успехом применяются большинством производителей в чиллерах с воздушным охлаждением конденсатора, драйкулерах, фрикулерах, крышных кондиционерах и т. д. Наиболее знакомым нам в обычной жизни примером применения данного типа теплообменников является радиатор системы охлаждения двигателя автомобиля. Поскольку автомобилестроение является одной из наиболее передовых и быстроразвивающихся отраслей, можно с легкостью сделать вывод о наличии у микроканальных теплообменников всех вышеперечисленных достоинств.