Conception de refroidissement refroidi à l'air: un guide complet

Les refroidisseurs refroidis par air sont largement déployés dans des bâtiments commerciaux, des installations industrielles et même des projets résidentiels en raison de leur installation et de leur indépendance simples par rapport aux ressources en eau. Contrairement aux refroidisseurs refroidis par l'eau, ils dissipent la chaleur dans l'atmosphère via des ventilateurs qui soufflent sur des bobines de condenseur, évitant la complexité du traitement de l'eau et des tours de refroidissement. Cependant, leur exposition aux conditions extérieures, telles que les températures extrêmes et l'accumulation de débris - présente des défis de conception distincts.

La conception d'un refroidisseur refroidi à l'air nécessite des facteurs d'équilibrage tels que la sélection d'un compresseur adapté à l'échelle de l'application et à la variabilité de la charge, en choisissant un réfrigérant qui équilibre l'efficacité avec l'impact environnemental, l'optimisation du condensateur et le transfert de chaleur de l'évaporateur, la mise en œuvre de contrôles avancés pour les économies d'énergie et la résolution des préoccupations pratiques telles que le bruit, l'espace et l'accessibilité à la maintenance. Ces considérations garantissent que le refroidisseur répond aux demandes du projet tout en minimisant les coûts opérationnels et l'empreinte environnementale.

Comparaison des refroidisseurs refroidis et refroidis à l'eau

Lors de la sélection d'un type de refroidisseur, les conceptions refroidies par l'air et refroidies par l'eau diffèrent considérablement:

• Rejet de chaleur: Les refroidisseurs refroidis à l'air utilisent des ventilateurs et des bobines de condenseur avec de l'air ambiant; Les refroidisseurs refroidis à l'eau comptent sur des tours de refroidissement ou des sources d'eau.
• Installation: Les unités refroidies par l'air ne nécessitent aucune tuyauterie d'eau, simplifiant la configuration mais ayant besoin de plus d'espace pour le flux d'air; Les unités refroidies par l'eau ont besoin d'une plomberie étendue mais peuvent être plus compactes à l'intérieur.
• Efficacité: Les refroidisseurs refroidis par l'eau excellent dans les climats chauds en raison du transfert de chaleur supérieur de l'eau; L'efficacité refroidie par l'air baisse à des températures élevées.
• Entretien: Les refroidisseurs refroidis à l'air peuvent avoir besoin d'un nettoyage fréquent des bobines pour éviter l'encrassement; Les unités refroidies par l'eau nécessitent un traitement d'eau pour éviter la mise à l'échelle et la corrosion, augmentant les coûts.

Ainsi, les refroidisseurs refroidis par l'air conviennent à la scarce d'eau ou à des paramètres limitées dans l'espace comme les toits urbains ou les régions arides, tandis que les conceptions refroidies par l'eau sont meilleures pour les applications industrielles à grande échelle et axées sur l'efficacité.

Paramètres de conception

Capacité de refroidissement

La capacité de refroidissement est généralement évaluée en tonnes de réfrigération (TR) ou en kilowatts (kW), avec 1 tr à 3,517 kW ou 12 000 btu / h. Les notes sont basées sur des conditions standard:

• Condenseur entrant la température de l'air: 86 ° F (30 ° C)
• Eau refroidie entrant dans la température: 54 ° F (12 ° C)
• Température de sortie d'eau réfrigérée: 44 ° F (7 ° C)

Par exemple:

• Un refroidisseur de 397 kW (~ 113 TR) répond aux besoins commerciaux ou industriels de taille moyenne.
• La capacité doit correspondre à la charge de refroidissement. Risques sous-dimensionnement insuffisant et cyclisme fréquent; La oversize réduit l'efficacité et augmente les coûts. Une approche commune consiste à sélectionner une unité 10 à 20% au-dessus de la charge calculée pour gérer les variations ou l'expansion future sans compromettre l'efficacité.

Type de compresseur

Le compresseur, le noyau du refroidisseur, comprime le gaz réfrigérant pour entraîner le transfert de chaleur. Les refroidisseurs refroidis à l'air utilisent généralement:

• Faire défiler les compresseurs: Idéal pour les petites à moyennes unités (jusqu'à ~ 150 TR). Compact et calme (~ 60-65 dB (a)), ils sont efficaces sous des charges stables avec des conceptions hermétiques minimisant les fuites.
• Compresseurs à vis: Adapté aux systèmes moyen à grands (150+ TR). Ils excellent à une efficacité de charge partielle et peuvent utiliser des VSD pour le contrôle de la capacité.
• Compresseurs centrifuges: Rare dans les systèmes refroidis par l'air mais utilisés dans de très grandes applications (500+ TR). Efficace à pleine charge, ils nécessitent des commandes complexes pour un fonctionnement à charge partielle.

La sélection dépend de la taille de la charge, de la variabilité (par exemple, bureau vs usine), des contraintes de bruit (par exemple, des toits urbains) et du budget.

Sélection de réfrigérant

Le choix du réfrigérant a un impact sur l'efficacité, la conformité réglementaire et les performances:

• Réfrigérants communs:
  • R-134a: HFC, zéro réponse, GWP ~ 1430.
  • R-410A: Mélange HFC, zéro ODP, GWP ~ 2088, commun dans les petits systèmes.
  • R-407C: Mélange HFC, GWP ~ 1774, souvent un remplacement R-22.
• Alternatives à faible GWP:
  • R-32: GWP ~ 675, croissant en raison de l'efficacité.
  • R-454B: GWP <200, designed as a R-410A substitute.

Des réglementations comme l'amendement Kigali visent à éliminer les HFC, obligeant les ingénieurs à équilibrer les performances, les coûts et la disponibilité avec la conformité locale.

Condenseur

Le condenseur, critique pour le rejet de chaleur, comprend:

• Principales caractéristiques:
  • Type d'aileron: Les ailettes en cuivre-aluminium sont standard; Une densité plus élevée améliore le transfert de chaleur, mais les risques de l'encrassement.
  • Tubes: Cuivre, pour une excellente conductivité thermique.
  • Arrangement des fans: Plusieurs fans assurent la redondance; L'opération mise en scène correspond à la charge.
  • Puissance du moteur du ventilateur: Détermine le taux de flux d'air, aborder les extrêmes climatiques locaux.

Par exemple:

• Un condenseur typique peut comporter des ventilateurs offrant un flux d'air ~ 30 m³ / s, avec entrant de l'air à 30 ° C (86 ° F) et en quittant 44 ° C (111 ° F).

Les condenseurs doivent gérer les plages de température ambiante des creux d'hiver (par exemple, -10 ° C) aux sommets estivaux (par exemple, + 40 ° C), garantissant la fiabilité tout en minimisant la consommation d'énergie.

Conception de l'évaporateur

L'évaporateur absorbe la chaleur de l'eau réfrigérée ou du liquide de transformation:

• Types:
  • Coquille et tube: Robuste, convient à la plupart des applications.
  • Plaque: Compact, idéal pour les configurations limitées dans l'espace.

Paramètres clés:

• Débit d'eau: Correspond à la conception du système, par exemple, ~ 15 kg / s (~ 251 gpm) pour une unité de taille moyenne.
• Baisse de température: Généralement 6-10 ° C (par exemple, entrée 12 ° C / 53 ° F, sortie 6 ° C / 42 ° F).

Le dimensionnement approprié assure un transfert de chaleur efficace tout en minimisant la baisse de pression à travers l'évaporateur.

Systèmes de contrôle

Les refroidisseurs refroidis à l'air moderne présentent des commandes avancées:

• Drives à vitesse variable (VSD): Appliqué aux compresseurs et aux ventilateurs pour un ajustement précis de la capacité.
• Contrôles du microprocesseur: Surveillez la température / pression, ajustant dynamiquement les points de consigne.

Ceux-ci améliorent l'efficacité de charge partielle - la plupart des applications fonctionnent à 45 à 60% de chargement la plupart du temps, tout en réduisant l'usure sur des composants comme les compresseurs et les ventilateurs.

Efficacité énergétique

L'efficacité est mesurée via le coefficient de performance (COP) ou le rapport d'efficacité énergétique (EER):

• COP = Entrée de sortie de refroidissement / d'alimentation
  • Exemple: refroidissement de 397 kW, entrée 98,9 kW, COP ≈ 4.0.

Higher COP indicates better efficiency; modern systems typically achieve COP >4.0 at full load. Look for high ratings at both full and part-load conditions (e.g., IPLV), as chillers rarely operate at full capacity year-round.

Niveaux de bruit

Les refroidisseurs refroidis à l'air génèrent un bruit important des ventilateurs et des compresseurs:

• Pouvoir sonore typique: ~ 70-90 dB (a) à 30 pieds.

Stratégies d'atténuation:

• Positionnez les unités loin des zones sensibles.
• Utilisez des boîtiers ou des barrières acoustiques.

Le bruit est une préoccupation clé en milieu urbain ou résidentiel, souvent régi par des réglementations locales strictes.

Taille et poids

Les dimensions physiques affectent la faisabilité de l'installation:

• Exemple: une unité de ~ 100 TR peut mesurer 10 x 6 x 7 pieds, pesant 5-10 tonnes.

Assurer le support structurel, en particulier pour les installations sur le toit avec des limites de charge.

Exigences électriques

Les refroidisseurs exigent un pouvoir substantiel:

• Tension: généralement 460 V / 3 phases pour les unités plus grandes.
• AMPS à charge complète: varie selon la taille; Une unité de 100 TR peut dessiner 50-150 A.

Vérifiez que l'infrastructure électrique prend en charge la demande de pointe, y compris les disjoncteurs appropriés et la protection de surintensité selon les codes locaux.

Exigences d'installation

Les considérations d'installation comprennent:

• Autorisation: ~ 3-5 pieds autour de l'unité pour le flux d'air et l'entretien.
• Montage de niveau: Assure un bon drainage / débit de réfrigérant.

Compte du climat local; Protéger contre les conditions météorologiques extrêmes (par exemple, les couvertures de pluie) si nécessaire.

Considérations de maintenance

La maintenance régulière assure la longévité:

• Netter les bobines de condenseur par an; Vérifiez les niveaux de réfrigérant.

Les fonctionnalités de conception comme les noyaux amovibles ou les panneaux accessibles simplifient les tâches comme le remplacement du filtre ou le nettoyage des bobines, la réduction des coûts des temps d'arrêt.

Conclusion

La conception d'un refroidisseur refroidi à l'air consiste à équilibrer plusieurs paramètres - capacité de refroidissement, type de compresseur, sélection de réfrigérant, conception de l'échangeur de chaleur - pour obtenir un fonctionnement efficace entre les conditions. Comprendre ces aspects - y compris les systèmes de contrôle, les mesures d'efficacité comme COP / IPLV, les niveaux de bruit, la taille, les besoins d'installation et les caractéristiques de maintenance - consiste aux ingénieurs pour spécifier des systèmes qui répondent aux exigences du projet tout en minimisant les coûts à long terme et l'impact environnemental.

Que ce soit la modernisation d'une installation existante ou la conception d'un nouveau projet, une attention particulière à ces facteurs assure des performances et une durabilité optimales, en s'alignant sur les objectifs de durabilité et les exigences réglementaires comme l'amendement Kigali.