Винтовые чиллеры с затопленным испарителем

Винтовые чиллеры с затопленным испарителем

Винтовые чиллеры с затопленным испарителем предназначены для охлаждения рабочей жидкости (как правило, воды), выступающей в роли хладоносителя в системе центрального кондиционирования. Данные агрегаты используются для обслуживания зданий и сооружений, в которых максимальная эквивалентная длина водопровода превышает 1000 метров. Всего одно подобное устройство способно снабжать охлажденной водой вентиляционные установки и (или) фанкойлы, установленные на каждом этаже и в каждом помещении 15—20-этажного объекта. Оно будет незаменимым помощником и в случае кондиционирования или вентилирования огромных торгово-развлекательных комплексов, бизнес-центров, супермаркетов, центров обработки данных и других сооружений большой площади.

Винтовые чиллеры с затопленным испарителем характеризуются не только высокой производительностью (в частности, выходная мощность устройств серии TWSF, выпускаемых компанией TICA, может варьироваться в пределах от 387 кВт до 3,28 МВт), но и превосходной энергоэффективностью. Если коэффициент энергоэффективности EER модульных чиллеров, оснащенных спиральными компрессорами, составляет 3,0—4,2 в зависимости от модели, то аналогичный показатель охладителей с винтовыми компрессорами достигает уже 5,9—6,4. Иными словами, на 1 кВт израсходованной таким чиллером электроэнергии приходится свыше 6 кВт «генерируемого» холода. Для доведения 1 т воды до заданной оператором (инженером) температуры им потребуется всего 550—590 Вт.

Для охлаждения данных агрегатов требуется вода. С этой целью применяются градирни мокрого или сухого типа. В первом случае нагревшаяся в конденсаторе вода разбрызгивается через форсунки градирни и охлаждается с помощью наружного воздуха, после чего вновь возвращается в конденсатор. Данный водяной контур является разомкнутым, поэтому часть влаги в виде испарений может уноситься ветром. Во втором случае используются теплообменники, по трубкам которых циркулирует поступающая из конденсатора вода. Такой контур является замкнутым, поскольку теплопередача между водой и наружным воздухом осуществляется через трубки теплообменников, причем без каких-либо потерь жидкости. Циркуляция воздуха обеспечивается благодаря осевым вентиляторам.

Наиболее эффективны винтовые чиллеры с затопленным испарителем в случае утилизации тепла отводимой от конденсатора воды. Для полезного использования теплоты конденсации требуется, помимо прочего, дополнительный рекуператор (например, теплообменник «труба в трубе»), в котором вода, предназначенная для горячего водоснабжения потребителей, нагревается до заданной температуры.

Кроме того, в качестве рекуператора может применяться кожухотрубный теплообменник, входящий в состав холодильного контура, по которому циркулирует хладагент. В этом теплообменнике водопроводная вода, предназначенная для бытовых или промышленных нужд, отбирает тепло у нагнетаемого компрессором фреона и нагревается, а затем с помощью циркуляционного насоса подается потребителям. Какая бы технология рекуперации теплоты ни применялась, она позволяет существенно сократить эксплуатационные затраты и избавить владельца системы центрального кондиционирования от необходимости монтировать и обслуживать дополнительную подсистему ГВС.

В качестве хладагента для винтовых чиллеров используется, как правило, фреон R134a. Он термически и химически стабилен, невзрывоопасен, трудногорюч (способен гореть в воздухе при воздействии источника зажигания, но неспособен самостоятельно гореть после его удаления), совместим с большинством конструкционных и строительных материалов, не содержит хлора и брома, а потому токсикологически безопасен, не разрушает озоновый слой, имеет в полтора раза меньший потенциал глобального потепления (GWP = 1300), нежели фреон R410a. R134a широко используется в автомобильных кондиционерах и холодильной технике, поскольку является оптимальным на сегодняшний день хладагентом для работы в условиях высоких температур кипения и конденсации.

Винтовые чиллеры с затопленным испарителем имеют компактную конструкцию и практически не выделяют тепла. Они монтируются в машинных залах или иных вспомогательных помещениях, к которым можно подвести водопровод и установить необходимую обвязку (циркуляционный водяной насос, амортизатор для гашения колебаний воды, запорную арматуру и т.п.). Если температура воздуха в таких помещениях отрицательная, водяной контур заполняется незамерзающей жидкостью — раствором гликоля.

Принцип работы винтового чиллера с затопленным испарителем

Конструкция чиллера весьма проста. На несущей раме, как правило, изготовленной из стали, размещаются: 1 или 2 винтовых компрессора; 2 кожухотрубных теплообменника, один из которых выполняет роль испарителя, а другой — конденсатора; электронные расширительные клапаны; система автоматического возврата масла; шкаф автоматики с программируемым логическим контроллером, блоком питания и проводным пультом с ЖК-дисплеем; датчики, реле и другие защитные устройства.

Схема работы винтового чиллера с затопленным испарителем

Во время эксплуатации чиллера жидкий хладагент R134a впрыскивается с помощью дросселирующего устройства (электронного расширительного клапана) в нижнюю часть затопленного испарителя, по трубкам которого циркулирует хладоноситель. Фреон равномерно распределяется по всему объему кожуха, полностью затопляя находящиеся внутри него трубки. Через их поверхности он отбирает тепло у циркулирующей рабочей жидкости и тем самым охлаждает ее до установленной техперсоналом температуры. После этого хладоноситель поступает в водяной контур и далее к конечным устройствам системы центрального кондиционирования — фанкойлам, приточным установкам и др.

В результате теплопередачи часть жидкого хладагента, заполняющего испаритель, закипает и испаряется. Благодаря создаваемому компрессором давлению всасывания фреоновый пар устремляется в верхнюю часть теплообменника. Во избежание повреждения компрессора захватываемые вместе с паром мельчайшие жидкие частицы задерживаются каплеотделителем. Такая конструкция испарителя дает возможность снизить потери давления в холодильном контуре, обеспечить полное испарение хладагента и избежать неоправданного увеличения теплообменных поверхностей для перегрева его паров.

Газообразный хладагент поступает в порт всасывания винтового компрессора. Проходя через вращающиеся роторы с ассиметричными зубьями, один из которых имеет вогнутую, а другой — выпуклую нарезку, фреон сжимается, его давление и температура значительно возрастают.

После этого перегретый фреон нагнетается в конденсатор, представляющий собой кожухотрубный теплообменник. В нем циркулирующий по внутренним трубкам хладагент и заполняющая кожух охлаждающая вода движутся противотоком по отношению друг к другу. Теплопередача осуществляется через поверхность трубок. В результате фреон отдает тепло воде и в жидком агрегатном состоянии возвращается в холодильный контур, а та, в свою очередь, поступает в мокрую или сухую градирню. Затем жидкий хладагент снова пропускается через дросселирующее устройство, впрыскивается в испаритель, и весь цикл повторяется.

Комплектующие для винтовых чиллеров с затопленным испарителем, выпускаемых компанией TICA

Компрессор

Винтовые чиллеры с затопленным испарителем серии TWSF оборудуются полугерметичными двухвинтовыми компрессорами немецкой компании Bitzer, давно зарекомендовавшей себя на мировом рынке в качестве одного из лучших производителей данных агрегатов. Их выходная мощность регулируется ступенчато с шагом 25% (1 компрессор) или 12,5% (2 компрессора) в зависимости от тепловой нагрузки. Для автоматической регулировки применяется золотниковый клапан.

Полугерметичный винтовой компрессор Bitzer

Агрегаты снабжены двумя роторами, один из которых является ведущим, а второй — ведомым. Зубья каждого ротора ассиметричные, соотношение числа заходов на ведущем и ведомом винтах составляет 5/6. Они изготовлены с микронной точностью и идеально подогнаны друг к другу, а для повышения износостойкости обработаны методом лазерной закалки.

Ведущий ротор приводится в движение электродвигателем повышенной мощности. При этом редуктор не используется, что позволяет избежать потерь энергии на трение, свойственных зубчатой передаче, и уменьшить количество движущихся деталей. Благодаря этому повышаются КПД и долговечность электропривода, а также снижается уровень звукового давления во время его эксплуатации. Скорость вращения ротора регулируется непрерывно.

За температурой компрессора следит встроенный PTC-терморезистор. Он предотвращает перегорание обмотки в случае заклинивания ротора или при выходе из строя системы охлаждения. Ее основными элементами являются система подачи и возврата охлаждающего масла и двигатель всасывания воздуха, предназначенный для охлаждения электропривода. Реле максимального тока защищает компрессор от перегрузки. Класс защиты агрегата от пыли и брызг воды — IP54 и выше.

Система автоматического впрыска и возврата масла

Выпускаемые компанией TICA винтовые чиллеры с затопленным испарителем оснащены передовой системой возврата масла. Благодаря трехступенчатому фильтру-маслоотделителю в компрессоре и дополнительному маслоотделителю в конденсаторе эффективность удаления полиэфирного масла из фреона R134a достигает 99,9%.

После сепарации масло впрыскивается в компрессор встроенным насосом с электронным управлением. Благодаря технологии автоматического впрыска, запатентованной компанией TICA, программируемый логический контроллер самостоятельно запускает программу доливки масла, когда его уровень в агрегате достигает минимума. Получив соответствующую команду, впрыскивающий насос добавляет в компрессор масло, необходимое для его нормальной работы.

Система автоматического впрыска и возврата масла

Электронные расширительные клапаны

Объем поступающего в испаритель хладагента регулируется электронными расширительными клапанами датской компании Danfoss исходя из тепловой нагрузки на чиллер. В стандартной комплектации используются 480-ступенчатые ЭРК, по желанию заказчика устанавливаются 3000-ступенчатые.

Электронные расширительные клапаны

Для изменения сечения клапанов применяются логическая программа и технология управления, разработанные и запатентованные TIСА под номером ZL 2013 2 0345187.X. Данная технология предельно четко и гибко реагирует на температуру и давление хладагента в испарителе и автоматически подает соответствующие сигналы электронному расширительному клапану. Исходя из них, сечение последнего расширяется (объем впрыскиваемого фреона увеличивается) либо сужается (поток уменьшается). В результате обеспечивается оптимальный расход хладагента в теплообменнике и его достаточное затопление при любых условиях эксплуатации.

Затопленный испаритель

Чиллеры серии TWSF комплектуются затопленным испарителем, представляющим собой кожухотрубный теплообменник с распределительной пластиной и туманоуловителем (каплеотделителем). Теплопередача между фреоном и рабочей жидкостью осуществляется через поверхность медных трубок диаметром 9,52 мм. Количество трубок может варьироваться по усмотрению заказчика: чем их меньше, тем ниже цена чиллера.

Затопленный испаритель

Туманоуловитель задерживает захватываемые вместе с паром мельчайшие капли хладагента и тем самым предотвращает заклинивание и повреждение компрессора.

Расчетное давление воды в типовом затопленном испарителе составляет 1,0 МПа. По желанию клиента могут быть изготовлены теплообменники с расчетным давлением 1,6 или 2,0 МПа.

Конденсатор

Кожухотрубный теплообменник, устанавливаемый в чиллерах TICA, отличается надежной работой, высокой герметичностью, минимальными потерями давления воды, нетребовательностью к ее качеству. Он устойчив к гидроударам, хорошо справляется с перепадами давления, маловосприимчив к загрязнениям. При правильной эксплуатации и своевременном техобслуживании срок службы данного агрегата составляет 20—25 лет.

Кожухотрубный конденсатор

Кожух и перегородки теплообменника выполнены из углеродистой стали, трубки диаметром 9,52 мм — из меди. Их внутренние поверхности имеют насечки, увеличивающие площадь теплообмена и повышающие его эффективность.

Охлаждающая вода в межтрубном пространстве и фреон в трубках движутся противотоком по отношению друг к другу. Опорные перегородки, фиксирующие трубки, обеспечивают спиралеобразное движение жидкости в кожухе, благодаря чему ее холодные и нагретые слои полностью перемешиваются. В результате фреон охлаждается на 20% эффективнее, чем в теплообменнике с прямотоком.

Расчетное давление воды в стандартном конденсаторе составляет 1,0 МПа. По усмотрению заказчика могут быть изготовлены теплообменники с расчетным давлением 1,6 или 2,0 МПа.

Секция рекуперации теплоты (опционально)

Винтовые чиллеры с затопленным испарителем могут комплектоваться секцией частичной рекуперации теплоты. Она предназначена для утилизации отработанного тепла и горячего водоснабжения местных потребителей.

Нагрев водопроводной воды осуществляется в рекуператоре, представляющем собой кожухотрубный теплообменник. В нем вода отбирает тепло у перегретого газообразного хладагента и благодаря этому нагревается. Затем она поступает в резервуар-теплонакопитель и по мере необходимости с помощью циркуляционного насоса подается потребителям.

Схема работы винтового чиллера с секцией рекуперации теплоты

Интеллектуальная система управления

Каждый чиллер серии TWSF оснащен выпускаемым французской компанией Schneider Electric программируемым логическим контроллером (ПЛК) на базе высокопроизводительного микропроцессора. С помощью контроллера и подключенных к нему датчиков реализованы: функция самодиагностики; функция предупреждения аварийных ситуаций; эксплуатация чиллера по расписанию в будние, выходные и праздничные дни.

Подключение сторонних устройств управления (персонального компьютера, ноутбука, планшета) осуществляется посредством интерфейса RS-485. C помощью локальной сети Ethernet и наиболее популярного промышленного протокола Modbus RTU программируемый логический контроллер обеспечивает стабильный и надежный обмен данными с автоматизированной системой управления зданием BMS (необходимое оборудование приобретается за дополнительную плату). Также по желанию клиента чиллеры могут оснащаться модулями для удаленного мониторинга и управления.

Программируемый логический контроллер

Для упрощения взаимодействия техперсонала с ПЛК предназначен проводной пульт с цветным жидкокристаллическим сенсорным дисплеем. Программное обеспечение имеет интуитивно понятный интерфейс. На дисплее отображаются различные функции и настройки чиллера, а также параметры его работы: температура воды на входе и выходе испарителя и конденсатора, давление пара на стороне всасывания и нагнетания, рабочий ток компрессора и др.

В случае обнаружения неисправности (ошибки) ее код также отображается на дисплее. Все аварийные сигналы и сопутствующая информация записываются в историю отказов, хранящуюся на протяжении длительного времени. При необходимости пользователь может ознакомиться с ней.

Винтовые чиллеры с затопленным испарителем оснащены датчиками, реле и защитными устройствами, обеспечивающими стабильную и надежную работу встроенного оборудования. Различные аппаратные и программные средства обеспечивают защиту: от неправильного чередования фаз, чрезмерно низкого/высокого напряжения, слишком частых включений компрессора, чрезмерно низкого/высокого давления, недостаточного поступления или отсутствия рабочей жидкости, несанкционированного доступа и др.