Принцип работы и устройство чиллера для охлаждения воды

Что такое чиллер - определение

Чиллер (от англ. chiller) — это агрегат для охлаждения воды или другого теплоносителя, который используется в системах кондиционирования воздуха, вентиляции и охлаждения технологического оборудования.

Где применяются чиллеры

• Коммерческие здания: Чиллер охлаждает воду либо другой хладонситель, который подается на фанкойлы, либо теплообменник системы вентиляции, обеспечивая поддержание комфортного температурного режима.
• Промышленность - в пищевой для поддержания стабильной температуры оборудования и хранения продуктов. В химической, для охлаждения реакторов, станков и другого технологического оборудования.
• В медицине: охлаждение МРТ (магнитно-резонансный томограф), работа климатических камер.
• Центры обработки данных (ЦОД): Для серверных помещений и дата-центров критически важно поддерживать низкую температуру, чтобы предотвратить перегрев оборудования. Чиллеры играют ключевую роль в системах охлаждения таких объектов, в частотности для работы в паре с прецизионными кондиционерами.

Разновидности чиллеров:

С воздушным конденсатором моноблочные:

Моноблочный чиллер представляет собой единый блок, в котором все основные компоненты (компрессор, конденсатор, испаритель) собраны в одном корпусе, что упрощает установку и обслуживание. Охлаждение конденсатора осуществляется воздухом, который подается осевыми либо центробежными вентиляторами

С выносным конденсатором воздушного охлаждения:

Бесконденсаторный чиллер имеет разделённую конструкцию, где конденсатор вынесен наружу, что позволяет снизить уровень шума и эффективно отводить тепло вне помещения.

Модульные чиллеры:

Состоят из нескольких модулей, которые могут работать как независимо, так и совместно. Модульные чиллеры являются гибким типом холодильных систем, позволяющим легко масштабировать мощность охлаждения в зависимости от потребностей объекта. 

С водяным конденсатором (вода-вода):

Охлаждение конденсатора осуществляется водой. Обычно требуют наличия градирни или другой системы водяного охлаждения. Более эффективны, чем чиллеры с воздушным охлаждением конденсатора, особенно в крупных системах и на промышленных объектах.

Абсорбционные:

АБХМ применяются в условиях, где имеется избыток тепловой энергии, например, на теплоэлектростанциях. Абсорбционный чиллер использует тепловую энергию для осуществления процесса охлаждения вместо электрической энергии, что делает его эффективным при наличии дешевого или избыточного тепла.

Реверсивные с функцией теплового насоса:

Могут работать как на охлаждение, так и на обогрев, что делает их универсальными для использования в различных климатических условиях. Чиллер может работать в режиме теплового насоса, используя тепловую энергию для эффективного отопления или подогрева воды.

Низкотемпературные:

Чиллеры с зимним комплектом предназначены для обеспечения эффективной работы в условиях низких температур. Они оснащены специальными элементами, такими как подогреватели для защиты от замерзания воды в системе, термоизоляционные материалы для минимизации потерь тепла и другие технологии, которые обеспечивают надежную и стабильную работу чиллеров даже при низких температурах окружающей среды. Такое решение позволяет установить чиллер снаружи здания и эксплуатировать его круглогодично, в случае если внутренняя установка невозможна.

Принцип работы чиллера

Принцип работы заключается в передаче тепла от охлаждаемой жидкости к хладагенту, который затем отводит это тепло наружу.

• Сжатие фреона: Компрессор сжимает хладагент, увеличивая его давление. Сжатый фреон в газообразном состоянии направляется в конденсатор.
• Конденсация: В конденсаторе горячий газообразный хладагент отдает тепло окружающей среде и конденсируется в жидкое состояние.
• Дросселирование: Жидкий хладагент проходит через расширительный клапан (ЭРВ либо ТРВ), где его давление и температура резко снижаются. Этот процесс подготавливает хладагент к испарению в следующем этапе.
• Кипение: В низкотемпературном и низкопоточном состоянии хладагент поступает в испаритель, где начинает охлаждать воду или другой теплоноситель. В испарителе хладагент кипит и в последствии испаряется, поглощая тепло от охлаждаемой жидкости. Охлажденная вода циркулирует через испаритель, отдавая свое тепло хладагенту и охлаждаясь.
• Циркуляция охлажденной воды: Охлажденная вода направляется к системам кондиционирования или охлаждения оборудования. После передачи холода вода возвращается в чиллер для повторного охлаждения.
• Рециркуляция хладагента: Газообразный хладагент после испарителя возвращается в компрессор.

Таким образом, хладагент непрерывно циркулирует по системе, перенося тепло из охлаждаемого объекта в окружающую среду.

Основные компоненты чиллера

• Испаритель: теплообменник в котором происходит охлаждение воды за счет кипения фреона. Есть различные виды испарителей
• Компрессор: производит сжатие фреона до давления необходимого для его конденсации. В зависимости от типа и назначения чиллера, используются различные типы компрессоров
• Конденсатор: теплообменник в котором происходит отвода тепла от хладагента, который поступает в конденсатор в виде горячего газа после сжатия в компрессоре. В зависимости от типа конденсатора тепло утилизируется в воздух, либо в воду (жидкость)
• Расширительный клапан: регулирует количество хладагента, подаваемого в испаритель, а также контролирует его давление и температуру, наиболее популярные разновидности: ТРВ — термостатический расширительный вентиль и ЭРВ — электронный расширительный вентиль.
• Гидромодуль - насосная станция обеспечивает циркуляцию и распределение охлажденной воды или другого теплоносителя по системе, помимо насосов в комплектацию могут входить: расширительный бак, фильтры, гидроаккумулятор (накопительная емкость)
• Контроллеры и датчики: позволяют обеспечивать контроль для мониторинга рабочими параметрами чиллера. Управление температурой, давлением, считывание ошибок.

Типы компрессоров, применяемых в чиллерах:

Поршневые компрессоры:	Описание: Работают по принципу возвратно-поступательного движения поршня внутри цилиндра. Преимущества: Высокая надежность, способность работать при высоком давлении и высокой производительности. Недостатки: Высокий уровень вибрации и шума, сравнительно низкая энергоэффективность. Применение: Используются в малых и средних моделях чиллеров, а также в системах, где требуется высокая производительность.
Спиральные компрессоры (Scroll):	Описание: Состоят из двух спиралей, одна из которых неподвижна, а другая вращается, сжимая хладагент. Преимущества: Спиральные компрессоры обеспечивают высокую энергоэффективность, низкий уровень шума и вибрации, простота конструкции. Недостатки: Ограничены по производительности и не подходят для очень больших систем. Применение: Широко используются в малых и средних чиллерах.
Винтовые компрессоры:	Описание: Состоят из двух винтовых роторов, которые вращаются в противоположных направлениях, сжимая хладагент. Преимущества: Высокая производительность, высокая энергоэффективность, способность работать при переменных нагрузках. Недостатки: Более высокая стоимость по сравнению с поршневыми и спиральными компрессорами. Применение: Используются в средних и больших чиллерах, в том числе в промышленных системах охлаждения.
Центробежные компрессоры (турбокомпрессоры):	Описание: Используют центробежную силу для сжатия хладагента. Хладагент попадает в центр рабочего колеса и выбрасывается наружу под действием центробежной силы. Преимущества: Очень высокая производительность, высокая энергоэффективность, низкий уровень шума и вибрации. Недостатки: Высокая стоимость и сложность конструкции, неэффективны при низких нагрузках. Применение: Применяются в больших чиллерах, используемых в коммерческих зданиях и больших промышленных предприятиях.

Разновидности испарителей

Пластинчатые: Состоят из множества тонких пластин, сложенных вместе с небольшими зазорами между ними, через которые проходят хладагент и охлаждаемая жидкость.

• Компактные размеры, высокая эффективность теплообмена, низкое внутреннее объемное пространство.
• Недостатки: Уязвимость к загрязнению и засорению, что требует регулярного обслуживания и очистки.
• Применение: Широко используются в небольших и средних чиллерах, особенно системы кондиционирования воздуха.

Кожухотрубные испарители: Представляют собой набор трубок, через которые циркулирует хладагент, окруженный охлаждаемой жидкостью (или наоборот).

• Преимущества: Высокая надежность, простота конструкции, возможность работы при высоких давлениях.
• Недостатки: Большие размеры по сравнению с пластинчатыми испарителями.
• Применение: Большие промышленные чиллеры часто используют кожухотрубный теплообменник, так как в таких системах охлаждения важна высокая производительность.

Сравнение пластинчатого и кожутрубчатого теплообменника

Конденсатор

Воздушные конденсаторы: 

представляют из себя трубки с ребрами (ламелями), через которые проходит хладагент; вентиляторы обдувают трубки воздухом для отвода тепла. отвод тепла от хладагента к окружающему воздуху производится с помощью вентиляторов. Недостатком является меньшая эффективность по сравнению с чиллерами с водяным охлаждением конденсатора.

Применение: Используются в небольших промышленных чиллерах и системах кондиционирования воздуха.

Водяные конденсаторы

• Описание: Водяные конденсаторы используют воду для отвода тепла от хладагента. Затем жидкость охлаждается в градирне.
• Конструкция: Состоит из кожуха и трубок: хладагент циркулирует внутри трубок, а вода – снаружи.
• Преимущества: Высокая эффективность теплообмена, менее зависимы от температуры окружающей среды.
• Недостатки: Требуется водоснабжение и градирня, более сложное обслуживание.
• Применение: Применяются в крупных промышленных и коммерческих системах охлаждения.

Расширительный клапан

Термостатический расширительный клапан (ТРВ)

Что в сходит в состав гидромодуля

• Насосы: циркуляционный насос обеспечивает движение охлажденной воды по системе. Резервный насос (если предусмотрен): Используется для повышения надежности системы.
• Расширительный бак: Компенсирует изменение объема воды при изменении температуры и предотвращает избыточное давление в системе.
• Фильтры: Улавливают механические примеси и загрязнения, предотвращая их попадание в теплообменники и насосы.
• Гидроаккумулятор: В некоторых системах используется для сглаживания гидравлических ударов и обеспечения стабильного давления.

Измерительные приборы и датчики

• Датчики температуры: применяются для контроля температуры на входе и выходе испарителя и конденсатора, а также для регулирования температуры охлаждаемой воды. Типы: Термопары, термисторы, платиновые термометры сопротивления (RTD).
• Датчики давления: контролируют давление на стороне высокого и низкого давления, предотвращая работу системы при недопустимых давлениях. Типы: Манометры, электронные датчики давления.
• Реле потока: обеспечивают контроль над расходом жидкости через испаритель и конденсатор, предупреждают о недостаточном потоке, что может привести к разморозке испарителя. Типы: Турбинные, ультразвуковые, электромагнитные датчики потока.

Основные типы контроллеров

• Программируемые логические контроллеры (ПЛК) - используются для автоматизации работы чиллера, включая запуск и остановку компрессоров, управление вентиляторами и насосами, регулирование температуры и давления. Особенности: Гибкость в программировании, возможность интеграции с другими системами автоматизации.
• Микропроцессорные контроллеры: обеспечивают контроль и регулирование температуры, давления, потока и уровня жидкости. Особенности: Высокая точность и быстродействие, возможность интеграции с системой мониторинга.
• Цифровые контроллеры: используются для точного контроля температуры, давления и других параметров, обеспечивая высокую надежность и точность. Особенности: Возможность удаленного управления и мониторинга через сеть или интернет.

Применение

Охладители воды находят широкое применение в различных областях благодаря своей способности обеспечивать охлаждение и поддерживать заданные температурные условия. Вот несколько основных сфер применения чиллеров:

Промышленное производство:	Производство пластмасс: Охлаждение форм при литье пластмасс под давлением. Металлообработка: Охлаждение станков и оборудования, а также контроль температуры в производственных процессах. Пищевая промышленность: Охлаждение продуктов и оборудования в процессе производства и хранения. Контроль температуры в химических реакторах и других процессах, требующих точного поддержания температурных условий.
Кондиционирование воздуха:	Коммерческие здания: Чиллеры охлаждают воздух в офисных центрах, торговых центрах, гостиницах и других общественных зданиях. Жилые комплексы: Охлаждение воздуха в многоквартирных домах и жилых комплексах. Охлаждение воздуха в кинотеатрах, спортивных аренах, аквапарках и других развлекательных объектах.
Центры обработки данных (ЦОД)	Охлаждение серверных комнат и дата-центров для предотвращения перегрева оборудования и обеспечения его бесперебойной работы.