공기 냉각 냉각기 디자인 : 포괄적 인 가이드

Air cooled chillers are widely deployed in commercial buildings, industrial facilities, and even residential projects due to their straightforward installation and independence from water resources. Unlike water cooled chillers, they dissipate heat into the atmosphere via fans blowing over condenser coils, avoiding the complexity of water treatment and cooling towers. However, their exposure to outdoor conditions—such as extreme temperatures and debris accumulation—presents distinct design challenges.

공기 냉각 식 냉각기를 설계하려면 응용 프로그램의 규모 및 하중 변동성에 적합한 압축기 선택, 환경 영향의 효율성, 응축기 및 증발기 열전기 최적화, 에너지 절약을위한 고급 제어 및 소음, 공간 및 유지 보수 접근성과 같은 실질적인 문제를 해결하는 냉매를 선택하는 것과 같은 균형 요소가 필요합니다. 이러한 고려 사항은 냉각기가 프로젝트 요구를 충족시키면서 운영 비용과 환경 발자국을 최소화합니다.

공기 냉각 및 수냉식 냉각기의 비교

냉각기 유형을 선택할 때 공기 냉각 및 수냉식 설계는 크게 다릅니다.

• 열 거부: 공기 냉각 냉각기는 주변 공기를 가진 팬과 콘덴서 코일을 사용합니다. 수냉식 냉각기는 냉각탑이나 수원에 의존합니다.
• 설치: 공기 냉각 장치에는 물 배관이 필요하지 않으며 설정을 단순화하지만 공기 흐름을위한 더 많은 공간이 필요합니다. 수냉식 장치에는 광범위한 배관이 필요하지만 실내에서 더 컴팩트 할 수 있습니다.
• 능률: 물의 우수한 열 전달로 인해 더운 기후에서 수냉식 냉각기가 뛰어납니다. 공기 냉각 효율은 고온에서 떨어집니다.
• 유지: 공기 냉각 냉각기는 오염을 방지하기 위해 빈번한 코일 청소가 필요할 수 있습니다. 수냉식 단위는 스케일링 및 부식을 피하기 위해 수처리가 필요하며 비용이 증가합니다.

따라서, 공기 냉각 냉각기는 도시 옥상이나 건조한 지역과 같은 물-스캔 또는 우주 제한 환경에 적합하지만, 수냉식 설계는 대규모 효율성 중심의 산업 응용 분야에서 더 좋습니다.

설계 매개 변수

냉방 능력

냉각 용량은 일반적으로 냉장 톤 (TR) 또는 Kilowatts (KW)로 평가되며 1 TR은 3.517 kW 또는 12,000 btu/h에 동일합니다. 등급은 표준 조건을 기준으로합니다.

• 공기 온도에 들어가는 응축기 : 86 ° F (30 ° C)
• 냉수 온도 : 54 ° F (12 ° C)
• 냉수가 떠나는 온도 : 44 ° F (7 ° C)

예를 들어:

• 397kW (~ 113 TR) 냉각기는 중간 크기의 상업 또는 산업 요구에 적합합니다.
• Capacity must match the cooling load. Undersizing risks insufficient cooling and frequent cycling; oversizing reduces efficiency and raises costs. A common approach is selecting a unit 10-20% above calculated load to handle variations or future expansion without compromising efficiency.

압축기 유형

The compressor, the chiller’s core, compresses refrigerant gas to drive heat transfer. Air cooled chillers typically use:

• 스크롤 압축기: Ideal for small to medium units (up to ~150 TR). Compact and quiet (~60-65 dB(A)), they’re efficient under stable loads with hermetic designs minimizing leaks.
• 나사 압축기: Suited for medium to large systems (150+ TR). They excel at part-load efficiency and can use VSDs for capacity control.
• 원심 압축기: 공기 냉각 시스템에서는 드물지만 매우 큰 응용 분야 (500+ tr)에 사용됩니다. 완전 부하가 효율적으로 부품로드 작동을위한 복잡한 컨트롤이 필요합니다.

선택은 부하 크기, 변동성 (예 : 사무실 대 공장), 소음 제약 (예 : 도시 옥상) 및 예산에 따라 다릅니다.

냉매 선택

냉매 선택은 효율성, 규제 준수 및 성능에 영향을 미칩니다.

• 일반적인 냉매:
  • R-134a: HFC, 제로 답변, GWP ~ 1430.
  • R-410A: HFC Blend, Zero ODP, GWP ~ 2088, 소규모 시스템에서 일반적입니다.
  • R-407C: HFC 블렌드, GWP ~ 1774, 종종 R-22 교체.
• 낮은 GWP 대안:
  • R-32: GWP ~ 675, 효율로 인해 성장합니다.
  • R-454B: R-410A 대체물로 설계된 GWP <200.

Regulations like the Kigali Amendment aim to phase down HFCs, requiring engineers to balance performance, cost, and availability with local compliance.

콘덴서 디자인

The condenser, critical for heat rejection, includes:

• 주요 특징들:
  • Fin Type: Copper-aluminum fins are standard; higher density improves heat transfer but risks fouling.
  • Tubing: Copper, for excellent thermal conductivity.
  • Fan Arrangement: Multiple fans ensure redundancy; staged operation matches load.
  • Fan Motor Power: Determines airflow rate, addressing local climate extremes.

For instance:

• A typical condenser might feature fans delivering ~30 m³/s airflow, with entering air at 30°C (86°F) and leaving at 44°C (111°F).

응축기는 겨울 최저 (예 : -10 ° C)에서 여름 최고 (예 : +40 ° C)에 이르기까지 주변 온도 범위를 처리해야하며 에너지 사용을 최소화하면서 신뢰성을 보장합니다.

증발기 설계

증발기는 냉수 또는 공정 유체로부터 열을 흡수합니다.

• 유형:
  • 쉘 앤 튜브: 강력하고 대부분의 응용 프로그램에 적합합니다.
  • 그릇: Compact, 공간 제한 설정에 이상적입니다.

주요 매개 변수 :

• 물 유량: 중간 크기의 단위의 경우 ~ 15 kg/s (~ 251 gpm)와 같은 시스템 설계와 일치합니다.
• 온도 강하: 일반적으로 6-10 ° C (예 : 입구 12 ° C/53 ° F, 출구 6 ° C/42 ° F).

적절한 크기는 증발기의 압력 강하를 최소화하면서 효율적인 열 전달을 보장합니다.

제어 시스템

최신 공기 냉각 냉각기에는 고급 컨트롤이 있습니다.

• 가변 속도 드라이브 (VSD): 정확한 용량 조정을 위해 압축기 및 팬에게 적용.
• 마이크로 프로세서 제어: 온도/압력을 모니터링하고 동적으로 설정 점을 조정합니다.

이로 인해 부품 부하 효율이 향상됩니다. 대부분의 응용 프로그램은 45-60%로 실행되며 압축기 및 팬과 같은 구성 요소의 마모가 줄어 듭니다.

에너지 효율

효율은 성능 계수 (COP) 또는 에너지 효율 비율 (EER)을 통해 측정됩니다.

• COP = 냉각 출력 / 전원 입력
  • 예 : 397 kW 냉각, 98.9 kW 입력, COP ≈ 4.0.

경찰이 높을수록 효율성이 향상됩니다. 현대 시스템은 일반적으로 최대로드에서 COP> 4.0을 달성합니다. 냉각제는 일년 내내 최대 용량으로 거의 작동하지 않기 때문에 전체 부하 조건 (예 : IPLV)에서 높은 등급을 찾으십시오.

소음 수준

공기 냉각 냉각기는 팬과 압축기로부터 상당한 소음을 생성합니다.

• 전형적인 음향 전력 : 30 피트에서 ~ 70-90 DB (a).

완화 전략 :

• 민감한 영역에서 멀리 떨어진 위치.
• 음향 인클로저 또는 장벽을 사용하십시오.

소음은 도시 또는 주거 환경의 주요 관심사이며, 종종 엄격한 지역 규정에 의해 관리됩니다.

크기와 무게

물리적 치수는 설치 타당성에 영향을 미칩니다.

• 예 : ~ 100 TR 장치는 무게가 5-10 톤 인 10 x 6 x 7 피트를 측정 할 수 있습니다.

특히 부하 제한이있는 옥상 설치에 대한 구조적 지원을 보장하십시오.

전기 요구 사항

냉각기는 상당한 힘을 요구합니다.

• 전압 : 더 큰 장치의 경우 일반적으로 460V/3 상.
• 전체 부하 AMPS : 크기별로 다양합니다. 100 TR 장치는 50-150 A를 끌어들일 수 있습니다.

전기 인프라가 현지 코드 당 적절한 차단기 및 과전류 보호를 포함한 피크 수요를 지원합니다.

설치 요구 사항

설치 고려 사항에는 다음이 포함됩니다.

• 정리: 공기 흐름 및 유지 보수를 위해 ~ 3-5 피트.
• 레벨 장착: Ensures proper drainage/refrigerant flow.

Account for local climate; protect against extreme weather (e.g., rain covers) if needed.

유지 보수 고려 사항

Regular maintenance ensures longevity:

• Clean condenser coils annually; check refrigerant levels.

Design features like removable cores or accessible panels simplify tasks like filter replacement or coil cleaning, reducing downtime costs.

결론

Designing an air cooled chiller involves balancing multiple parameters—cooling capacity, compressor type, refrigerant selection, heat exchanger design—to achieve efficient operation across conditions. Understanding these aspects—including control systems, efficiency metrics like COP/IPLV, noise levels, size, installation needs, and maintenance features—enables engineers to specify systems that meet project requirements while minimizing long-term costs and environmental impact.

Whether retrofitting an existing facility or designing a new project, careful consideration of these factors ensures optimal performance and durability, aligning with sustainability goals and regulatory requirements like the Kigali Amendment.