Чиллеры TICA

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.

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 1500 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 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 — 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) 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.