Коллеги, всем привет.

Сегодня в этой статье я хотел бы поговорить про конструктивные особенности теплообменников воздух/вода, которые используются в составе вентиляционных установок, а также на примере расчётов в программах от поставщиков сравнить 2 типа холодоносителя: вода 7/12°С и раствор 40% пропиленгликоля 7/12°C, по результатам расчётов сделаем выводы. Поехали!

Использовать я буду 2 программы. В первой мы подберём саму вентустановку, в корпус которой вставим теплообменник, определим его габариты и характеристики, далее сделаем поверочный расчёт в программе подбора теплообменников Cyclone.

Оборудование я буду подбирать Турецкой фирмы Boreas, условия для подбора будут такие:
— Расход воздуха — 5000 м3/ч;
— Холодоноситель — Вода 7/12 °С;
— Параметры наружного воздуха — +30°С/60% отн. вл.;
— Параметры приточного воздуха — +18°С (отн. вл. — не нормируется).

По результатам подбора получилась такая установка, типоразмер BRS 6-12, скорость в живом сечении установки — 1,85 м/с, предварительная скорость во фронтальном сечении теплообменников — 2,67 м/с. Вполне нормально.

Наша установка будет состоять из одной каркасной секции (больше нам и не надо). Теперь, когда типоразмер и ограничение по габаритам для нашего теплообменника определены — перейдём непосредственно к нему самому.

Перед расчётом, давайте сначала поговорим об основной геометрии теплообменников. Какими они бываю, какие обозначения есть (как правило) во всех «индексах теплообменников»:

• Геометрия теплообменника или его шаг и диаметр трубок, вот как это выглядит. Зелёным выделены основные значения.
  
  На картинке выше указан шахматный шаг 25×22 с диаметром меди 9,52мм (такой шаг также используется и для трубок с диаметрами 7мм, если диаметр >10мм, то шаг уже будет больше). Картинку с геометрией теплообменников я взял у компании «Терма», вот ссылка на их каталог с обозначениями. Работать мы будем именно с таким шагом и диаметром (25×22 — 9.52мм). В программе Cyclone шаг стоит такой же, и возможность его поменять отсутствует.  Для поверочного расчёта — это нам и нужно.

• Шаг оребрения или Pitch (определяется расчётной программой, а также технологией производства теплообменников поставщика). Шаг в миллиметрах между пластинами идёт в диапазоне от 1,8мм до 7мм (согласно каталогу «Терма»).  Cyclone используют шаг 2 и 2,5мм (согласно мануалу программы подбора [1]). Турецкие теплообменники Friterm ограничены шагом 2,1/2,5/2,8/3/3,2 мм. В любом случае для решения большинства задач по охлаждению и конденсационной осушке воздуха в системах центрального кондиционирования шага от ~2 до 3мм вполне достаточно (больший шаг может определяться требованием оттайки и/или снижением аэродинамического сопротивления). Сама толщина и материал оребрения (для типовых задач СКВ) — это медная пластина толщиной 0,12-0,15мм. (про процесс создания медно-алюминиевых теплообменников я уже писал ранее).

NB! При работе в режимах осушки воздуха на теплопередающей поверхности появляется конденсат, который по мере накопления под действием гравитации стекает по пластинам в поддон. Толщина конденсационной плёнки может достигать 0,4-0,5мм, что уменьшает живое сечение каналов для прохода воздуха и ведёт к росту аэродинамического сопротивления в 1,4-1,5 раза, в зависимости от шага установки пластин [1]. Поэтому в программах подбора очень часто приводят аэродинамическое сопротивление в «мокром» и «сухом» режимах.

• Количество рядов и количество контуров. Количество рядов — это количество вертикальных групп труб (в одну вертикальную линию). Что касается контуров — каждый циркуляционный контур состоит из нескольких медных трубок, число которых равно числу ходов теплохолодоносителя. (в случае на картинке ниже, число ходов теплоносителя = 6, кроме самого верхнего контура, на нём число ходов = 8). Между собой трубки соединяются с помощью калачей. Первая и последняя трубки присоединяются к подающему и обратному коллектору. Вот как это выглядит.
  

  

  Количество контуров должно быть выбрано таким образом, чтобы скорость теплоносителя была получена в допустимых диапазонах (0.5 м/с – 2.0 м/с).
  Чем больше количество контуров, тем меньше скорость теплоносителя и соответственно меньшие потери теплоносителя. [2] В тех, случаях, когда температура воздуха перед теплообменником  может опускаться ниже 0°С, рекомендуемая скорость в трубках не ниже 0,8-1,0 м/с. [1]

Теперь, после того как мы проговорили основные (базовые) характеристики современных теплообменников, настало время произвести расчёт. Вот результат расчёта теплообменника Friterm для нашей установки.

Если посмотреть теперь на код теплообменника (учитывая то, что мы проговорили выше) — многое станет понятно. Мы получили все необходимые данные, а также фактическую мощность теплообменника. Кстати в программе также указываются аэродинамические потери при «мокром» режиме, они выше ~ в 1,5 раза относительно сухого теплообменника, о чём я писал выше.

Давайте теперь проведём поверочный расчёт нашего теплообменника в программе Cyclone. Габариты самого теплообменника мы определили, габариты теплообменника по ширине и высоте определяет конструктив выбранного типоразмера установки и определяется поставщиком. Также согласно мануалу к расчётной программе Cyclone [2], если указываешь количество рядов и контуров — температура на выходе считается автоматически, так мы и сделаем (т.к. мы делаем поверочный расчёт).

Результат получился примерно одинаковый, на выходе +18°С. Немного различается итоговая мощность, полагаю это из за различия во фронтальной скорости (у Cyclone высоту теплообменника можно вводить только кратно 25мм).

Отлично, теперь у нас есть вентустановка с теплообменником, посчитанным на оптимальные характеристики в полном соответствии с требуемой задачей. Теперь давайте поменяем задачу. Холодоноситель заменим с воды на пропиленгликоль 40% с той же дельтой температур. Вот результаты расчёта в программе Friterm.

Сделаем поверочный расчёт. Вот результаты расчёта в программе подбора теплообменников Cyclone.

Получается, при идентичной геометрии теплообменников и разнице удельной теплоёмкости между водой (4,19 Дж/кг*K) и пропиленгликолем 40% (3,67 Дж/кг*K) всего в 14%. Разница между мощностями составляет 230%! (38 кВт в случае с водой и 16 кВт в случае с пропиленгликолем 40%).

Температура на выходе из теплообменника в случае с водой +18 °С, как и требуется. Температура на выходе при гликоле +22 °С. (просто не хватает площади поверхности — наш объём воздуха не успевает охладиться).

Получается, чтобы решить нашу задачу (используя пропиленгликоль), надо либо менять геометрию теплообменника — увеличивать количество рядов (что может быть очень затруднительно, если установка существующая), либо менять дельту температуры.

Теперь давайте посмотрим, какой теплообменник подойдёт для решения нашей задачи. Чтобы оставаться в адекватных скоростях в трубках и гидравлических потерях, получаем не менее 8 рядов, при том же количестве контуров и габаритах. (про габариты я имею ввиду фронтальное сечение — при увеличении количество рядов глубина теплообменника будет естественно больше. В существующие салазки он уже не встанет).

При этом замена дельты температуры в нашем случае также не сильно помогла, но улучшила ситуацию со съёмом холода. Ниже расчёт на аналогичный 4-х рядный теплообменник но с дельтой температуры +4/9°С (пропиленгликоль 40%).

Какие выводы можно сделать из расчётов выше:

1. При разнице теплоёмкостей у воды и гликоля всего в 14%, разница в мощности теплообменников может отличаться на 200% и более, всё зависит от запаса площади поверхности теплообменника.
2. Замена графика холодоносителя на «более низкий» не всегда даёт эффективный результат.

Во второй части статьи мы попробуем разобрать гликолевые рекуператоры — поговорим на какие температуры их нужно рассчитывать, чтобы на обратном воздухе он не обмерзал, и какое будет при этом его КПД.

Спасибо за внимание. Надеюсь данная информация оказалась для Вас полезной. Поблагодарить, покритиковать или задать вопрос можно написав на почту (nikolaev.hvac@gmail.com) или в Телеграм @NHVAC

Ссылочные материалы:

[1] Бялый Б.И. «Тепломассообменное оборудование воздухообрабатывающих установок ООО Веза, 2005»

[2] «Инструкция Программа подбора медно-алюминиевых теплообменников Cyclone»