В чиллерах с воздушным охлаждением вода охлаждается при помощи испарителя, а для отвода тепла вентиляторы прогоняют воздух через конденсатор. Если изменить направление движения хладагента и использовать воздушный теплообменник как испаритель, чиллер превратится в тепловой насос «воздух — вода», нагревающий воду для отопления и горячего водоснабжения.
Водоохлаждаемые чиллеры также используют испаритель для охлаждения воды, а тепло отводят с помощью конденсаторов с водяным охлаждением или градирен. Если на объекте есть необходимость не только в холоде, но и в тепле, можно использовать воду, прошедшую через конденсатор. В этом случае чиллер выступает в роли теплового насоса «вода — вода». Относительная простота утилизации (рекуперации) бросового тепла – особенность данного типа чиллеров.
Производительность воздухоохлаждаемых чиллеров для систем кондиционирования продолжает расти, увеличиваются и масштабы объектов, на которых они используются. Если ранее речь шла о небольших системах, холодильная мощность которых не превышала 2110 киловатт, то сейчас нередко можно встретить системы производительностью свыше 3500 киловатт, использующие несколько чиллеров сразу.
В то же время чиллеры с водяным охлаждением на основе спиральных, винтовых и центробежных компрессоров применяются не только для кондиционирования, но и для производства холода в промышленных целях. Диапазон холодопроизводительности установок на базе таких устройств составляет от 70 до 21 100 киловатт.
Рыночные тенденции
Правительства и развитых, и развивающихся стран настойчиво продвигают так называемое зеленое строительство. За счет этой политики на первый план выходят чиллеры, в которых используются энергоэффективные технологии инверторного управления и хладагенты с низким потенциалом глобального потепления (ПГП).
Все больше производителей вместо непосредственных продаж чиллеров стараются предложить потребителям готовые комплексные решения, включающие проектирование, монтаж и обслуживание систем кондиционирования, освещения, видеонаблюдения, пожарной безопасности и прочего инженерного оборудования. Подобная бизнес-модель предполагает налаживание партнерских отношений между поставщиками различных видов техники и услуг.
Одно из проявлений непрерывного развития информационных технологий — использование в чиллерах «Интернета вещей» и облачных решений, существенно расширяющих возможности энергосбережения.Так называемая четвертая промышленная революция, совершившаяся благодаря разработкам в области «Интернета вещей» и искусственного интеллекта, служит источником технологического прогресса, ведет к появлению новых товаров и услуг. Эти новшества, в свою очередь, помогают создавать новые и развивать существующие рынки. «Интернет вещей» совместно с искусственным интеллектом находят применение в самых разных областях — от здравоохранения и ухода за больными и престарелыми до общественной безопасности и промышленного производства. Ниже приведены примеры, дающие возможность получить некоторое представление об общем направлении развития технологий.
С
истема мониторинга воздушного кондиционирования разработана для обеспечения повышенной безопасности и комфорта пациентов и одновременно для облегчения труда вспомогательного персонала. Усовершенствованная система способна круглосуточно отслеживать условия в комнате, чтобы помочь персоналу эффективно распределять нагрузку и повышать качество ухода.
Использующиеся в чиллерах безмасляные компрессоры центробежного типа становятся все мощнее, а благодаря массовому производству — еще и доступнее. В будущем ожидается рост спроса на них, особенно если принять во внимание потребность в создании новых установок в Китае и необходимость замены устаревшего оборудования в США.
В сегменте абсорбционных чиллеров растет спрос на когенерационные установки и устройства, способные утилизировать бросовое тепло. Востребованность же чиллеров прямого горения снижается.
Технологические новшества
Технологические инновации, такие как замена поршневых компрессоров устройствами винтового, спирального и ротационного типов, переход от постоянной к регулируемой скорости вращения, появление безмасляных компрессоров, позволили увеличить энергоэффективность чиллеров на 40–50%по сравнению с 1975 годом. С появлением в конце 1990-х годов интегрального показателя производительности при частичной нагрузке (IPLV) стало возможно оценить характеристики чиллеров в широком диапазоне рабочих условий, в том числе в нештатных ситуациях.
Что касается применяющихся хладагентов, то за прошедшие десятилетия их озоноразрушающая способность уступила звание главной проблемы парниковому воздействию. В октябре 2016 года в Кигали 197 стран — участниц Монреальского протокола приняли поправку, обязывающую развитые страны сократить производство и потребление гидрофторуглеродов (ГФУ) до 15% базового уровня к 2036 году. Так как ГФУ R134a остается основным хладагентом для холодильных машин с компрессорами винтового и центробежного типов, производители вынуждены искать ему замену с более низким ПГП.
Чиллеры с компрессорами центробежного типа
Диапазон производительности
В отличие от объемного сжатия компрессия в устройствах центробежного типа происходит за счет преобразования кинетической энергии вращающейся крыльчатки в давление. Благодаря этому центробежные компрессоры способны непрерывно сжимать большие объемы газа.
В теории центробежные компрессоры меньшей мощности развивают более высокую скорость вращения. Повышение скорости вращения крыльчатки ведет к увеличению механических потерь и, соответственно, к снижению эффективности. В связи с этим принято считать, что диапазон холодопроизводительности таких компрессоров ограничен снизу значением в 200–300 холодильных тонн (что соответствует мощности 700–1000 киловатт). Однако, с тех пор как компания Danfoss представила небольшие безмасляные компрессоры Turbocor с магнитной подвеской вала, отличающиеся крайне малыми механическими потерями даже на высоких скоростях, компрессоры центробежного типа стали применяться в чиллерах холодопроизводительностью менее 300 тонн (1055 киловатт), где раньше обычно использовались устройства винтового типа.
Новые хладагенты
Выбор новых альтернативных хладагентов — серьезная технологическая и стратегическая задача, решение которой во многом определяет конструкцию и характеристики чиллеров.
Поиски новых рабочих веществ с низким ПГП идут в двух направлениях: хладагенты низкого и среднего давления (табл. 1).
Хладагенты низкого давления требуют в 5–6 раз большего объема сжатия, чем вещества среднего давления, для достижения аналогичной холодопроизводительности. Это значит, что использующие их компрессоры будут большего размера. С другой стороны, вещества низкого давления отличаются более высокой эффективностью цикла охлаждения.
Таблица 1. Альтернативные хладагенты с низким ПГП для чиллеров:
| Дав-ление | Компрессор | Альтер-нативы | ПГП | Безопасность по ASHRAE | Мощ-ность | Эффектив-ность |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Низкое | Центробежный |
R514A (смесь ГФО) |
2 | B1 | По сравнению с R123 | |
| Такая же | Такая же | |||||
| R1233zd(E) | 1 | A1 | 140% | 99–100% | ||
| Среднее | Центробежный/винтовой | R1234ze(E) | <1 | A2L | По сравнению с R134a | |
| 75% | Такая же | |||||
|
R513A (смесь ГФО и ГФУ) |
573 | A1 | Такая же | 98% | ||
R1233zd(E) предлагается в качестве альтернативы хладагенту низкого давления R123. Он негорюч, отличается низким ПГП. В 2014 году компания Trane первой применила его для холодильных машин с компрессорами центробежного типа. В 2015 году MHI представила чиллер на базе центробежного компрессора с двумя ступенями сжатия холодильной мощностью 80–700 тонн (271–2462 киловатта), использующий R1233zd(E). В 2016 году аналогичный продукт разработала компания Carrier, в 2017 году этот чиллер был выпущен на рынок. Среди его особенностей — частотно-регулируемый привод (VFD), отсутствие повышающего редуктора, смазка подшипников жидким хладагентом, расположение крыльчаток напротив друг друга для уменьшения нагрузки на подшипники.
Чиллеры, рассчитанные на применение R123, необходимо слегка модифицировать для заправки хладагентом R1233zd(E). В свою очередь, Trane предлагает использовать для замены R123 в действующих устройствах небольшой мощности слаботоксичную смесь гидрофторолефинов R514A, сходную с ним по термодинамическим характеристикам.
В настоящее время идет разработка холодильных машин, использующих хладагенты среднего давления с низким ПГП. В Европе первым таким хладагентом для чиллеров с воздушным и водяным охлаждением стал умеренно воспламеняемый ГФО R1234ze(E).
Недавно компания Danfoss объявила о разработке нового центробежного компрессора Turbocor TG для R1234ze(E). В 2017 году MHI запустила в производство линейку чиллеров с компрессорами центробежного типа холодопроизводительностью от 300 до 5000 тонн (1055–17 580 киловатт).Kirloskar, индийский производитель холодильных машин, также анонсировал линейку чиллеров с компрессорами центробежного типа на хладагенте R1234ze(E).
Негорючий хладагент R513A разработан в качестве альтернативы R134a. На выставке China exhibition Expo 2017 компания Dunham-Bush демонстрировала чиллер холодопроизводительностью 700 тонн (что соответствует мощности 2462 киловатта) на базе компрессора с прямым приводом, использующего этот хладагент. Там же Smardt Chiller Group представила безмасляный чиллер воздушного охлаждения с центробежным компрессором, доступный в вариантах как для R1234ze(E), так и для R513A.
JCI объявила о применении R513A в двух своих ключевых новинках — чиллерах водяного охлаждения на базе центробежного компрессора на магнитной подвеске YMC2 и холодильных машинах на основе винтовых компрессоров.
Расширение модельного ряда безмасляных чиллеров с магнитной подвеской
Производители чиллеров и компрессоров создают безмасляные устройства с магнитной подвеской, опираясь на собственные разработки или в сотрудничестве с компаниями, специализирующимися на технологиях уменьшения трения. Наиболее заметная тенденция в этом направлении — расширение диапазона мощностей безмасляных компрессоров (табл. 2). Так, компания LG недавно представила безмасляный чиллер на базе компрессора центробежного типа холодопроизводительностью 2200 тонн (7737 киловатт) и компрессор мощностью 1100 холодильных тонн (3868,5 киловатта).
Таблица 2. Чиллеры и компрессоры с магнитной подвеской:
| Компания | Мощность |
|---|---|
| Danfoss-Turbocor | 60–350 х. т. (211–1231 киловатт) |
| Daikin Applied | 400–700 х. т., двухкомпрессорные чиллеры до 1500 х. т. (1407–2462 киловатта,до 5275 киловатт) |
| York | 165–1000 х. т. (580–3517 киловатт) |
| MHI | 400–500 х. т. (1407–1758,5 киловатта) |
| LG | 260–1100 х. т., двухкомпрессорные чиллеры до 2200 х. т.(914—3868,5 киловатта, до 7737 киловатт) |
Danfoss-Turbocor выпускает линейку центробежных компрессоров для холодильных машин большой мощности. На выставке China exhibition Expo 2017 компания Haier демонстрировала чиллер на 4200 холодильных тонн (14 771 киловатт) на базе нескольких безмасляных компрессоров.
Помимо производителей, перечисленных в табл. 2, о начале выпуска безмасляных чиллеров на базе компрессоров центробежного типа собственной разработки объявила компания Gree. В 2016 году производитель компрессоров Hanbell в сотрудничестве с поставщиком магнитной подвески SKF создал линейку безмасляных чиллеров RTM.
На сегодняшний день безмасляные устройства практически не уступают по производительности традиционным холодильным машинам с компрессорами центробежного типа, что способствует росту их популярности.
Еще одна безмасляная технология — смазка хладагентом
В дополнение к магнитной подвеске была разработана еще одна безмасляная технология, предполагающая смазку подшипников хладагентом.
В
одном из вариантов этой технологии жидкий хладагент используется для смазки системы подшипников качения, состоящих из керамических шариков, заключенных в стальное кольцо. Смазка жидким хладагентом с низкой вязкостью позволяет существенно уменьшить потери в результате силы трения, тем самым повысив эффективность компрессора. Впервые эту технологию применила компания Trane в чиллерах с компрессорами центробежного типа на хладагенте R123. Затем Carrier представила холодильную машину с двухступенчатым центробежным компрессором, где для смазки подшипников используется новый хладагент R1233zd(E).
Еще один вариант заключается в том, что внутрь подшипника скольжения подается газообразный хладагент под давлением, и таким образом создается зазор между поверхностью подшипника и вращающимся валом. На выставке China Refrigeration Expo 2014 в Пекине компания Midea представила чиллер с безмасляным двухступенчатым компрессором центробежного типа производительностью 300 холодильных тонн (1055 киловатт), использующий подшипники с газовой смазкой.
Аналогичной мощностью обладает инверторный чиллер, разработанный компанией LG. В его конструкции использованы три двухступенчатых безмасляных центробежных компрессора с подшипниками газовой смазки.
В отличие от магнитной подвески безмасляные решения на основе смазки хладагентом не требуют сложных устройств контроля и управления.
Двухступенчатая конструкция компрессора и ее применение
Традиционно существуют два типа центробежных компрессоров, использующих хладагенты низкого давления: одноступенчатые с повышающим редуктором и многоступенчатые с прямым приводом от двигателя. В умеренном климате одноступенчатый компрессор способен обеспечить достаточное сжатие, однако его эффективность будет падать с повышением температуры охладителя.
С распространением в начале 1990-х годов хладагента R134a большинство японских компаний, таких как Hitachi (нынешняя Johnson Controls-Hitachi Air conditioning), MHI и Ebara, разработали двухступенчатые компрессоры с экономайзерами, отличающиеся повышенной эффективностью при высокой разнице температур испарителя и конденсатора.
В 2013 году Carrier объявила о создании чиллеров с двухступенчатыми центробежными компрессорами мощностью от 800 до 1600 холодильных тонн (2813,5–5627 киловатт), а затем увеличила холодопроизводительность до 3000 тонн (10 550 киловатт). Большинство китайских производителей осваивают выпуск холодильных машин на базе двухступенчатых компрессоров центробежного типа для использования в системах централизованного холодоснабжения, в промышленности, хранилищах льда, а также для применения в режиме теплового насоса.
В свою очередь, в конструкции нового чиллера YKEP с экономайзером от компании York к уже имеющемуся одноступенчатому компрессору был добавлен еще один — небольшой мощности, что позволило заметно повысить общую производительность.
Частотно-регулируемый привод и электромоторы с постоянными магнитами
Хорошо известно, что регулирование частоты вращения позволяет существенно увеличить эффективность компрессоров центробежного типа при неполной нагрузке, небольшой разнице температур испарителя и конденсатора или пониженной температуре охлаждающей воды. По некоторым оценкам, частотно-регулируемый привод (VFD) применяется более чем в 80% чиллеров с центробежными компрессорами, поставляемых в США. Как правило, такое регулирование используется совместно с обычными электромоторами переменного тока.
В безмасляных компрессорах без повышающей передачи устанавливаются высокоскоростные электромоторы с постоянными магнитами, напрямую соединенные с крыльчаткой. Технологические трудности, препятствующие созданию таких моторов, работающих с напряжениями свыше 3 киловольт, не позволяют получить безмасляный компрессор мощностью свыше 1500 холодильных тонн (5275 киловатт).
Чиллеры воздушного охлаждения и воздушные тепловые насосы
Типы используемых компрессоров
Холодопроизводительность чиллеров с воздушным охлаждением конденсатора лежит в диапазоне 10–600 холодильных тонн, что соответствует мощности 35–2110 киловатт. Верхний предел определяется максимально возможным размером теплообменника.
Как правило, в чиллерах воздушного охлаждения и воздушных тепловых насосах применяются компрессоры объемного сжатия: винтовые в устройствах средней и большой мощности, спиральные и ротационные — в маломощных системах. За последние 5 лет мощность спиральных компрессоров выросла до 50–60 л. с. (37–45 киловатт), а ротационных — до 15 л. с. (11,2 киловатта), что способствовало распространению модульных холодильных машин, состоящих из стандартизированных модулей холодопроизводительностью 30–60 тонн (105,5–211 киловатт).Большинство используемых в настоящее время ротационных, спиральных и винтовых компрессоров имеют инверторное управление, заметно повышающее их сезонную энергоэффективность.
Недавно в чиллерах воздушного охлаждения стали использовать и компрессоры центробежного типа, отличающиеся более высокой эффективностью при низкой температуре окружающей среды. Компания Trane заявила о создании воздушноохлаждаемого чиллера на 1600 киловатт на основе высокоскоростного центробежного компрессора с магнитной подвеской. Новинка будет поставляться в вариантах для работы с хладагентами R134a и R1234ze(E). Smardt также представила безмасляный чиллер воздушного охлаждения холодопроизводительностью от 200 до 1840 киловатт. Ожидается, что в качестве хладагентов новинка будет использовать R1234ze(E) и R513A.
Чиллеры водяного охлаждения с компрессорами объемного сжатия
Применение чиллеров на базе компрессоров объемного сжатия (например, винтовых) в качестве тепловых насосов, в том числе геотермальных и утилизирующих бросовое тепло, а также в составе систем льдоаккумуляторов, позволяет обойти ограничения, связанные с высокой разницей температур.
Внедрение множества технологических усовершенствований позволило повысить энергоэффективность винтовых компрессоров. Так, частотно-регулируемый привод положительно влияет на работу в условиях, отличающихся от проектных. Кроме того, он позволил отказаться от золотниковых клапанов, являвшихся причиной утечек и потерь при неполной нагрузке. Carrier, York, Daikin и другие ведущие производители включают частотно-регулируемый привод в стандартную комплектацию своих винтовых компрессоров. Присущее винтовым компрессорам внутреннее объемное отношение (Vi) приводит к потере давления в условиях, отличных от расчетных. Поэтому были разработаны механизмы регулирования объемного отношения в зависимости от рабочих условий. Еще одно технологическое решение, повысившее эффективность винтовых компрессоров при неполной нагрузке, — электромоторы на постоянных магнитах.
Первым примером использования этой технологии стал созданный компанией Trane чиллер воздушного охлаждения производительностью 150–300 тонн (527,5–1055 киловатт) на базе полугерметичного винтового компрессора. Bitzer также разработала полугерметичный винтовой компрессор с мотором на постоянных магнитах, оснастив его встроенным частотно-регулируемым приводом и системой автоматического регулирования внутреннего объемного отношения (Vi).
Альтернативные хладагенты для компрессоров объемного сжатия
Хладагенты низкого давления, использующиеся в компрессорах центробежного типа, не подходят для устройств объемного сжатия, так как не позволяют достичь сколь-нибудь существенной тепло- или холодопроизводительности.
В Европе R1234ze(E) уже применяется в качестве замены R134a. В 2015 году компания Trane выпустила чиллеры воздушного охлаждения мощностью 115–500 холодильных тонн (404–1758 киловатт), использующие новый негорючий хладагент R513А, обладающий сходными с R134a свойствами. JCI также объявила о применении R513A в ключевых продуктах своей линейки, в том числе в чиллерах водяного охлаждения на базе винтовых компрессоров.
Для холодильных машин со спиральными компрессорами Trane предлагает использовать хладагент DR-55 (R425B). Впервые образец такой машины был представлен на 24-м Международном конгрессе по проблемам охлаждения, организованном в 2015 году Международным институтом холода (IIR). ПГП этого умеренно воспламеняемого хладагента, созданного как альтернатива R410A, равен 675.
Перспективные направления в конструировании
Модульный дизайн
В чиллерах с воздушным охлаждением холодильной мощностью до 700 киловатт обычно используются спиральные и ротационные компрессоры, в устройствах холодильной мощностью от 350 киловатт находят применение и компрессоры винтового типа.
Около десяти лет назад на рынке появились воздухоохлаждаемые холодильные машины модульного типа, собираемые из небольших однотипных чиллеров холодопроизводительностью около 90 киловатт. С разработкой мощных спиральных компрессоров модульные конструкции стали очень популярны в Японии. Такие устройства работают на хладагенте R410A и имеют компактные теплообменники и трубопроводы.
Отдельные блоки с независимыми холодильными контурами проще доставить к месту монтажа и из них можно собрать установку с требуемыми параметрами. По мощности собранный из модулей чиллер может сравниться с холодильной машиной на основе центробежного компрессора. Так как каждый модуль имеет свой собственный фреонопровод, при утечке хладагента в одном из них остальные могут продолжать работу.
Модульная конструкция позволила существенно расширить область применения воздухоохлаждаемых чиллеров. Сейчас в Японии многие мощные чиллеры, в том числе абсорбционные, заменяются модульными системами. Производители предлагают их уже и для промышленного применения.
Использование в качестве теплового насоса
Технология отопления и получения горячей воды при помощи тепловых насосов с электрическим приводом компрессора стала популярной, как производящая меньше парниковых выбросов, чем традиционные котлы. Тепловые насосы, использующие в качестве источника тепла воздух, проще в эксплуатации, однако их эффективность существенно снижается при уменьшении наружной температуры или же в тех случаях, когда требуется повысить температуру нагрева воды.
В промышленности, а также при свободном доступе к незамерзающим природным водоемам, геотермальной энергии или бросовому теплу производственных процессов обычно используют водяные тепловые насосы.
Новейшие промышленные тепловые насосы, как правило, имеют винтовые компрессоры и способны нагревать воду до 65–70°С. Недавно были созданы тепловые насосы, способные одновременно нагревать воду до 90°С и охлаждать до 7°С. Кроме того, разработано устройство, подающее на выход горячий пар температурой 100°С.
Продолжаются работы над созданием промышленных воздушных тепловых насосов. Так, недавно был сконструирован тепловой насос на базе двухступенчатого винтового компрессора, использующий в качестве хладагента смесь гидрофторолефинов. Это устройство нагревает воду до 90°С при наружной температуре 25°С. Способны нагревать воду до 90°С и двухкаскадные воздушные тепловые насосы.
Источник: Вестник АПИК, “МИР КЛИМАТА”