Проектирование и монтаж
промышленной вентиляции

Чиллер - это холодильная установка, предназначенная для охлаждения жидкого теплоносителя.

По принципу конструкции чиллеры можно  разделить на две основные разновидности: 

  1. Абсорбционные чиллеры
  2. Парокомпрессионные чиллеры

Как не сложно догадаться - чиллеры разделены на две группы по принципу получения холода - используя тепловые свойства веществ при поглощении (абсорбции) и компрессии соответственно.

ЧИЛЛЕРЫ АБСОРБЦИОННЫЕ 

Абсорбционные чиллеры - довольно перспективная область развития холодильного оборудования, в последнее время эта разновидность холодильного оборудования получила довольно широкое применение из-за низкого энергопотребления, что приводит к существенной экономии при их использовании. Все дело в том, что для абсорбционных холодильных установок главным источником энергии является дешевое тепло, а не электричество. Тепло легко достать как побочный продукт множества технологических процессов на заводах и фабриках. В основном от него просто избавляются путем выбрасывания в атмосферу, обычно в виде горячей воды или разогретого воздуха.

Внешний вид абсорбционного чиллера 1 Внешний вид абсорбционного чиллера 2

Внешний вид абсорбционного чиллера.

Рабочее вещество в чиллерах - это двухкомпонентный, реже трехкомпонентный раствор веществ. Наибольшее распространение получили бинарные растворы из абсорбента (поглотителя) и хладогента. К этим рабочим растворам предьявляется два основных требования: температура кипения абсорбента должна быть значительно более высокой, относительно температуры кипения хладогента, а так же должна быть высокая степень растворения хладогента в абсорбенте.

Принцип работы абсорбционного чиллера

В чиллерах абсорбционного типа рабочий цикл происходит примерно так: в генераторе, с подведенным к нему дешевым (лишним) теплом - кипит рабочая жидкость. Так как у хладогента температура кипения гораздо ниже, нежели чем у абсорбента, то практически весь хладогент выкипает, превращаясь в пар. Далее пары хладогента поступают в конденсатор, где охлаждаясь отдают свое тепло в окружающую среду. Затем остывших хладогент дросселируется в результате чего охлаждается при расширении и отправляется в испаритель, где испаряется, отдавая свой холод потребителю и направляется в абсорбер. Туда же через дроссель подается и абсорбент из которого хладогент выкепел в первом цикле. Оба компонента в абсорбере снова смешиваются друг с другом и насосом подаются снова в генератор, где хладогент снова кипит превращаясь в пар и процесс повторяется.

В ЧЕМ ЖЕ ЭКОНОМИЧНОСТЬ АБСОРБЦИОННЫХ ЧИЛЛЕРОВ?

Так как абсорбционные чиллеры для своей работы (испарения хладогента) используют лишнее тепло технологических процессов предприятия, это тепло является бесплатным, поэтому чиллер потребляет только электроэнергию для работы насоса, который перекачивает рабочий раствор по технологическому циклу в нутри самого чиллера. Насос потребляет очень мало электроэнергии и в этом заключается основная экономия абсорбционных чиллеров, относительно других моделей чиллеров. Такая экономичность дала толчок к бурному развитию и повсеместному распространению абсорбционных чиллеров.

ЧИЛЛЕРЫ ПАРОКОМПРЕССИОННЫЕ

Парокомпрессионные чиллеры представляют собой самую большую и распространенную группу холодильного оборудования.

В парокомпрессионных чиллерах производство холода происходит в паракомпрессионном цикле, который состоит из четырех основных процессов: 

  1. Компрессия
  2. Конденсация
  3. Дросселирование
  4. Испарение

 Парокомпрессионный чиллер

Хладагент (рабочее вещество) в газообразном состоянии подается на вход компрессора с давлением, примерно, 7 атмосфер, и температурой, примерно, 5 градусов по Цельсию и сжимается там до давления, примерно, 30 атмосфер, нагреваясь до температуры, примерно, 80 градусов по Цельсию. Далее хладагент поступает в конденсатор, где охлаждается (в основном, за счет окружающей среды) до температуры, примерно, 40 градусов по Цельсию, при этом давление в идеальных условиях остается неизменным, в реальности снижается на десятые доли атмосферы. В процессе охлаждения хладагент конденсируется и полученная жидкость поступает в дроссель (капиллярная трубка, терморегулирующий вентиль, в общем - элемент с большим гидродинамическим сопротивлением), где очень быстро расширяется. На выходе получается смесь из жидкости и пара с параметрами,примерно, 7 атмосфер и, примерно, 0 градусов по Цельсию, подающаяся в испаритель. В испарителе хладагент отдает накопленный холод окружающему теплоносителю, нагреваясь и испаряясь при постоянном (в идеальных условиях) давлении (в реальности, оно все-таки падает на десятые доли атмосферы). Полученный охлажденный теплоноситель (Tх~7С) и является конечным продуктом. А хладагент на выходе из испарителя имеет первоначальные параметры температуры ~5 C и давления ~7 атм., с которыми попадает в компрессор. Цикл замыкается. Движущая сила всех процессов в парокомпрессионном чиллере - компрессор.

Принцип работы парокомпрессионного чиллера 

ХЛАДАГЕНТ И ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ В ЧИЛЛЕРАХ

Отдельно хотелось бы заметить, что разделение похожих терминов - хладагент и теплоноситель в чиллерах не случайно.

Хладагент - это рабочее вещество холодильного цикла, в процессе которого оно может находиться в широком диапазоне давлений, а так же претерпевает фазовые изменения.

Теплоноситель - это переносчик агрегатного состояния вещества (фазовых изменений) не меняет и служит для переноса тепла или холода на нужное расстояние.

В принципе, 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.

Парокомпрессорные чиллеры классифицируются по типу установки на парокомпрессионные чиллеры наружной установки с встроенным конденсатором и парокомпрессионные чиллеры внутренней установки с выносным конденсатором.

Парокомпрессионные чиллеры наружной установки представляют из себя единый блок, устанавливаемый снаружи здания. Это более дешевое решение, позволяющее использовать свободные и, как правило, не нужные площади на крышах зданий и на земле. Единственным минусом в данных чиллерах является использование в качестве теплоносителя воды, которую необходимо куда-то сливать на зимний период. Для решения этой проблемы в современных чиллерах парокомпрессорного типа используют солевые растворы или растворы гликолей в воде, что препятствует замерзанию рабочей жидкости в периоды низких температур. Но все современные растворы для чиллеров, известные на сегодняшний день, менее эффективны чем вода в среднем на 15-20%. Вода вообще является непревзойденным теплоносителем благодаря ее высокой теплоемкости и плотности, но, при всем при этом она имеет довольно высокую температуру замерзания. В парокомпрессионных чиллерах внутренней установки ситуация практически противоположная чиллерам наружной установки. Такие чиллеры состоят из двух обособленных частей - конденсатора и компрессорно-испарительного блока, соединенных между собой фреоновой трассой. Эти чиллеры требеют под свою установку место внутри здания, а такие площади зачастую довольно дороги, а так же им необходимо место и снаружи, но меньшее, как по площади, так и по массе.

Чиллеры внутренней установки так же подразделяются по типу исполнения конденсатора. Бывают чиллеры с конденсатором воздушного охлаждения и чиллеры с конденсатором водяного охлаждения.

Чиллеры с конденсатором воздушного охлаждения - это самый массовый вариант. Их конденсатор представляет из себя трубчато-ребристый теплообменник, охлаждающийся уличным воздухом. Но так как плотность воздуха относительно мала, размеры конденсатора должны быть довольно большие.

Иногда применяют чиллеры с водяным охлаждением конденсатора. Конденсатор таких чиллеров пластинчатый или пластинчато-ребристый, а иногда  используют теплообменник по принципу труба внутри трубы. Водяные теплообменники значительно меньше воздушных так как плотность воды значительно выше плотности воздуха. Использование чиллеров с водяным охлаждением теплообменника оправданно только в случае наличия потребителя нагретой воды. Вода нагревается примерно до 40 градусов по Цельсию. Сама чиллерная установка с водяным охлаждением теплообменника в отличие от воздушного охлаждения - дороже по стоимости, сложнее в исполнении и более сложная в проектировании, монтаже и дальнейшем обслуживании при эксплуатации.

Так же чиллеры подразделяются по типу исполнения гидромодуля на чиллеры со встроенным гидромодулем и чиллеры с выносным гидромодулем.

Чиллеры со встроенным гидромодулем представляют собой моноблок со встроенной насосной группой и, в большинстве случаев, с расширительным баком. В основном выпускаются стандартные гидромодули двух модификаций различающихся мощностью насоса, которые не всегда соответствую требованиям заказчика, иногда их напора может не хватать. Более того, во встроенном гидромодуле в чиллерах наружной установки насос находится на улице, что может создавать дополнительные сложности в зимний период. Незамерзающий теплоноситель густеет под воздействием низкой температуры, что приводит к увеличению его вязкости и насосы в первые секунды после запуска не могут справиться с возросшей вязкостью теплоносителя и выключаются. Но у таких чиллеров есть и ряд неоспоримых преимуществ, например, нет необходимости в дополнительном месте для размещения отдельной насосной станции, не нужно продумывать ее компоновку и отсутствуют проблемы с автоматикой, что является несомненным плюсом при проектировании, монтаже и дальнейшей эксплуатации таких чиллеров.

Выносные же гидромодули используются в случаях, когда не хватает мощности встроенного гидромодуля или есть необходимость в резервировании (обычно во встроенных гидромодулях допускается только один резервный насос). Системы с внешними гидромодулями, как правило, более гибкие, так как длина трассы практически не ограничена, ведь бывают и очень мощные насосы.

В чиллерах используются различные типы компрессоров - поршневые, ротационные, спиральные и винтовые. Так же есть и два вида вентиляторов для конденсатора - осевые и центробежные.

ОПЦИИ ЧИЛЛЕРОВ

Фрикулинг - функция свободного охлаждения. Практически незаменима для чиллеров, работающих в холодное время года. Когда на улице холодно - отпадает необходимость в использовании пара-компрессорного блока и теплоноситель в таких случаях охлаждается напрямую воздухом с улицы. 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. Хоть чиллер и является холодильной установкой выдающей в три раза больше холода, чем потребляет, 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 других типов помещений.

Плавный пуск компрессора - опция, позволяющая избавиться от высоких пусковых токов, превышающих рабочие в 2-3 раза. Такая опция снизит пиковые нагрузки на электросеть и продлит срок службы самого компрессора в чиллере.