Чиллер (от англ. «сhill» — охлаждать) — устройство для охлаждения воды или незамерзающей жидкости (вода+добавка).
В современном мире применяется в системах кондиционирования (чиллер+ фанкойл),
а также широко в производстве для охлаждения термопласт автоматов, экструдеров и прочее.

2.3.2 Холодильная машина. Принцип работы.

В холодильной машине фреон конденсируется в специальном отделении - конденсаторе. Тепло, выделившееся при конденсации, удаляется потоком охлаждающей жидкости или воздуха.
Поскольку холодильная машина должна работать непрерывно, то в испаритель должен постоянно поступать жидкий фреон, а в конденсатор - его пары. Этот процесс - циклический, ограниченное количество фреона циркулирует по холодильной машине, испаряясь и конденсируясь.
Один из основных компонентов холодильной машины - это конденсатор, служащий для переноса тепловой энергии от хладагента в окружающую среду. Чаще всего тепло передается воде или воздуху.
Тепло, которое выделяется в конденсаторе, примерно на 30% превышает холодопроизводительность холодильной машины. Например, если холодопроизводительность машины равна 20 кВт, то конденсатор выделяет 25-27 кВт тепла.
Схема холодильной машины рис.2.4
Компрессионный цикл охлаждения состоит из четырех основных элементов:

• компрессора
• испарителя
• конденсатора
• регулятора потока.

Эти основные элементы соединены трубопроводами в замкнутую систему, по которой циркулирует хладагент (обычно это фреон). Циркуляцию хладагента по контуру производит компрессор холодильной машины.

Рис.2.4 Схема холодильной машины.

Компрессионный цикл охлаждения
  На выходе из испарителя хладагент - это пар при низкой температуре и низком давлении.
Затем компрессор всасывает хладагент, давление повышается  примерно до 20 атм., а температура достигает 70 - 90С.
После этого горячий пар хладагента попадает в конденсатор, где он охлаждается и конденсируется. Для охлаждения используется вода или воздух. На выходе из конденсатора хладагент представляет собой жидкость под высоким давлением.
Внутри конденсатора пар должен полностью перейти в жидкое состояние. Для этого температура жидкости, выходящей из конденсатора, на несколько градусов (обычно 4-6°С) ниже температуры конденсации при данном давлении.
Затем хладагент (имеющий в этот момент жидкое агрегатное состояние при высоких давлении и температуре) поступает в регулятор потока. Здесь давление резко падает, и происходит частичное испарение.
На вход испарителя попадает смесь пара и жидкости. В испарителе жидкость должна полностью перейти в парообразное состояние. Поэтому температура пара на выходе из испарителя немного выше температуры кипения при данном давлении (обычно на 5-8С0). Это необходимо, чтобы в компрессор не попали даже мелкие капли жидкого хладагента, иначе компрессор может быть поврежден.
Образовавшийся в испарителе перегретый пар выходит из него, и цикл возобновляется сначала.
Итак, ограниченное количество хладагента постоянно циркулирует в холодильной машине, меняя агрегатное состояние при периодически изменяющихся температуре и давлении.
В каждом цикле имеется два определенных уровня давления. На стороне высокого давления происходит конденсация хладагента и находится конденсатор. На стороне низкого давления находится испаритель, и жидкий хладагент превращается в пар. Граница между областями высокого и низкого давления проходит в двух точках - на выходе из компрессора (нагнетательный клапан) и на выходе из регулятора потока.

 

2.3.3 Энтальпия хладагента
Происходящий в холодильной машине цикл охлаждения удобно изображать графически. На диаграмме показано соотношение давления и теплосодержания (энтальпии) хладагента.
Энтальпия - это функция состояния, приращение которой при процессе с постоянным давлением равно теплоте, полученной системой(рис.2.5).

Рис. 2.5 Диаграмма насыщения хладагента
На диаграмме показана кривая насыщения хладагента.

• Левая ветвь кривой соответствует насыщенной жидкости
• Правая часть соответствует насыщенному пару.
• В критической точке ветви кривой соединяются, и вещество может находиться и в жидком, и в газообразном состоянии.
• Внутри кривой - зона, соответствующая смеси пара и жидкости.
• Слева от кривой (в области меньшей энтальпии) - переохлажденная жидкость.
• Справа от кривой (в области большей энтальпии) - перегретый пар.

Теоретический цикл охлаждения несколько отличается от реального. В действительности происходят потери давления на разных этапах перекачки хладагента, снижающие эффективность охлаждения. Это не учитывается в идеальном цикле

2.3.4 Теоретический цикл охлаждения

Рис.2.6 Диаграмма теоретического цикла охлаждения.

 

 В компрессоре. Холодный насыщенный пар хладагента поступает в компрессор холодильной машины (точка С1). В процессе сжатия его давление и температура повышаются (точка D). Энтальпия тоже повышается на величину, равную проекции линии С1-D. На схеме это отрезок НС1-НD.
Конденсация. В конце цикла сжатия хладагента горячий пар попадает в конденсатор. Здесь при постоянных температуре и давлении происходит конденсация, и горячий пар превращается в горячую жидкость. Хотя температура практически постоянна, энтальпия уменьшается при фазовом переходе, а выделившееся тепло отводится от конденсатора. Этот процесс отображается на диаграмме в виде отрезка, параллельного горизонтальной оси (давление постоянно).
Процесс в конденсаторе холодильной машины происходит в три этапа: снятие перегрева (D-Е), конденсация (Е-А) и переохлаждение жидкости (А-А1). Участок диаграммы D-А1 соответствует изменению энтальпии хладагента в конденсаторе и показывает, какое количество тепла выделяется в ходе данного процесса.
Снятие перегрева.
В этом процессе температура пара снижается до температуры насыщения. Излишнее тепло отводится, но изменения агрегатного состояния не происходит. На этом этапе снимается около 10 - 20% тепла.
Конденсация
На этом этапе происходит изменение агрегатного состояния хладагента. Температура при этом остается постоянной. На этом этапе снимается около 60 - 80% тепла.
Переохлаждение жидкости
В этом процессе жидкий хладагент охлаждается, при этом получается переохлажденная жидкость. Агрегатное состояние не изменяется.
Переохлаждение жидкости на этом этапе позволяет повысить производительность холодильной машины. При постоянном уровне энергопотребления понижение температуры на 1 градус повышает производительность холодильной машины на 1%.

Регулятор потока
Переохлажденная жидкость с параметрами точки А2 поступает на регулятор холодильной машины. Он представляет собой капиллярную трубку или терморегулирующий расширительный клапан. В регуляторе происходит резкое снижение давления. Непосредственно за регулятором начинается кипение хладагента. Параметры получившейся смеси пара и жидкости соответствуют точке В.
В испарителе
Смесь пара и жидкости (точка В) попадает в испаритель холодильной машины, где поглощает тепло от окружающей среды и полностью переходит в пар (точка С1). Этот процесс происходит при постоянной температуре, но энтальпия при этом увеличивается.
На выходе испарителя парообразный хладагент немного перегревается (отрезок С1-С2), чтобы капли жидкости испарились полностью. Для этого приходится увеличивать площадь теплообменной поверхности испарителя (на 4-6% на каждый градус перегрева). Обычно перегрев составляет 5-8 градусов, и увеличение площади теплообмена достигает 20%.
В испарителе холодильной машины энтальпия хладагента изменяется на величину НВ-НС2, равную проекции кривой испарения на горизонтальную ось.

2.3.5 Реальный цикл охлаждения

Рис.2.7 Диаграмма реального цикла охлаждения.
C1-L - потеря давления при всасывании;
M-D1 - потеря давления при выходе
HD-HC1 - теоретическое изменение энтальпии (теплосодержания) при сжатии;           
HD1-HC1 - реальное изменение энтальпии (теплосодержания) при сжатии;
C1D - теоретическое сжатие;
LM - реальное сжатие;
Реальный цикл охлаждения имеет некоторые отличия от идеального. Это происходит за счет потерь давления, возникающих на линии всасывания и нагнетания холодильной машины, а также в клапанах компрессора. Поэтому отображение реального цикла на диаграмме связи давления и энтальпии несколько иное.
Из-за потерь давления на входе в компрессор всасывание должно проходить при давлении, которое ниже давления испарения (отрезок C1-L). Кроме того, из-за потерь давления на выходе компрессору приходится сжимать пар хладагента до давления, которое выше давления конденсации (M-D1). Таким образом, работа сжатия увеличивается. Такая компенсация потерь давления в реальной холодильной машине снижает эффективность цикла.
Кроме потерь давления в трубопроводе, есть и другие отклонения от идеального цикла. Во-первых, реальное сжатие хладагента в компрессоре не может быть строго адиабатическим (без подвода и отвода тепла). Поэтому работа сжатия оказывается выше теоретически рассчитанной. Во-вторых, в компрессоре холодильной машины имеются механические потери энергии, что приводит к увеличению необходимой мощности электродвигателя.

 2.3.6 Эффективность цикла охлаждения холодильной машины
Для выбора лучшего из циклов охлаждения необходимо оценивать их эффективность. Обычно показателем эффективности цикла холодильной машины служит КПД или коэффициент термической (термодинамической) эффективности.
Коэффициент термической эффективности - это:
отношение изменения энтальпии хладагента в испарителе (НС-НВ) к изменению энтальпии в процессе сжатия (HD-HC).
или: соотношение мощности охлаждения и электрической мощности, которую потребляет компрессор холодильной машины.
Например, если коэффициент термической эффективности какой-либо холодильной машины равен 2, то на каждый кВт потребляемой электроэнергии эта машина производит 2 кВт холода.

3.Конструктивные особенности охладителя жидкости

Как уже было сказано выше, чиллер представляет собой холодильную машину для охлаждения жидкости, а жидкость в свою очередь является теплоносителем в системе. Т.е. транспортирует тепло от потребителя к холодильной машине, где отдает его и снова отправляется за теплом. Таким образом, можно сказать, что жидкость выполняет роль перевозчика. На рис.3. 1 показана функциональная схема охладителя жидкости. Далее мы рассмотрим основные элементы холодильной машины и охладителя жидкости.

Рис.3.1 Функциональная схема охладителя жидкости.

3.1 Конденсатор. Принцип работы.

 
Конденсаторы с воздушным охлаждением

Рис.2.8
Конденсаторы с воздушным охлаждением наиболее распространены.
Конденсатор с воздушным охлаждением состоит из вентиляторного блока с электродвигателем и теплообменника. По трубкам протекает хладагент, а вентилятор обдувает трубки потоком воздуха. Обычно скорость потока составляет 1 - 3.5 м/с.
Чаще всего теплообменник состоит из оребренных медных трубок диаметром 6 - 20 мм с расстоянием между ребрами 1-3 мм. Медь используется потому, что ее легко обрабатывать, она не окисляется и имеет высокую теплопроводность. Оребрение обычно выполняется из алюминия.
Выбор диаметра трубок зависит от многих факторов: потерь давления, легкости обработки материала и т.д.
Тип оребрения может быть различным и значительно влияет на тепловые и гидравлические параметры теплообменника в целом. Например, сложный профиль оребрения с многочисленными выступами и просечками создает турбулентность (завихрения) воздуха, омывающего теплообменник. В результате эффективность теплопередачи от хладагента к воздуху увеличивается, и повышается холодопроизводительность холодильной машины.
Применяют два типа соединения трубок с ребрами:
Отверстия в ребрах, куда непосредственно вставляют трубки теплообменника. Этот способ более прост, но уменьшает теплопередачу из-за неплотности контакта. К тому же, в загрязненной среде по контуру прилегания может появиться коррозия, дополнительно снижающая производительность теплообмена.
Воротнички (буртики) в местах подсоединения трубок теплообменника. Этот способ дороже и сложнее, зато обеспечивает увеличение поверхности теплообмена.
Дополнительно теплоотдачу хладагента повышают путем рифления внутренней поверхности трубок теплообменника. Это создает турбулентность течения хладагента.
Обычно в конденсаторе имеется от одного до четырех рядов трубок, расположенных по направлению потока хладагента. Часто трубки располагают в шахматном порядке для повышения эффективности теплопередачи.
Интенсивность теплообмена неодинакова на протяжении движения хладагента по трубкам. Горячий хладагент поступает в обменщик сверху и перемещается вниз.
На начальном этапе (5% поверхности) охлаждение наиболее интенсивно, поскольку максимальна разница температур между хладагентом и охлаждающим воздухом и высока скорость движения хладагента.
Основной участок теплообменника составляет около 85% поверхности. На этом участке хладагент конденсируется при постоянной температуре.
Остальные 10% поверхности теплообменника служат для дополнительного охлаждения жидкого хладагента.
Температура конденсации хладагента (фреона) выше температуры окружающего воздуха на 10 - 20 градусов, и составляет обычно 42-55С. Выходящий из теплообменника нагретый воздух всего на 3-5 градусов холоднее температуры конденсации.

3.1.1 Конденсаторы с водяным охлаждением

Существует три типа конструкции конденсаторов с водяным охлаждением:

• Кожухотрубные
• Типа "труба в трубе"
• Пластинчатые.

Кожухотрубные конденсаторы обычно применяют в холодильных машинах большой мощности, а остальные типы - для менее мощных установок.

 

 

 

 

Кожухотрубные конденсаторы

Кожухотрубный конденсатор - стальной цилиндр, с обоих концов цилиндра установлены стальные решетки, к которым крепятся головки с патрубками для подключения к системе водяного охлаждения. В эти решетки запрессованы медные трубки, по которым протекает вода. Трубки чаще всего делаются из меди и имеют диаметр 20 мм и 25 мм. Снаружи они оребрены для повышения теплообмена.
В верхнюю часть стального кожуха поступает горячий пар хладагента из компрессора. Он омывает трубки с холодной водой и заполняет пространство между кожухом и трубками. В нижней части располагается патрубок отвода жидкого хладагента.
Холодная вода поступает по трубкам снизу и выходит сверху.
Пар хладагента охлаждается при контакте с холодной водой, конденсируется и скапливается на дне кожуха. В некоторых случаях конденсатор содержит участок дополнительного охлаждения. Он расположен на дне конденсатора и состоит из пучка трубок, отделенных от остальных трубок перегородкой. Вода, только что поступившая в конденсатор и имеющая минимальную температуру, в первую очередь проходит через участок дополнительного охлаждения конденсатора.
Вода, охлаждающая хладагент в кожухотрубных конденсаторах, берется обычно из системы оборотного водоснабжения. Температура конденсации хладагента примерно на 5 градусов выше, чем температура выходящей воды. Для передачи 1кВт тепла от хладагента проточной воде расход воды составляет около 170 литров в час.

3.1.2 Конденсаторы типа "труба в трубе"

  Конденсатор типа "труба в трубе" - система из двух спиральных трубок, одна расположена внутри другой. По одной из трубок (внешней или внутренней) перемещается хладагент, а по другой - вода.
Внутренняя трубка делается из меди, а внешняя - из меди или стали. Поверхности трубок могут иметь оребрение, которое повышает эффективность теплообмена. Жидкости движутся встречными потоками, при этом вода поступает снизу и вытекает сверху, а хладагент - наоборот.
Конденсаторы типа "труба в трубе" используют в автономных установках кондиционирования и маломощных установках охлаждения.
Недостаток конденсаторов этого типа состоит в том, что конструкция неразъемная, и возможна только химическая очистка трубки.
Пластинчатые конденсаторы
Пластинчатые конденсаторы состоят из рядов стальных пластин, расположенных "елочкой". Внутри теплообменника хладагент и вода движутся навстречу друг другу по независимым контурам циркуляции.

• Преимущества этого типа конденсаторов:
• очень высокой эффективности теплообмена.
• компактность и небольшая масса
• небольшие перепады температур между хладагентом и охлаждающей водой.

Поэтому они широко применяются в холодильных машинах небольшой и средней мощности.
Если температура воды на входе в конденсатор составляет 16 градусов, то температура конденсации равна 32-36 градусов. При температуре воды +24°С хладагент конденсируется при 38-40°С.
Максимально допустимое давление в рабочем режиме со стороны контура хладагента составляет 2,45 МПа, а со стороны водяного контура - 1 МПа.

3.2 Испаритель

Один из основных компонентов холодильной машины - это испаритель, служащий для охлаждения рабочей среды. В качестве рабочей среды холодильной машины используется либо воздух, либо вода или жидкости, содержащие антифриз. Для охлаждения разных видов рабочих сред предназначены различные типы испарителей:

• Кожухотрубные
• Пластинчатые
• Испарители для охлаждения воздуха



3.2.1 Кожухотрубные испарители

Кожухотрубный испаритель - представляет собой стальной цилиндр, с обоих концов цилиндра установлены стальные решетки, к которым крепятся головки с патрубками для подключения к системе водяного охлаждения. В эти решетки запрессованы медные трубки, по которым протекает вода. Трубки чаще всего делаются из меди и имеют диаметр 20 мм и 25 мм. Снаружи они оребрены для повышения теплообмена.

Хладагент циркулирует по трубкам, поступая из нижней части испарителя и постепенно поднимаясь по трубкам вверх. С внешней стороны трубки омываются водой, которая охлаждается в процессе теплообмена с холодным хладагентом.
Вода в кожухотрубном испарителе циркулирует перпендикулярно трубкам и имеет скорость от 0.5 до 3 м/с благодаря разделительным перегородкам, расположенным внутри кожуха испарителя. Кожухотрубные испарители подходят для работы с различными хладагентами. Мощность этих испарителей варьируется от 7 до 200-250 кВт.



3.2.2 Пластинчатые испарители

Пластинчатые испарители состоят из рядов стальных пластин, расположенных "елочкой". Внутри теплообменника хладагент и вода движутся навстречу друг другу по независимым контурам циркуляции. Преимущества:
очень высокая эффективность теплообмена.
компактность и небольшая массу.
более устойчивы к замораживанию в случае поломки, чем другие типы испарителей.


3.2.3 Испарители для охлаждения воздуха

Воздушные испарители - это теплообменники с одним или несколькими (4-6) рядами трубок. Внутри трубок протекает хладагент, а между ребрами испарителя (вне трубок) - охлаждаемый воздух. Чаще всего испаритель для охлаждения воздуха состоит из оребренных медных трубок диаметром 8 - 13 мм (5/16", 3/8" и 1/2") с расстоянием между ребрами 1.4 - 1.8 мм. Медь используется потому, что ее легко обрабатывать, она не окисляется и имеет высокую теплопроводность. Оребрение обычно выполняется из алюминия.
Если мощность холодильной машины достаточно велика, то воздушные испарители делаются с двумя или несколькими контурами охлаждения. Каждый контур имеет независимый подвод хладагента с помощью распределителя, соединенного с ним тонкими трубками. Все контуры заполняются равными количествами хладагента.
Поток воздуха равномерно распределяется по теплообменнику, исключая обледенение отдельных участков испарителя.
Чтобы достичь наилучшего качества и стабильности работы испарителя холодильной машины, мощность должна составлять 3-7 кВт на каждый контур теплообмена (при использовании наиболее распространенного хладагента R-22).
От объема охлаждаемого воздуха зависит размер испарителя. Объем воздуха составляет около 195 куб.м./час на каждый кВт холодопроизводительности установки. Общая холодопроизводительность испарителя определяется температурой испарения хладагента (постоянной, заданной при проектировании холодильной машины), и температурой поступающего воздуха (зависит от условий работы). Скорость потока воздуха, поступающего в испаритель, обычно 2-3 м/с. Если скорость будет выше, то капли конденсата могут проскакивать на выходе теплообменника. В испарителе, как и в других элементах холодильной машины, возникают потери давления. Они зависят от диаметра трубок испарителя, конфигурации ребер, скорости воздушного потока и количества конденсата на оребрении.



3.2.4 Коэффициент просачивания (Bypass)

В процессе теплообмена участвует не весь воздух, подаваемый в испаритель, поскольку его часть проходит по периферии мимо теплообменника. Часть воздуха (в процентах), которая проходит мимо испарителя и сохраняет свои параметры, называют коэффициентом просачивания. Следует стремиться к понижению коэффициента просачивания воздуха. Преимущества низкого коэффициента просачивания:
Увеличивается температура испарения и производительность холодильной машины
Можно уменьшить размеры компрессора
Можно ограничиться меньшей площадью поверхности теплообменника. Понадобится меньше трубок теплообменника.