Энергосберегающие системы с естественным охлаждением

Технологии естественного охлаждения используются для снижения расходов на выработку холодной воды в центральном блоке охлаждения. Данное оборудование применяется в составе систем охлаждения, в которых необходима холодная вода. При этом охлаждение воды достигается без применения или с частичным применением компрессора водоохладителя, за счет использования более низкой температуры окружающего воздуха.

Технологии естественного охлаждения дополнительно подразделяются на две основные категории [10]. Во-первых, это технологии испарительного охлаждения с использованием либо прямого естественного охлаждения, либо косвенного естественного охлаждения. Во-вторых, это технологии охлаждения с использованием либо кожухотрубных теплообменников, либо сухих и влажных/сухих градирен.

Испарительное охлаждение

В системах прямого естественного охлаждения, оснащенных градирнями, конденсатор охлаждается с помощью воды. Чаще всего для этих целей используется конденсатор кожухотрубного типа. Охлаждаемый пар, проходящий снаружи труб, охлаждается и конденсируется с помощью воды, циркулирующей внутри труб. На данном этапе охлаждение воды осуществляется с помощью градирен (рис. 1.10). Это происходит, когда чиллер работает в условиях высоких температур окружающего воздуха.

Рис. 1.10. Принципиальная схема системы прямого охлаждения открытого цикла с использованием градирен

Однако при понижении температуры окружающего воздуха ниже температуры воды, используемой в системах охлаждения, нет необходимости в эксплуатации оборудования охлаждающей группы. В этом случае в системах прямого охлаждения вода направляется из градирни в обход водоохладителя напрямую в систему охлаждения. Основным преимуществом данной системы при работе градирен в открытом цикле является то, что требуемая температура охлаждающей воды близка к температуре окружающего воздуха. При этом максимальная выгода может быть получена от использования технологии естественного охлаждения. Однако серьезным недостатком будет загрязнение контура холодной воды, вызванное сравнительно грязной водой конденсатора. Данная проблема может быть устранена путем использования градирен, работающих в закрытом цикле, в составе системы непрямого охлаждения или драйкулеров (сухих градирен).

В системах непрямого охлаждения контуры конденсаторной воды и холодной воды разделены. При этом отсутствует риск загрязнения системы. Однако увеличение поверхности теплообмена в данных системах приводит к повышению температуры воды по сравнению с системами открытого цикла с использованием градирен. Это снижает эффективность систем естественного охлаждения.

Ниже приведены три основных варианта применения систем непрямого охлаждения.

1. Применение градирен замкнутого цикла характерно для систем естественного охлаждения. Как было указано выше, это устраняет риск загрязнения в отличие от систем открытого цикла. В летнее время, когда эксплуатируется оборудование главной охлаждающей группы, конденсаторная вода, подаваемая из градирен, циркулирует в замкнутом цикле. В данной системе возвратная охлаждающая вода предварительно охлаждается перед подачей в испаритель. При этом снижается нагрузка на водоохладитель и повышается эффективность всей системы в зимний период, когда работают только системы естественного охлаждения, вода, подаваемая из градирен, циркулирует в контуре холодной воды в замкнутом цикле.

Хотя использование градирен представляет интерес, они могут вызывать проблемы с эксплуатацией оборудования. Это связано с тем, что вода из градирен напрямую подается в систему охлаждения, а это в свою очередь может вызывать загрязнение и известковый налет на поверхностях теплообменников. Кроме того, та часть воды, которая испаряется в градирнях, должна постоянно восполняться. При этом при ее испарении образуется большое количество отложений на стенках емкости.

• 2. Применяются системы с использованием вспомогательных теплообменников (рис. 1.11) [11]. Чаще всего для этого используются теплообменники пластинчатого типа. В зимнее время необходимая тепловая нагрузка в контуре холодной воды обеспечивается водой из градирен, подаваемой через вспомогательные теплообменники без применения водоохладителей.
• 3. Системы с использованием газообразного хладагента используются крайне редко. В случаях, когда может быть достигнута температура конденсаторной воды ниже требуемой температуры холодной воды, водоохладитель работает как термосифон.

Рис. 1.11. Принципиальная схема системы охлаждения с использованием вспомогательных теплообменников

Низкотемпературная конденсаторная вода конденсирует газообразный хладагент в конденсаторе. Затем он направляется в испаритель силой гравитации или с помощью вспомогательного насоса. Охлаждающая вода с высокой температурой вызывает испарение хладагента в испарителе. Перепад давления между испарителем и конденсатором обеспечивает возврат газа в конденсатор. Потоки между испарителем и конденсатором обеспечиваются через байпасные каналы. В данной системе нет необходимости в эксплуатации компрессора. Блоки с использованием охлаждающего газа могут применяться в составе не всех систем охлаждения. А в тех системах, в которых они применяются, мощность блоков естественного охлаждения ограничивается показателем 10—30% от расчетной мощности водоохладителя.