Чиллер — это машина, которая отводит тепло от жидкого хладагента с помощью циклов паровой компрессии , адсорбционного охлаждения или абсорбционного охлаждения . Затем эта жидкость может циркулировать через теплообменник для охлаждения оборудования или другого технологического потока (например, воздуха или технологической воды). В качестве необходимого побочного продукта охлаждение создает отработанное тепло , которое должно быть отведено в окружающую среду или для большей эффективности восстановлено для целей отопления. [1] Парокомпрессионные чиллеры могут использовать любой из ряда различных типов компрессоров. Наиболее распространенными сегодня являются герметичные спиральные, полугерметичные винтовые или центробежные компрессоры. Конденсационная сторона чиллера может охлаждаться как воздухом, так и водой. Даже при жидкостном охлаждении чиллер часто охлаждается градирней с принудительной тягой . Абсорбционные и адсорбционные чиллеры требуют для работы источника тепла. [2] [3]
Охлажденная вода используется для охлаждения и осушения воздуха в средних и крупных коммерческих, промышленных и институциональных объектах. Чиллеры с водяным охлаждением могут быть жидкостного охлаждения (через градирни), воздушного охлаждения или испарительного охлаждения. Системы с водяным или жидкостным охлаждением могут обеспечить преимущества эффективности и воздействия на окружающую среду по сравнению с системами с воздушным охлаждением. [4]
В системах кондиционирования воздуха охлажденный хладагент, обычно охлажденная вода, смешанная с этиленгликолем , из охладителя в установке кондиционирования воздуха или охлаждения обычно распределяется по теплообменникам или змеевикам в воздухообрабатывающих установках или других типах конечных устройств, которые охлаждают воздух в соответствующих помещениях. Затем вода рециркулируется в охладитель для повторного охлаждения. Эти охлаждающие змеевики передают явное тепло и скрытое тепло из воздуха в охлажденную воду, таким образом охлаждая и обычно осушая воздушный поток. Типичный охладитель для систем кондиционирования воздуха имеет мощность от 50 кВт (170 тыс. БТЕ / ч ) до 7 МВт (24 млн БТЕ/ч), и по крайней мере два производителя (York international и LG) могут выпускать охладители, способные охлаждать до 21 МВт (72 млн БТЕ/ч). [5] [6] Температура охлажденной воды (на выходе из охладителя) обычно составляет от 1 до 7 °C (от 34 до 45 °F) в зависимости от требований применения. Обычно охладители получают воду при температуре 12°C (входная температура) и охлаждают ее до 7°C (выходная температура). [7]
Когда охладители для систем кондиционирования воздуха неисправны или нуждаются в ремонте или замене, аварийные охладители могут использоваться для подачи охлажденной воды. Арендуемые охладители устанавливаются на прицепе, чтобы их можно было быстро развернуть на месте. Для соединения арендованных охладителей с системами кондиционирования воздуха используются большие шланги для охлажденной воды. [8]
В промышленных применениях охлажденная вода или другая охлаждающая жидкость из охладителя прокачивается через технологическое или лабораторное оборудование. Промышленные охладители используются для контролируемого охлаждения продуктов, механизмов и заводского оборудования в самых разных отраслях. Они часто используются в пластмассовой промышленности, литье под давлением и выдувном формовании, смазочно-охлаждающих маслах для металлообработки, сварочном оборудовании, литье под давлением и станкостроении, химической обработке, фармацевтической формулировке, переработке продуктов питания и напитков, переработке бумаги и цемента, вакуумных системах, рентгеновской дифракции, источниках питания и газотурбинных электростанциях (см. Охлаждение воздуха на входе турбины#Парокомпрессионный охладитель ), аналитическом оборудовании, полупроводниках, охлаждении сжатого воздуха и газа. Они также используются для охлаждения высокотемпературных специализированных изделий, таких как аппараты МРТ и лазеры в больницах, гостиницах и кампусах.
Чиллеры для промышленного применения могут быть централизованными, когда один чиллер обслуживает несколько потребностей в охлаждении, или децентрализованными, когда каждое приложение или машина имеет свой собственный чиллер. Каждый подход имеет свои преимущества. Также возможно сочетание как централизованных, так и децентрализованных чиллеров, особенно если требования к охлаждению одинаковы для некоторых приложений или точек использования, но не для всех.
Охлажденная вода используется для охлаждения и осушения воздуха в средних и крупных коммерческих, промышленных и институциональных (CII) объектах. Жидкостные охладители могут быть с жидкостным охлаждением, воздушным охлаждением или испарительным охлаждением. Водяные или жидкостные охладители включают использование градирен , которые повышают термодинамическую эффективность охладителей по сравнению с охладителями с воздушным охлаждением. Это происходит из-за отвода тепла при температуре воздуха по влажному термометру или около нее, а не при более высокой, иногда намного более высокой, температуре сухого термометра. Охладители с испарительным охлаждением обеспечивают более высокую эффективность, чем охладители с воздушным охлаждением, но ниже, чем охладители с жидкостным охлаждением.
Чиллеры с жидкостным охлаждением обычно предназначены для установки и эксплуатации внутри помещений, охлаждаются отдельным конденсаторным водяным контуром и подключаются к наружным градирням для отвода тепла в атмосферу.
Воздушно-охлаждаемые и испарительно-охлаждаемые чиллеры предназначены для установки и эксплуатации вне помещений. Воздушно-охлаждаемые машины напрямую охлаждаются окружающим воздухом, который механически циркулирует непосредственно через конденсаторный змеевик машины для отвода тепла в атмосферу. Испарительно-охлаждаемые машины похожи, за исключением того, что они используют водяной туман над конденсаторным змеевиком для содействия охлаждению конденсатора, что делает машину более эффективной, чем традиционная воздушно-охлаждаемая машина. Обычно не требуется удаленная градирня для любого из этих типов упакованных воздушно-охлаждаемых или испарительно-охлаждаемых чиллеров.
Холодная вода, доступная в близлежащих водоемах, может использоваться непосредственно для охлаждения, замены или дополнения градирен. Примером является система охлаждения с глубинным источником воды в Торонто, Онтарио , Канада . Она использует холодную воду озера для охлаждения охладителей, которые, в свою очередь, используются для охлаждения городских зданий через систему централизованного охлаждения . Возвратная вода используется для подогрева питьевой воды города, что желательно в этом холодном климате. Всякий раз, когда отвод тепла охладителем может использоваться для продуктивной цели, в дополнение к функции охлаждения, возможна очень высокая тепловая эффективность.
Парокомпрессионный чиллер обычно использует один из четырех типов компрессоров: поршневое сжатие, спиральное сжатие, винтовое сжатие и центробежное сжатие — все это механические машины, которые могут приводиться в действие электродвигателями , паровыми или газовыми турбинами . Использование электродвигателей в полугерметичной или герметичной конфигурации является наиболее распространенным методом приведения в действие компрессоров, поскольку электродвигатели могут эффективно и легко охлаждаться хладагентом, не требуя подачи топлива или вытяжной вентиляции, и не требуются уплотнения вала, поскольку двигатель может работать в хладагенте, что снижает техническое обслуживание, утечки, эксплуатационные расходы и время простоя, хотя иногда используются открытые компрессоры. Они производят свой охлаждающий эффект через обратный цикл Ренкина , также известный как паровая компрессия. При отводе тепла испарительного охлаждения их коэффициенты производительности (КПД) очень высоки; обычно 4,0 или более.
Современная технология парокомпрессионного чиллера основана на цикле «обратного Ренкина», известном как парокомпрессионный. Смотрите прилагаемую схему, на которой обозначены основные компоненты системы чиллера.
Основные компоненты чиллера:
Холодильные компрессоры по сути являются насосом для хладагента. Мощность компрессора, а следовательно, и холодопроизводительность охладителя, измеряется в киловаттах (кВт), лошадиных силах (л. с.) или объемном расходе (м 3 /ч, фут 3 /ч). Механизм сжатия хладагента отличается в зависимости от компрессора, и у каждого есть свое применение. Обычные холодильные компрессоры включают поршневые, спиральные, винтовые или центробежные. Они могут работать от электродвигателей, паровых турбин или газовых турбин. Компрессоры могут иметь встроенный двигатель от определенного производителя или быть с открытым приводом, что позволяет подключаться к другому типу механического соединения. Компрессоры также могут быть герметичными (сваренными в закрытом состоянии) или полугерметичными (скрепленными болтами).
В последние годы применение технологии частотно-регулируемого привода (VSD) повысило эффективность парокомпрессионных охладителей. Впервые VSD был применен в центробежных компрессорных охладителях в конце 1970-х годов и стал нормой по мере роста стоимости энергии. Теперь VSD применяются в винтовых и спиральных компрессорах.
Конденсаторы могут быть с воздушным охлаждением, жидкостным охлаждением или испарительными. Конденсатор представляет собой теплообменник, который позволяет теплу передаваться от газообразного хладагента к воде или воздуху. Конденсаторы с воздушным охлаждением изготавливаются из медных трубок (для потока хладагента) и алюминиевых ребер (для потока воздуха). Каждый конденсатор имеет различную стоимость материала, и они различаются по эффективности. У конденсаторов испарительного охлаждения их коэффициенты производительности (COP) очень высоки; обычно 4,0 или более. Конденсаторы с воздушным охлаждением устанавливаются и работают на открытом воздухе и охлаждаются наружным воздухом, который часто продувается через конденсатор с помощью электрических вентиляторов . Конденсаторы с водяным или жидкостным охлаждением охлаждаются водой, которая в свою очередь часто охлаждается градирней .
Расширительное устройство ( ТРВ ) или устройство измерения хладагента (РМД) ограничивает поток жидкого хладагента, вызывая падение давления, которое испаряет часть хладагента; это испарение поглощает тепло из близлежащего жидкого хладагента. РМД расположено непосредственно перед испарителем, так что холодный газ в испарителе может поглощать тепло из воды в испарителе. На выходной стороне испарителя имеется датчик для РМД, который позволяет РМД регулировать поток хладагента на основе требований к конструкции чиллера.
Испарители могут быть пластинчатого или кожухотрубного типа. Испаритель представляет собой теплообменник, который позволяет тепловой энергии перемещаться из потока воды в газообразный хладагент. Во время изменения состояния оставшейся жидкости в газообразное состояние хладагент может поглощать большое количество тепла без изменения температуры.
Термодинамический цикл абсорбционного чиллера приводится в действие источником тепла; это тепло обычно подается в чиллер через пар, горячую воду или сжигание. По сравнению с электрическими чиллерами абсорбционный чиллер имеет очень низкие требования к электроэнергии — очень редко более 15 кВт совокупного потребления как для насоса раствора, так и для насоса хладагента. Однако его требования к подводимому теплу велики, а его КПД часто составляет от 0,5 (одноэффектный) до 1,0 (двухэффектный). Для той же охлаждающей способности абсорбционному чиллеру требуется гораздо большая градирня , чем парокомпрессионному чиллеру. Однако абсорбционные чиллеры, с точки зрения энергоэффективности, превосходны там, где легко доступно дешевое, низкопотенциальное тепло или отработанное тепло. [9] В чрезвычайно солнечном климате солнечная энергия использовалась для работы абсорбционных чиллеров.
В цикле абсорбции с одним эффектом в качестве хладагента используется вода, а в качестве абсорбента — бромистый литий . Именно сильное сродство этих двух веществ друг к другу заставляет цикл работать. Весь процесс происходит практически в полном вакууме.
Промышленные охладители обычно поставляются как полные, упакованные, замкнутые системы, включающие блок охладителя, конденсатор и насосную станцию с рециркуляционным насосом, расширительным клапаном, отключением при отсутствии потока, внутренним управлением холодной водой. Компрессоры могут быть двух типов - спиральные и винтовые, в зависимости от бюджета и производительности, ожидаемой от охладителя. Внутренний бак помогает поддерживать температуру холодной воды и предотвращает возникновение скачков температуры. Замкнутые промышленные охладители рециркулируют чистый хладагент или чистую воду с кондиционирующими добавками при постоянной температуре и давлении для повышения стабильности и воспроизводимости охлаждаемых водой машин и приборов. Вода течет от охладителя к точке использования приложения и обратно. [ необходима цитата ]
Если разница температур воды на входе и выходе велика, то для хранения холодной воды будет использоваться большой внешний резервуар для воды. В этом случае охлажденная вода не поступает напрямую из охладителя в приложение, а поступает во внешний резервуар для воды, который действует как своего рода «температурный буфер». Резервуар для холодной воды намного больше, чем внутренняя вода, поступающая из внешнего резервуара в приложение, а обратная горячая вода из приложения возвращается во внешний резервуар, а не в охладитель. [ требуется цитата ]
Менее распространенные промышленные охладители открытого цикла контролируют температуру жидкости в открытом резервуаре или поддоне путем ее постоянной рециркуляции. Жидкость забирается из резервуара, прокачивается через охладитель и возвращается в резервуар. В промышленных водяных охладителях используется водяное охлаждение вместо воздушного. В этом случае конденсатор не охлаждает горячий хладагент окружающим воздухом, а использует воду, которая охлаждается градирней . Такая разработка позволяет снизить энергопотребление более чем на 15%, а также позволяет значительно уменьшить размер охладителя из-за малой площади поверхности конденсатора на основе воды и отсутствия вентиляторов. Кроме того, отсутствие вентиляторов позволяет значительно снизить уровень шума. [ необходима цитата ]
Большинство промышленных охладителей используют охлаждение в качестве среды для охлаждения, но некоторые полагаются на более простые методы, такие как поток воздуха или воды по катушкам, содержащим хладагент, для регулирования температуры. Вода является наиболее часто используемым хладагентом в технологических охладителях, хотя смеси хладагентов (в основном вода с добавкой хладагента для улучшения рассеивания тепла) часто используются. [11]
Важные характеристики, которые следует учитывать при поиске промышленных чиллеров, включают общую стоимость жизненного цикла, источник питания, рейтинг IP чиллера, холодопроизводительность чиллера, мощность испарителя, материал испарителя, тип испарителя, материал конденсатора, мощность конденсатора, температуру окружающей среды, тип вентилятора двигателя, уровень шума, материалы внутренних трубопроводов, количество компрессоров, тип компрессора, количество холодильных контуров, требования к хладагенту, температуру нагнетания жидкости и COP (соотношение холодопроизводительности в RT к энергии, потребляемой всем чиллером в кВт). Для средних и больших чиллеров это должно быть в диапазоне от 3,5 до 7,0, причем более высокие значения означают более высокую эффективность. В США эффективность чиллера часто указывается в киловаттах на тонну охлаждения (кВт/RT).
Технические характеристики технологического насоса, которые важно учитывать, включают в себя технологический поток, технологическое давление, материал насоса, эластомер и материал механического уплотнения вала, напряжение двигателя, электрический класс двигателя, рейтинг IP двигателя и номинал насоса. Если температура холодной воды ниже −5 °C, то необходимо использовать специальный насос, чтобы иметь возможность перекачивать высокие концентрации этиленгликоля. Другие важные характеристики включают в себя размер и материалы внутреннего водяного бака и ток полной нагрузки.
При выборе промышленных чиллеров следует учитывать такие характеристики панели управления, как локальная панель управления, дистанционная панель управления, индикаторы неисправностей, индикаторы температуры и индикаторы давления.
Дополнительные функции включают аварийную сигнализацию, обход горячего газа, переключение на городскую воду и ролики. [10]
Разборные охладители также являются вариантом для использования в отдаленных районах, где условия могут быть жаркими и пыльными. [12]
Если уровень шума чиллера акустически неприемлем, инженеры по контролю шума внедрят шумоглушители для снижения уровня шума чиллера. Более крупные чиллеры обычно требуют массива шумоглушителей, иногда называемых группой глушителей.
Парокомпрессионный чиллер использует хладагент внутри в качестве рабочей жидкости. Доступно множество вариантов хладагентов; при выборе чиллера необходимо сопоставить требования к температуре охлаждения и охлаждающие характеристики хладагента. Важными параметрами для рассмотрения являются рабочие температуры и давления.
Существует несколько экологических факторов, которые касаются хладагентов, а также влияют на будущую доступность для применения в холодильных установках. Это ключевое соображение в прерывистых применениях, где большой охладитель может прослужить 25 лет и более. Необходимо учитывать потенциал истощения озонового слоя (ODP) и потенциал глобального потепления (GWP) хладагента. Данные ODP и GWP для некоторых наиболее распространенных парокомпрессионных хладагентов (отметим, что многие из этих хладагентов являются легковоспламеняющимися и/или токсичными): [13]
R12 — это эталон ОРП. CO 2 — это эталон ПГП.
В чиллерах, продаваемых в Европе, в основном используются хладагенты R410a (70%), R407c (20%) и R134a (10%). [16]
[1]
