ТЕПЛООБМЕННИК ПРИТОЧНОЙ УСТАНОВКИ ПРОИЗВОДСТВО И ПОСТАВКА

Назначение и роль теплообменника в приточной установке

Теплообменник приточной установки – это ключевой компонент системы вентиляции, отвечающий за нагрев или охлаждение приточного воздуха до необходимых параметров. В инженерных и промышленных приточных вентиляционных агрегатах через теплообменник происходит передача тепловой энергии между теплоносителем (например, горячей водой, паром или холодным хладагентом) и потоком свежего воздуха. За счет этого приточная вентиляция может поддерживать заданную температуру воздушного потока, обеспечивая комфортные или технологически необходимые условия внутри помещений. В производственных системах HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning – отопление, вентиляция и кондиционирование) теплообменники позволяют поддерживать стабильный микроклимат и гарантируют надежную работу оборудования и процессов, чувствительных к температуре.

Роль теплообменника в приточной установке заключается в эффективном перенесении тепла: зимой он нагревает холодный наружный воздух перед подачей внутрь, а летом или при технологическом охлаждении – понижает температуру приточного воздуха. Кроме того, в современных приточно-вытяжных системах вентиляции теплообменники используются для рекуперации – передачи тепла от вытяжного (удаляемого) воздуха приточному, что значительно повышает энергоэффективность системы. Таким образом, теплообменник обеспечивает как комфорт и требования технологической вентиляции, так и экономию энергии за счет снижения нагрузки на системы отопления или охлаждения. В промышленных вентиляционных агрегатах и крупных HVAC-системах без эффективного теплообменника сложно достичь необходимого температурного баланса приточного воздуха, поэтому выбор и правильная эксплуатация этого элемента крайне важны.

Типы теплообменников приточных установок

В приточных установках применяются различные типы теплообменников в зависимости от требуемых функций – нагрев воздуха, охлаждение или рекуперация тепла. К основным видам относятся водяные и паровые калориферы для нагрева, воздухоохладители и фреоновые испарители для охлаждения, а также пластинчатые и роторные рекуператоры для утилизации (возврата) тепла. Каждый тип имеет свои конструктивные особенности и область применения в инженерных системах вентиляции.

Водяные калориферы

Водяные калориферы – наиболее распространенный тип нагревательных теплообменников в приточных установках. Они представляют собой оребренные теплообменники, в которых теплоносителем служит горячая вода, поступающая, например, от системы отопления или котельной. Конструкция водяного калорифера обычно включает пакет трубок с наружным оребрением (ламелями) из теплопроводного металла. Чаще всего применяется медно-алюминиевая схема: по тонкостенным медным трубкам циркулирует горячая вода, а на трубки нанизаны алюминиевые ламели (ребра), увеличивающие площадь теплообмена со струёй воздуха. Оребрение значительно повышает эффективность передачи тепла от горячей воды к воздуху, поскольку голая трубка имела бы недостаточную поверхность соприкосновения с потоком.

Водяные калориферы монтируются в приточный канал или секцию агрегата так, чтобы проходящий через них холодный приточный воздух обдувал внешнюю поверхность трубок с ламелями и нагревался. Конструкция обычно содержит несколько рядов таких труб с оребрением, расположенных поперек потока воздуха. Количество рядов (глубина пакета труб) зависит от требуемой мощности нагрева: распространены калориферы с двумя, тремя или четырьмя рядами труб. Вода подается в нижний коллектор калорифера и проходит по трубкам вверх через последовательно соединенные ряды, выходя через верхний коллектор – такое снизу-вверх направление позволяет избежать скопления воздуха в трубках (развоздушивания). По бокам корпуса калорифера обычно предусмотрены фланцы или рамки для присоединения к воздуховодам приточной вентиляции. Водяные калориферы широко используются в промышленных и коммерческих системах, так как они позволяют эффективно нагревать большие объемы воздуха при относительно невысоких эксплуатационных затратах, особенно если имеется доступ к дешевому теплоносителю (например, горячей воде от ТЭЦ).

Паровые калориферы

Паровые калориферы применяются для нагрева приточного воздуха с использованием водяного пара в качестве теплоносителя. Паровые нагреватели распространены в промышленных системах вентиляции и отопления там, где доступен пар под давлением (например, от промышленных паровых котлов или центральных тепловых пунктов). По конструкции паровой калорифер похож на водяной, однако имеет свои особенности из-за свойств пара. Как правило, паровые калориферы выполняются однорядными или двухрядными, с относительно крупными стальными или медными трубками, снабженными алюминиевым оребрением. Пар поступает в теплообменник через входной коллектор, конденсируется внутри трубок, отдавая большое количество тепла стенкам, а затем конденсат отводится через выходной коллектор в систему дренажа конденсата.

Важная конструктивная особенность – калачи (U-образные трубные изгибы) в паровых калориферах обычно отсутствуют или их минимальное количество, потому что часто реализуется одноходовая схема: пар подается с одного конца, проходит через прямые трубки и выходит конденсатом с другого конца. Такой одноходовой проход облегчает стекание конденсата и предотвращает гидравлические пробки. Вода-конденсат отводится через специальные конденсатоотводчики. Оребрение на трубках увеличивает теплоотдачу к воздуху аналогично водяному калориферу. Паровые калориферы способны обеспечивать очень интенсивный нагрев воздуха, так как скрытая теплота конденсации пара велика, а температура пара может достигать 150–180 °C. Это позволяет быстро нагревать приточные потоки даже при больших расходах воздуха. Однако из-за высокой температуры паровые теплообменники предъявляют повышенные требования к материалам (нержавеющая сталь или специальные стали для труб, термостойкие уплотнения) и безопасности (необходимо надежное автоматическое регулирование, чтобы не перегревать воздух сверх нормы). Их используют преимущественно на производствах и в технологической вентиляции, где есть промышленный пар: например, на предприятиях химической, пищевой промышленности, либо в старых системах отопления крупных зданий. В современных офисных и коммерческих приточных установках паровые калориферы встречаются реже из-за сложности эксплуатации пара, но на промышленных объектах этот тип теплообменника по-прежнему актуален.

Воздухоохладители (водяные охлаждающие теплообменники)

Для охлаждения приточного воздуха в теплое время года или в технологических процессах применяются воздухоохладители – теплообменники, через которые прокачивается холодная вода или водный раствор хладагента (например, раствор гликоля). Водяной воздухоохладитель по конструкции во многом схож с водяным калорифером, только предназначен для обратной задачи – охлаждать воздух. Он также состоит из ряда медных трубок с алюминиевыми ламелями, образующих оребрение, через которое проходит охлаждаемая воздушная струя. Холодная вода (часто от чиллера или иной холодильной установки) подается во входной коллектор охладителя и распределяется по трубкам; нагреваясь на несколько градусов, вода выходит через выходной коллектор обратно на охлаждение. Приточный воздух, проходя между охлажденными ламелями, понижает свою температуру.

Особенность эксплуатации воздухоохладителей – при охлаждении воздуха ниже точки росы на ламелях оседает конденсат (влага из воздуха). Поэтому в конструкции секции охлаждения обязательно предусматриваются дренаж и каплеуловитель. Дренаж конденсата осуществляется через поддон, расположенный под охлаждающим теплообменником: капли собираются на ламелях, стекают вниз в поддон, откуда отводятся через дренажную трубку. Чтобы поток воздуха не уносил влагу, за воздухоохладителем устанавливаются каплеуловители – кассеты из профилированных пластин или сеток, которые улавливают мельчайшие капли, образующиеся на выходе теплообменника при высокой скорости воздуха. Каплеуловитель обеспечивает осаждение этих капелек и возврат их в дренажный поддон, предотвращая попадание влаги в воздуховоды. Таким образом, поддерживается необходимая влажность и исключается риск конденсации или коррозии дальше по системе.

Водяные воздухоохладители применяются в системах кондиционирования воздуха для производственных помещений, в крупных коммерческих зданиях, а также в дата-центрах, где теплоизбытки от оборудования требуют постоянного отведения. Они позволяют снимать значительные тепловые нагрузки с воздуха. Для эффективного охлаждения требуются теплообменники с большим числом рядов труб (иногда 4–8 рядов) и малым шагом ламелей, чтобы увеличить поверхность и интенсивность теплоотдачи. Однако более плотное оребрение повышает аэродинамическое сопротивление, поэтому при проектировании всегда ищется баланс между мощностью охладителя и допустимым сопротивлением воздуха.

Фреоновые испарители (DX-охладители)

Фреоновый испаритель – это теплообменник прямого охлаждения, в котором в качестве охлаждающего агента используется хладагент (часто фторуглеродный – так называемый «фреон») из компрессионной холодильно-кондиционерной системы. Такой испаритель встроен в приточную установку и входит в контур холодильной машины вместе с компрессором и конденсатором. Принцип действия фреонового испарителя отличается от водяного воздухоохладителя тем, что внутри его трубок испаряется жидкий хладагент, отбирая тепло у проходящего снаружи воздуха.

Конструктивно фреоновый испаритель представляет собой все тот же оребренный медно-алюминиевый теплообменник: медные трубки (как правило, более мелкого диаметра, чем у водяных, для лучшего теплопереноса) и алюминиевые ламели с оптимизированным профилем. Жидкий хладагент поступает через распределитель и капиллярно-терморегулирующий клапан (или электронный расширительный вентиль) в испаритель, кипит внутри труб при низком давлении, превращаясь в газ и поглощая скрытую теплоту парообразования. Проходящий снаружи приточный воздух отдает тепло ламелям и трубкам, в результате чего охлаждается и осушается (влага конденсируется аналогично случаю с водяным охладителем, поэтому также необходимы поддон и каплеуловитель). Испарившийся газообразный хладагент отводится из теплообменника и компрессором нагнетается в конденсатор, завершая холодильный цикл.

Фреоновые DX-охладители часто используются в составе компактных приточных установок или крышных кондиционеров (руфтопов), где нет отдельного выносного чиллера: весь цикл охлаждения интегрирован в один агрегат. Их преимущество – более простая компоновка системы охлаждения, отсутствие промежуточного контура с водой, что сокращает теплопотери и позволяет тонко регулировать холодопроизводительность. Однако применение фреонового контура требует высокого качества сборки и герметичности, квалифицированного обслуживания холодильной части. В инженерном плане такие испарители позволяют организовать эффективное кондиционирование в зданиях, промышленных цехах и дата-центрах без прокладки сетей охлаждающей воды, что особенно актуально при ограниченном пространстве или отсутствии центральной холодильной станции.

Пластинчатые рекуператоры

Пластинчатые рекуператоры – это воздухо-воздушные теплообменники, предназначенные для утилизации тепла вытяжного воздуха и передачи его приточному воздуху без смешения потоков. Конструктивно пластинчатый рекуператор представляет собой пакет тонких пластин, собранных в единый блок таким образом, что соседние каналы чередуются: по одним каналам проходит теплый вытяжной воздух из помещения, по другим – холодный приточный с улицы. Стенки каналов (пластины) выполнены из материала с высокой теплопроводностью, обычно из алюминия или специальных полимеров. За счет разницы температур теплый воздух нагревает пластину, а через эту же пластину холодный воздух получает тепло. Таким образом, значительная часть тепловой энергии, которая выбрасывалась бы наружу, возвращается в приточный поток.

Пластинчатые рекуператоры в приточных установках могут иметь различную конфигурацию потоков – перекрестноточную (кросс-флоу) или противоточную. Противоточные пластинчатые теплообменники обеспечивают более высокую эффективность рекуперации (до 70–85%), тогда как перекрестные проще по конструкции. В них отсутствуют движущиеся части, что делает устройство надежным и не требующим сложного обслуживания. Однако имеется особенность: в холодное время года при большом перепаде температур на пластинах рекуператора может конденсироваться влага и даже образовываться иней, поскольку вытяжной воздух, отдавая тепло, охлаждается и его влага выпадает на холодных поверхностях. Поэтому для пластинчатых рекуператоров предусматривают системы защиты от обмерзания – например, байпас холодного воздуха (частичный обход рекуператора) при экстремально низких температурах, либо периодический прогрев (если установлена секция нагрева). Байпас пластинчатого рекуператора позволяет направить часть приточного воздуха в обход пластин, чтобы температура в рекуператоре поднялась и растопила иней, после чего нормальная работа возобновляется.

Материал пластин влияет на эффективность и область применения: алюминиевые пластины обладают высокой теплопроводностью, но влага на них конденсируется как жидкая вода; полимерные (пластиковые) пластины могут быть выполнены в виде энтальпийного рекуператора, способного частично передавать еще и влагу (за счет диффузии через специальную мембрану), что помогает сохранять влажность в помещениях зимой. Пластинчатые рекуператоры активно применяются в промышленных вентиляционных агрегатах и установках HVAC для производств, поскольку существенно снижают энергозатраты на нагрев свежего воздуха. Они просты, дешевы в эксплуатации и обеспечивают разделение потоков (важно, если вытяжной воздух загрязнен или не должен смешиваться с приточным). Ограничением может быть лишь относительно высокое аэродинамическое сопротивление при плотной компоновке пластин и необходимость утилизации конденсата, но при правильном проектировании эти вопросы решаются конструктивно.

Роторные рекуператоры

Роторные рекуператоры представляют собой вращающиеся теплообменники, также предназначенные для передачи тепла от вытяжного воздуха приточному, но реализующие этот процесс иным способом. Роторный теплообменник – это большой цилиндрический ротор (тепловое колесо), собранный из множества гофрированных металлических лент (чаще алюминиевых, иногда с нанесенными оксидами или покрытием для улучшения влагопередачи). Ротор медленно вращается (обычно 10–20 об/мин) в потоке двух противоположных воздушных струй: половина колеса оказывается в потоке теплого вытяжного воздуха, нагревается от него, затем этот сегмент поворачивается в поток холодного приточного воздуха и там отдаёт накопленное тепло. Движущийся ротор циклически переносит тепло между потоками.

Роторные рекуператоры способны утилизировать не только тепло, но и влагу, если выполнены как энтальпийные (с гигроскопическим покрытием ротора). Это означает, что часть влажности из вытяжного воздуха перейдет в приточный, что полезно в зимний период для поддержания комфортной относительной влажности внутри. Эффективность теплопередачи у роторных рекуператоров очень высокая, зачастую 75–90%, что превышает возможности большинства пластинчатых. При этом, благодаря вращению, проблема обмерзания минимальна – иней просто не успевает образовываться, влага возвращается в помещение с приточным воздухом или сбрасывается частично обратно.

Конструкция роторного рекуператора более сложная: требуется электропривод и система регулирования скорости вращения (автоматизация позволяет изменять скорость для контроля эффективности рекуперации и во избежание перегрева воздуха). Также необходимы уплотнения между приточной и вытяжной камерами, однако полностью исключить перенос воздуха не удается – небольшой процент (обычно 5–10%) вытяжного воздуха перетаскивается ротором обратно в приток. Поэтому роторные рекуператоры не применяют там, где недопустимо даже минимальное смешивание потоков (например, в вентиляции вредных или взрывобезопасных зон). Зато в обычных промышленных и коммерческих системах они весьма популярны из-за высокой энергоэффективности и относительной компактности (один ротор заменяет собой громоздкий блок пластинчатых рекуператоров аналогичной мощности). В промышленных вентиляционных агрегатах для производств и на объектах с большими расходами воздуха (торговые центры, спортивные сооружения, цеха) роторный рекуператор часто является оптимальным решением по совокупности критериев – КПД, габариты, отсутствие расходного контура (нет жидкости, как в гликолевых системах). Его применение позволяет существенно снизить затраты на отопление приточного воздуха, особенно в условиях длительного отопительного периода.

Конструктивные особенности теплообменников

Конструкция теплообменника приточной установки зависит от его типа, но можно выделить ряд общих инженерных элементов и особенностей, характерных для многих теплообменных аппаратов в вентиляции. К таким особенностям относятся оребрение поверхности, использование специальных деталей, таких как калачи и распределительные коллекторы в трубчатых аппаратах, выбор оптимального шага ламелей, а также элементы отвода конденсата и улавливания влаги, такие как дренажные поддоны и каплеуловители. Материалы и конструкция этих частей влияют на эффективность теплообмена, аэродинамическое сопротивление и долговечность оборудования.

Оребрение. Подавляющее большинство теплообменников, работающих с воздухом (калориферы, охладители, испарители), имеют оребренную поверхность. Оребрение – это система тонких пластин или ребер (ламелей), насаженных на основную теплообменную поверхность (трубки или панели). Цель оребрения – увеличить площадь контакта между металлической поверхностью, через которую идет теплоноситель, и потоком воздуха. Например, одна гладкая трубка имеет ограниченную поверхность, а оребренная множеством ламелей трубка обретает во много раз большую площадь, что повышает количество переданного тепла. Шаг ламелей (расстояние между соседними пластинами оребрения) подбирается конструктором в зависимости от требуемой интенсивности теплообмена и допустимого сопротивления воздуха. Малый шаг ламелей (плотное оребрение) обеспечивает большую поверхность и высокую теплопередачу, но увеличивает аэродинамическое сопротивление и риск загрязнения (пыль быстрее забивает узкие межламельные промежутки). Большой шаг ламелей облегчает проход воздуха и очистку, но снижает эффективность теплообмена на единицу объема. Обычно в вентиляционных теплообменниках шаг ламелей составляет 1,5–3 мм для высокоэффективных компактных секций (например, охлаждающих) и 3–5 мм для менее требовательных к мощности или более грязных сред (например, преднагреватели с фильтрацией воздуха перед ними). Материал ламелей практически всегда алюминий или тонкая оцинкованная сталь, припаивается или механически запрессовывается на трубки с обеспечением плотного контакта для хорошей теплопередачи. Правильно спроектированное оребрение – залог того, что теплообменник достигнет расчетной мощности при заданном расходе воздуха.

Калачи и коллекторы. В трубчатых оребренных теплообменниках (калориферах и охладителях) важную роль играют такие детали, как коллекторы и калачи. Коллекторы – это полые цилиндрические камеры (обычно трубы большего диаметра), расположенные сбоку теплообменника, через которые теплоноситель (вода, пар или хладагент) распределяется по множеству параллельных трубок. Как правило, есть входной коллектор, куда поступает теплоноситель, и выходной, откуда он возвращается в систему. Внутри коллекторов могут быть перегородки, задающие нужный путь потока (например, делящие теплообменник на несколько ходов для воды). Коллекторы испытывают полное давление теплоносителя, поэтому выполняются из прочных материалов: черная или оцинкованная сталь, медь, реже нержавеющая сталь. К коллекторам присоединяются концы теплообменных трубок – обычно посредством пайки, сварки или развальцовки с пайкой (для медных труб).

Калачи – U-образные изогнутые отрезки труб, которые соединяют между собой конец одной трубки теплообменника с началом другой, образуя замкнутый змеевик. Калачи используют для многорядных водяных калориферов и охладителей: например, если теплообменник имеет несколько рядов труб, проходящих поперек воздуха, то, дойдя до конца первого ряда, вода должна повернуть и пойти в следующий ряд – эту функцию выполняет калач, объединяя выход одной трубки с входом другой на противоположной стороне секции. Таким образом, теплоноситель последовательно проходит через все ряды. Калачи обычно изготавливаются из той же трубы, что и основные трубки (медь или сталь), методом гибки, и припаиваются или привариваются к трубным концам. Они также формируют концевые изгибы в теплообменнике. В некоторых конструкциях (особенно для хладагентов) калачи могут иметь оребрение или теплоизоляцию, если это необходимо. В паровых одноходовых калориферах калачи почти не применяются, там трубки напрямую запаяны в коллекторы с двух сторон. Но в водяных змеевиковых калориферах и испарителях без калачей не обойтись. От качества изготовления калачей и пайки зависит герметичность и ресурс теплообменника, так как эти элементы находятся под воздействием перепадов температур и давления.

Шаг ламелей. Уже упомянутый шаг ламелей заслуживает отдельного внимания как параметр конструкции. Это расстояние между пластинами оребрения, определяющее плотность ребристой поверхности. Конструкторы, выбирая шаг ламелей, фактически балансируют между эффективностью и практичностью. Например, для теплообменника охлаждения приточного воздуха в условиях офиса, где воздух относительно чистый, могут использовать шаг около 2 мм – это даст высокую мощность охлаждения на компактном размере. Но для калорифера приточной установки, забирающей пыльный наружный воздух на промышленном объекте, целесообразно сделать ламели реже (скажем, 4–5 мм), чтобы грязь не забивала канал между ними слишком быстро и чтобы его можно было прочистить. Шаг ламелей влияет на аэродинамическое сопротивление: чем плотнее пластины, тем труднее воздуху пробираться через них, тем выше падение давления. Производители теплообменников часто указывают характеристику сопротивления воздуха при разных скоростях именно для конкретного шага (плотности) ламельного блока. Иногда применяют комбинированные решения: например, секции оребрения с переменным шагом – более плотным в начале (где воздух входит холодный, для повышения теплоотдачи) и более редким в конце (где воздух уже нагрелся и отдача меньше, зато снижение сопротивления полезно). В любом случае, шаг ламелей всегда подбирается под конкретные условия эксплуатации теплообменника, и это важная часть конструктивного расчета.

Дренаж и поддоны. В конструкциях охлаждающих теплообменников (водяных воздухоохладителей, фреоновых испарителей), а также некоторых рекуператоров предусматривается система дренажа для отвода конденсата. Как отмечалось, при охлаждении воздуха ниже точки росы на холодных поверхностях теплообменника появляется влага. Чтобы эта влага не скапливалась и не разносилась потоком, под секцией теплообменника устанавливают дренажный поддон. Обычно это поддон из нержавеющей стали или пластика, устойчивого к коррозии, имеющий наклон к сливному отверстию. Конденсат стекает с ламелей и труб в этот поддон и по наклону собирается в одной точке, где через патрубок отводится наружу по дренажной трубке. Важно сконструировать дренаж так, чтобы образовался водяной затвор (сифон) – это предотвращает подсос наружного воздуха через дренажное отверстие во время работы вентилятора. Дренажная система должна быть рассчитана на максимальный объем конденсата, который может выделяться в влажные дни, и легко очищаться от возможных отложений (например, солей или биологических загрязнений). В холодных зонах дренажный трап иногда снабжают электрообогревом, чтобы конденсат не замерзал. Наличие исправного дренажа напрямую влияет на гигиеничность работы теплообменника: в противном случае застойная вода может привести к росту микроорганизмов или протечкам.

Каплеуловители. Для высокоскоростных приточных установок или систем с большим потоком воздуха после секции охлаждения монтируются каплеуловители. Это набор профилированных пластин, решеток или волнистых каналов, через которые проходит воздух сразу после теплообменника-охладителя. Резкое изменение направления движения или сужение потоков в каплеуловителе заставляет частицы воды (капли), переносимые воздухом, оседать на этих пластинах. По сути, каплеуловитель играет роль фильтра для капель жидкости. Собравшиеся на пластинах капли стекают вниз обратно в поддон дренажа. Материал каплеуловителя – обычно пластиковые или алюминиевые пластины, устойчивые к воде и коррозии. Конструкция делается разборной, чтобы можно было очищать от возможных отложений. Каплеуловитель добавляет некоторое дополнительное сопротивление воздушному потоку, но оно невелико по сравнению с сопротивлением самого теплообменника. Важно, что использование каплеуловителей предотвращает попадание воды в вентиляционные каналы, изоляцию и далее в помещения, что могло бы вызвать повреждение оборудования или отделки. В промышленных установках, где скорость воздушного потока высока, каплеуловители – обязательный элемент конструкции секции охлаждения. В рекуператорах (особенно роторных) каплеуловители обычно не нужны, так как там капли не переносятся, а в пластинчатых рекуператорах при правильном дренировании потоки также разделены. Таким образом, каплеуловитель – небольшой, но важный компонент, обеспечивающий надежность и безопасность работы теплообменных секций в вентиляции.

Материалы теплообменников

Материалы, из которых изготавливаются теплообменники приточных установок, существенно влияют на их эффективность, устойчивость к коррозии, вес и стоимость. В конструкции задействованы различные металлы и полимеры, каждый со своими преимуществами. Основными материалами являются медь и алюминий (в типичных медно-алюминиевых оребренных теплообменниках), также используются оцинкованная сталь, нержавеющая сталь, различные пластики, а для повышения срока службы применяются защитные покрытия.

Медь. Медные трубки – классическое решение для теплообменников HVAC. Медь обладает великолепной теплопроводностью, уступая среди распространенных материалов разве что алюминию, но превосходя сталь в разы. Медные трубки легко паять и формовать (гнуть в калачи), они достаточно пластичны, что важно при тепловых расширениях и вибрациях, и не ржавеют от воды (медным сплавам не страшна коррозия в системах с нейтральным pH). Это делает медь идеальным материалом для теплоносного контура оребренных калориферов и охладителей. Вода, протекая по медным трубкам, хорошо отдает им тепло или холод, а далее ламели уже контактируют с воздухом. Медно-алюминиевые теплообменники доминируют в вентиляции благодаря оптимальному сочетанию свойств: медь внутри, алюминий снаружи. Однако чисто медные теплообменники (с медными же ламелями) тоже существуют – их применяют в агрессивных средах, где даже алюминий может корродировать (например, в вентиляции бассейнов с хлорсодержащей влагой, хотя чаще в таких случаях берут латунные или биметаллические решения с покрытием). Главный недостаток меди – высокая стоимость и вес. Медь тяжелее алюминия примерно в 3,3 раза, и заметно дороже, поэтому при больших габаритах калориферов их масса становится существенной, а себестоимость растет. Тем не менее в критически важных узлах, где нужна надежность и теплопередача, медь остается базовым выбором.

Алюминий. Алюминиевые сплавы – второй основной материал в теплообменниках. Алюминий имеет очень высокую теплопроводность (порядка 200 Вт/(м·К)), невысокую плотность и относительно низкую стоимость по сравнению с медью. Практически все оребрение (ламели) современных калориферов и воздухоохладителей делается из алюминиевой фольги толщиной 0,1–0,3 мм, штампованной в форму пластин с волнистыми или прорезными поверхностями для турбулизации потока воздуха. Алюминиевые ламели обеспечивают эффективный отбор тепла от трубок к воздуху. Кроме того, алюминий хорошо отдает конденсат – на гладком алюминиевом оребрении капли воды стекают довольно легко, особенно если поверхность покрыта гидрофильным слоем. Помимо ламелей, из алюминия могут быть выполнены и трубки теплообменника: пример – микроканальные теплообменники, которые представляют собой монолитный алюминиевый блок с множеством мелких каналов. Такие исполнения стали применяться все шире, особенно во фреоновых испарителях и конденсаторах, где цельноалюминиевые конструкции позволяют снизить металлоёмкость и стоимость. Алюминий устойчив к коррозии в нейтральной среде благодаря оксидной пленке, но уязвим в присутствии щелочей, кислот или соли. Поэтому в морском климате или при загрязненном воздухе (например, с сернистым газом) алюминиевые ребра могут со временем разрушаться. Для защиты применяют специальные покрытия (полимерные, эпоксидные) на ламелях. Но в большинстве стандартных ситуаций алюминий служит долго и без защиты. Важным преимуществом алюминия является его легкость: теплообменники получаются ощутимо легче, что облегчает монтаж крупных приточных установок на крышах или технических этажах.

Оцинкованная сталь. Сталь используется в теплообменниках чаще не как материал теплопередающих элементов, а как конструкционный и оболочечный материал. Оцинкованная сталь – основной материал для корпусов, рам и кожухов секций теплообменников. Каркас, держащий пакет труб с ламелями, обычно сделан из листовой оцинкованной стали толщиной 1–2 мм, которая обеспечивает необходимую прочность конструкции и одновременно стойкость к коррозии благодаря цинковому покрытию. Фланцы для подключения к воздуховодам, кронштейны крепления также выполняются из оцинковки. В самих теплообменниках стальные элементы тоже встречаются: например, стальные коллектора у водяных калориферов (их внутренняя поверхность контактирует с водой, поэтому часто оцинкована или покрыта антикоррозийной краской). В некоторых типах калориферов (например, спирально-катаные КСк, упоминаемые в ГОСТах) теплообменные трубки изготавливаются из стали с алюминиевым оребрением: к поверхности стальной трубы привальцована тонкая алюминиевая лента спирально, создавая ребристую поверхность. Это удешевляет конструкцию по сравнению с медью, позволяя применять доступные стальные трубы, но требует защиты от ржавчины – обычно такую трубу либо делают из нержавейки, либо используют оцинкованную сталь. Оцинкованная сталь как материал ламелей применяется реже (из-за худшей теплопроводности по сравнению с Al), но может использоваться при высоких температурах, где алюминий теряет прочность. В целом оцинковка – недорогой и конструкционно удобный материал, однако в агрессивных средах цинковое покрытие со временем разрушается, и тогда появляется ржавчина. Потому для тяжелых условий иногда вместо оцинкованной стали выбирают нержавеющую.

Нержавеющая сталь. Нержавеющая сталь – материал для особых применений в теплообменниках приточных систем. Из нержавейки делают теплообменники, которые должны выдерживать либо очень высокие температуры и давления, либо воздействие агрессивных сред (химически активный воздух, морской климат, контакт с пищевыми продуктами и т.д.). Нержавеющие стали (например, марки AISI 304, 316) устойчивы к коррозии благодаря содержанию хрома и никеля, на их поверхности образуется прочная оксидная пленка. Нержавеющая сталь применяется в паровых калориферах для технологических процессов, где пар может содержать примеси или где протечки недопустимы – хотя теплопроводность нержавейки ниже, компенсируют увеличением площади или толщиной стенки уменьшают (медные паровые калориферы при высоких давлениях не всегда подходят, тогда делают стальные). Также нержавеющие пластинчатые рекуператоры используются там, где вытяжной воздух агрессивен, например, в вентиляции химических производств или плавательных бассейнов (хлориды разъедают обычный металл, поэтому теплообменник рекуператора делают из алюминиево-магниевого сплава с покрытием или из нержавейки). Нержавеющая сталь дороже обычной и значительно прочнее на растяжение, но труднее обрабатывается – пайка заменяется сваркой, что усложняет производство тонкотелых теплообменников. Поэтому нержавеющие оребренные калориферы – редкость, их применяют только при крайней необходимости. Чаще можно встретить нержавеющую трубку без оребрения (гладкотрубные охладители или подогреватели для специальных жидкостей, встроенные в вентиляцию). Также нержавеющая сталь идет на дренажные поддоны и каплеуловители, если нужна долговечность и отсутствие ржавчины. Применение нержавейки продиктовано требованиями надежности и гигиены, например, в фармацевтических производствах вся вентиляционная установка может быть из нержавеющей стали.

Пластики. Полимерные материалы все активнее используются в конструкциях теплообменников, особенно там, где важен низкий вес или исключение коррозии. Хотя теплопроводность пластиков намного ниже металлов, тонкие пластиковые пластины могут успешно передавать тепло при большой поверхности. Пластики применяются прежде всего в пластинчатых рекуператорах: многие современные рекуператоры делаются из полипропилена или тонкого поликарбоната. Такие пластины не ржавеют, легкие, могут иметь сложную текстуру для турбулизации воздушного потока. Да, их эффективность немного ниже алюминиевых (из-за меньшей теплопроводности, тепло медленнее проходит через пластик), но компенсируется это большей площадью или толщиной пакета. Полимерные рекуператоры к тому же часто дешевле в производстве – их можно штамповать или лить формованием. Другой пример – каплеуловители: практически всегда изготавливаются из пластика (ПВХ или полипропилен) для устойчивости к воде и экономии веса. Пластиковые детали в дренажных системах (поддоны, трубки) тоже обычное дело. Даже оребрение иногда делают из пластмассы с добавками, но редко, так как металлизированные пластики сложны и дороги. Перспективное направление – композитные материалы: например, углепластиковые или графитонаполненные элементы теплообменников, но это пока нишевые решения для особых отраслей. В вентиляционных же агрегатах самое заметное применение пластика – это энергосберегающие рекуператоры и вспомогательные элементы (лотки, баки).

Защитные покрытия. Чтобы продлить срок службы теплообменников и адаптировать их к сложным условиям, применяют различные покрытия на металлы. Антикоррозионные покрытия особенно важны для алюминиевых ламелей и стальных частей. Например, для эксплуатации в морском климате или на химических предприятиях на алюминиевые ламели наносят эпоксидное покрытие голубого или золотистого цвета (так называемое «blue fin» или «gold fin» покрытие) – тонкий слой полимера, который практически не снижает теплопередачу, но изолирует металл от агрессивной среды. Другой вариант – фторполимерные покрытия, устойчивые к кислотам и щелочам. Они предотвращают разрушение ламелей и склеивание их продуктами коррозии. Помимо защиты, покрытия могут выполнять и технологические функции: гидрофильные пленки на поверхности ламелей улучшают стекание конденсата, что повышает эффективность охладителя (капли не задерживаются и не блокируют воздух). В антибактериальных целях могут применяться покрытия с ионами серебра или специальными добавками, предотвращающими рост плесени на ребрах (актуально для секций охлаждения). Стальные детали (рамки, коллектора) зачастую окрашиваются порошковой краской или покрываются цинком (горячее цинкование) для предотвращения ржавчины. Таким образом, комбинация грамотного выбора материалов – медь, алюминий, сталь, пластик – и защитных мер позволяет создавать теплообменники, способные десятилетиями работать в составе приточной установки даже в неблагоприятных условиях.

Аэродинамика и взаимодействие с воздушным потоком

При проектировании приточной установки важно учитывать аэродинамику теплообменника, то есть его влияние на поток воздуха и наоборот. Теплообменник является препятствием в воздуховоде, и воздух, проходя через него, испытывает сопротивление. Также распределение и характер обдува теплообменника влияют на эффективность теплопередачи. Несколько ключевых аспектов: аэродинамическое сопротивление теплообменника, организация обдува (равномерность потока воздуха через секцию), интеграция в систему вентиляции, а также возможности байпаса воздушного потока вокруг теплообменника в отдельных режимах.

Аэродинамическое сопротивление. Каждый теплообменник в вентиляционном канале создает падение давления, то есть требует от вентилятора дополнительной энергии для прокачки воздуха. Сопротивление определяется геометрией теплообменника: площадью свободного сечения, плотностью оребрения, числом рядов труб, скоростью воздуха. Например, плотный водяной охладитель с 6 рядами труб и мелким шагом ламелей может иметь существенное сопротивление – десятки паскалей (Па) при рабочей скорости воздуха. Если в приточной установке используется несколько теплообменников последовательно (скажем, сначала пластинчатый рекуператор, затем калорифер подогрева), суммарное сопротивление может быть значительным. Инженеры-вентиляционщики закладывают эти потери при подборе вентилятора или воздуходувки, способной развить нужное давление. Превышение расчетного сопротивления приводит к снижению расхода воздуха ниже проектного, что отрицательно сказывается на вентиляции помещений. Поэтому производители теплообменников стремятся оптимизировать конструкции для снижения сопротивления: применяют более тонкие ламели с особым профилем, увеличивают площадь проходного сечения (например, делают теплообменник с запасом по габаритам, чтобы снизить скорость воздуха через него), используют разреженное оребрение там, где допустимо. В характеристиках приточных агрегатов указывается допустимый расход воздуха через теплообменники и соответствующее падение давления. Эта величина также влияет на шум: сильное сопротивление может вызывать турбулентность и аэродинамический шум. Поэтому аэродинамика теплообменника – компромисс между теплоэффективностью (плотный компактный блок) и энергоэффективностью вентиляции (малое сопротивление). В современных энергоэффективных системах HVAC предъявляются жесткие требования: например, по европейским нормам, рекуператоры должны иметь не только высокий КПД, но и умеренное падение давления (обычно не более 150–200 Па при номинальном потоке для больших установок). Это стимулирует применение улучшенных дизайнов теплобменных поверхностей.

Обдув и распределение воздуха. Для максимальной эффективности теплообмена нужно, чтобы весь фронт теплообменника равномерно обдувался воздухом. Неравномерность потока приводит к тому, что одна зона теплообменника перегревается или переохлаждается, в то время как другая недоиспользуется. Например, если часть воздуха подсасывается в обход краев секции (через неплотности) или скорость в центре выше, чем по краям, то центральные трубки будут сильнее охлаждать воздух, а боковые – работать не на полную мощность. В результате снижается общий КПД устройства. Для равномерного обдува конструкторы приточных установок предусматривают выпрямители потока и направляющие аппараты перед теплообменником. Часто перед секцией теплообмена ставится прямоточная решетка или сотовый выпрямитель, который гасит крупномасштабные завихрения от вентилятора и выравнивает профиль скорости. Кроме того, рекомендуются прямые участки воздуховодов до и после теплообменника (обычно 3–5 гидравлических диаметров), чтобы поток успел распределиться. В самих крупных теплообменниках внутри могут быть направляющие лопатки. Обеспечение правильного обдува – задача инженеров по аэродинамике: иногда выполняется CFD-моделирование (Computational Fluid Dynamics) приточной установки, чтобы убедиться в отсутствии застойных зон. Если этого не сделать, могут возникнуть проблемы: помимо снижения теплоотдачи, локальное переохлаждение секции охлаждения грозит заморозкой участка (если вода внутри, она там может замерзнуть), а локальный перегрев нагревателя – сработкой аварийных датчиков или деформацией материала. В промышленной вентиляции, где расход воздуха огромен, равномерность потока критична и для теплопередачи, и для избежания вибраций или свиста. Поэтому конструкции часто проходят аэродинамические испытания на специальных стендах.

Интеграция в систему вентиляции. Теплообменники не существуют сами по себе – они часть общей системы. Например, перед калорифером почти всегда ставится фильтр грубой очистки воздуха, чтобы пыль не оседала на ламелях и не снижала теплопередачу. Этот фильтр тоже влияет на аэродинамику, создавая свое сопротивление, и, загрязняясь, может менять распределение потока. После охладителя могут стоять шумоглушители, которые тоже должны быть рассчитаны с учетом влажного охлажденного воздуха (чтобы не впитывали влагу, их часто делают из гидрофобных материалов). Все эти компоненты — вентиляторы, фильтры, шумоглушители, клапаны — вместе с теплообменниками формируют сложную цепь в приточном агрегате. Нужно, чтобы их характеристики были согласованы: например, вентилятор должен иметь запас по давлению на случай загрязнения теплообменника и фильтра. Вентиляция как комплекс учитывает взаимное влияние: снижение производительности теплообменника (засорились ламели пылью) приведет к изменению температуры воздуха, и автоматика должна это компенсировать (например, увеличить подачу горячей воды или снизить скорость воздуха). Таким образом, аэродинамика и теплопродуктивность тесно связаны с системой автоматизации вентиляции, о чем поговорим далее.

Байпасы потоков. В некоторых режимах работы вентиляции теплообменник может быть не нужен или даже мешать. Например, в межсезонье наружный воздух и так комфортной температуры, и дополнительный нагрев/охлаждение не требуется. Гнать воздух через плотный рекуператор или охладитель в этом случае нерационально – возникает лишнее падение давления, вентилятор тратит энергию на преодоление сопротивления, а эффекта от теплообмена нет (или он нежелателен). Поэтому в приточных установках применяют байпасы – обходные каналы с клапанами (заслонками), позволяющие направить воздух в обход того или иного теплообменника. Наиболее часто байпас делают для рекуператора: летом, когда нужна не рекуперация, а наоборот охлаждение за счет ночного наружного воздуха (фрикулинг), байпас открывается, и приточный воздух идет мимо рекуператора, не нагреваясь от вытяжного. То же самое справедливо, если требуется защита от обмерзания – открыли байпас частично, часть холодного воздуха обходит пластинчатый теплообменник, смешивается с нагретым, температура на пластинах повышается. Байпас может также обходить секцию водяного нагрева, если та не эксплуатируется, хотя обычно проще отключить подачу воды, а воздух и через отключенный калорифер пройдет (его сопротивление невелико по сравнению с рекуператором, например). В некоторых проектах промышленных вентиляционных агрегатов предусматривают целые обходные воздушные магистрали: например, прямой байпас приточного воздуха в обход камеры охлаждения в зимнее время, чтобы не переохлаждать воздух. Управляют байпасами автоматические приводы в составе системы управления установкой. Применение байпасов повышает гибкость работы вентиляционной системы и энергоэффективность – вентиляторы могут работать в оптимальном режиме, а теплообменники – подключаться только когда это нужно. Конечно, само наличие обходного канала увеличивает габариты установки и усложняет ее, поэтому проектировщики решают индивидуально, где байпас необходим. В современных приточных установках для дата-центров, к примеру, почти всегда есть байпас для режима фрикулинга, а вот в простых приточных установках небольших офисов его могут не делать из-за экономии места и средств.

Области применения

Теплообменники приточных установок используются во всех областях, где требуется организованная вентиляция и климатизация воздуха – от общего кондиционирования зданий до специальных промышленных процессов. Рассмотрим несколько характерных сфер применения: промышленные вентиляционные агрегаты, технологическая вентиляция отдельных процессов, HVAC для производственных помещений, а также системы вентиляции и охлаждения дата-центров. В каждой из этих областей теплообменное оборудование играет критически важную роль, хотя требования и приоритеты могут различаться.

Промышленные вентиляционные агрегаты. В больших производственных цехах, на заводах, в горнодобывающей промышленности и других отраслях используются мощные приточные вентиляционные агрегаты для подачи свежего воздуха рабочим и поддержания воздухообмена. В таких агрегатах обязательно присутствуют теплообменники для подготовки воздуха. Зимой огромные массы холодного наружного воздуха надо прогреть, иначе в цеху наступит переохлаждение персонала и оборудования. С этой задачей справляются крупные водяные или паровые калориферы. Часто применяются водяные калориферы, подключенные к промышленной котельной или центральному теплоснабжению: они могут иметь десятки квадратных метров оребренной поверхности и потреблять сотни киловатт тепловой мощности, чтобы довести воздух до +18…+20 °C при массовом расходе тысячи килограммов в час. Если на предприятии есть пар высокого давления, ставят паровые калориферы – они компактнее для той же мощности. Летом приточный воздух может потребовать охлаждения, особенно если внутри идет нагрев от технологических печей или климата. Тогда в агрегат интегрируют воздухоохладители, питающиеся от абсорбционного или компрессионного чиллера. Например, на металлургических и машиностроительных заводах нередки центральные кондиционеры, где вода +7 °C подается в громадный оребренный охладитель приточного вентилятора, снижая температуру воздуха для комфортной работы людей. В промышленных агрегатах также часто устанавливают рекуператоры тепла, особенно в северных регионах: теплый воздух, удаляемый из цехов, прогревает приточный через пластинчатый крупногабаритный рекуператор, что позволяет экономить топливо котельной. Требования промышленности – надежность и простота: теплообменники должны выдерживать запыленный воздух (поэтому шаг ламелей больше, фильтры стоят перед ними), быть устойчивыми к износу. Предпочтение отдается стальным рамам, легкоразборным конструкциям для очистки. Вибрации и возможные удары тоже учитываются (например, делают усиленные крепления трубок в ламелях). Промышленные вентиляционные теплообменники – это часто индивидуально рассчитанные узлы, вписанные в большой вентиляционный комплекс.

Технологическая вентиляция. Помимо общей вентиляции цехов, существуют и специфические технологические процессы, где теплообменники приточной системы обеспечивают очень узкие задачи. Например, в сушильных камерах древесины необходим приток определенной температуры и влажности – здесь приточная установка с калорифером и охладителем, а иногда и увлажнителем, создает нужные параметры для качества сушки. В микроэлектронике производства требуется чистый воздух строго контролируемой температуры: теплообменники поддерживают микроклимат в так называемых чистых помещениях, работая в паре с прецизионной автоматикой. На химических заводах вентиляция может подавать подогретый воздух, чтобы не было конденсации вредных паров на оборудовании – тоже задача для калориферов. Технологическая вентиляция часто работает круглосуточно, с переменными нагрузками (процесс может выделять тепло, тогда воздух надо охладить; или наоборот потреблять тепло). Поэтому теплообменники там нагружены сильно, но и контролируются тонко. Используются материалы, устойчивые к возможным специфическим примесям: например, если приток идет через зону, где могут быть коррозионные газы, выбирают медные или покрытые ламели. Иногда к технологической вентиляции относят системы воздушного отопления огромных пространств (ангары, хранилища) – там калориферы выполняют функцию не столько вентиляции, сколько нагревательного элемента воздушного отопителя. В любом случае, вне зависимости от задачи – поддержать технологический режим или просто обеспечить подачу свежего воздуха на рабочее место – теплообменник должен быть рассчитан правильно по мощности. Инженеры уделяют внимание расчету теплопередачи, выбирают тип теплоносителя (если нужна точность – чаще вода с плавным регулированием; если нужно много тепла быстро – пар). Технологическая вентиляция также использует рекуперацию: например, в покрасочных камерах горячий вытяжной воздух частично нагревает приточный через пластинчатый теплообменник, что экономит энергию и поддерживает устойчивый температурный баланс.

HVAC для производственных помещений. Здесь речь идет о системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, предназначенных для обеспечения комфортных условий труда на производствах и в больших пространствах, где находятся люди или оборудование. В целом это пересекается с промышленными вентиляционными агрегатами, но можно выделить акцент на комфорт (человек). Например, на пищевом производстве важно не только тепло подать, но и чтоб не было перегрева и сквозняков. Поэтому HVAC-система может состоять из нескольких ступеней теплообменников: первичный рекуператор, затем калорифер подогрева до минимально допустимой температуры, потом точный охладитель-кондиционер для поддержания нужных +22 °C. Во многих производственных зданиях, особенно старой постройки, вентиляция модернизируется: добавляют секции рекуперации, чтобы снизить затраты на отопление, или заменяют паровые калориферы на водяные с более точным регулированием. Системы HVAC для производств должны учитывать, что тепловыделения от оборудования могут меняться – сегодня станки работают и греют цех, завтра остановлены и становится холодно. Теплообменники в приточно-вытяжной установке должны оперативно реагировать (через автоматику: регулирующие клапаны на воде, частотники на насосах и вентиляторах). Еще одна особенность – крупные производства зачастую имеют собственные энергоресурсы: котельные, холодильные машины, даже утилизаторы отходящего тепла. Поэтому приточные теплообменники подключаются к этим централизованным системам. Например, металлургический завод может направлять избыточное тепло от печей в теплоноситель и через теплообменник нагревать приточный воздух в соседнем цехе – такая вот внутренняя рекуперация между процессами. Отсюда вытекает требование унификации: теплообменники делают стандартных типоразмеров, с унифицированными присоединениями, чтобы было проще менять или подключать к разным магистралям. В HVAC производственных помещений нередко фигурирует термин «воздушно-отопительный агрегат» – по сути приточная установка с большим калорифером, выполняющая роль как вентиляции, так и отопления. В северных регионах России на больших открытых пространствах цехов без таких агрегатов с мощными калориферами работа была бы невозможна.

Дата-центры и серверные помещения. Одной из современных и технологичных областей применения приточных (и приточно-вытяжных) установок с теплообменниками являются центры обработки данных (ЦОД) – большие помещения с компьютерами и серверами, которые выделяют огромное количество тепла. Для их охлаждения применяют комбинацию кондиционирования и вентиляции. Теплообменники здесь служат либо для непосредственного охлаждения воздуха, либо для организации экономайзера (фрикулинга). Классический подход – поставить в серверном зале прецизионные кондиционеры (CRAC или CRAH-модули): это шкафы с фреоновыми испарителями или водяными охлаждающими калориферами, через которые гонят горячий воздух от серверов и возвращают охлажденным. Однако помимо таких локальных систем, большие дата-центры делают также приточно-вытяжную вентиляцию с возможностью использовать прохладный наружный воздух. Например, в прохладное время года можно охлаждать залы просто за счет вентиляции: наружный воздух, даже если он +15 °C, холоднее, чем воздух от работающих серверов (+30 …+40 °C). Его запускают внутрь, а горячий выбрасывают – это называется free cooling (фрикулинг), то есть свободное охлаждение без работы компрессоров. Но при таком прямотоке тратится много энергии на нагрев зимой и бывает слишком сухой воздух. Поэтому часто в вентиляции ЦОД интегрируют рекуператор: пластинчатый или роторный теплообменник между вытяжным (перегретым) и приточным воздухом. Зимой он подогреет входящий морозный воздух за счет теплоты серверов (и серверы меньше остывают, поддерживается стабильный тепловой режим). Летом рекуператор может работать наоборот как утилизатор холода ночного воздуха. В режиме же прямого фрикулинга предусмотрены байпасные заслонки, чтобы воздух шел минуя рекуператор, поступая максимально охлажденным извне к оборудованию. Теплообменники для ЦОД должны обладать очень высокой надежностью, ибо перегрев серверов из-за отказа охлаждения недопустим. Поэтому часто их дублируют: два параллельных охладителя, резервный контур воды и т.д. Материалы применяются качественные – медные трубки, алюминиевые ламели с защитой от пыли, стойкие поддоны (в серверных желательно минимизировать риск воды, поэтому все дренажи контролируются). Кроме того, в дата-центрах большие расходы воздуха, соответственно теплообменники приточной системы имеют большую фронтальную площадь, чтобы снизить скорость воздуха и не поднять пыль, а также чтобы снизить сопротивление (энергопотребление вентиляторов – большой фактор). Таким образом, в сфере охлаждения электроники теплообменники приточных установок помогают утилизировать избыточное тепло, экономить электроэнергию на охлаждение при помощи фрикулинга и защищать оборудование от экстремальных температур, обеспечивая стабильность работы серверов круглый год.

Современные технологии и тенденции

Современное развитие вентиляционного оборудования идет по пути повышения эффективности, снижения затрат энергии и материалов, а также улучшения управления и интеграции в цифровые системы. Теплообменники приточных установок не остались в стороне от этих тенденций. Рассмотрим некоторые ключевые направления: рост энергоэффективности, внедрение продвинутой автоматизации, использование технологий BIM при проектировании, применение концепции фрикулинга, а также снижение металлоёмкости и оптимизация конструкции теплообменников.

Повышение энергоэффективности. Энергоэффективность сегодня – один из главных факторов при выборе вентиляционного оборудования. Это означает, что теплообменник должен передавать как можно больше тепла (или холода) с как можно меньшими потерями. Производители разрабатывают теплообменники с более высоким коэффициентом теплоотдачи: например, используют ламели особой формы (с переменной геометрией, насечками, волнениями), которые интенсифицируют турбулентность воздуха и улучшают теплообмен без значительного увеличения сопротивления. В рекуператорах увеличивают площадь поверхностей, переходят на противоточные схемы вместо перекрестных, вводят утилизаторы влаги (энтальпийные модули) – все ради того, чтобы максимизировать процент возвращаемого тепла. Энергоэффективность неразрывно связана и с аэродинамикой: чтобы сэкономить электричество, затрачиваемое вентиляторами, в новых конструкциях стремятся уменьшить сопротивление теплообменников. Это достигается применением более тонких трубок (меньше лобовое сопротивление), более крупных проходных сечений между ламелями или увеличением площади сечения самого агрегата, чтобы снизить скорость воздуха. В ЕС действуют директивы Ecodesign, которые напрямую устанавливают минимальные КПД рекуперации и максимальные допустимые потери напора, что стимулирует инновации. Также энергоэффективность выражается в сокращении утечек: например, в роторных рекуператорах совершенствуют уплотнения, чтобы уменьшить паразитную рециркуляцию. В калориферах ставят лучше утепленные корпуса, чтобы тепло не терялось на входе и выходе. Вкупе все эти меры позволяют новым приточным установкам потреблять ощутимо меньше энергии для обеспечения того же эффекта кондиционирования воздуха, чем оборудования прошлых поколений.

Автоматизация и интеллектуальное управление. Современные приточные установки обязательно оснащаются системой автоматизации, которая следит за работой теплообменников и всего агрегата. Автоматизация позволяет динамически управлять подачей тепла или холода: например, клапаны с сервоприводом регулируют поток горячей воды через калорифер в зависимости от температуры приточного воздуха, поддерживая ее на заданном уровне. Для охладителей используются регулировочные клапаны на холодоносителе или сигнал на компрессор охлаждения (в случае DX-системы). Таким образом, исключаются перегревы или переохлаждения – теплообменник работает столько, сколько нужно. При переменной нагрузке (например, день/ночь, разное количество людей) автоматика может менять производительность: снижать расход воды, отключать часть секций рекуперации или изменять скорость вентилятора (что влияет на теплообмен тоже). Отдельное внимание – защита оборудования: система автоматизации предотвращает замерзание воды в калорифере зимой (через датчики температуры и, например, рециркуляцию воздуха или раствор гликоля), отключает охлаждение при риске образования льда на охладителе, умеет включать нагрев дренажных поддонов. Также автоматика управляет байпасами рекуператора, упомянутыми ранее, переходя в оптимальный режим (рекуперация или фрикулинг) в зависимости от температуры наружного воздуха. В больших системах HVAC теплообменники интегрированы в общую систему диспетчеризации здания: операторы могут видеть параметры работы калорифера, рекуператора, расход теплоносителя, температуру на входе и выходе и т.д. Это позволяет вовремя проводить профилактику (например, если датчик показывает падение эффективности теплообмена, возможно, теплообменник загрязнился – нужно обслужить). Интеллектуальные алгоритмы могут сами подстраивать работу: так, в гибридных вентиляционных установках с несколькими теплообменниками (скажем, пластинчатый плюс водяной нагреватель) контроллер выберет комбинацию их использования, минимизирующую энергозатраты при поддержании микроклимата. Текущие тренды автоматизации включают адаптивное управление (machine learning алгоритмы, прогнозирующие нагрузки по погоде), удаленный мониторинг через интернет, интеграцию в системы «умного здания». Но уже и базовая автоматизация ПЛК в стандартных приточных установках значительно повысила надежность: исключается человеческий фактор (забыли открыть клапан – переморозили калорифер, такого теперь нет), и каждый теплообменник работает в оптимальной точке, продлевая свой срок службы.

BIM и цифровое проектирование. Переход на информационное моделирование зданий (BIM – Building Information Modeling) затрагивает и вентиляционное оборудование. При проектировании крупных промышленных объектов или зданий с применением BIM, каждое устройство, включая теплообменники приточной установки, представлено цифровой моделью со всеми параметрами. В чем плюсы? Во-первых, точное размещение и компоновка: можно заранее визуализировать, как приточная установка с калориферами и рекуператорами разместится в машинном зале, хватит ли места для обслуживания, как пройдут трубопроводы теплоносителя. Во-вторых, BIM-модель содержит информацию о характеристиках – тепловая мощность, сопротивление, масса, материалы и даже артикулы. Это упрощает управление жизненным циклом: эксплуатационные службы сразу видят, какой тип теплоносителя залит (в BIM может быть указано «водяной калорифер, гликоль 30%»), какие размеры фильтров к нему подходят и т.д. Изменение проекта также проще: если вдруг мощность калорифера не хватает и надо поставить больше – модель позволяет быстро проверить, поместится ли больший теплообменник, или надо поменять трассировку воздуховодов. BIM сильно помогает координировать стыковку разных систем: например, теплотехники подводят к калориферу трубы отопления, и в BIM можно отследить, что они правильно присоединены, с нужными отсекающими клапанами, и не пересекаются с электрическим кабелем к вентилятору. Касательно самих теплообменников, производители теперь часто предоставляют BIM-семейства своих агрегатов – включая внутри них модели теплообменников. Это значит, что проектировщик выбирает из каталога конкретную модель приточной установки, а в ней уже заложены данные о встроенном рекуператоре, охладителе и т.д. – вплоть до серийных номеров. Позднее, при эксплуатации, BIM-модель может использоваться для планирования замен: например, зная, что теплообменник алюминиевый и ему 10 лет, могут принять решение о его проверке или замене в рамках капремонта. Таким образом, цифровое проектирование повышает точность и качество как монтажа, так и дальнейшей работы систем с теплообменниками, снижая ошибки и неожиданные проблемы.

Фрикулинг (free cooling). Концепция фрикулинга стала крайне популярна в последние годы, особенно в применении к охлаждению дата-центров, промышленных объектов и даже коммерческих зданий. Суть – максимальное использование прохлады окружающей среды для охлаждения помещения, минуя энергоемкие компрессорные холодильные машины. Для реализации фрикулинга в приточных установках задействуют теплообменники и дополнительные контуры. Например, сухие охладители (драйкулеры) на улице охлаждают воду зимой, и эта холодная вода подается в воздухоохладитель приточной установки вместо работы чиллера – чистый выигрыш в экономии электричества. Это называется косвенный фрикулинг через водяной контур. Или прямой фрикулинг: когда наружный воздух просто поступает внутрь через секцию рекуперации (или байпас) и забирает тепло, выходя наружу – фактически бесплатный кондиционер, если внешние условия благоприятны. Теплообменники в этой схеме должны быть рассчитаны как на летний режим, так и на зимний: например, пластинчатый рекуператор должен выдерживать возможное отключение при открытом байпасе (чтобы не обмерзнуть бесполезно, его можно временно обходить). Вода в калорифере может использоваться в качестве антифриза, проходя через внешние сухие градирни – тогда калорифер выполняет двойную функцию: зимой он работает не как нагреватель, а как промежуточный теплообменник между циркуляционным контуром и приточным воздухом, охлаждая воздух (это может быть актуально весной или осенью для помещения с тепловыделением). Естественно, для этого обычно предусматривается отдельный охладитель, но могут задействовать и существующий. Фрикулинг требует грамотной автоматизации: система решает, когда включить холодильную машину, а когда достаточно открыть заслонки и пустить холодный воздух прямо. В ряде климатических зон фрикулинг экономит до 50% энергии на охлаждение в год. Современные теплообменники оптимизируются и под это: делаются более крупными, чтобы даже при маленьком перепаде температур между улицей и помещением снимать тепло за счет большой площади. Также материалы подбираются стойкие к переменному режиму (частая смена нагрев/охлаждение). Фрикулинг – яркий пример, как правильное использование свойств теплообменника (в данном случае – универсальности воздухоохладителя как и нагревать, и охлаждать в зависимости от того, что течет внутри) ведет к большим энергетическим выгодам. Многие новые дата-центры строятся с прицелом на круглогодичный фрикулинг, используя комбинацию воздух-воздух рекуператоров и водяных экономайзеров.

Снижение металлоёмкости и новые конструктивные решения. В производстве теплообменников заметна тенденция к уменьшению использования дорогостоящих металлов, прежде всего меди, без потери эффективности. Снижение металлоёмкости достигается несколькими путями. Во-первых, переходом на новые типы теплообменников – например, микроканальные алюминиевые испарители и конденсаторы практически вытесняют классические медно-алюминиевые в холодильной технике. В вентиляции микроканалы тоже применяются: в компактных приточных установках с DX-охладителями можно встретить плоские алюминиевые секции с мелкими каналами, которые при той же холодопроизводительности содержат в разы меньше металла (алюминий легче и его нужно меньше по массе, а меди нет вовсе). Во-вторых, оптимизацией конструкции: расчет теплопередачи теперь ведется с помощью компьютеров, и инженеры могут удалить лишний «балласт». Например, раньше часто делали с большим запасом – трубки толще, чем нужно по прочности, ребра чуть ли не двойной толщины. Теперь с развитием стандартов и опыта ясно, где можно утончить стенку трубы (при тех же давлениях современные сплавы позволяют), где сократить длину труб без ущерба, какая минимальная толщина ламели нужна, чтобы она не гнулась при очистке. Даже такие мелочи, как форма конца трубки в коллекторе, влияют: развальцовка по-новому может обеспечить герметичность без лишнего припоя, экономя металл. В-третьих, использование комбинированных материалов – биметаллические трубки (алюминиевые с внутренней тонкой стальной или медной оболочкой), пластиковые элементы – все это уменьшает долю металла. Одновременно ведутся работы по сохранению или увеличению эффективности: если металл заменен на более дешевый но менее проводящий, нужно не потерять теплоотдачу. Здесь помогают улучшенные оребрения, увеличение площади или скорости потока (что компенсирует материалы). Снижение металлоемкости важно и по экономическим, и по экологическим причинам: удешевление продукции, облегчение конструкции (меньше нагрузка на несущие конструкции здания, проще транспортировка) и сокращение расхода ресурсов. Некоторые современные теплообменники выглядят гораздо «хрупче» старых массивных, но на самом деле это результат оптимизации – металл используется ровно там и в том количестве, где он необходим для передачи тепла или прочности. Конечно, есть предел, и слишком тонкие элементы могут стать менее надежными к, скажем, коррозии или механическому воздействию. Поэтому эту тенденцию уравновешивают, например, так: тонкие медные трубки, но вся внутренняя система заполнена ингибитором коррозии; или ламели фольговые, но защищены сеткой от ударов. Как только появляются новые материалы (например, композит с теплопроводностью как у алюминия, но намного легче) – их стараются применить, если экономика позволяет. Но в целом уже сейчас даже большие калориферы стали легче и дешевле относительно своей мощности, чем 20-30 лет назад.

Влияние стоимости материалов на конструкцию и выбор решений

Экономический фактор, а именно стоимость материалов, во многом определяет, как спроектирован теплообменник и какое решение выбрано для конкретной приточной установки. Инженер при проектировании обязан учесть бюджет проекта и стоимость владения, поэтому дорогостоящие материалы применяются только там, где без них не обойтись, либо ищутся более доступные альтернативы. Медь, будучи очень эффективным, но дорогим металлом, используется всё более экономно. Резкий рост цен на медь на мировом рынке стимулировал переход на алюминиевые решения: например, если раньше практически все крупные калориферы были медно-алюминиевые (медные трубки, алюминиевые ламели), то теперь в ряде случаев их заменяют на полностью алюминиевые. При умеренных давлениях и благоприятном теплоносителе (например, гликоль) можно применить алюминиевые трубки с алюминиевым же оребрением – стоимость такого теплообменника ниже, а теплопередача лишь слегка хуже медного аналога. Там, где замена меди на другой металл нежелательна из-за характеристик (например, сложный паровой калорифер высокого давления), стараются минимизировать объем медных деталей – делают трубки тонкостенными, уменьшают диаметры, сегментируют теплообменник на несколько секций (чтобы каждая секция меньше меди содержала и могла подключаться/отключаться по необходимости). Стоимость алюминия тоже влияет: хотя он дешевле меди, на него тоже бывают колебания цен. Проекты с ограниченным бюджетом могут отказаться от более эффективного, но металлоемкого решения (скажем, от большого пластинчатого рекуператора из алюминия) в пользу более простого, даже если КПД упадет. Например, вместо двухступенчатого рекуператора ставят один – экономия материала, хоть и тепла меньше вернется, но если энергоноситель дешев, это может быть оправдано.

Цена материала сказывается на выборе между оцинковкой и нержавейкой: нержавеющая сталь значительно дороже, поэтому ее берут только по четким требованиям (пищевое производство, агрессивная среда). В противном случае, даже понимая, что нержавейка проживет дольше, выбирают оцинкованную сталь с покрытием, которая дешевле. Часто делают так: базовая конструкция – из оцинковки, а критичные части, контактирующие с агрессивной водой, – например, коллектор – из нержавейки. Это компромисс между ценой и надежностью. Пластиковые рекуператоры набирают популярность не только из-за свойств, но и цены: полимеры массового производства дешевле металлов. Если производителю удается наладить выпуск, скажем, полипропиленовых пластин, то себестоимость рекуператора падает, что влияет и на рынок – заказчики охотнее берут установки с таким теплообменником, если он заметно дешевле алюминиевого и при этом заявленные характеристики их устраивают.

Влияние стоимости материалов проявляется и на стадии модернизации или замены оборудования. Например, вышел из строя старый медный калорифер – менять его на такой же дорого, возможно, целесообразнее поставить современный алюминиевый аналог, хоть он и чуть большего размера (чтобы компенсировать теплопроводность). Здесь выбор решения диктуется соотношением цена/качество. В промышленных приточных системах, где бюджет зачастую ограничен, может быть предпочтено простое решение без рекуперации (дешевле по первоначальным вложениям), но с большей затратой на энергию потом. Однако рост цен энергоносителей меняет уравнение – окупаемость дорогого, но экономичного теплообменника (например, роторного рекуператора высокого КПД, сделанного из качественных материалов) сокращается до нескольких лет, после чего начинает приносить чистую экономию. Поэтому заказчики все чаще готовы инвестировать в эффективные теплообменники, несмотря на их высокую стоимость из-за использования дорогих материалов, понимая, что это снизит операционные расходы.

Еще один аспект – логистика и рынок: доступность материалов. Бывает, что определенные сплавы или компоненты тяжело достать в нужном регионе, тогда производитель оптимизирует конструкцию под местный материал. Например, если медь в дефиците или облагается пошлинами, разработают теплообменник под стальную трубу с алюминиевым ребром (как КСк), даже если он немного более громоздкий. Стоимость изготовления (трудоемкость) тоже связана: сварка нержавейки дороже пайки меди, соответственно, если по расчетам можно обойтись медью, выберут ее вместо нержавейки для экономии на процессе.

Выбор технических решений при проектировании приточной установки – всегда баланс между желаемой эффективностью, надежностью и бюджетом. Стоимость материалов непосредственно закладывается в смету, и проектировщик может предложить варианты: скажем, пластинчатый рекуператор из алюминия с КПД 70% или более дешевый из пластика с КПД 60% – первый стоит вдвое дороже. Далее заказчик решает, что ему важнее. Если энергетические затраты в регионе высоки, часто выбирают более дорогой, но эффективный вариант – в перспективе это выгоднее. Если же главное – минимизировать первоначальные расходы, могут вообще отказаться от рекуператора или взять самый дешевый материал. Государственные нормы постепенно сдвигают выбор в сторону эффективности (чтобы не было так, что в погоне за экономией ставят энергорасточительное оборудование). В любом случае, инженер должен знать цены: материал теплообменных труб, ламелей, корпуса – это ощутимая часть стоимости всей вентиляционной установки. Например, крупный медно-алюминиевый охладитель на 100 кВт холода может содержать десятки килограммов меди и сотни килограммов алюминия, и изменение цены на них существенно влияет на общую цену оборудования. Поэтому производители часто хеджируют риски: в каталоге могут быть опции “медь/алюминий” или “полный Al”, “сталь/нерж”, чтобы можно было под конкретную ситуацию подобрать. В последние годы, с ростом цен на металл, интерес к альтернативным решениям заметно возрос: пластинчатые теплообменники из тонкого пластика, теплообменники с промежуточным теплоносителем (гликолевые схемы) вместо двух полноценных блоков рекуператоров – все это тоже диктуется стремлением удешевить систему без потери функций.

Подводя итог, можно сказать, что конструкция теплообменника приточной установки – результат не только теплотехнического расчета, но и экономического анализа. Цена меди, алюминия, стали, наличие тех или иных материалов на рынке определяют, из чего будет сделан теплообменник, какого он будет типа и даже будет ли он в составе системы (или заменен другим решением). Оптимальный выбор – тот, который обеспечит надежное достижение требуемых параметров воздуха при минимально возможной совокупной стоимости владения системой. Современные инженерные подходы и технологии позволяют достаточно гибко адаптировать конструкции теплообменников под эти условия, предлагая разнообразие типов, материалов и комбинаций для каждой конкретной задачи.