Вестник УКЦ АПИК: Современные технологии, используемые в холодильных машинах

В новых линейках холодильного оборудования, выпущенных рядом производителей, использованы передовые технологии, обеспечивающие высокую энергоэффективность изделий. В этой статье мы рассмотрим некоторые из таких решений.

Компрессоры

Современные технологии, используемые в холодильных машинахРяд производителей обновили компрессоры, применяемые в их холодильных машинах.

Так, с 2012 года компания TRANE производит чиллеры серии AquaStream 3G на базе спиральных компрессоров. Эти холодильные машины (и тепловые насосы) входят в линейку CGAM и выпускаются в различных модификациях с холодильной мощностью от 55 до 453 кВт. Конструкция чиллера CGAM полностью разработана и запатентована TRANE. Данные холодильные машины оснащены вентиляторами в трех различных исполнениях по уровню шума и эффективности, электронными расширительными клапанами патентованной конструкции, инновационными микропроцессорами Tracer CH530 с возможностью управления через системы диспетчеризации на базе LonTalk LCI–C, LonTalk/Tracer Summit, BACnet, ModBus.

Компания Hitachi для холодильных машин линейки Samurai использовала новый полугерметичный винтовой компрессор, спроектированный для работы на хладагенте HFC R407C. В конструкции отсутствует внешний электродвигатель, что ведет к уменьшению количества внутренних элементов. Компрессоры устанавливаются на резиновые антивибрационные прокладки и располагаются внутри изолированного корпуса с двойным покрытием. Такая конструкция, запатентованная компанией Hitachi, уменьшает уровень шума.

В зависимости от производительности чиллеры Daikin оснащаются разными типами компрессоров: для малых мощностей используются спиральные компрессоры, для мощных агрегатов — винтовые, а для самых мощных — центробежные (справедливости ради отметим, что подобное разделение характерно практически для всех производителей). Компания Daikin — это единственный производитель, который использует одновинтовой компрессор с двумя симметричными роторами, так как эта схема считается наиболее надежной.

Усовершенствования конструкции компрессора в чиллерах компании Daikin
Рис. 1. Усовершенствования конструкции компрессора в чиллерах компании Daikin (изображение взято из технических каталогов компании Daikin)
Преимуществом этой схемы является отсутствие неуравновешенных радиальных и осевых нагрузок, действующих на вал компрессора, что позволяет производителю декларировать плановую длительность работы агрегата 40 000 часов до первой его ревизии. К тому же в этих чиллерах использованы новые разработки компании — высокоэффективный сепаратор масла и эффективная система возврата масла, улучшающая эксплуатацию компрессора (рис. 1).

Из иных особенностей новых чиллеров Daikin можно отметить отсутствие специального масляного насоса: охлаждение и уплотнение винта компрессора обеспечивается подводом жидкого хладагента, благодаря чему достигаются постоянная температура деталей на протяжении всего длительного срока службы, минимальный размер зазоров и, как результат, высокая эффективность.

Теплообменные аппараты

В качестве теплообменных аппаратов в новых чиллерах компании Climaveneta использованы микроканальные конденсаторы. «МИР КЛИМАТА» уже рассказывал о микроканальных теплообменниках (см. статью «Микроканальные теплообменники» в № 66). Напомним, что конструктивно микроканальный теплообменник состоит из трех основных элементов: микроканальных пластин, полученных методами экструдирования или деформирующего резания, ребер между ними и двух коллекторов. Параллельные микроканальные пластины соединяют два коллектора и представляют собой, условно говоря, сильно сплющенную трубу. Соответственно проходное сечение напоминает щель: при ширине 27 мм его высота составляет всего 0,79 мм. Толщина самой пластины 1,3 мм. Подобная конструкция позволяет добиться существенного увеличения поверхности теплообмена при небольших габаритах аппарата.

Помимо малых габаритов, преимуществом данного типа теплообменников являются небольшая масса и доступная цена, так как в отличие от трубчато-ребристых аппаратов, в которых используются медные трубки и алюминиевые ребра, для изготовления микроканальных аппаратов применяется только алюминий, а это, как известно, металл более дешевый и легкий.

Применительно к чиллерному оборудованию отметим, что данная технология позволяет снизить количество используемого хладагента по сравнению с традиционными змеевиками медь/алюминий, что обеспечивает более высокое соотношение между холодильной мощностью и количеством заправленного хладагента.

В качестве испарителя в чиллерах серии Samurai компании Hitachi используется пластинчатый теплообменник из нержавеющей стали. По сравнению с традиционными кожухотрубными теплообменниками он более компактен. Работая с такой же производительностью, он занимает гораздо меньше места. Благодаря такой технологической разработке, для чиллеров Samurai требуется меньше заправляемого хладагента, чем в более ранних моделях чиллеров. Попутно это ведет к меньшим эксплуатационным расходам, так как в случае необходимости количество хладагента, которое может потребоваться для замены при техническом обслуживании, будет минимальным.

Точность работы

Важной характеристикой холодильных машин является способность точно поддерживать заданные значения температуры холодоносителя. Непрерывное регулирование производительности основывается на точном управлении температурой воды на выходе в зависимости от величины тепловой нагрузки. Это ведет к снижению затрат в процессе эксплуатации, так как холодильная машина обеспечивает количество энергии, необходимое только для компенсации нагрузки.

Алгоритм непрерывного регулирования холодопроизводительности в чиллерах серии Samurai компании Hitachi
Рис. 2. Алгоритм непрерывного регулирования холодопроизводительности в чиллерах серии Samurai компании Hitachi (изображение взято из технических каталогов компании Hitachi)
Для управления температурой воды с точностью ±0,5 °C в чиллерах Samurai компании Hitachi используются два основных компонента. Во-первых, это золотник в винтовом компрессоре для изменения величины расхода хладагента через холодильный контур путем байпасирования. Во-вторых, это сложная электронная система, предусматривающая четыре режима управления, позволяющих поддерживать постоянную температуру на выходе. Сочетание этих двух средств может представлено в виде диаграммы на рис. 2.

При заданной нагрузке и выбранной температуре воды на выходе электронная система сравнивает измеренные значения, снимаемые с термисторов, с заданным. В зависимости от измеренного значения с интервалом в одну минуту генерируется управляющий сигнал, который в итоге изменяет положение золотника для увеличения либо для уменьшения производительности.

Управляющий сигнал направляется на расположенные в компрессоре электромагнитные клапаны, которые управляют движением золотника. Сигнал имеет переменную длительность, поэтому положение золотника будет изменяться в соответствии с определенным режимом управления производительностью. В режиме «увеличение производительности 1» длительность сигнала составляет 12 секунд. В режимах «увеличение производительности 2» или «уменьшение производительности» длительность сигнала 2 секунды. В режиме «нейтральный» положение золотника, а значит, и производительность не меняются.

По сравнению с системами управления PID на основе пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования время реакции чиллеров Samurai меньше, поэтому и требуемая температура достигается быстрее. Большая гибкость системы позволяет специалисту по установке адаптировать время реакции или точность реакции системы к каждому конкретному случаю. Это реализуется посредством установки микропереключателей на микропроцессоре.

Отметим, что данная технология позволяет адаптироваться холодильным машинам к переменной или неполной загрузке. Благодаря непрерывному регулированию чиллер может постоянно поддерживать требуемое значение холодопроизводительности в зависимости от текущей тепловой нагрузки. Это позволяет ему работать по температуре воды на выходе, а не на входе в испаритель. И, таким образом, благодаря системе управления чиллер показывает высокие значения энергоэффективности даже при частичной нагрузке.

Другие технологии и модернизации

Среди иных усовершенствований отметим акцент компании Hitachi на снижение пусковых токов для чиллерного оборудования собственного производства. Так, электрическая схема запуска чиллера серии Samurai позволяет избежать использования проводки повышенного сечения. Для этого используются два пути. Во-первых, электродвигатели компрессоров имеют пусковую схему с переключением со звезды на треугольник, которая устанавливается как стандартное оборудование на каждый компрессор и позволяет значительно уменьшить пусковую мощность компрессора. Во-вторых, в чиллерах Samurai используется поэтапный процесс запуска. Если в системе установлено более одного компрессора, запуск начинается с того, который работал наименьшее количество часов. Это также позволяет оптимизировать длительности наработки компрессионного оборудования в рамках каждой из холодильных машин.

Затем, после минутной задержки, запускается второй компрессор. Оба компрессора продолжают работать при минимальной мощности, когда начинает работать следующий компрессор, и так далее, пока все компрессоры не будут работать при минимальной нагрузке. После 30-секундной предохранительной задержки чиллер достигает номинальной мощности.

Следует отметить, что благодаря поэтапному запуску потребление мгновенной мощности каждым компрессором во время пуска меньше, чем в случае одновременного запуска всех компрессоров. Кроме того, при минимизации пусковой мощности система не подвергается перегрузке, а значит, сечение кабелей не является критичным.

Конструкция компрессора в чиллерах с водным охлаждением серии DWME компании Daikin
Рис. 3. Конструкция компрессора в чиллерах с водным охлаждением серии DWME компании Daikin (изображение взято из технических каталогов компании Daikin)
Компрессоры чиллеров с водяным охлаждением серии DWME компании Daikin оснащены магнитными подшипниками (рис. 3), повышающими эффективность установки за счет снижения затрат на трение. Однако при этом возникла задача правильной остановки вала компрессора, особенно в экстренных случаях. В данном случае компрессор спроектирован так, что в нормальном режиме часть энергии вращения отбирается и накапливается внутри ротора, когда электропитание пропадает, предварительно накопленная энергия поступает на подшипники и панель управления. К тому времени, как накопленная энергия рассеется, ротор компрессора достигнет практически нулевой скорости вращения и ляжет на вспомогательные опоры.

К слову, чиллеры с компрессорами на магнитной подушке были выпущены и компанией Haier. Сердцем чиллера является компрессор Turbocor центробежного типа, в котором в качестве опорных элементов используются электромагнитные подвесы. Новейшая технология позволяет значительно уменьшить уровень энергопотребления. Кроме того, отсутствие традиционной схемы циркуляции и охлаждения масла продлевает жизненный цикл. Стоимость технического обслуживания становится незначительной. Отсутствие пусковых токов является еще одним немаловажным преимуществом чиллеров Haier с компрессором на магнитной подушке. Подробнее о чиллерах Haier на магнитной подушке читайте в статье, опубликованной в № 79 журнала «МИР КЛИМАТА».

Еще одна интересная технология от Daikin связана с желанием снизить уровень шума, генерируемого техникой. Небольшое количество жидкого хладагента впрыскивается в область нагнетания компрессора. Капли поглощают энергию звука и уменьшают общий рабочий уровень шума. Испаряясь, капли уменьшают перегрев на нагнетании.

Кроме того, линейкой чиллеров обзавелась и компания Systemair, хорошо известная на рынке вентиляционного оборудования. Так, в компании в соответствии с концепцией «Максимальная эффективность и минимальное воздействие на окружающую среду» разработаны холодильные машины SyScroll Air Evo 140–360 холодопроизводительностью от 144 до 361 кВт. Стоит отметить, что снижение минимальной рабочей температуры окружающей среды до –18 °C (для чиллера и теплового насоса (PH-версия)) и минимальной температуры жидкости на выходе из испарителя до –10 °C (для чиллера) весьма важно с точки зрения проектирования системы холодоснабжения помещений, требующих круглогодичного охлаждения.

В чиллерах Systemair SyScroll Air Evo также применены теплообменники с микроканалами. А если говорить об экологичном подходе к производству холодильного оборудования, отметим, что данные теплообменники полностью перерабатываемы.

Заключение

Как видно, рынок холодильных машин не стоит на месте: производители внедряют все более новые и совершенные технологии и алгоритмы. При этом медленно, но верно растет и эффективность холодильной техники.

Однако стоит особо отметить, что реальную эффективность следует рассчитывать исходя из конкретных условий эксплуатации, учитывая наружные и внутренние температуры, а также тип холодоносителя. Например, в ряде рекламных проспектов можно увидеть величины холодильных коэффициентов и 7 и 8 единиц, а при частичной загрузке даже 12. В таблицах c техническими характеристиками в то же время указаны более реальные величины на уровне 2,9–3,5. Фактически же, если учесть энергопотребление насосов, фэнкойлов и системы автоматики, холодильный коэффициент может опускаться и ниже 2,5.

Юрий Хомутский, технический редактор журнала «МИР КЛИМАТА»



наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест