Trong số các công nghệ hiện có để loại bỏ nhiệt từ hệ thống làm lạnh và điều hòa không khí,bình ngưng làm mát bằng không khíchiếm một vị trí được xác định rõ ràng. Nó không phải là một giải pháp phổ quát, cũng không phải là một sản phẩm thích hợp. Đây là một công nghệ cụ thể với các đặc tính hiệu suất, điều kiện ứng dụng và sự cân bằng-kinh tế cụ thể. Bài viết này xem xét công nghệ từ góc độ kỹ thuật, xem xét các yếu tố quyết định hiệu suất của nó, những ưu điểm và hạn chế của nó so với các loại bình ngưng khác và các tiêu chí hướng dẫn lựa chọn nó.
Nguyên tắc hoạt động
Bình ngưng làm mát bằng không khí loại bỏ nhiệt từ chất làm lạnh ra không khí xung quanh. Chất làm lạnh đi vào thiết bị ngưng tụ dưới dạng hơi quá nhiệt ở áp suất và nhiệt độ xả. Khi nó chảy qua các ống có vây, nhiệt sẽ được truyền sang luồng không khí đi qua các ống và vây. Chất làm lạnh ngưng tụ khi nó giải phóng nhiệt ẩn, thoát ra dưới dạng chất lỏng được làm lạnh.
Quá trình truyền nhiệt bị chi phối bởi ba yếu tố: chênh lệch nhiệt độ giữa chất làm lạnh và không khí, diện tích bề mặt truyền nhiệt và hệ số truyền nhiệt tổng thể. Diện tích bề mặt được cung cấp bởi sự sắp xếp ống vây. Hệ số truyền nhiệt được xác định bởi tốc độ không khí đi qua các cánh tản nhiệt và đặc tính truyền nhiệt phía chất làm lạnh{2}}.
Đặc tính truyền nhiệt
Hệ số truyền nhiệt tổng thể của bình ngưng làm mát bằng không khí được xác định bằng tổng điện trở nhiệt ở phía chất làm lạnh, thành ống và phía không khí. Trong số này, lực cản phía không khí- chiếm ưu thế, chiếm 70% đến 85% tổng lực cản.
Hệ số truyền nhiệt phía không khí-là hàm của vận tốc không khí, hình dạng của vây và khoảng cách giữa vây. Đối với các thiết kế bình ngưng điển hình, hệ số phía không khí-nằm trong khoảng từ 20 đến 60 W/m²·K, tùy thuộc vào vận tốc bề mặt và cấu hình cánh tản nhiệt. Hệ số bên -chất làm lạnh thường cao hơn một bậc, dao động từ 500 đến 2.000 W/m²·K. So sánh điện trở của thành ống là không đáng kể.
Hệ số tổng thể cho một bình ngưng sạch thường là 25 đến 40 W/m2·K. Sự bám bẩn trên bề mặt có vây có thể làm giảm tỷ lệ này từ 20% đến 40%, tùy thuộc vào mức độ nhiễm bẩn và tần suất làm sạch.
Hiệu suất so với nhiệt độ môi trường
Công suất của thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí có liên quan trực tiếp đến sự chênh lệch giữa nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ bầu khô xung quanh-. Đối với kích thước bình ngưng và luồng không khí nhất định, công suất là:
Q=U × A × (Tcond - Tamb)
trong đó Q là tốc độ thải nhiệt, U là hệ số truyền nhiệt tổng thể, A là diện tích bề mặt, Tcond là nhiệt độ ngưng tụ và Tamb là nhiệt độ bầu khô xung quanh.
Nếu nhiệt độ môi trường tăng thì chênh lệch nhiệt độ sẽ giảm trừ khi nhiệt độ ngưng tụ tăng. Nhiệt độ ngưng tụ tăng làm tăng áp suất xả của máy nén và mức tiêu thụ điện năng, làm giảm hiệu suất hệ thống. Đây là hạn chế nhiệt động cơ bản của thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí.
Mức độ của hiệu ứng này có thể định lượng được. Đối với một bình ngưng điển hình hoạt động với cách tiếp cận 15 độ (chênh lệch giữa nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ môi trường), nhiệt độ môi trường tăng 5 độ sẽ làm giảm công suất khoảng 20% nếu nhiệt độ ngưng tụ được giữ không đổi hoặc yêu cầu nhiệt độ ngưng tụ tăng 5 độ để duy trì công suất. Loại thứ hai tăng công suất máy nén khoảng 8% đến 12%.
Mối quan hệ giữa công suất và nhiệt độ môi trường phải được tính đến trong quá trình lựa chọn. Một bình ngưng có kích thước phù hợp với điều kiện môi trường xung quanh 35 độ sẽ cung cấp khoảng 75% công suất định mức ở 45 độ. Ở vùng khí hậu ấm áp, điều kiện thiết kế phải dựa trên nhiệt độ môi trường dự kiến cao nhất chứ không phải mức trung bình.
Ưu điểm và hạn chế
Ưu điểm của bình ngưng làm mát bằng không khí:
- Không tiêu thụ nước. Ưu điểm đáng kể nhất là loại bỏ nước làm mát. Ở những vùng khan hiếm nước, đây thường là yếu tố quyết định. Bình ngưng không cần tháp giải nhiệt, hóa chất xử lý nước hoặc xử lý xả đáy.
- Chi phí vốn thấp hơn. Đối với công suất nhỏ và trung bình (lên đến khoảng 200 kW), bình ngưng làm mát bằng không khí thường có chi phí lắp đặt thấp hơn hệ thống làm mát bằng nước. Chi phí cao hơn cho hệ thống làm mát bằng nước bao gồm tháp giải nhiệt, máy bơm, đường ống và thiết bị xử lý nước.
- Bảo trì đơn giản hơn. Các yêu cầu bảo trì được giới hạn ở việc làm sạch cuộn dây, kiểm tra quạt và động cơ cũng như kiểm tra điện. Hệ thống làm mát bằng nước yêu cầu bảo trì bổ sung cho tháp giải nhiệt, máy bơm và xử lý nước.
Hạn chế của bình ngưng làm mát bằng không khí:
- Suy giảm hiệu suất ở nhiệt độ môi trường cao. Công suất giảm khi nhiệt độ môi trường tăng. Ở vùng khí hậu nóng, bình ngưng phải có kích thước quá lớn để đáp ứng tải làm mát ở điều kiện cao điểm. Việc kích thước quá lớn này làm tăng thêm chi phí vốn và có thể dẫn đến hiệu suất tải từng phần kém.
- Tiêu thụ năng lượng cao hơn ở một số vùng khí hậu. Bình ngưng làm mát bằng không khí tiêu thụ nhiều năng lượng quạt hơn công suất bơm và quạt của hệ thống làm mát bằng nước. Sự khác biệt thường là 10% đến 20% tổng công suất hệ thống, mặc dù điều này thay đổi tùy theo thiết kế cụ thể và khí hậu.
- Tiếng ồn. Mức âm thanh của nhiều quạt hoạt động ở tốc độ tối đa có thể rất lớn. Ở những khu dân cư hoặc những địa điểm nhạy cảm với tiếng ồn,{2}}có thể cần phải xử lý âm thanh, điều này sẽ làm tăng thêm chi phí.
- Yêu cầu về không gian ngoài trời. Bình ngưng phải được lắp đặt ở vị trí ngoài trời có khoảng trống thích hợp cho luồng không khí. Ở những khu vực đô thị đông đúc hoặc nơi không gian ngoài trời bị hạn chế, đây có thể là một hạn chế.
Định cỡ và lựa chọn
Cần có dữ liệu sau để chọn bình ngưng làm mát bằng không khí:
- Thiết kế nhiệt độ môi trường xung quanh. Nhiệt độ bầu khô xung quanh-cao nhất dự kiến trong mùa làm mát. Giá trị phù hợp là điều kiện thiết kế 2,5% từ dữ liệu ASHRAE hoặc hồ sơ khí tượng địa phương.
- Chất làm lạnh. Loại chất làm lạnh xác định mối quan hệ áp suất-nhiệt độ và nhiệt độ ngưng tụ cần thiết.
- Tỷ lệ thải nhiệt. Tổng nhiệt lượng bị loại bỏ bởi thiết bị ngưng tụ. Đây là tổng của công suất làm mát và công suất đầu vào của máy nén.
- Tiếp cận nhiệt độ. Sự khác biệt giữa nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ môi trường thiết kế. Giá trị điển hình là 10 độ đến 15 độ. Một cách tiếp cận nhỏ hơn đòi hỏi một bình ngưng lớn hơn; một cách tiếp cận lớn hơn làm tăng công suất máy nén.
Với những dữ liệu này, công suất bình ngưng cần thiết có thể được xác định từ dữ liệu lựa chọn của nhà sản xuất, thường được cung cấp dưới dạng công suất so với nhiệt độ môi trường đối với một phạm vi nhiệt độ ngưng tụ.
Tính toán thiết kế nhiệt
Diện tích bề mặt truyền nhiệt cần thiết cho một công suất nhất định được xác định bởi:
A=Q / (U × ΔTlm)
trong đó ΔTlm là chênh lệch nhiệt độ trung bình log giữa chất làm lạnh và không khí. Đối với thiết bị ngưng tụ, nhiệt độ môi chất lạnh tương đối ổn định trong quá trình ngưng tụ và nhiệt độ không khí tăng lên khi đi qua cuộn dây. Nhật ký chênh lệch nhiệt độ trung bình giải thích cho sự thay đổi này.
Giá trị U{0}}phải được xác định cho hình dạng cuộn dây và luồng không khí cụ thể. Đối với một tụ điện mới, sạch, giá trị U- điển hình của hệ thống R-22, R-134a và R-410A nằm trong khoảng từ 25 đến 35 W/m²·K. Đối với hệ thống R-744 (CO₂), hoạt động ở áp suất cao hơn, giá trị U tương tự nhau nhưng nhiệt độ ngưng tụ cao hơn đáng kể.
Công suất quạt cần thiết được xác định bằng độ giảm áp suất qua cuộn dây và luồng không khí cần thiết. Công suất quạt thông thường là 1 đến 2 kW trên 10 kW thải nhiệt, tùy thuộc vào thiết kế.
Giá trị tiết kiệm nước-: Đánh giá định lượng
Mức tiết kiệm nước của bình ngưng làm mát bằng không khí so với hệ thống làm mát bằng nước có tháp giải nhiệt có thể được ước tính từ các mối quan hệ sau:
Tiêu thụ nước của tháp giải nhiệt bao gồm bay hơi, trôi và xả đáy. Sự bay hơi là thành phần chiếm ưu thế, chiếm 70% đến 90% tổng lượng. Tốc độ bay hơi khoảng 1,5 đến 2,5 lít mỗi kW{6}}giờ nhiệt thải ra, tùy thuộc vào phạm vi và cách tiếp cận của tháp giải nhiệt.
Đối với hệ thống 250 kW hoạt động 3.000 giờ mỗi năm, lượng nước tiêu thụ hàng năm của hệ thống làm mát bằng nước là:
Bốc hơi: 250 × 3.000 × 2.0=1,500.000 lít
Trôi dạt và xả đáy: khoảng 30% lượng bốc hơi=450.000 lít
Tổng cộng: 1.950.000 lít/năm
Một bình ngưng làm mát bằng không khí không tiêu thụ nước. Lượng nước tiết kiệm được là 1,95 triệu lít mỗi năm cho hệ thống duy nhất này.
So sánh năng lượng
Năng lượng tiêu thụ của bình ngưng làm mát bằng không khí chủ yếu là công suất của quạt. Năng lượng tiêu thụ của hệ thống làm mát bằng nước bao gồm quạt tháp giải nhiệt và bơm nước ngưng tụ. Một so sánh điển hình cho hệ thống 250 kW là:
Bình ngưng làm mát bằng không khí: công suất quạt 20 kW, 3.000 giờ/năm=60.000 kWh/năm
Hệ thống làm mát bằng nước: Quạt tháp giải nhiệt 2 kW + 5 kW bơm=7 kW, 3.000 giờ/năm=21.000 kWh/năm
Hệ thống làm mát bằng không khí tiêu thụ thêm 39.000 kWh/năm. Với mức giá điện là 0,12 USD/kWh, chi phí vận hành bổ sung là 4.680 USD mỗi năm. Khoản tiết kiệm nước ở mức giá $2,00/1.000 lít là $3.900 mỗi năm. Sự khác biệt ròng là 780 USD mỗi năm đối với hệ thống làm mát bằng không khí.
Sự so sánh này rất nhạy cảm với giá điện, giá nước và số giờ hoạt động. Với giá điện thấp hơn hoặc giá nước cao hơn, hệ thống làm mát bằng không khí sẽ thuận lợi hơn.
Lắp đặt và giải phóng mặt bằng
Việc lắp đặt một bình ngưng làm mát bằng không khí đòi hỏi phải có khoảng trống thích hợp cho việc hút và xả không khí. Phải tuân theo các thông số quy định của nhà sản xuất.
Khoảng trống tối thiểu cho các đơn vị điển hình là:
Phía lấy nước: 1,0 đến 2,0 mét, tùy theo thiết kế
Phía xả: 2,0 đến 4,0 mét, tùy thuộc vào chiều cao đơn vị và hướng xả
Giữa các khối liền kề: 2,0 đến 3,0 mét, để ngăn chặn sự tuần hoàn
Tuần hoàn-sự trở lại của không khí thải vào cửa hút-làm giảm chênh lệch nhiệt độ hiệu quả và có thể giảm công suất từ 10% đến 30%. Nguy cơ tái tuần hoàn cao hơn trong không gian hạn chế, giữa các thiết bị liền kề và khi bình ngưng được lắp đặt gần tường hoặc dưới tán cây.
Bảo trì và làm sạch
Yêu cầu bảo trì chính là làm sạch bề mặt cuộn dây có vây. Bụi bẩn, phấn hoa và các hạt công nghiệp tích tụ trên các cánh tản nhiệt làm giảm luồng không khí và truyền nhiệt. Tốc độ tích lũy phụ thuộc vào môi trường:
- Môi trường sạch sẽ (khu dân cư, cao ốc văn phòng): vệ sinh định kỳ hàng năm
- Môi trường vừa phải (khu thương mại, ngoại ô): vệ sinh hai lần-hàng năm
- Môi trường khắc nghiệt (khu công nghiệp, khu nông nghiệp, ven biển): vệ sinh hàng quý
Việc làm sạch có thể được thực hiện bằng:
- Xịt nước bằng chất tẩy rửa nhẹ, sau đó rửa sạch
- Khí nén, hướng từ trong ra ngoài (dòng ngược)
- Làm sạch bằng hóa chất đối với cặn dầu hoặc mỡ
Nên thận trọng khi sử dụng-làm sạch bằng nước áp suất cao vì nó có thể làm cong các cánh tản nhiệt, làm giảm luồng khí và tăng độ giảm áp suất. Các công cụ làm thẳng vây có sẵn nhưng sử dụng tốn nhiều công sức.
Phần kết luận
Bình ngưng làm mát bằng không khí là công nghệ hoàn thiện với các đặc tính hiệu suất được xác định rõ ràng. Ưu điểm chính của chúng là loại bỏ việc tiêu thụ nước, điều này có ý nghĩa quyết định ở những vùng khan hiếm nước. Hạn chế chính của chúng là giảm công suất ở nhiệt độ môi trường cao, điều này phải được tính đến thông qua kích thước phù hợp.
Việc lựa chọn thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí phải dựa trên đánh giá-cụ thể về khí hậu, tải làm mát, giới hạn âm thanh và các hạn chế lắp đặt tại địa điểm. Chi phí vốn, chi phí vận hành và yêu cầu bảo trì nên được so sánh với các giải pháp thay thế làm mát bằng nước. Khi việc đánh giá được tiến hành một cách có hệ thống thì sự lựa chọn phù hợp sẽ rõ ràng.