В воздушном конденсаторе хладагент отдаёт тепло наружному воздуху и превращается в жидкость. Температура конденсации устанавливается выше температуры воздуха на величину, которую определяет теплообменник и расход воздуха через него: больше воздуха — меньше эта разница, ниже температура и давление конденсации. Вентилятор, таким образом, — не вспомогательный агрегат, а регулятор давления. Посмотрим, что он делает в течение года на одной и той же машине.
Январь: вентиляторы, которые мешают
Зимой воздух холодный, и конденсатор с полным расходом охлаждает хладагент гораздо сильнее, чем нужно. Давление конденсации падает. Казалось бы, хорошо — компрессору легче. Но дросселирующему устройству, будь то ТРВ или капиллярная трубка, для подачи жидкости в испаритель нужен перепад давлений между горячей и холодной сторонами. Когда перепад мал, жидкости проходит слишком мало, испаритель недокармливается, и машина теряет холодопроизводительность ровно в тот момент, когда на улице мороз, а в камере по-прежнему нужен холод.
Поэтому зимой задача меняется на противоположную: давление конденсации надо не снижать, а держать не ниже минимума. Проще всего — уменьшить поток воздуха: сбросить обороты вентиляторов или остановить часть из них. На крупных установках к этому добавляют заполнение части конденсатора жидким хладагентом через регулирующий клапан, чтобы уменьшить работающую поверхность.
Способ «один вентилятор включён — выключен» даёт плохой результат: давление раскачивается вслед за каждым пуском и остановом. Последовательное включение нескольких вентиляторов работает лучше, а плавное изменение оборотов всех сразу — лучше всего. Ещё одна зимняя ловушка связана со стоянкой: на остановленной машине холодный конденсатор может оказаться местом с самым низким давлением, и хладагент мигрирует туда из испарителя. Против этого ставят обратный клапан, отсекающий конденсатор на время простоя.
Апрель: где спрятана экономия
Весной и осенью, когда воздух ещё прохладный, появляется простор для экономии. Каждый градус снижения температуры конденсации уменьшает степень сжатия, и компрессор тратит меньше энергии на тот же холод. Отсюда идея «плавающего» давления конденсации: не держать его постоянным с запасом на летнюю жару, а опускать вслед за наружной температурой, насколько позволяет дросселирующее устройство.
Масштаб эффекта показывает расчётное сравнение режимов, которое приводит Академия КриоФрост для установки на R404A холодопроизводительностью 356 кВт в климате Волгограда. Переход от постоянной температуры конденсации +45 °C к режиму с минимальной уставкой +10 °C сократил энергопотребление установки на 46 %. Вариант, где поддерживается постоянная разность 10 К между температурой конденсации и воздухом, потребовал всего на 1,5 % больше энергии, чем вариант с уставкой +10 °C.
Предел у этой экономии есть, и задаёт его сам вентилятор. Чтобы опустить давление ещё на градус, нужно прогнать через конденсатор больше воздуха, а мощность вентилятора растёт как куб расхода. В какой-то момент киловатты, сэкономленные на компрессоре, начинают уходить в вентиляторы. Оптимум лежит там, где сумма двух потреблений минимальна, и его положение зависит от КПД вентиляторов: чем экономичнее двигатель, тем ниже можно держать давление с выгодой.
Ещё один ограничитель — дросселирующее устройство. Механический ТРВ требует ощутимого перепада и не позволяет опускать давление далеко. Электронный расширительный вентиль работает при меньшем перепаде, поэтому глубокое плавающее давление обычно идёт в паре с ЭРВ.
Июль: запас, которого нет
Летом картина обратная: воздух горячий, давление конденсации высокое, и вентиляторы работают на полную. Запаса у них нет, поэтому любое ухудшение теплообмена сразу поднимает давление. Самые частые причины — загрязнённое оребрение, перекрытый подвод воздуха и рециркуляция, когда горячий воздух от конденсатора возвращается на его же вход. В жаркий день машина с грязным конденсатором упирается в реле высокого давления и останавливается.
Отсюда практический вывод для подбора: вентиляторы конденсатора выбирают по самой жаркой расчётной точке, а регулирование нужно для всех остальных дней года. Машина, у которой вентиляторы умеют только «включено» и «выключено», переплачивает большую часть года.
Ступенями или плавно
Возьмём конденсатор с восемью вентиляторами и режим, где нужна половина расхода воздуха. Ступенчатое регулирование оставит работать четыре вентилятора на полных оборотах. Плавное — все восемь на половине оборотов. По законам подобия вентилятор на половине оборотов потребляет около одной восьмой мощности, так что восемь таких потребляют как один на полной скорости — вчетверо меньше, чем четыре работающих в ступенчатом варианте.
Это идеализированный расчёт: в реальном конденсаторе на распределение воздуха влияют сопротивление теплообменника и неравномерность потока. Но направление и порядок разницы сохраняются, а бонусом идёт более равномерный обдув всей поверхности, стабильное давление без скачков и тишина ночью. Для этого каждый вентилятор должен уметь плавно менять скорость: у EC-двигателя это встроенная функция с управлением сигналом 0–10 В или по ModBus, у асинхронного — отдельный преобразователь частоты или ступенчатое переключение обмоток.
Тот же вопрос с другой стороны — выбор числа полюсов для асинхронных вентиляторов конденсаторов, где одно колесо ставят на шести- и восьмиполюсные двигатели; разница разобрана в статье про число полюсов. Какие вентиляторы мы предлагаем для конденсаторов, драйкулеров и чиллеров, — на странице вентиляторов для холода.