Безмасляные центробежные чиллеры с затопленным испарителем

Содержание

1. Особенности технологии и принцип действия
2. Высочайшая энергоэффективность и эксплуатационные затраты
3. Схема работы и конструктивные элементы
4. Преимущества безмасляных центробежных чиллеров с затопленным испарителем производства TICA — SMARDT
5. Сертификаты и гарантия
6. Сравнительные характеристики безмасляных центробежных чиллеров с затопленным испарителем
7. Часто задаваемые вопросы

Безмасляные центробежные чиллеры TICA с затопленным испарителем – это высокоэффективное оборудование для генерации хладоносителя (воды или растворов гликоля), применяемое в составе промышленных систем центрального кондиционирования и холодоснабжения HVAC. Данные безмасляные центробежные чиллеры обеспечивают стабильную подачу охлажденной воды для высокопроизводительных терминальных устройств: фанкойлов, центральных кондиционеров (AHU) и приточно-вытяжных установок с секциями рекуперации тепла. Проектирование инженерных систем на базе чиллеров с затопленным испарителем ориентировано на объекты с повышенными требованиями к энергоэффективности и надежности холодоснабжения — бизнес-центры класса «А», высотные административные здания, гостиничные комплексы и крупные промышленные площадки.

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

Особенности технологии и принцип действия

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

Высочайшая энергоэффективность и эксплуатационные затраты

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.

Эффективность при частичных нагрузках

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).

Преимущества отсутствия масляной системы

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

Схема работы и 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

Принцип циркуляции хладагента

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

Работа компрессора

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

Преимущества безмасляных центробежных чиллеров с затопленным испарителем производства TICA — SMARDT

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

Модель		WB140.3H	WB145.3H	WB240.5H	WB300.6H
Источник питания		380 В 50 Гц	380 В 50 Гц	380 В 50 Гц	380 В 50 Гц
Производительность, кВт		1055 (300 RT)	1143 (325 RT)	1758 (500 RT)	2110 (600 RT)
Потребляемая мощность, кВт		156	168,5	257,2	309,7
Энергопотребление, кВт/т воды		0,52	0,52	0,51	0,52
Интегральный показатель энергоэффективности при частичной нагрузке (IPLV)		11,18	11,29	11,32	11,37
Максимальный рабочий ток, А		269,5	288,6	444,9	545,1
Испаритель	расход воды, л/с	50,4	54,6	84,0	100,7
	гидравлическое сопротивление, кПа	41	29	74	25,2
	наружный диаметр соединительного трубопровода, мм	200	200	250	300
Конденсатор	расход воды, л/с	63	68,3	104,9	116,6
	гидравлическое сопротивление, кПа	20,4	36	76	26
	наружный диаметр соединительного трубопровода, мм	150	200	200	250
Компрессор	марка	Danfoss Turbocor	Danfoss Turbocor	Danfoss Turbocor	Danfoss Turbocor
	количество	3	3	5	6
Хладагент		R134A	R134A	R134A	R134A
Вес при эксплуатации, кг		7170	7575	10980	12705
Габариты устройства, мм	длина	5147	4145	5943	5155
	ширина	1399	2118	2277	2661
	высота	2309	1851	1840	2550
Гарантия		5 лет	5 лет	5 лет	5 лет

Часто задаваемые вопросы

В чем заключается ключевая особенность технологии безмасляных центробежных компрессоров?

Основное значение и отличие данной технологии безмасляных центробежных компрессоров от традиционных аналогов заключается в использовании магнитных подшипников. В такой машине полностью отсутствуют потери на трение, за счёт чего энергия расходуется исключительно на сжатие хладагента. Поскольку в системе не используется масло, исключается риск образования масляной пленки в теплообменниках, что позволяет использовать оборудование с максимальным КПД в течение всего срока эксплуатации.

Как принцип работы безмасляной системы влияет на техническое обслуживание?

Принцип работы оборудования TICA исключает наличие маслоотделителей, насосов и фильтров. Благодаря этой особенности, требования к техническому обслуживанию существенно снижаются: специалистам не требуется регулярно заменять смазочные материалы и проводить очистку контура. Доступ к основным компонентам упрощен, а мониторинг состояния магнитных подшипников осуществляется электроникой в режиме реального времени.

Для каких объектов лучше всего подходить данное решение?

Такое решение широко применяется на объектах коммерческой и промышленной недвижимости общей площадью от 10 000 кв. м. Использование центробежных чиллеров мощностью более 1000 кВт оптимально там, где критически важно минимизировать использование электроэнергии при частичных нагрузках. Оборудование может эффективно подходить для дата-центров, производственных цехов и офисных высоток, где ограничено рабочее пространство под инженерные системы.

Какие требования предъявляются к установке и нужен ли мощный фундамент?

В отличие от винтовых агрегатов, безмасляный центробежный компрессор практически не создает вибраций, критичных для строительных конструкций. Это позволяет производить монтаж на объектах, где положение оборудования предусмотрено на верхних этажах или кровле, не возводя массивный фундамент. При установке важно обеспечить свободное пространство для сервиса, при этом компактные габариты чиллеров TICA позволяют эффективно оптимизировать площадь под вентустановки в техническом помещении.

Каким образом чиллер подключается к системе управления зданием (BMS)?

Каждая установка подключается через стандартные протоколы (Modbus, BACnet), позволяя диспетчеру полностью контролировать положение рабочих точек и энергопотребление. Встроенная автоматика в реальном времени отслеживает, как внешние условия могут влиять на производительность, и корректирует обороты, которые выдает безмасляной компрессор, достигая рекордных показателей IPLV.