Zu den verfügbaren Technologien zur Wärmeabführung aus Kühl- und Klimaanlagen gehörenDer luftgekühlte Kondensatornimmt eine klar definierte Position ein. Es handelt sich weder um eine Universallösung noch um ein Nischenprodukt. Es handelt sich um eine spezifische Technologie mit spezifischen Leistungsmerkmalen, Anwendungsbedingungen und wirtschaftlichen Kompromissen-. Dieser Artikel untersucht die Technologie aus technischer Sicht und untersucht die Faktoren, die ihre Leistung bestimmen, ihre Vorteile und Einschränkungen im Vergleich zu anderen Kondensatortypen sowie die Kriterien, die ihre Auswahl leiten sollten.
Funktionsprinzip
Der luftgekühlte Kondensator gibt die Wärme des Kältemittels an die Umgebungsluft ab. Das Kältemittel tritt als überhitzter Dampf mit Austrittsdruck und -temperatur in den Kondensator ein. Beim Durchströmen der Rippenrohre wird Wärme an den Luftstrom übertragen, der über die Rohre und Rippen strömt. Das Kältemittel kondensiert unter Freisetzung latenter Wärme und tritt als unterkühlte Flüssigkeit aus.
Der Wärmeübertragungsprozess wird von drei Faktoren bestimmt: der Temperaturdifferenz zwischen dem Kältemittel und der Luft, der Wärmeübertragungsoberfläche und dem Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten. Die Oberfläche wird durch die Rippenrohranordnung bereitgestellt. Der Wärmeübertragungskoeffizient wird durch die Luftgeschwindigkeit über die Rippen und die Wärmeübertragungseigenschaften auf der Kältemittelseite bestimmt.
Wärmeübertragungseigenschaften
Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient eines luftgekühlten Kondensators wird durch die Summe der Wärmewiderstände auf der Kältemittelseite, der Rohrwand und der Luftseite bestimmt. Davon dominiert der luftseitige Widerstand, der 70 % bis 85 % des Gesamtwiderstands ausmacht.
Der luftseitige Wärmeübergangskoeffizient ist eine Funktion der Luftgeschwindigkeit, der Rippengeometrie und des Rippenabstands. Bei typischen Kondensatorkonstruktionen liegt der luftseitige Koeffizient zwischen 20 und 60 W/m²·K, abhängig von der Einströmgeschwindigkeit und der Rippenkonfiguration. Der kältemittelseitige Koeffizient liegt typischerweise um eine Größenordnung höher und liegt zwischen 500 und 2.000 W/m²·K. Der Rohrwandwiderstand ist im Vergleich dazu vernachlässigbar.
Der Gesamtkoeffizient für einen sauberen Kondensator beträgt typischerweise 25 bis 40 W/m²·K. Je nach Verschmutzungsgrad und Reinigungshäufigkeit kann eine Verschmutzung der Rippenoberfläche diese um 20 bis 40 % reduzieren.
Leistung vs. Umgebungstemperatur
Die Kapazität eines luftgekühlten Kondensators steht in direktem Zusammenhang mit der Differenz zwischen der Kondensationstemperatur und der Umgebungstemperatur der Trockenkugel. Für eine gegebene Kondensatorgröße und einen gegebenen Luftstrom beträgt die Kapazität:
Q=U × A × (Tcond - Tamb)
Dabei ist Q die Wärmeabgaberate, U der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient, A die Oberfläche, Tcond die Kondensationstemperatur und Tamb die Trockenkugeltemperatur der Umgebung.
Steigt die Umgebungstemperatur, verringert sich die Temperaturdifferenz, es sei denn, die Verflüssigungstemperatur steigt. Ein Anstieg der Kondensationstemperatur erhöht den Verdichteraustrittsdruck und den Stromverbrauch und verringert so die Systemeffizienz. Dies ist die grundlegende thermodynamische Einschränkung luftgekühlter Kondensatoren.
Das Ausmaß dieses Effekts ist quantifizierbar. Bei einem typischen Kondensator, der mit einem 15-Grad-Ansatz (der Differenz zwischen Kondensations- und Umgebungstemperatur) betrieben wird, reduziert ein Anstieg der Umgebungstemperatur um 5 Grad die Kapazität um etwa 20 %, wenn die Kondensationstemperatur konstant gehalten wird, oder erfordert einen Anstieg der Kondensationstemperatur um 5 Grad, um die Kapazität aufrechtzuerhalten. Letzteres erhöht die Kompressorleistung um etwa 8 bis 12 %.
Bei der Auswahl muss der Zusammenhang zwischen Kapazität und Umgebungstemperatur berücksichtigt werden. Ein Kondensator, der für eine Umgebungstemperatur von 35 Grad ausgelegt ist, liefert bei 45 Grad etwa 75 % seiner Nennkapazität. In warmen Klimazonen muss die Auslegungsbedingung auf der höchsten erwarteten Umgebungstemperatur basieren, nicht auf dem Durchschnitt.
Vorteile und Einschränkungen
Vorteile luftgekühlter Kondensatoren:
- Null Wasserverbrauch. Der größte Vorteil ist der Wegfall von Kühlwasser. In wasserarmen Regionen ist dies oft der entscheidende Faktor. Der Kondensator erfordert keinen Kühlturm, keine Wasseraufbereitungschemikalien und keine Abschlämmung.
- Niedrigere Kapitalkosten. Bei kleinen bis mittleren Leistungen (bis etwa 200 kW) sind die Installationskosten luftgekühlter Kondensatoren in der Regel geringer als bei wassergekühlten Systemen. Der Kostenaufschlag für wassergekühlte Systeme umfasst den Kühlturm, die Pumpen, die Rohrleitungen und die Wasseraufbereitungsausrüstung.
- Einfachere Wartung. Die Wartungsanforderungen beschränken sich auf die Reinigung der Spule, die Inspektion von Lüfter und Motor sowie elektrische Prüfungen. Wassergekühlte Systeme erfordern zusätzliche Wartung für den Kühlturm, die Pumpen und die Wasseraufbereitung.
Einschränkungen luftgekühlter Kondensatoren:
- Leistungsabfall bei hohen Umgebungstemperaturen. Die Kapazität nimmt mit steigender Umgebungstemperatur ab. In heißen Klimazonen muss der Kondensator überdimensioniert sein, um die Kühllast bei Spitzenbedingungen zu decken. Diese Überdimensionierung erhöht die Kapitalkosten und kann zu einer schlechten Teillastleistung führen.
- Höherer Energieverbrauch in manchen Klimazonen. Luftgekühlte Kondensatoren verbrauchen mehr Lüfterleistung als die Pumpen- und Lüfterleistung eines wassergekühlten Systems. Der Unterschied beträgt typischerweise 10 bis 20 % der gesamten Systemleistung, variiert jedoch je nach Design und Klima.
- Lärm. Der Geräuschpegel mehrerer Lüfter, die mit voller Geschwindigkeit laufen, kann beträchtlich sein. In Wohngebieten oder an lärmsensiblen Standorten kann eine akustische Behandlung erforderlich sein, was die Kosten erhöht.
- Platzbedarf im Freien. Der Kondensator muss an einem Ort im Freien mit ausreichendem Freiraum für die Luftzirkulation installiert werden. In dicht besiedelten städtischen Gebieten oder dort, wo der Platz im Freien begrenzt ist, kann dies eine Einschränkung darstellen.
Dimensionierung und Auswahl
Für die Auswahl eines luftgekühlten Kondensators sind folgende Daten erforderlich:
- Auslegungsumgebungstemperatur. Die höchste während der Kühlsaison erwartete Trockenkugeltemperatur. Der geeignete Wert ist die Auslegungsbedingung von 2,5 % aus ASHRAE-Daten oder lokalen meteorologischen Aufzeichnungen.
- Kältemittel. Die Art des Kältemittels bestimmt das Druck-{1}}Temperaturverhältnis und die erforderliche Verflüssigungstemperatur.
- Wärmeabgaberate. Die gesamte vom Kondensator abzugebende Wärme. Dies ist die Summe aus der Kühlleistung und der Leistungsaufnahme des Kompressors.
- Annäherungstemperatur. Der Unterschied zwischen der Verflüssigungstemperatur und der Auslegungsumgebungstemperatur. Ein typischer Wert liegt zwischen 10 und 15 Grad. Ein kleinerer Ansatz erfordert einen größeren Kondensator; ein größerer Ansatz erhöht die Kompressorleistung.
Mit diesen Daten kann die erforderliche Kondensatorkapazität anhand der Auswahldaten des Herstellers ermittelt werden, die typischerweise als Kapazität im Verhältnis zur Umgebungstemperatur für einen Bereich von Kondensationstemperaturen angegeben werden.
Die thermische Auslegungsberechnung
Die für einen bestimmten Betrieb erforderliche Wärmeübertragungsoberfläche wird bestimmt durch:
A=Q / (U × ΔTlm)
Dabei ist ΔTlm die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz zwischen dem Kältemittel und der Luft. Bei einem Kondensator ist die Kältemitteltemperatur während des Kondensationsprozesses relativ konstant und die Lufttemperatur steigt beim Durchgang durch die Spule. Die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz erklärt diese Variation.
Der U--Wert muss für die spezifische Spulengeometrie und den Luftstrom ermittelt werden. Für einen neuen, sauberen Kondensator liegen typische U--Werte für R-22-, R-134a- und R-410A-Systeme zwischen 25 und 35 W/m²·K. Bei R-744 (CO₂)-Anlagen, die bei höheren Drücken arbeiten, sind die U-Werte ähnlich, die Verflüssigungstemperatur ist jedoch deutlich höher.
Die erforderliche Lüfterleistung wird durch den Druckabfall durch die Spule und den erforderlichen Luftstrom bestimmt. Die typische Lüfterleistung beträgt je nach Ausführung 1 bis 2 kW pro 10 kW Wärmeabgabe.
Der Wassersparwert-: Eine quantitative Bewertung
Die Wassereinsparungen eines luftgekühlten Kondensators im Vergleich zu einem wassergekühlten System mit Kühlturm können anhand der folgenden Beziehungen abgeschätzt werden:
Der Wasserverbrauch im Kühlturm setzt sich aus Verdunstung, Abdrift und Abschlämmung zusammen. Die Verdunstung ist mit einem Anteil von 70 bis 90 % die dominierende Komponente. Die Verdampfungsrate beträgt je nach Kühlturmbaureihe und -ansatz etwa 1,5 bis 2,5 Liter pro kW{6}}Stunde abgegebener Wärme.
Bei einem 250-kW-System, das 3.000 Stunden pro Jahr läuft, beträgt der jährliche Wasserverbrauch eines wassergekühlten Systems:
Verdunstung: 250 × 3.000 × 2.0=1.500.000 Liter
Drift und Blowdown: ca. 30 % der Verdunstung=450.000 Liter
Gesamt: 1.950.000 Liter pro Jahr
Ein luftgekühlter Kondensator verbraucht kein Wasser. Die Wassereinsparung beträgt für dieses einzelne System 1,95 Millionen Liter pro Jahr.
Energievergleich
Der Energieverbrauch eines luftgekühlten Kondensators ist in erster Linie die Lüfterleistung. Der Energieverbrauch eines wassergekühlten Systems umfasst den Kühlturmventilator und die Kondensatorwasserpumpe. Ein typischer Vergleich für ein 250-kW-System ist:
Luftgekühlter Kondensator: 20 kW Lüfterleistung, 3.000 Stunden/Jahr=60.000 kWh/Jahr
Wassergekühltes System: 2 kW Kühlturmventilator + 5 kW Pumpe=7 kW, 3.000 Stunden/Jahr=21.000 kWh/Jahr
Das luftgekühlte System verbraucht zusätzlich 39.000 kWh/Jahr. Bei einem Stromtarif von 0,12 $/kWh betragen die zusätzlichen Betriebskosten 4.680 $ pro Jahr. Die Wassereinsparung beträgt bei einem Wasserpreis von 2,00 $/1.000 Liter 3.900 $ pro Jahr. Der Nettounterschied beträgt 780 $ pro Jahr zugunsten des luftgekühlten Systems.
Dieser Vergleich ist abhängig vom Strompreis, dem Wasserpreis und den Betriebsstunden. Bei niedrigeren Stromtarifen oder höheren Wassertarifen ist das luftgekühlte System günstiger.
Installation und Freigabe
Die Installation eines luftgekühlten Kondensators erfordert ausreichend Freiraum für Lufteinlass und -auslass. Die vom Hersteller vorgegebenen Abstände müssen eingehalten werden.
Die Mindestabstände für typische Einheiten betragen:
Ansaugseite: 1,0 bis 2,0 Meter, je nach Ausführung
Ausblasseite: 2,0 bis 4,0 Meter, abhängig von der Gerätehöhe und der Ausblasrichtung
Zwischen benachbarten Einheiten: 2,0 bis 3,0 Meter, um eine Rezirkulation zu verhindern
Rezirkulation-die Rückführung der abgegebenen Luft zum Einlass-reduziert den effektiven Temperaturunterschied und kann die Kapazität um 10 % bis 30 % verringern. Das Risiko einer Rezirkulation ist in engen Räumen, zwischen benachbarten Geräten und wenn der Kondensator in der Nähe einer Wand oder unter einem Vordach installiert ist, höher.
Wartung und Reinigung
Die wichtigste Wartungsanforderung ist die Reinigung der Oberfläche des Rippenregisters. Die Ansammlung von Staub, Schmutz, Pollen und Industriepartikeln auf den Lamellen verringert den Luftstrom und die Wärmeübertragung. Die Akkumulationsrate hängt von der Umgebung ab:
- Saubere Umgebungen (Wohngebiete, Bürogebäude): jährliche Reinigung
- Moderate Umgebungen (Gewerbegebiete, Vorstädte): zweimal-jährliche Reinigung
- Schwere Umgebungen (Industriegebiete, landwirtschaftliche Gebiete, Küste): vierteljährliche Reinigung
Die Reinigung kann durchgeführt werden mit:
- Wasser mit mildem Reinigungsmittel besprühen und anschließend abspülen
- Druckluft, von innen nach außen geleitet (Gegenstrom)
- Chemische Reinigung von Öl- oder Fettablagerungen
Die Reinigung mit Hochdruckwasser sollte mit Vorsicht erfolgen, da dadurch die Lamellen verbogen werden können, der Luftstrom verringert und der Druckabfall erhöht wird. Es sind Werkzeuge zum Richten der Flossen erhältlich, deren Verwendung jedoch arbeitsintensiv ist.
Abschluss
Luftgekühlte Kondensatoren sind eine ausgereifte Technologie mit klar definierten Leistungsmerkmalen. Ihr Hauptvorteil ist der Wegfall des Wasserverbrauchs, der in wasserarmen Regionen von entscheidender Bedeutung ist. Ihre Hauptbeschränkung ist die Verringerung der Kapazität bei hohen Umgebungstemperaturen, die durch die richtige Dimensionierung berücksichtigt werden muss.
Die Auswahl eines luftgekühlten Kondensators sollte auf einer standortspezifischen Bewertung des Klimas, der Kühllast, der Schallbeschränkungen und der Installationsbeschränkungen basieren. Die Kapitalkosten, Betriebskosten und Wartungsanforderungen sollten mit wassergekühlten Alternativen verglichen werden. Wenn die Bewertung systematisch durchgeführt wird, ist die richtige Wahl klar.