Всё о чиллерах (что такое чиллер)

Чиллер - это холодильная машина, предназначенная для охлаждения жидкого теплоносителя. Чиллеры можно разделить принципиальным образом на две большие группы - абсорбционные и парокомпрессионные - в зависимости от способа получения холода - используя тепловые свойства веществ при поглощении (абсорбции) и компрессии соответственно.

Абсорбционные чиллеры

Абсорбционные чиллеры - очень перспективная область развития холодильной техники, получающая всё более широкое применение ввиду ярко выраженной современной тенденции к электросбережению. Дело в том, что для абсорбционных холодильных машин основным источником энергии является не электрический ток, а бросовое тепло, неизбежно возникающее на заводах, предприятиях и т.п. и безвозвратно выбрасываемое в атмосферу, будь то горячий воздух, охлаждаемая воздухом горячая вода и др.

Внешний вид машин (на примере оборудования LS Air Conditioning):

Рабочим веществом является раствор из двух, иногда трех компонентов. Наиболее распространены бинарные растворы из поглотителя (абсорбента) и хладагента, отвечающие двум главным требованиям к ним: высокая растворимость хладагента в абсорбенте и значительно более высокая температура кипения абсорбента по сравнению с хладагентом. Широкое применение получили растворы вода-аммиак (водоаммиачные холодильные машины) и бромистый литий-вода (бромистолитиевые машины), в которых, соответственно, вода и бромистый литий являются абсорбентами, а аммиак и вода - хладагентами.

Рабочий цикл в абсорбционных чиллерах (см. на рисунке ниже) выглядит следующим образом: в генераторе, к которому подводится бросовое тепло) кипит рабочее вещество, в результате чего выкипает практически чистый хладагент, ведь его температура кипения гораздо ниже, чем у абсорбента. Пар хладагента поступает в конденсатор, где охлаждается и конденсируется, отдавая своё тепло окружающей среде. Далее полученная жидкость дросселируется, в результате чего охлаждается при расширении) и направляется в испаритель, где, испаряясь, отдает своё холод потребителю и следует в абсорбер. Сюда же через дроссель подается абсорбент, из которого в самом начале выкипел хладагент, и поглощает пары хладагента, ведь мы выше обозначили требование их хорошей растворимости. Наконец, насыщенный хладагентом абсорбент насосом перекачивается в генератор, где хладагент снова выкипает.

Если принять бесплатность бросового тепла, то электроэнергию потребляет только насос - вот она экономичность абсорбционных холодильных машин! Вот она причина их бурного развития и внедрения в последние годы!

Парокомпрессионные чиллеры

Парокомпрессионные чиллеры - это наиболее распространенный в настоящее время тип холодильного оборудования.

Генерация холода осуществляется в парокомпрессионном цикле, состоящем из четырех основных процессов - компрессии, конденсации, дросселирования и испарения - с использованием четырех основных элементов - компрессора, конденсатора, регулирующего вентиля и испарителя - в следующей последовательности:

Рабочее вещество (хладагент) в газообразном состоянии поступает на вход компрессора с давлением P1 (~7атм) и температурой T1 (~5C) и сжимается там до давления P2 (~30атм), нагреваясь до температуры T2(~80C). Далее хладагент следует в конденсатор, где охлаждается (как правило, за счет окружающей среды) до температуры T3 (~40С=Tокр.среды+8..15С), при этом давление в идеале остается неизменным, реально же падает на десятые доли атм. В процессе охлаждения хладагент конденсируется и полученная жидкость поступает в дроссель (капиллярная трубка, терморегулирующий вентиль, по сути - элемент с большим гидродинамическим сопротивлением), где внезапно (очень быстро) расширяется. На выходе получается паро-жидкостная смесь с параметрами P4(~7атм) и T4(~0С), поступающая в испаритель. Здесь хладагент отдает свой холод обтекающему испаритель теплоносителю, нагреваясь и испаряясь при постоянном (в идеале) давлении (реально, оно опять-таки падет на десятые доли атмосферы). Полученный охлажденный теплоноситель (Tх~7С) и является конечным продуктом. А хладагент на выходе из испарителя имеет параметры P1 и T1, с которыми попадает в компрессор. Цикл замыкается. Движущая сила - компрессор.

Хладагент и теплоноситель

Особо отметим разделение схожих на первый взгляд терминов - хладагент и теплоноситель. Хладагент - это рабочее вещество холодильного цикла, в процессе которого оно может находиться в широком диапазоне давлений, а также претерпевает фазовые изменения. Теплоноситель же агрегатного состояния (фазовых изменений) не меняет и служит для передачи (переноса) тепла (холода) на определенное расстояние. Конечно, можно провести аналогию, сказав, что движущей силой хладагента является компрессор со степенью сжатия около 3, а теплоносителя - насос, повышающий давление в 1.5-2.5 раза, т.е. цифры соизмеримые, но принципиальным является факт наличия фазовых изменений у хладагента. Другими словами, теплоноситель всегда работает при температурах ниже точки кипения для текущего давления, хладагент же может иметь температуру как ниже, так и выше точки кипения.

Классификация парокомпрессионных чиллеров

По типу установки

В чиллерах внутренней установки не возникает проблем с использованием воды. Упомянем и несколько большее энергопотребление компрессора и увеличенные потери давления и температуры хладагента в связи с удлиненной трассой (от чиллера до конденсатора), которая, кстати, также ограничена компрессором по длине.

• Наружной установки (встроенный конденсатор)

  Подобные агрегаты представляют собой единый моноблок, устанавливаемый на улице. Удобен тем, что позволяет эксплуатировать неэксплуатируемые площади - кровлю, открытые площади на земле и др. Также это и более дешевое решение. В то же время, использование воды в качестве теплоносителя сопряжено с необходимостью её слива на зимний период, что неудобно в эксплуатации, поэтому применяются незамерзающие жидкости, как новые солевые, так и традиционные - растворы гликолей в воде. При этом необходимо производить пересчет работы чиллера под каждый конкретный теплоноситель. Отметим, что все сегодняшние незамерзающие растворы на 15-20% менее эффективны, чем вода. Последнюю вообще трудно превзойти - высокая по меркам жидкостей теплоёмкость и плотность делают её практически идеальным теплоносителем, если бы не столь высокая температура замерзания.

• Внутренней установки (выносной конденсатор)

  Здесь ситуация практически обратная по сравнению с предыдущим вариантом. Чиллер состоит из двух частей - компрессорно-испарительного блока и конденсатора, соединенные фреоновой трассой. Требуются иногда достаточно ценные площади внутри здания, при этом по-прежнему необходимо место снаружи для размещения конденсатора, правда с заметно меньшими требованиями как по площади так и по массе.

По типу исполнения конденсатора

• Воздушного охлаждения

  Это самый распространенный вариант. Конденсатор представляет собой трубчато-ребристый теплообменник и охлаждается бесплатным наружным воздухом. Это и дешево и просто в проектировании, монтаже и эксплуатации. Пожалуй, минусом можно назвать лишь большие габариты конденсатора в виду малой плотности воздуха.

• Водяного охлаждения

  Тем не менее, в ряде случаев используется водяное охлаждение конденсатора. В этом случае конденсатор является пластинчатым, пластинчато-ребристым или теплообменником "труба в трубе". Водяное охлаждение заметно уменьшает габариты конденсатора, а также позволяет реализовать рекуперацию тепла. Но полученная нагретая вода (около 40С) не является ценным продуктом, часто её просто отправляют на охлаждение в градирни, опять таки отдавая всё тепло окружающей среде. Таким образом, водяное охлаждение реально выгодно в случае наличия потребителя нагретой воды. В любом случае, чиллеры с водяным охлаждением дороже, чем с воздушным, а вся система в целом более сложна и в проектировании и в монтаже и в эксплуатации.

По типу исполнения гидромодуля

В то же время существуют и готовые насосные станции, включающие в себя и насосы и расширительный бак и автоматику и компактно собранные на опорной раме:

• Со встроенным гидромодулем

  Чиллеры такой конфигурации представляют собой моноблок, в который включена насосная группа и, как правило, расширительный бак. Очевидно, что производители выпускают стандартные гидромодули чаще всего двух модификаций - с менее и более мощными насосами, которые не всегда удовлетворяют необходимым требованием (обычно их напора просто может не хватать). Кроме того, встроенный гидромодуль в чиллерах наружной установки будет расположен на улице, что может создавать проблемы зимой - незамерзающий теплоноситель может загустевать и в первые секунды работы насосы не способны преодолеть его вязкость и не запускаются. С другой стороны, нет необходимости искать место для насосной станции, продумывать её компоновку и т.д. плюс отсутствуют проблемы с автоматикой - это очень весомые преимущества встроенных гидромодулей.

• С выносным гидромодулем

  Выносной гидромодуль используется, во-первых, когда не хватает мощности встроенного; во-вторых, при необходимости резервирования (отметим, что во встроенных гидромодулях допускается один резервный насос); в-третьих, если по каким-либо причинам желательна внутренняя установка насосов. Система становится гибкой, а длина трассы практически неограниченной, ведь насосы бывают и очень мощные.

По типу компрессора

• Поршневые компрессора.
• Ротационные компрессора.
• Спиральные компрессора.
• Винтовые компрессора.

По типу вентиляторов конденсатора

• Осевые вентиляторы.
• Центробежные вентиляторы.

Опции чиллеров

• Фрикулинг - функция свободного охлаждения. Практически незаменима для чиллеров, работающих и в холодное время года. Возникает разумный вопрос, зачем использовать для охлаждения парокомпрессионный цикл, если за бортом и без того холодно. Ответ приходит сам собой - следует теплоноситель напрямую охлаждать уличным воздухом. В системе холодоснабжения наиболее распространен температурный график 7/12С, а, значит, теоретически, при уличных температурах ниже 7С уже возможно использовать свободное охлаждение. На практике, из-за недорекупераци, область применения несколько сужается - при температуре 0С и ниже холодопроизводительность от фрикулинга достигает номинальных значений.
• Теловой насос - это режим работы чиллера "на отопление". Парокомпрессионный цикл работает несколько в иной последовательности, испаритель и конденсатор меняются своими ролями и теплоноситель не охлаждается, а нагревается. Кстати, заметим, что чиллер хоть и холодильная машина, дающая трижды больше холода, чем потребляет, но он ещё более эффективен в качестве отопителя - тепла он даст в четыре раза больше, чем затратит электроэнергии. Режим теплового насоса наиболее распространен в общественных и административных зданиях, иногда применяется для складов и др.
• Плавный пуск компрессора - опция, позволяющая избавиться от высоких пусковых токов, превышающих рабочие в 2-3 раза.

Некоторые аспекты проектирования холодоснабжения

• Холодильная машина - это габаритное (все три измерения заметно превышают метр, а длина может превзойти и 10м) и тяжелое (до 15 тонн) оборудование. На практике это означает практически безоговорочную необходимость в применении разгрузочных рам для распределения массы чиллера на большую площадь с выбором допустимых точек опоры. Стандартные рамы далеко не всегда подходят для каждого конкретного случая, поэтому, чаще всего, требуется специальное проектирование.
• Чиллер имеет в составе 1-4 компрессора, 1-12 вентиляторов, 1-2 насоса, что вызывает целую гамму негативных вибраций, поэтому, установка чиллера непременно производится на виброопоры соответствующей несущей способности, а подсоединение всех трубопроводов - через вибровставки соответствующего диаметра.
• Как правило, подсоединительные диаметры трубопроводов у чиллера меньше, чем магистральной трубы (чаще на один, иногда и на два типоразмера), поэтому требуется переход. Рекомендуется непосредственно у чиллера установить вибровставку и сразу следом - переход. Из-за значительных гидравлических потерь удалять переход от агрегата не рекомендуется.
• Во избежание засорения испарителя со стороны теплоносителя на входе в чиллер обязательным является установка фильтра.
• В случае встроенного гидромодуля, на выходе из чиллера обязательно наличие обратного клапана во избежание движения воды против проектного.
• Для регулирования прямого и обратного потоков рекомендуется перемычка между ними с регулятором перепада давления.
• Наконец, в документации на чиллер всегда следует обращать внимание, для какого теплоносителя приведены данные. Применение незамерзающего теплоносителя в среднем на 15-20% снижает эффективность работы системы холодоснабжения.