Безмасляные центробежные чиллеры с затопленным испарителем

Раствора гликоля и иных рабочих жидкостей, используемых в качестве хладоносителя для конечных устройств высокопроизводительной системы центрального кондиционирования — фанкойлов, воздухообрабатывающих установок, вентустановок с рекуперацией тепла и др. 

Всего один подобный чиллер способен обеспечить холодной водой систему кондиционирования 20—25-этажного административного здания, бизнес-центра, отеля, иного высотного объекта. В качестве примера можно привести 24-этажный бизнес-центр Alexandra Point (общая площадь — 18,6 тыс. кв. м) в центре Сингапура, обслуживаемый двумя безмасляными центробежными чиллерами производства TICA, один из которых выполняет роль резервного.

24-этажный бизнес-центр Alexandra Point в Сингапуре

Принцип действия данных устройств идентичен схеме работы чиллеров с водяным охлаждением, которые оснащаются винтовыми или центробежными компрессорами, смазываемыми маслом. Конструктивные особенности безмасляных чиллеров объясняются наличием не нуждающихся в смазке высокопроизводительных центробежных компрессоров с радиальным и осевым магнитными подшипниками и, как следствие, отсутствием системы снабжения, очистки и возврата масла.

Центробежный компрессор с магнитными подшипниками

Высочайшая энергоэффективность и наименьшие эксплуатационные затраты на протяжении всего жизненного цикла оборудования

Безмасляные центробежные чиллеры с затопленным испарителем отличаются не только высокой производительностью, но и наибольшей энергоэффективностью среди всех устройств аналогичного назначения. В частности, агрегаты, выпускаемые компанией TICA и ее канадским активом — промышленной группой SMARDT, приобретенной в 2018 году и являющейся разработчиком и ведущим мировым производителем безмасляных чиллеров, характеризуются наименьшими эксплуатационными затратами на протяжении всего срока службы. Их энергоэффективность в среднем на 32% превышает аналогичный показатель смазываемых маслом новейших винтовых охладителей той же мощности. Безмасляные центробежные чиллеры с затопленным испарителем производства TICA — SMARDT расходуют на 50—65% электроэнергии меньше, чем спиральные, винтовые и центробежные агрегаты, которые эксплуатируются уже на протяжении 7—10 лет.

В режиме полной нагрузки чиллеры, не нуждающиеся в смазке, расходуют на охлаждение одной тонны воды 0,50—0,55 кВт, в режиме частичной нагрузки — 0,30—0,35 кВт. Производительность данных приборов регулируется автоматически в зависимости от тепловой нагрузки. Как показывают многочисленные наблюдения за оборудованием SMARDT, установленным в различных городах США, в режиме 100-процентной нагрузки оно эксплуатируется не более 4% рабочего времени в год. Таким образом, безмасляные центробежные чиллеры с затопленным испарителем практически всегда работают в режиме энергосбережения, а их интегральный показатель энергоэффективности при частичной нагрузке IPLV достигает 10,5—12. Для других чиллеров такие показатели пока недостижимы.

Время работы безмасляного чиллера при различных нагрузках (в процентном выражении)

Безмасляные центробежные чиллеры с затопленным испарителем производства TICA — SMARDT, оснащенные несколькими компрессорами Turbocor, работают даже в режиме 5—10-процентной нагрузки. Один такой агрегат может легко заменить сразу несколько спиральных или винтовых чиллеров. Установка двух-восьми центробежных компрессоров с магнитными подшипниками позволяет равномерно распределить нагрузку между ними или зарезервировать дополнительные мощности (например, в случае проведения технических работ либо появления дополнительных систем вентиляции и кондиционирования, нуждающихся в охлажденной воде).

Поскольку в смазочных материалах нет необходимости, безмасляные центробежные чиллеры с затопленным испарителем не оснащаются дорогостоящей системой подачи, очистки и возврата масла. Благодаря этому техническое обслуживание устройств не вызывает никаких затруднений.

Еще одно важное преимущество безмасляных чиллеров — стабильная и бесперебойная работа на протяжении всего срока службы, достигающего 30 лет. Причем в течение всего этого периода энергоэффективность устройства не снижается, а расходы на его эксплуатацию и техническое обслуживание не возрастают. Для сравнения: спустя пять лет фактическая энергоэффективность смазываемых маслом винтовых и центробежных чиллеров снижается на 21—33% по отношению к заявленной производителем (по данным Американского института систем отопления, охлаждения и кондиционирования воздуха AHRI). 

Расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание чиллеров производительностью 300 кВт на протяжении всего срока службы (по данным AHRI)

Причина кроется в том, что даже минимальное содержание в хладагенте (например, фреоне R134a) масла, необходимого для нормальной эксплуатации винтового или обычного центробежного компрессора, со временем приводит к образованию масляной пленки на стенках и трубках кожухотрубного теплообменника. В результате эффективность теплообмена снижается на 15—25% (согласно результатам научно-исследовательского проекта № 361, выполненного экспертами Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха ASHRAE), а потребление электроэнергии возрастает.

Ввиду отсутствия системы маслоснабжения безмасляные центробежные чиллеры с затопленным испарителем лишены указанного выше недостатка. Их энергоэффективность и расходы на эксплуатацию остаются неизменными даже по прошествии 25—30 лет.

Как показывают исследования, уже по истечении двух лет совокупные затраты на приобретение, эксплуатацию и техобслуживание смазываемых винтовых чиллеров, включая покупку и установку резервного генератора (для пуска винтового компрессора требуется 500—700 А) и шумоподавляющих систем (работа таких компрессоров сопровождается высокочастотным шумом), примерно на 20% превышают аналогичные расходы, связанные с приобретением и работой безмасляных агрегатов. Последние не нуждаются ни в дополнительном генераторе (для пуска центробежного компрессора требуется всего 2 А), ни в системе шумопоглощения (уровень шума при эксплуатации безмасляного чиллера не превышает 77 дБ(А) — примерно такой же показатель фиксируется во время работы наружного блока VRF-системы).

Общие расходы после двух лет эксплуатации смазываемого маслом винтового чиллера и безмасляного центробежного чиллера

Схема работы безмасляного центробежного чиллера с затопленным испарителем и его конструктивные элементы

Конструкция безмасляного центробежного чиллера с затопленным испарителем, выпускаемого TICA — SMARDT, относительно проста. Его основными компонентами являются: центробежные компрессоры Turbocor с магнитными подшипниками; затопленный испаритель и конденсатор, представляющие собой классические кожухотрубные теплообменники большой емкости; электронные расширительные клапаны, регулирующие объем поступающего в испаритель хладагента; запорная арматура, в частности клапаны аварийного сброса давления; датчики температуры и давления; шкаф автоматики, включающий все необходимые элементы и защитные устройства, гарантирующие безопасное подключение к источнику питания и немедленное отключение чиллера в случае возникновения нештатных ситуаций, плату управления с программируемым логическим контроллером и сенсорный экран.

Схема безмасляного центробежного чиллера с затопленным испарителем, оснащенного двумя центробежными компрессорами

При эксплуатации чиллера в режиме охлаждения воды, раствора гликоля и т.п. сконденсированный жидкий хладагент с помощью электронного расширительного клапана (4) впрыскивается в нижнюю часть испарителя. Благодаря распределительной пластине (3) фреон R134A равномерно рассеивается по всему периметру данного кожухотрубного теплообменника. В нем имеющий низкое давление хладагент отбирает тепло у воды, поступающей из системы центрального кондиционирования и циркулирующей во встроенных медных трубках (8). В результате теплообмена, осуществляемого через поверхность трубок, рабочая жидкость охлаждается до заданной пользователем температуры и вновь возвращается в систему центрального кондиционирования, а фреон закипает и испаряется (2).

Благодаря создаваемому компрессором (1) давлению всасывания газообразный хладагент устремляется в верхнюю часть испарителя. Захватываемые вместе с паром мельчайшие жидкие частицы фреона, которые могут привести к повреждению компрессора, задерживаются туманоуловителями (5). Далее газообразный хладагент пропускается через направляющие лопатки (6) и поступает в порт всасывания (7) компрессора. При этом угол всасывания фреона изменяется таким образом, чтобы обеспечивалось его максимальное сжатие при заданной частоте вращения ротора.

Схема работы испарителя безмасляного центробежного чиллера

Всасываемый в компрессор перегретый хладагент имеет низкое давление. Он проходит через впускные направляющие лопатки (1), используемые для регулирования производительности компрессора в условиях низкой нагрузки, и нагнетается в камеру с первой крыльчаткой (2) (первая ступень компрессии). Центробежная сила, которая создается этим вращающимся рабочим колесом, увеличивает скорость и давление фреонового пара. Затем, минуя лопатки (3), минимизирующие завихрения высокоскоростного пара, он направляется в камеру со второй крыльчаткой (4) (вторая ступень компрессии). С помощью данного рабочего колеса хладагент снова сжимается и нагнетается в спираль (5), представляющую собой изогнутую воронку, сечение которой увеличивается по мере приближения к выпускному порту компрессора. За счет этого скорость газа уменьшается, а его давление и температура возрастают. Далее он поступает в безлопаточный диффузор (6) — канал, ограниченный двумя сужающимися стенками и улучшающий структуру фреонового потока, а затем в выпускной порт (7) компрессора.

Схема центробежного компрессора Turbocor

После этого перегретый газ, имеющий высокое давление, нагнетается в верхнюю часть конденсатора и с помощью отклоняющейся пластины рассеивается по всему периметру кожухотрубного теплообменника. По мере соприкосновения с поверхностью встроенных медных трубок, по которым течет поступающая из градирни холодная вода, фреон охлаждается и конденсируется, переходя в жидкое агрегатное состояние. Затем через электронный расширительный клапан он снова впрыскивается в нижнюю часть испарителя, и весь цикл повторяется.

Безмасляные центробежные чиллеры с затопленным испарителем производства TICA — SMARDT. Преимущества

В линейку безмасляных центробежных чиллеров с затопленным испарителем, выпускаемых совместным предприятием TICA — SMARDT, входят модели производительностью от 1055 до 4220 кВт (300—1200 RT). Каждый прибор комплектуется несколькими компрессорами Danfoss Turbocor модели TT300 (выходная мощность — 211—316,5 кВт) или TT400 (422—527,5 кВт) на магнитных подшипниках. Единственные движущиеся в этих компрессорах компоненты — ротор и его крыльчатки — левитируют (парят в воздухе) благодаря магнитному полю, создаваемому осевым и радиальным подшипниками. Физический контакт ротора с обмотками статора, а следовательно, и трение между ними исключены. В результате отсутствуют потери производительности, а износостойкость и срок службы компрессоров значительно возрастают.

Температура окружающей среды, при которой допускается работа устройства в режиме частичной или полной нагрузки, — от +3 до +41 °C. Чиллер в низкотемпературном исполнении может эксплуатироваться при -10 °C. Максимальная температура окружающей среды, при которой возможен запуск изделия в режиме ожидания, — 54 °C.

Температура воды на выходе устройства задается пользователем самостоятельно. Она варьируется в пределах от 3 до 16 °C (по умолчанию — 7 °C). Максимальная температура рабочей жидкости, поступающей в безмасляный центробежный чиллер, составляет 24 °C. Разница температур воды на входе и на выходе агрегата может достигать 3—9 градусов Цельсия.

Информация о текущем состоянии системы и выполненных технических работах регистрируется устройством записи и хранения данных. Мониторинг оборудования можно осуществлять с помощью сенсорного дисплея или дистанционно. В чиллерах реализована поддержка платформ и стандартных протоколов связи Modbus, BACnet, LonWorks, N2. Благодаря этому устройства легко интегрируются в автоматизированную систему управления зданием (Building Management System, BMS).

Сертификаты и гарантия

Все безмасляные центробежные чиллеры с затопленным испарителем, выпускаемые совместным предприятием TICA — SMARDT, внесены в список ETL — утвержденный на правительственном уровне в США и Канаде перечень наиболее эффективного оборудования. Котлы, электродвигатели, кондиционеры, вентиляционные установки и холодильное оборудование, претендующие на включение в данный список, должны соответствовать самым строгим критериям энергосбережения. Как правило, в ETL включаются 25% лучших изделий на рынке.

Безмасляные центробежные чиллеры с затопленным испарителем имеют гарантию электробезопасности на весь срок службы. Испарители и конденсаторы, которыми оснащаются устройства, полностью соответствуют нормам Американского общества инженеров-механиков (ASME) для сосудов высокого давления. На всю продукцию TICA — SMARDT предоставляется расширенная гарантия сроком до 5 лет.

Параметры энергоэффективности центробежных чиллеров определены в соответствии со стандартом AHRI 551/591. Интегральный показатель энергоэффективности при частичной нагрузке (IPLV) любого чиллера, выпускаемого TICA — SMARDT, всегда значительно превышает минимальные уровни, установленные стандартами ASHRAE 90.1 (США), CSA 743 (Канада), Eurovent (Евросоюз), MEPS (Австралия), CRAA (Китай) и др.

Сравнительные характеристики безмасляных центробежных чиллеров с затопленным испарителем