Низкотемпературные чиллеры

На сайте компании «БиТех» https://bi-teh.ru/ есть несколько статей, содержащих информацию о чиллерах:

• «Чиллеры»;
• «Охладители воды. Чиллеры и другие»; главы «Чиллеры», «Абсорбционные чиллеры», «Парокомпрессионные чиллеры».

Назначение низкотемпературного чиллера ─ снизить температуру жидкости (хладоносителя), обеспечивающей охлаждение сред, продуктов, устройств, деталей машин и проч. в различных технологических процессах.

Низкотемпературные чиллеры используют, когда температура хладоносителя должна быть совсем близкой к нолю или опускаться ниже (чаще всего, в диапазоне от 0 OC до минус 25-30 OC). Для получения более низких температур применяют установки, в английском языке называемые ultra low temperature chiller, т. е. сверхнизкотемпературные чиллеры.

Основные области применения низкотемпературных чиллеров ─ системы холодоснабжения технологических процессов: 

• заморозка и хранение продовольствия, пищевая промышленность:
  • мясо- и рыбопереработка;
  • охлаждение емкостей при пастеризации и упаковке молока и молочных продуктов;
  • изготовление соков, прохладительных напитков, пива, вина. Низкотемпературные чиллеры помогают получать широко используемую в пищевых производствах «ледяную воду», температура которой приближена к нулю градусов. Небольшие модели низкотемпературных чиллеров находят применение в быту, например, в домашнем пивоварении;
• машиностроение (металлообрабатывающие станки, лазерная техника);
• химическая отрасль (охлаждение оборудования и изделий при переработке пластмасс литьем и методом экструзии), изготовление фармацевтической продукции;
• электроника (производство полупроводников);
• аэрокосмическая отрасль;
• широкий круг лабораторных исследований;
• обслуживание искусственных катков (стандартных ледовых арен и малых площадок в рекреационных зонах торгово-развлекательных центров).

Низкотемпературные чиллеры, являясь в своем большинстве промышленными чиллерами, работают в более сложных условиях, чем чиллеры систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Для них исключено понятие сезонности, расход хладоносителя варьируется в широких пределах, а любая поломка может привести к увеличению числа нолей в размерах убытков от порчи дорогостоящих сырья и готовой продукции. Закономерно, что цена низкотемпературного чиллера выше, чем аналогичного ему по холодопроизводительности чиллера, работающего в СВ и КВ.

Историческое отступление

Потребность в охлаждении, как необходимом условии длительной сохранности пищевых продуктов, ─ ровесник цивилизации. Тысячелетиями люди использовали естественный холод. Прятали зимний лед в глиняных сосудах, оборачивали его фланелью, укрывали опилками, пробкой, водорослями. В средние века для снижения температуры растворяли в воде селитру.

В XVIII в. задокументировано охлаждающее влияние испарения жидкости. На примере испаряющегося в вакууме эфира его продемонстрировал шотландский врач У. Каллен, тем самым открыв дорогу изобретению аппаратов, продуцирующих искусственный холод. Почти сто лет спустя великий М. Фарадей использовал для охлаждения аммиак. В 1835 г. был выдан патент на холодильный цикл с использованием этого вещества, а в 1851 г. ─ на метод получения искусственного льда.

За прошедшее время запатентовано немало конструкций холодильников (охладителей). Один из таких патентов получил в 1930 г. Альберт Эйнштейн.

За полвека до этого, в 1873-м немецкий ученый Карл фон Линде изобрел переносную компрессорную холодильную машину, использовавшую метиловый эфир. Компания, носящая имя ученого, существует поныне, входя в промышленную империю, основателю которой американцу Уиллису Кэрриеру, принадлежит первенство в изобретении кондиционера и чиллера.

А что же низкотемпературные чиллеры?

Этиленгликоль ─ хладоноситель, часто применяемый в этих устройствах, ─ впервые был синтезирован в 1856 году французским химиком Шарлем-Адольфом Вюрцем. Три года спустя он же получил пропиленгликоль. Но до их промышленного производства было очень далеко. Выпуск этиленгликоля освоили только в 1917 году, ─ он заменил глицерин при изготовлении динамита. Потребовалось некоторое время, чтобы чиллеры и гликоли нашли друг друга. В начале пятидесятых годов XX столетия гликолевые чиллеры для коммерческого применения заняли свое место на рынке.

Низкотемпературные чиллеры отличает низкая температура хладоносителя. Поэтому обычная вода для них не подходит.

Охлаждаемые жидкости (хладоносители)

В этом качестве в низкотемпературных чиллерах используют:

• водные растворы этиленгликоля;
• продукт гидратации окиси этилена: химическая формула ─ C2H6O2 (согласно ГОСТ 19710-83 ─ НОСН2СН2ОН); температура кипения ─ 197 OC;
• водные растворы пропиленгликоля; продукт гидратации окиси пропилена; C3H8O2; температура кипения ─ 187 OC.

Эти вещества дали название «гликолевые чиллеры», англ. glycol chiller или glycol chiller system.

Технологические свойства этиленгликоля выше, чем пропиленгликоля, но последний не ядовит, и поэтому может применяться в пищевой отрасли. Известно, что сотые доли процента хладоносителя все же попадают в охлаждаемые с его помощью пищевые продукты. Если это пропиленгликоль ─ все не так страшно, поскольку он сам является пищевой добавкой (E 1520) и используется в пищевых продуктах и косметических товарах для удержания влаги.

Концентрация водных растворов гликолей определяется требуемой температурой их охлаждения на выходе из испарителя. Если достаточно 0 OC, может применяться 25-процентный раствор, если минус 25 градусов ─ 50-процентный.

Достоинство гликолей ─ слабо выраженные коррозионные свойства (в первую очередь у пропиленгликоля). Недостаток ─ затрудняющее циркуляцию увеличение вязкости по мере снижения температуры. Специальные добавки и соответствующая концентрация раствора позволяют сохранять работоспособность при внушительном минусе (для этиленгликоля до - 40 OC);

• спирты или правильнее составы на основе:
  • этилового спирта (C2H5OH);
  • метилового спирта (CH3OH);
  • пропилового спирта (C3H7OH);
  • глицерина (C3H8O3);

недостаток глицерина ─ высокая вязкость, часть спиртов (особенно метанол) токсичны. Спирты летучи и при повышении температуры начинают интенсивно испаряться. Они не безупречны в части пожарной безопасности;

• рассолы, водные растворы солей (хотя так могут называть любые жидкости, замерзающие при температуре ниже ноля):
  • хлористого кальция (СаСl2);
  • хлористого натрия (NaCl);
  • хлористого магния (MgCl2);
  • обладают хорошими теплофизическими свойствами, малой стоимостью, просты в приготовлении. При соответствующей концентрации раствор СаСl2 сохраняет работоспособность при температуре до минус 50 OC. Для сравнения ─ 40-процентный раствор пропиленгликоля замерзнет при - 21,7 OC, а этиленгликоля ─ при - 24,4 OC.

В чиллерах, подразумевающих использование растворов солей, «стандартные» пластины из нержавеющей стали в пластинчатых испарителях могут заменяться титановыми, а в кожухотрубных применяться трубки из медно-никелевого сплава (ионы хлора опасны для меди).

Снизить коррозионное воздействие на металлические части чиллеров помогают пассиваторы ─ хромат натрия Na2CrO4 с едким натром (NaOH) и хромат калия (Са2CrO4).

В качестве хладоносителей применяют водные растворы:

• ацетата калия (калиевая соль уксусной кислоты, C2H3O2K);
• формиата калия (калиевая соль муравьиной кислоты, KHCO2);

Это экологически чистые вещества, с малой вязкостью, но способные вызывать коррозию.

К числу хладоносителей, работающих при температурах ниже минус 50 OC, относятся полидиметилсилоксан (силиконовое масло, C2H6OSi), d-лимонен (C10H16), гидрофторэтер (C4F9CH3). 

Хладагенты

В низкотемпературных чиллерах применяют как «моносоставы» ─ хладагенты, состоящие из одного вещества, так и смеси веществ.

Примеры «моносоставов»:

• R134a:

1,1,1,2-тетрафторэтан; формула ─ CF3CFH2; температура плавления (здесь и далее при атмосферном давлении) ─ минус 103,3 OC; температура кипения (здесь и далее при атмосферном давлении) ─ минус 26,5 OC.

R134a ─ первый, получивший широкое распространение хладагент, не содержащий хлора.

• R22:

дифторхлорметан; формула ─ CHClF2; температура плавления ─ минус 157,4 OC; температура кипения ─ минус 40,85 OC.

Пожалуй, самый популярный хладагент в мире на сегодняшний день. Завтра его должны заменить более экологичные составы, со значением потенциала разрушения атмосферного озона равным нолю, а не 0,050, как у R22.

R22 попал в перечень материалов, для которых в России применяются ставки платы за негативное воздействие на окружающую среду. Конкретно для него всего 0,5 руб. за тонну, что в 3,5 тысячи раз меньше чем за то же количество фенола и в 270 тысяч раз меньше, чем за тонну тетраэтилсвинца.

Смеси:

• R404A;

состав: R125 (пентафторэтан, формула ─ CF2HCF3)/R143a (трифторэтан, CH3CF3)/R134a (1,1,1,2-тетрафторэтан, CF3CFH2) в пропорции 44/52/4; температура кипения ─ минус 46,7 OC.
Используется в оборудовании с охлаждением до - 35 OC.Не совместим с минеральными маслами (R22 хорошо растворяется в минеральных маслах);

• R407C;

состав: смесь R32 (дифторметан, CH2F2)/R125 (пентафторэтан CF2HCF3)/R134a (1,1,1,2-тетрафторэтан, CF3CFH2) в пропорции 23/25/52; температура кипения ─ минус 25,6 OC;

• R507A;

смесь R125 (пентафторэтан CF2HCF3)/ R143а (трифторэтан, CH3CF3) в пропорции 50/50; температура кипения ─ минус 47,1 OC.

Рациональный подбор хладоносителей и хладагентов позволяет повысить энергоэффективность низкотемпературного чиллера на 8-10 %.

Говоря «низкотемпературный чиллер», в большинстве случаев подразумевают парокомпрессионный низкотемпературный чиллер, т. е. парокомпрессионную холодильную машину с электрическим приводом. Но, пусть и в ограниченных масштабах, используются понижающие температуру хладоносителя ниже ноля низкотемпературные абсорбционные чиллеры (АБХМ). Хладагентом служит раствор бромистого лития (LiBr) с концентрацией не менее 15 %.

Большие и маленькие низкотемпературные чиллеры

Словосочетание «низкотемпературный чиллер» ─ не обязательно синоним значительных размеров и массы. Так модельный ряд низкотемпературных чиллеров итальянской компании Officine Meccaniche Industriali Srl (Бренд OMI) начинается с модели CHGM 08, масса которой 52 кг, габаритные размеры 575x445x540 мм, емкость бака для воды 10 л.

Самая крупная модель низкотемпературного чиллера OMI ─ CHGT 365 ─ весит 470 кг, ее размеры 1520x1325x1570 мм, 100-литровый бак для воды.

Производители предлагают куда более габаритные установки, весящие несколько тонн, длиной более четырех, а высотой и шириной более двух метров.

Устройство низкотемпературного чиллера

Будучи парокомпрессионным холодильным устройством, он имеет в своем составе в единственном или множественном числе:

• компрессор;
• конденсатор, плюс вентиляторы при воздушном охлаждении;
• испаритель;
• расширительное устройство (регулятор потока);
• трубопровод и трубопроводную арматуру;
• автоматику и элементы защиты.

Может включать гидромодуль ─ интегрированную в конструкцию низкотемпературного чиллера гидравлическую группу со стальным или пластиковым аккумулирующим баком, одним или несколькими, циркуляционным(-и) насосом(насосами), управляющей аппаратурой, фильтрами, клапанами, теплоизоляцией.

Компрессор

Для получения низкотемпературного холода используют компрессоры низкого давления кипения (низкотемпературные компрессоры), способные (как и следует из названия) эффективно работать при низких температурах кипения хладагента. Повысить их к.п.д. помогает уменьшение инерционности клапанов; улучшить охлаждение ─ установка вентиляторов на головке цилиндра.

Компрессор низкотемпературного чиллера бывает:

• спиральным;
• поршневым;
• винтовым;
• центробежным (в крупных установках).

При холодопроизводительности, приближающейся к 100 кВт, устанавливают несколько компрессоров (вообще, диапазон мощности чиллеров велик ─ от единиц до нескольких тысяч кВт).

Работу компрессора более надежной и технологичной делают:

• антивибрационные опоры (меньше шума и вибрационной нагрузки на узлы чиллера);
• тепловая защита от перегрузок;
• автоматическая система смазки;
• подогрев картера.

Испаритель

Пластинчатый испаритель низкотемпературного чиллера ─ компактный, с большой площадью теплообмена ─ сложен из тонких гофрированных пластин нержавеющей стали (от десяти до двух сотен), соединенных пайкой. Выбор материала помогает противостоять коррозии и удлиняет срок службы. В качестве припоя применяется медь (медно-паянные испарители) или 100-процентная легированная сталь.

Теплоизолирующая оболочка из вспененного материала защищает испаритель от низких температур.

Кожухотрубный испаритель ─ закрытый крышками цилиндрический кожух, в котором помещена трубная решетка, состоящая из множества медных трубок, по которым циркулирует хладагент.

Конденсатор

Конденсатор низкотемпературного чиллера с воздушным охлаждением имеет вид батареи, состоящей из медных трубок. Площадь поверхности теплообмена увеличивает алюминиевое оребрение.

Конденсаторы с водяным охлаждением, как и испарители, могут быть кожухотрубными или пластинчатыми.

При воздушном охлаждении конденсаторов применяют центробежные и осевые вентиляторы в количестве от одного до восьми и более. Прочные, но легкие лопасти, изготовлены из алюминиево-магниевого сплава. Аэродинамический профиль повышает энергоэффективность и способствует снижению шума. Вентиляторы оснащены защитной решеткой, имеют тепловую защиту и защиту от влаги и пыли.

Регулятор скорости вращения вентилятора позволяет менять ее в соответствии с давлением конденсации хладагента.

Блок управления

Оснащение микропроцессором помогает эффективно управлять работой чиллера. Подключение к внешним устройствам, делает управление дистанционным.

Дисплей отображает течение рабочего процесса, сигнализируя об ошибках, аварийных и опасных ситуациях.

Постоянный мониторинг обеспечивают многочисленные реле и датчики:

• давлений нагнетания и конденсации;
• температуры на входе/ выходе испарителя;
• расхода жидкости и т. д.

Трубопроводы и трубопроводная арматура низкотемпературного чиллера выполняются металлическими и теплоизолированными.

От корпуса требуются:

• прочность ─ достигается использованием прочных материалов, стали, например;
• жесткость ─ ее обеспечивает соответствующая форма деталей;
• коррозионная устойчивость ─ помогают оцинковка, покрытие порошковой краской или ПВХ-пленкой, использование алюминиевых профилей;
• удобство эксплуатации и технического обслуживания, подразумевающее простой быстрый доступ к внутренним компонентам (съемные панели).

Любой чиллер почти всегда является звеном технологической цепочки. Поэтому важно не только правильно выбрать, но и грамотно интегрировать его в действующую или запроектированную производственную схему, сохранив такие достоинства как надежность, управляемость, энергоэффективность, доступная стоимость владения. На всех этапах этой работы потребуется помощь квалифицированных консультантов.

Чиллеры (низкотемпературные промышленные чиллеры в их числе) ─ одно из направлений деятельности компании «БиТех», Санкт-Петербург (https://bi-teh.ru/), в которой наряду с менеджерами работают квалифицированные инженеры и монтажники. Здесь не только можно приобрести качественное современное оборудование, но и подобрать необходимые дополнительные опции (https://bi-teh.ru/catalog/osushiteli-chillery/chillery/nizkotemperaturnye-promyshlennye-chillery/), которые позволят расширить стандартный круг возможностей чиллера.