Технологические новшества в чиллерах

Технологические новшества в чиллерах

При разработке современного климатического оборудования прежде всего приходится учитывать два фактора: необходимость энергосбережения и запрет на использование гидфторуглеродных хладагентов (ГФУ) с высоким потенциалом глобального потепления.

Для повышения энергоэффективности чиллеров инженеры применяют все более мощные безмасляные компрессоры центробежного типа, а также технологии управления скоростью вращения, такие как частотно-регулируемые приводы на основе электромоторов с постоянными магнитами. Кроме того, все чаще используется двухступенчатое сжатие, обеспечивающее высокую эффективность в широком диапазоне условий.

В рамках перехода от традиционных ГФУ к хладагентам нового поколения с меньшим ПГП за последние несколько лет на рынке появились чиллеры с компрессорами центробежного и винтового типов, заправляемые гидрофторолефинами (ГФО), а также смесями ГФО и ГФУ.

Прогресс в сфере безмасляных технологий

С появлением в начале 2000х годов первых безмасляных компрессоров центробежного типа на магнитной подвеске производители работали над увеличением их производительности и довели ее до 1000 х. т. (3,5 мегаватта).

Прогресс в области электроники и технологий управления, а также появление мощных электромоторов на постоянных магнитах позволили сделать магнитную подвеску более компактной и дешевой. Некоторые производители чиллеров привлекли к разработке систем магнитной подвески производителей электронных комплектующих.

Чиллеры с безмасляными компрессорами имеют множество преимуществ. Это не только значительное сокращение потерь на преодоление силы трения, но и возможность избавиться от таких элементов конструкции, как масляные насосы и трубопроводы, вентили, масляные фильтры и маслоохладители. Кроме того, в таких чиллерах исключено снижение производительности теплообменников из-за загрязнения маслом, присутствующим в холодильном контуре.

Однако магнитная подвеска может применяться только в компрессорах центробежного типа со сбалансированным валом. Кроме того, нагрузка, которую может выдержать такая подвеска, ограничена.

Система магнитной подвески 

Основные элементы типичной системы магнитной подвески — магнитные катушки, расположенные вокруг вала крыльчатки, контроллер, управляющий подачей электричества, и сенсоры, отслеживающие положение вала.

Для такой системы необходима совершенная технология управления, позволяющая удерживать вал точно по центру, реагируя в реальном времени на любые отклонения от заданного положения. Повышающая передача, увеличивающая скорость вращения вала, требует смазки, и ее применение здесь исключено. Вместо этого используется частотно-регулируемый привод на базе высокоскоростного электромотора на постоянных магнитах, напрямую соединенного с валом крыльчатки.

Для увеличения мощности безмасляных компрессоров данного типа необходима разработка подвески, способной выдерживать большую нагрузку, и более мощных электромоторов. Для создания чиллеров производительностью свыше 1000 х. т. требуются электромоторы, работающие с напряжениями от 3 до 13 киловольт. В настоящее время технологии не позволяют изготовить моторы на постоянных магнитах с такими параметрами.

Подшипники, смазываемые хладагентом 

Безмасляной технологией, альтернативной магнитной подвеске, является смазка подшипников компрессора непосредственно хладагентом. Такие компрессоры делятся на две категории в зависимости от типа подшипников: для смазки подшипников качения используется жидкий хладагент, для подшипников скольжения — газообразный.

Ролики смазываемых жидким хладагентом подшипников изготавливают из керамики, отличающейся низким коэффициентом трения. Благодаря тому, что вязкость хладагента существенно ниже вязкости традиционно используемого для смазки масла, удается добиться существенного снижения потерь на преодоление силы трения.

Безмасляные компрессоры с подшипниками скольжения, смазываемые газообразным хладагентом, в свою очередь делятся на две подкатегории — со статическим и динамическим давлением. В первом случае газообразный хладагент под высоким давлением подается в зазор подшипника, удерживающего вал компрессора.

В подшипниках второго типа высокое давление газа создается за счет взаимодействия вала с поверхностью скольжения, выполненной в виде тонкой пленки или покрытой колосовидными, то есть расположенными «елочкой», канавками. Подобная подвеска уже давно использовалась в воздушных компрессорах и агрегатах турбонаддува, но лишь недавно нашла применение в компрессорах холодильных систем.

Работа в нештатных режимах

Регулирование скорости вращения центробежных чиллеров

Наиболее действенный способ обеспечить эффективную работу чиллеров с компрессорами центробежного типа в нештатных режимах — использовать технологию изменения скорости вращения.

Эта технология обеспечивает наиболее значительную экономию энергии именно для центробежных компрессоров, ведь энергопотребление этих устройств пропорционально возведенной в куб скорости вращения крыльчатки. Пик эффективности (СОР) чиллеров с переменной скоростью вращения наблюдается при неполной нагрузке и пониженной температуре охлаждающей воды на выходе.

Слабое место центробежных компрессоров с переменной скоростью вращения — «помпаж», нестабильная работа при низкой нагрузке. Чтобы обойти это ограничение, используют регулирование положения лопаток направляющего аппарата (IGV). Кроме того, недавно для тех же целей были найдены такие решения, как сопла (диффузоры) с изменяемой геометрией и управление впрыском газа.

Чиллеры с компрессорами винтового типа

Винтовые компрессоры относятся к устройствам объемного сжатия, и помпаж для них не характерен. При этом и эффект от изменения скорости вращения не столь велик, как в случае с компрессорами центробежного типа.

Тем не менее, управление скоростью вращения винтовых компрессоров позволяет избавиться от потерь, возникающих из-за потока через байпас, а также уменьшить силу трения за счет уменьшения скорости вращения ротора при неполной нагрузке.

Особенность винтовых компрессоров — степень их сжатия жестко задана геометрией устройства (соотношением размеров корпуса, роторов и профилей зубьев), что при работе в условиях, отличных от проектных, приводит к потерям независимо от скорости вращения.

Однако недавно были разработаны компрессоры с переменной степенью сжатия, лишенные этого недостатка. Прогресс в области полупроводниковых технологий сделал частотно-регулируемые приводы дешевле и компактней, что способствовало их широкому распространению. В настоящее время частотно-регулируемые приводы, охлаждаемые хладагентом, монтируются в чиллеры не только с центробежными, но и с винтовыми компрессорами. Чтобы сделать чиллеры более компактными, производители начали оснащать их встроенными частотно-регулируемыми приводами.

Центробежные компрессоры с двумя ступенями сжатия 

Система с двумя ступенями сжатия и экономайзером позволяет существенно повысить эффективность охлаждения в условиях значительной разницы температур. Как правило, такая схема используется в холодильном (морозильном) оборудовании.

В системах комфортного кондиционирования или отопления также может быть достигнуто определенное повышение эффективности. Например, в типичных для стран Азии условиях, когда чиллер подает воду, охлажденную до 7°С, а на вход в конденсатор подается вода с температурой 32°С, двухступенчатое сжатие обеспечивает повышение эффективности на 425% по сравнению с одноступенчатой схемой.

Организация двухступенчатого сжатия требует установки дополнительной крыльчатки и компонентов экономайзера, что ведет к удорожанию конструкции. В то же время при работе по такой схеме эффективность сжатия каждой ступени выше за счет уменьшения разницы температур, а скорость вращения — ниже, чем у чиллера с одноступенчатым компрессором.

Тенденции, касающиеся производительности компрессоров

С развитием технологий меняются диапазоны производительности различных типов компрессоров, использующихся в климатическом оборудовании.

Чиллеры с водяным охлаждением конденсатора 

Центробежные компрессоры считаются наилучшим решением для систем холодопроизводительностью свыше 300 х. т. (1055 киловатт), в то время как холодильные машины с компрессорами винтового типа наиболее эффективны в диапазоне от 70 до 500 х. т. (24621758 киловатт). Однако с появлением небольших высокоскоростных безмасляных компрессоров нижняя граница диапазона производительности устройств центробежного типа опустилась ниже 300 х. т., сделав возможным их применение там, где традици онно использовались холодильные машины с винтовыми компрессорами.

Чиллеры с воздушным охлаждением конденсатора и воздушные тепловые насосы

Максимальная производительность воздушноохлаждаемых чиллеров ограничена возможностью их транспортировки и составляет примерно 5002600 х. т. (175822110 киловатт). Как правило, в устройствах малой холодопроиз водительности используются компрессоры спирального типа. Чиллеры мощностью от 100 т (351,6 киловатта) традиционно оснащаются винтовыми компрессорами.

С разработкой небольших, но относительно мощных спиральных и ротационных компрессоров (компрессоров с катящимся поршнем), использующих хладагент R410A, стали появляться чиллеры воздушного охлаждения производительностью свыше 200 х. т. (более 703 киловатт), представляющие собой конструкцию из нескольких небольших стандартных чиллеров-модулей.

На японском рынке ротационные компрессоры, ранее использовавшиеся главным образом в бытовых кондиционерах воздуха, сейчас находят применение и в масштабных модульных чиллерах воздушного охлаждения, и в воздушных тепловых насосах. Производительность наиболее мощных систем такого типа достигает 19 200 киловатт, их коэффициент СОР равен 6,4, а интегральный показатель эффективности при неполной нагрузке — 7.

Использование компрессоров малой и средней мощности, работающих с хладагентами высокого давления в составе больших воздушноохлаждаемых чиллеров и воздушных тепловых насосов, — наиболее заметная тенденция на азиатском рынке климатического и холодильного оборудования.

Смотрите также