Чиллеры для охлаждения

Что такое чиллер?

Чиллер — это агрегат, предназначенный для охлаждения (нагрева) ресурсной жидкости (как правило, воды или раствора пропилен- либо этиленгликоля), выступающей в роли теплоносителя для системы центрального кондиционирования воздуха. Доведенная в аппарате до требуемой температуры жидкость по трубопроводу подается в фанкойлы, приточные установки либо иные устройства для отвода тепла от промышленного оборудования.

По своей конструкции приборы подразделяются на:

• • моноблочные с воздушным охлаждением. Все компоненты такого агрегата (компрессор, встроенный гидромодуль, конденсатор и др.) размещаются на одной раме;

• чиллеры с воздушным охлаждением с выносным конденсатором. Холодильный контур, в котором охлаждается жидкость, монтируется в помещении, а конденсатор, предназначенный для отвода тепла из системы центрального кондиционирования, выносится наружу и устанавливается, например, на крыше здания или возле него. Следует помнить, что расстояние между холодильным контуром и конденсатором, как правило, не должно превышать 15 м. Если проект предусматривает большее расстояние между этими блоками, потребуется установить дополнительную систему сепарации масла. Трудности связаны и с расчетом фреоновой трассы между чиллером и его выносным конструктивным элементом: диаметр медных труб должен быть достаточным для обеспечения эффективной циркуляции хладагента;
• чиллеры с водяным охлаждением. Такой аппарат следует приобретать, если в машинном зале (подсобке) недостаточно пространства для размещения моноблока или не представляется возможным вынести конденсатор на улицу. Данный агрегат охлаждается с помощью холодной воды, а потому требует подключения к дополнительному теплообменнику, в качестве которого выступает градирня (драйкулер). Благодаря последней (-му) отработанная вода охлаждается и снова возвращается в конденсатор, где, в свою очередь, отбирает тепло у фреона, после чего цикл повторяется. Чиллеры этого вида обладают большей энергоэффективностью, нежели приборы с воздушным охлаждением. С другой стороны, стоимость такой системы центрального кондиционирования немного выше ввиду необходимости приобретения и монтажа драйкулера;
• тепловые насосы. Такие устройства позволяют не только охлаждать ресурсную жидкость, но и нагревать ее.

Помимо того, ведущие производители мира, включая компанию «ТИКА», выпускают модульные варианты своего оборудования как с воздушным, так и с водяным охлаждением. Такие устройства позволяют легко довести холодопроизводительность системы центрального кондиционирования до требуемого уровня, если потребность заказчика в охлаждении возросла, например, ввиду увеличения количества обслуживаемых зданий, промышленных объектов, цехов.

Принцип работы чиллеров и их основные компоненты

Конструкция подавляющего большинства современных чиллеров базируется на принципах парокомпрессионного цикла. Основными элементами таких приборов являются:

• компрессоры;
• теплообменники (испаритель и конденсатор);
• гидравлический модуль, включающий расширительный бак, насос и др.;
• защитные реле;
• вентили и клапаны (терморегулирующий, запорный и др.);
• различные датчики и др.

Компрессор всасывает из испарителя газообразный хладагент, сжимает его и нагнетает в конденсатор. Там под действием высокого давления фреон конденсируется, возвращаясь в жидкое состояние, и выделяет полученное от ресурсной жидкости тепло, после чего оно отводится в атмосферу. В испарителе хладагент ведет себя с точностью до наоборот: из-за резкого падения давления после прохождения терморегулирующего вентиля (электронного расширительного клапана) он вскипает и переходит в газообразное состояние, поглощая тепло из охлаждаемой ресурсной жидкости. За счет этого она доводится до требуемой температуры. Аналогичный принцип применяется и при работе оборудования в режиме теплового насоса, только испаритель и конденсатор меняются местами: первый греет воду (раствор гликоля), второй холодит окружающую среду.

В зависимости от типа компрессора чиллеры делятся на:

• • поршневые. Перемещение фреона в компрессоре осуществляется благодаря возвратно-поступательному движению поршня в цилиндре. Хладагент всасывается при движении поршня к нижней мертвой точке, а вытесняется при движении к верхней. Такие компрессоры используются редко, поскольку их КПД (холодопроизводительность) ниже, чем у винтовых и спиральных. К тому же поршневые агрегаты потребляют больше электроэнергии, номинальный ток при их эксплуатации выше;
  • спиральные. В таких компрессорах фреон сжимается вследствие механического взаимодействия двух спиралей. Одна из них (статор) является неподвижной, вторая (ротор) совершает колебательные движения, в результате которых между спиралями образуются серповидные полости. Во время работы агрегата эти полости двигаются вдоль витков к центру, а находящийся в них газ сжимается — его давление возрастает. Асимметричная форма спирали позволяет уменьшить утечку хладагента в процессе его всасывания и сжатия и тем самым существенно повысить эффективность компрессора. Кроме того, он отличается отсутствием так называемого мертвого объема, характерного для поршневого аппарата и образующегося между поршнем и верхней стенкой корпуса цилиндра (чем больше этот зазор, тем ниже КПД агрегата). Дополнительными преимуществами спирального компрессора, равно как и винтового, являются минимальная пульсация сжимаемого газа, поскольку всасывание, сжатие и нагнетание происходят непрерывно, и относительно небольшие по сравнению с поршневым аналогом вибрации, что положительно сказывается на уровне шума при эксплуатации оборудования. Компрессорами данного типа комплектуются чиллеры производительностью до 500 кВт;

• винтовые. Хладагент нагнетается двумя винтами (роторами), один из которых имеет выпуклую нарезку, а другой — вогнутую. При удалении выступов от впадин зазор между ними увеличивается, и фреон всасывается в компрессор, а по мере приближения к ним и уменьшению зазора — сжимается. В результате давление хладагента возрастает и он вытесняется в нагнетательный патрубок, а затем по трубопроводу поступает в конденсатор. Такие компрессоры характеризуются высокой производительностью и энергоэффективностью при сравнительно небольших габаритах. Обычно ими комплектуются чиллеры мощностью от 500 до 1700 кВт;
• центробежные. Непрерывно всасываемый хладагент сжимается за счет центробежной силы, возникающей при взаимодействии вращающегося ротора (диска с лопастями) и неподвижных лопастей корпуса, выступающего в роли статора. Фреон подается вдоль вала двигателя компрессора, а непосредственно в роторе радиально меняет свое направление. Как следствие, создается дополнительный прирост давления, повышающий общий КПД агрегата. Чиллеры TICA комплектуются закрытыми одноступенчатыми центробежными компрессорами компании Carrier — признанного лидера этой технологии. Такие аппараты выдают более 1000 кВт, поэтому их часто используют для охлаждения правительственных и медицинских учреждений, офисных зданий, бизнес-центров, многофункциональных комплексов, аэропортов, отелей и др. С системами центрального кондиционирования на базе таких чиллеров не сравнится ни одна VRF-система. Правда, у последней есть другое преимущество: она более эффективна с точки зрения энергопотребления. Тем не менее, если требуется охладить действительно крупные объекты коммерческой застройки, альтернатив центробежным чиллерам не много.

Безмасляные центробежные чиллеры, разработанные канадской SMARDT, которая в 2018 году была приобретена компанией TICA, укомплектованы турбокомпрессорами датской фирмы Danfoss. В этих агрегатах используются не традиционные механические, а магнитные подшипники. Такая конструктивная особенность избавляет от необходимости использовать компрессионные масла для смазки подвижных деталей и узлов, поскольку они вращаются в тороидальном электромагнитном поле.

Благодаря отсутствию трения между подшипниками и валами и мягкому запуску агрегата (большие пусковые токи не нужны) обеспечивается его бесперебойная работа на протяжении более чем 25 лет. Сезонный коэффициент производительности SCOP безмасляного чиллера достигает 6,7—7,0 и примерно на 15% превышает аналогичный показатель винтового (5,8—6,0). Особенно эффективны приборы на магнитных подшипниках в режиме частичной нагрузки: при работе на 50% от максимальной мощности коэффициент ЕЕR достигает 12 (у винтовых — 6,9—7,2).

Кроме того, безмасляные чиллеры отличаются пониженным энергопотреблением. Как показывают наблюдения, за год они расходуют на 30% меньше электроэнергии, нежели винтовые. Отсутствие сложной системы возврата и сепарации масла также является неоспоримым преимуществом чиллеров на магнитной подушке: затраты на их техническое обслуживание снижаются на 50%.

Безмасляные агрегаты имеют лишь один существенный недостаток — высокую цену, правда, она с лихвой перекрывается их энергоэффективностью. Окупаемость устройств по сравнению с винтовыми чиллерами составляет в среднем 3,3—4 года, что является не таким уж большим периодом, особенно если учесть срок службы в 25—30 лет. Минимальные эксплуатационные издержки, пониженное энергопотребление и максимальная энергоэффективность на протяжении всего жизненного цикла делают эти системы самими привлекательными на рынке HVAC-оборудования.

Испаритель

Испаритель наравне с конденсатором является одним из главных компонентов чиллера. Как отмечалось выше, он предназначен для охлаждения (нагрева — при эксплуатации в режиме теплового насоса) ресурсной жидкости. В подавляющем большинстве случаев холодильные установки комплектуются кожухотрубными либо пластинчатыми теплообменниками.

Кожухотрубный испаритель представляет собой цилиндр, к обоим торцам которого приварены трубные решетки с отверстиями, расположенными в шахматном порядке. Они являются входными и, соответственно, выходными отверстиями бесшовных медных трубок, по которым в испарителе циркулирует фреон.

Ресурсная жидкость (вода), которую требуется охладить или нагреть, поступает в межтрубное пространство испарителя. Она проходит между медными трубками и по мере соприкосновения с ними охлаждается (нагревается). Для повышения эффективности теплообмена изготовители применяют некоторые «ухищрения». Так, по камере цилиндра вода перемещается противотоком по отношению к хладагенту. Во время движения поток воды завихряется из-за вмонтированных в кожух перегородок, в результате ее более теплые слои перемешиваются с охлажденными, что способствует усилению теплообмена. Скорость прохождения ресурсной жидкости составляет 0,5—3 м/с в зависимости от режима работы чиллера.

Кожухотрубные испарители характеризуются весьма широким диапазоном рабочих температур. Они устойчивы к гидроударам, могут работать с довольно агрессивными жидкостями. В таком случае в качестве альтернативных материалов для труб применяются нержавеющая сталь, титан. Данные теплообменники отличаются высокой эффективностью, износостойкостью и долговечностью. Если же все-таки возникает поломка, ремонт этих агрегатов обычно не вызывает серьезных затруднений. К недостаткам «кожухотрубников» можно отнести сравнительно высокую стоимость, а также довольно большие габариты.

Пластинчатый испаритель состоит из теплопередающих пластин, изготовленных из устойчивого к коррозии металла (обычно из нержавеющей стали). Они имеют рифленую поверхность для увеличения площади теплообмена, плотно прижимаются друг к другу, в результате чего отверстия в верхних и нижних углах совмещаются и образуют каналы, по которым циркулируют фреон и поступающий раствор этилен- либо пропиленгликоля. Все каналы испарителя герметизируются резиновыми прокладками во избежание утечек и смешивания проходящих по ним жидкостей.

Соседние пластины в устройстве развернуты на 180 градусов относительно друг друга. В результате слои с теплой жидкостью чередуются со слоями с хладагентом — между ними и происходит теплообмен. Охлаждаемый раствор и фреон движутся противотоком, что повышает эффективность передачи тепла от одной пластины к другой.

Преимуществами пластинчатых испарителей являются небольшие габариты, относительно малый вес, очень высокий коэффициент теплопередачи, меньший, чем у кожухотрубных теплообменников, расход фреона. С другой стороны, они имеют не такой широкий диапазон рабочих температур, предъявляют весьма строгие требования к качеству поступающей воды (например, чем выше ее жесткость, тем хуже теплообмен). В случае повреждения пластины необходима полная разборка агрегата. Резиновые прокладки приходится периодически заменять, при этом стоимость комплектующих довольно велика.

В чиллерах TICA применяются кожухотрубные испарители.

Конденсатор

Конденсатор — это агрегат, предназначенный для отвода тепла из системы центрального кондиционирования. Он может быть как выносным, так и встроенным (входит в состав моноблока). В зависимости от вида охлаждения данные устройства классифицируются на конденсаторы:

• с воздушным охлаждением;
• с водяным охлаждением.

Последние работают по тому же принципу, что и испаритель. А вот в качестве конденсаторов с воздушным охлаждением используются, как правило, V- или М-образные теплообменники с медными трубками, располагающимися в шахматном порядке, и алюминиевыми ребрами. По желанию заказчика они могут быть изготовлены и из нержавеющей стали — для предотвращения коррозии. Ребра имеют гофрированную поверхность для увеличения площади теплообмена.

V- либо М-образная конфигурация является оптимальной с точки зрения прохождения воздушного потока: его сопротивление снижается, а скорость отвода тепла в окружающую среду возрастает. Кроме того, теплообменник такой формы имеет значительную эффективную площадь, как следствие, конденсация фреона происходит быстрее, а его расход уменьшается.

Принцип работы конденсатора таков. Перегретый газообразный хладагент по медным трубкам направляется в теплообменник, где охлаждается при взаимодействии с воздухом (он поступает естественным путем или нагнетается вентиляторами) и переходит в жидкое состояние, после чего через терморегулирующий вентиль (электронный расширительный клапан) возвращается в испаритель. Тепло отводится в атмосферу при помощи вентиляторов, работающих на выдув.

Ведущие мировые производители, в том числе «ТИКА», комплектуют свои чиллеры осевыми вентиляторами, отличающимися низким уровнем шума и вибрации. Они обеспечивают высокое статическое давление и значительный расход воздуха. Крыльчатки приводятся в движение трехфазными двигателями с прямым приводом.

Терморегулирующий вентиль (электронный расширительный клапан)

Терморегулирующий вентиль (электронный расширительный клапан) является одним из важнейших устройств, которыми оснащается чиллер. Данный элемент регулирует объем подаваемого в испаритель фреона, необходимый для эффективного охлаждения поступающей ресурсной жидкости. Производитель настраивает вентиль на минимальный перегрев газа на выходе из испарителя. Если фреона поступает слишком много и он полностью не испаряется, пропускное сечение вентиля сужается. Вслед за ним уменьшается поток хладагента. Если же температура газа на выходе из испарителя превышает установленный минимальный порог, клапан приоткрывается и объем проходящего фреона увеличивается.

Гидравлический модуль чиллера

Гидромодуль предназначен для обеспечения циркуляции теплоносителя в системе центрального кондиционирования. Он может быть встроенным и выносным: в первом случае входит в состав моноблока и, как и остальные компоненты, размещается в корпусе (на раме) чиллера, во втором — представляет собой отдельную насосную станцию. Модуль включает:

• водяной насос;
• фильтр;
• расширительную емкость (бак);
• реле протока;
• предохранительный и сливной клапаны;
• манометр и др.

Управление осуществляется с помощью микрокомпьютера, на экране которого пользователи могут отслеживать состояние гидромодуля.

Насос предназначен для транспортировки теплоносителя в холодильном контуре. Данный агрегат нагнетает ресурсную жидкость в трубопровод, благодаря чему она пропускается через испаритель чиллера, охлаждается в нем и затем поступает в фанкойлы или иные устройства для отвода тепла от промышленного оборудования. Обычно используются одно- и двухнасосные системы. Первая применяется при использовании чиллеров производительностью до 100 кВт, вторая — свыше 100 кВт либо если нужно обеспечить 10—15-градусную разницу между температурами ресурсной жидкости на входе и на выходе прибора.

Фильтр очищает воду (раствор гликоля) от вредных примесей, частиц тяжелых металлов и минералов и тем самым препятствует возникновению коррозии на поверхности теплообменников, увеличивает срок службы оборудования. Если в качестве теплоносителя предполагается использовать агрессивные жидкости, рекомендуем приобрести испаритель с трубками из нержавеющей стали.

Расширительный бак необходим для балансировки теплоносителя в системе центрального кондиционирования и хранения его избыточного объема. Он возникает из-за того, что состояние ресурсной жидкости не остается неизменным: по мере нагрева ее объем увеличивается, а при охлаждении уменьшается. Аналогичным образом изменяется и давление теплоносителя. Чтобы компенсировать подобные перепады объема и давления воды (раствора), негативно влияющие на оборудование чиллера и сокращающие срок его службы, и нужен расширительный бак. Его емкость рассчитывается производителем исходя из предельной температуры и объема ресурсной жидкости, заполняющей систему центрального кондиционирования.

Реле протока выполняет защитную функцию и сообщает микрокомпьютеру (контроллеру) об отсутствии или слишком малом потоке теплоносителя в испарителе. Такая нештатная ситуация может означать, например, поломку компрессора. Если ресурсной жидкости недостаточно, реле размыкается и подает на контроллер сигнал об аварийной ситуации. Последний выдает команду отключить компрессор и чиллер.

Сливной клапан, как следует из названия, предназначен для слива ресурсной жидкости из гидравлического модуля, например, в случае проведения технического обслуживания.

Предохранительный клапан выполняет защитную функцию: он препятствует сверхнормативному повышению давления, если соответствующее реле по какой-либо причине не сработало. Принцип действия такого клапана довольно прост: он открывается, и давление постепенно снижается до нормального, после этого защитное устройство снова закрывается.

Для измерения давления ресурсной жидкости в гидравлическом контуре используется манометр. Если оно отличается от номинального, манометр подает системе управления соответствующий сигнал и та активизирует защитные реле.

Система управления чиллером

Современные производители, включая TICA, комплектуют свои приборы интеллектуальными системами управления. Как правило, они включают:

• • оснащенный микропроцессорами контроллер, получающий информацию от всех важных узлов, деталей и датчиков чиллера и в зависимости от нее выдающий различные команды (например, перевод агрегата в режим максимальной нагрузки, аварийный останов);
  • запоминающее устройство, на протяжении длительного времени хранящее данные о работе прибора;
  • панель управления с кнопками и индикаторами и/или жидкокристаллическим, в том числе сенсорным, дисплеем, облегчающую взаимодействие пользователя с аппаратом;
  • устройства для дистанционного мониторинга и регулирования работы изделия посредством локальной сети или Интернета;
  • разъем для подключения персонального компьютера.

Один из основных параметров, замеряемых датчиками, — температура ресурсной жидкости на входе и выходе чиллера. Данные показатели задаются при помощи панели управления и постоянно контролируются системой. Наиболее часто применяемая температура на входе составляет 12 °C, на выходе — 7 °C. Оптимальный перепад между данными показателями — 5—6 градусов. Если температура воды на входе отличается от установленной пользователем, система автоматически перестраивает все внутренние процессы. В случае превышения на 1—3 градуса чиллер переходит в режим максимальной нагрузки. Если же данный показатель на 1—2 градуса ниже нормы, агрегат работает на 12,5—25% своих возможностей либо на время отключается.

Если температура ресурсной жидкости на входе превышает 15 °C, следует установить дополнительный холодильный контур. Он поможет снизить данный показатель до оптимальных 12 °C и избежать излишней нагрузки на чиллер, что положительно отразится на его сроке службы.

Минимально допустимая температура ресурсной жидкости на выходе обычно составляет 5 °C. Если датчик фиксирует более низкое значение этого параметра, он подает соответствующий сигнал системе управления и та отключает чиллер во избежание его размораживания.

Аналогичным образом контролируются и другие важнейшие параметры: давление хладагента и воды, уровень масла, температура медного змеевика в конденсаторе и т.п.

Система управления не только непрерывно следит за состоянием оборудования, но и обеспечивает эффективное взаимодействие с пользователем. Ведущие производители мира, в том числе «ТИКА», устанавливают на свои агрегаты панели с сенсорными дисплеями. Благодаря интуитивно понятному интерфейсу освоить работу со специальным программным обеспечением (обычно каждая компания разрабатывает собственное ПО) не составляет труда.

Помимо панели, смонтированной непосредственно на чиллере, применяются проводные пульты дистанционного управления. Они позволяют регулировать работу (например, с помощью таймера можно задавать время включения и выключения аппаратов) до 8—16 модульных чиллеров, объединенных в одну группу. Кроме того, такие пульты можно интегрировать в автоматизированную систему управления зданием. В этом случае связь с приборами будет поддерживаться с помощью широко используемых в промышленности стандартных протоколов и сетей ModBus, BACnet, LonWorks и др. Вся информация о состоянии аппаратов будет передаваться на компьютер пользователя, а при необходимости и в сервисный центр производителя.

Разумеется, компании-изготовители, включая TICA, предусматривают и удаленный мониторинг и управление чиллерами через Интернет. Как правило, для этого создается специализированный веб-портал. В целях безопасности доступ к нему предоставляет непосредственно производитель. На сайте в личном кабинете (для входа в него каждый пользователь получает уникальные имя и пароль) аккумулируются все сведения, которые касаются оборудования, принадлежащего клиенту. Там же он может внести изменения в работу агрегата, ознакомиться с информацией об аварийных сигналах за определенный промежуток времени и т.п.

Как выбрать чиллер?

При выборе чиллера нужно обратить внимание прежде всего на его производительность. Она должна быть достаточной для того, чтобы прибор мог снабдить ресурсной жидкостью требуемой температуры все фанкойлы и (или) устройства для отвода тепла, входящие в систему центрального кондиционирования. Чиллеры мощностью до 500 кВт обычно оснащаются спиральными компрессорами, от 500 до 1000 кВт — винтовыми. Агрегаты, производительность которых превышает 1000 кВт, в основном комплектуются центробежными компрессорами, в том числе безмасляными.

Если позволяет пространство в машинном зале, на крыше или на площадке возле здания, стоит рассмотреть вариант покупки и установки нескольких модульных чиллеров, суммарно выдающих необходимую мощность. Система центрального кондиционирования на их основе легко масштабируется. Если нужно нарастить производительность, просто докупается и монтируется еще один агрегат. Когда необходимость в дополнительных киловаттах исчезает, один или несколько приборов просто отключают. Благодаря автоматическому распределению нагрузки между устройствами их оборудование изнашивается в меньшей степени, а срок службы возрастает.

Второй вопрос, который следует решить перед покупкой чиллера: где он будет располагаться? От этого зависят способ охлаждения и тип конденсатора агрегата. Аппарат с воздушным охлаждением размещается на крыше здания или на придомовой площадке, с водяным — в машинном зале, подсобке, подвале и т.п.

При проектировании системы центрального кондиционирования нужно учесть, вода какой температуры будет поступать в испаритель. Если этот параметр периодически будет превышать 15 градусов Цельсия, следует предусмотреть дополнительный холодильный контур.

Нужно заранее определить, какая жидкость будет использоваться в качестве ресурсной. Если она является довольно агрессивной, рекомендуем заказать у производителя испаритель с трубками из нержавеющей стали.