Rambler's Top100
Статьи ИКС № 03-04 2017
Александра ЭРЛИХ   25 апреля 2017

Климатические системы для холодных регионов: особенности планирования

Даже в самых холодных регионах иногда наступает лето. Пусть недолгое, и далеко не такое знойное, каким оно бывает на юге, но все равно температура воздуха поднимается выше комфортной. А значит, возникает необходимость что-то охладить. И мы начинаем планировать климатическую систему.

Александра ЭРЛИХ, генеральный директор, Cabero

Основной принцип, которым в таких ситуациях руководствуются проектировщики, следующий: нижний температурный предел окружающего воздуха –60°C; нужно взять гликоль такой концентрации (55–60%), чтобы раствор не замерзал при этой температуре, и уже под него подбирать оборудование. С точки зрения надежности подход хорош, но вот с остальных точек зрения...

Повышенная вязкость водных растворов гликолей, особенно в зоне отрицательных рабочих температур, приводит к существенному возрастанию гидравлических потерь и гидравлических сопротивлений во всех узлах системы охлаждения и/или промышленного кондиционирования. Течение растворов гликолей высокой концентрации становится ламинарным, что сильно (до 20%) снижает теплопередачу. Чтобы обеспечить необходимый теплосъем при работе с такими жидкостями, требуется, с одной стороны, значительно увеличить площадь теплообмена, с другой – повысить скорость циркуляции рабочей жидкости в системе.

Таким образом, выбирая гликоль высокой концентрации, вы заведомо идете на увеличение габаритов теплообменных аппаратов и резкое увеличение потерь давления рабочей жидкости на аппарате. Это, в свою очередь, приводит к увеличению размеров насосной группы и, как следствие, повышению энергозатрат.

В итоге – весьма ощутимый рост как инвестиционных (аппараты, насосная группа и пр.), так и эксплуатационных затрат.

Всем ветрам назло

Однако опыт зарубежных коллег показывает: затрат можно избежать, всего лишь грамотно спланировав систему. Первое возражение, которое я сразу же слышу от своих оппонентов: разве на Западе бывают такие морозы? Отвечу: да, бывают. В Канаде. Климатические условия этой страны и российского Крайнего Севера идентичны.

Как же планируют климатическую систему в Канаде?

Прежде всего вспомним, почему мы планируем такую высокую концентрацию гликоля. С одной стороны, из-за боязни бокового ветра, буквально выхолаживающего теплообменные аппараты наружной расстановки. С другой – для обеспечения остановки и запуска системы/отдельных аппаратов при низких температурах.

Избежать влияния бокового ветра довольно просто. Для этого нужна всего лишь группа из минимум трех-четырех аппаратов, установленных вплотную друг к другу на платформе и по периметру окруженных с трех сторон ветрозащитными панелями. Конструкция теплообменников некоторых производителей позволяет окружить их панелями только с боковых сторон.

Классическая климатическая система

Теплообмен в такой конструкции осуществляется в основном за счет принудительной конвекции строго вертикально, снизу вверх. При необходимости (глубоко отрицательные температуры) достаточно пустить вентиляторы в реверсивное движение, чтобы теплопередача между аппаратами и окружающим воздухом стала минимальной. Таким образом вы создаете некое подобие «теплого дома», причем обогреваемого исключительно теплом рабочей жидкости, протекающей по аппарату.

Описанная конструкция позволяет снизить концентрацию гликоля на 15% по сравнению с открытой установкой. Иными словами, вы планируете, например, для Якутии систему, аналогичную той, что предназначалась бы для Московской области.

Для стабильной работы этих аппаратов в летний период достаточно поднять их на необходимую по высоте платформу. При этом любой качественный производитель теплообменного оборудования без труда грамотно рассчитает вам высоту платформы и даст рекомендации по габаритам, расположению и конструкции зон обслуживания.

Запуск отдельных аппаратов в такой группе «теплого дома» значительно облегчается, поскольку находящийся в «холодном» резерве аппарат обогревается соседними, находящимися в работе аппаратами. Для запуска при минусовых температурах находящейся в «холодном» резерве группы аппаратов достаточно соблюдать те же рекомендации, что и для систем с большей концентрацией гликоля.

Материал имеет значение

Итак, мы удешевили систему, уменьшили ее габариты и повысили энергоэффективность. Осталось только подобрать материалы, идеально подходящие для климата с температурами от –60°C зимой до +32°C (или выше) летом. Общие рекомендации по выбору материалов и компонентов рассмотрим на примере теплообменных аппаратов. Они подходят как для предлагаемых мною систем, так и для систем с повышенной концентрацией гликоля.

При планировании собственно аппаратов наружного охлаждения нужно обратить внимание лишь на две вещи: выдержат ли выбранные материалы большие колебания температуры и смогут ли обеспечить движущиеся части системы работу, а главное, запуск при низких температурах.

Использование в температурном диапазоне –60… +32°C меди, самого распространенного материала труб и коллекторов таких аппаратов, подразумевает обязательное соблюдение целого ряда требований:

  • Наличия в аппарате конструкции плавающего блока, которая, как правило, отсутствует в дешевых продуктах. В таком температурном диапазоне особенно важно, чтобы расширение теплообменного блока не оказывало воздействия на заполненный хладагентом трубный пучок и, как следствие, на его герметичность. Только таким образом можно избежать утечек и продлить срок службы блока теплообменника.
  • Использования специального материала для пайки труб. В случае неверного выбора составляющих припоя и/или их процентного соотношения велик риск разгерметизации паяного шва и, как следствие, утечки хладагента.
  • Строгого соблюдения норм PED (Pressure Equip­ment Directive) Директивы 97/23/ЕС. В противном случае велик риск разгерметизации коллекторов и опять-таки утечек.

Альтернативой могут служить теплообменные аппараты с нержавеющей трубой. Сама по себе легированная сталь, даже в исполнении V2A, может безотказно работать в более широком температурном диапазоне, чем медь. Кроме того, качественно выполненный сварной шов также выдерживает большие температурные колебания. Недостатком нержавеющей трубы по сравнению с медной является более низкий коэффициент теплопередачи.

Климатическая система «теплый дом»

Подчеркну, что использование нержавеющей трубы не отменяет необходимости наличия конструкции плавающего блока и не освобождает производителя от соблюдения норм PED Директивы 97/23/ЕС.

Климатическая система «теплый дом»

К материалам ламелей теплообменных аппаратов, работающих в условиях низких температур, специальных требований не предъявляется.

А вот к выбору вентиляторов теплообменных аппаратов стоит отнестись с особым вниманием. Не хочется заниматься рекламой отдельных поставщиков, хотя по собственному опыту знаю, что многие производители вентиляторов заявляют о способности своего продукта функционировать при температурах до –60°C, не имея четкого представления о реальной работе при таких температурах, и как следствие, предлагают некачественный продукт. Поэтому позвольте подробнее остановиться на деталях, которые дадут возможность сделать верный выбор.

Защита электродвигателя вентилятора

Прежде всего следует иметь в виду один важный момент – целевое использование. Вентиляторы, рассчитанные на работу в камерах глубокой заморозки для температур –60°C (например, заморозка крови), ни в коем случае не подойдут для аппаратов наружного охлаждения. Причина проста: для вентиляторов морозильных камер применяется специальная низкотемпературная смазка подшипника двигателя, смещающая температурный диапазон работы вентиляторов в сторону минуса. Экс­плу­атация таких вентиляторов в температурном диапазоне –60… +32°C приведет к тому, что при температуре выше +24°C смазка подшипника с высокой вероятностью начнет вытекать и вам придется заменить вентиляторы.

Способов избежать этой неприятности несколько. Самый недорогой, надежный и, естественно, мой любимый: обогрев двигателя вентиляторов слабым током от частотного регулятора вентиляторов. Подходит в 95% случаев. Причем, работая с грамотным производителем, вы получаете такую систему под ключ – пол­ностью готовую к применению.

Лишь примерно для 5% случаев нет стандартных рецептов и требуется индивидуальный подход. Ничего страшного, опыт таких проектов достаточно большой.

Вентиляторная решетка

Деталь, на которую редко обращают внимание и совершенно зря. В отличие от вентиляторов в камерах заморозки, тут важна не геометрия сечения, а материал самой решетки. Дело в том, что металл, из которого изготавливаются решетки вентиляторов для температурных диапазонов –40°C или тем более –20°C, при температурах окружающего воздуха ниже –40°C становится хрупким, как стекло. Падение ветки, сосульки, попадание крупного снежка, не говоря уже о случайном ударе монтажным инструментом, приведет к тому, что она буквально рассыплется.

Поэтому для вентиляторов, устанавливаемых в аппаратах наружного охлаждения системы охлаждения и/или промышленного кондиционирования для температурного диапазона –60… +32°C, я рекомендую использовать вентиляторную решетку из нержавеющей стали. Это несколько увеличит стоимость вентиляторов, но позволит избежать многих проблем на протяжении всего срока эксплуатации аппаратов.

Следует заметить, что не для каждого типоразмера вентиляторов можно соблюсти эти требования. Иными словами, не для каждого теплообменного аппарата можно создать его низкотемпературный аналог. Требования к применяемым материалам также ограничивают использование стандартной линейки оборудования. Во избежание ненужных перерасчетов аппаратов и системы в целом сообщайте производителю будущие условия эксплуатации при первом запросе.

* * *

Как видите, обращая чуть более пристальное внимание на детали и используя пока нестандартный для России, но уже апробированный на отдельных российских проектах подход к планированию системы охлаждения и/или промышленного кондиционирования для температурного диапазона –60… +32°C, вы легко удешевите систему, уменьшите ее габариты и повысите энергоэффективность. 

Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!