Новейшие тенденции в разработке холодильных машин

Энергосбережение и уменьшение парникового воздействия — вот две задачи, которые приходится решать разработчикам климатического оборудования. Чтобы повысить энергоэффективность систем охлаждения, инженеры сосредотачивают усилия на разработке больших безмасляных чиллеров центробежного типа, увеличении мощности электродвигателей с постоянными магнитами, совершенствовании систем управления чиллерами и расширении использования частотно-регулируемых приводов (VFD). Что касается снижения парникового воздействия, то здесь основное направление — переход на хладагенты с более низким потенциалом глобального потепления (ПГП).

Распространение безмасляных чиллеров

Безмасляные технологии стали одной из наиболее значительных инноваций в климатической отрасли за последнее время. Преимуществом безмасляных центробежных чиллеров является возможность избавиться от присутствия смазки в холодильном контуре и, следовательно, исключить снижение эффективности теплообмена из-за загрязнения теплообменников. При этом механические потери (затраты энергии на преодоление сил трения) в безмасляных устройствах гораздо ниже, чем в традиционных.

Первый безмасляный компрессор появился на рынке под маркой Danfoss Turbocor. Это было устройство производительностью 70 холодильных тонн с магнитной подвеской и электродвигателем на постоянных магнитах. В 2009 году к выпуску безмасляных чиллеров приступила компания Daikin Applied, начав с устройств производительностью 500 холодильных тонн и затем увеличив мощность охлаждения сначала до 700, а затем и до 1500 тонн. Компания York вышла на рынок безмасляных технологий в 2010 году, представив чиллер производительностью 400 холодильных тонн. В 2013 году свои модели безмасляных холодильных машин выпустили японская Mitsubishi Heavy Industries и китайская Gree. При этом в чиллерах многих производителей используются компрессоры Danfoss Turbocor.

Кроме того, появились безмасляные чиллеры центробежного типа, в которых не используется магнитная подвеска. Так, в двухступенчатых безмасляных центробежных чиллерах Trane производительностью 180–390 холодильных тонн применены роликовые подшипники, смазываемые хладагентом. Ролики этих подшипников выполнены из керамики. При этом снижение механических потерь обеспечивается за счет того, что хладагент имеет меньшую вязкость, чем традиционные смазочные масла.

В 2014 году на выставке в Пекине китайская компания Midea представила безмасляный центробежный чиллер с мотором на постоянных магнитах, в котором использованы подшипники скольжения, смазываемые газообразным хладагентом. LG недавно объявила о выпуске инверторного двухступенчатого безмасляного чиллера с «газовыми подшипниками», имеющего рекордные показатели энергоэффективности: COP равен 6,4, а интегральный показатель эффективности при частичной нагрузке (IPLV) — 11,3.

Технология газовой смазки подшипников уже была известна и применялась в некоторых типах воздушных компрессоров, но ее внедрение в компрессоры для холодильной техники стало настоящим прорывом в индустрии.

В отличие от магнитной подвески ротора, подшипники, смазываемые жидким или газообразным хладагентом, не требуют сложной системы управления.

Распространение технологии частотного регулирования

Хорошо известно, что управление скоростью вращения центробежного компрессора позволяет добиться значительного роста энергоэффективности. С уменьшением коэффициента сжатия снижается энергопотребление, которое пропорционально скорости вращения, возведенной в куб. С развитием полупроводниковых технологий стоимость контроллеров и частотно-регулируемых приводов существенно снизилась, в то время как диапазон рабочих мощностей этих устройств расширился. В результате имеющиеся на рынке чиллеры с частотно-регулируемым приводом всего на 15–20% дороже устройств аналогичной производительности с постоянной скоростью вращения. Современные технологии позволяют управлять скоростью вращения, как электродвигателей переменного тока, так и моторов на постоянных магнитах.

Энергопотребление винтовых компрессоров пропорционально скорости вращения, поэтому выигрыш от снижения скорости не так заметен, как в случае с компрессорами центробежного типа. Тем не менее управление мощностью винтового компрессора за счет изменения скорости вращения позволяет устранить скольжение клапанов и избежать утечек, повысив тем самым эффективность работы устройства.

Такие производители, как Gree, Trane, York, Daikin Applied, Carrier, разработали винтовые компрессоры, рассчитанные исключительно на использование частотно-регулируемых приводов для чиллеров как с водяным, так и воздушным охлаждением конденсатора.

Частотное регулирование все чаще используется не только в компрессорах, но и в других компонентах систем охлаждения — для управления скоростью вращения вентиляторов в чиллерах с воздушным охлаждением, для регулирования создаваемого насосами потока воды в соответствии с нагрузкой на чиллер. В крупных системах охлаждения частотно-регулируемые приводы используются в вентиляторных доводчиках и вентиляторах сухих градирен для снижения энергопотребления при частичной загрузке.

Тенденции в конструировании и новые хладагенты

В настоящее время представляется крайне важным подобрать подходящие экологически безопасные хладагенты для различных типов компрессоров — от мощных центробежных до небольших ротационных. Производители чиллеров совместно с поставщиками хладагентов пытаются сделать оптимальный выбор с учетом таких факторов, как пожароопасность, влияние на окружающую среду, производительность. При этом конструкторы чиллеров, как правило, ставят перед собой задачу уменьшить объем хладагента, заправляемого в контур, за счет использования, например, испарителей с падающей пленкой.

Центробежные чиллеры

В 2014 году на рынке впервые появились центробежные чиллеры, рассчитанные на использование нового хладагента ГФО 1233zd(E), ПГП которого равен 4,5–7. Термодинамические свойства этого хладагента близки к характеристикам ГХФУ 123. По классификации ASHRAE ГФО 1233zd(E) относится к группе A1 — невоспламеняющиеся вещества с низкой токсичностью.

Еще один альтернативный хладагент с низким ПГП, предназначенный для замены R134a, — ГФО 1234ze, сейчас проходит испытания. При этом ряд производителей, главным образом — европейских, уже выпустили холодильные машины, заправленные ГФО 1234ze. Термодинамические свойства этого хладагента даже лучше, чем у R134a, а ASHRAE относит его к группе A2L — малотоксичные вещества со средней способностью к воспламенению.

Винтовые, спиральные и поршневые чиллеры

65% всех чиллеров в мире оснащены компрессорами объемного действия. Как правило, это устройства производительностью до 500 холодильных тонн, использующиеся как в составе систем кондиционирования воздуха, так и для теплоснабжения промышленных и коммерческих объектов (в режиме теплового насоса), а также для охлаждения производственных линий и центров обработки данных. В связи с тенденцией замены отопительных котлов тепловыми насосами температуру нагрева воды в последних теперь часто доводят до 90°С, что позволяет использовать ее не только для отопления помещений, но и для производственных нужд.

Доля чиллеров с воздушным охлаждением конденсатора составляет около 40%, большое количество таких устройств используется в Японии и Китае. Как правило, в чиллерах с воздушным охлаждением производительностью 70–500 холодильных тонн используются винтовые компрессоры, в холодильных машинах малой и средней производительности (от 10 до 200 холодильных тонн) применяются спиральные компрессоры. Кроме того, на базе недавно разработанных мощных спиральных компрессоров создаются чиллеры, диапазон производительности которых сравним с производительностью холодильных машин на основе компрессоров центробежного типа.

В течение последних 10 лет особой популярностью в Японии и Китае пользуются модульные чиллеры с воздушным охлаждением конденсаторов, собираемые из отдельных блоков, оснащенных несколькими спиральными или ротационными компрессорами.

Основным хладагентом для спиральных и ротационных компрессоров, управляемых с помощью инверторов постоянного тока, остается R410A. Вообще, в большинстве компрессоров объемного действия используются либо R410A, либо R134a. В качестве перспективной замены R410A рассматривается R32, чей потенциал глобального потепления равен 675. В Японии и других странах Азии уже продаются бытовые и полупромышленные системы кондиционирования на R32.

Альтернативой R134a, использующегося в большинстве чиллеров винтового типа, может стать ГФО 1234ze. Компания Carrier уже установила несколько чиллеров с водяным охлаждением, использующих этот хладагент, в ходе реализации проекта централизованного теплоснабжения в одном из городов Европы.

Кроме того, компания Trane недавно анонсировала новинку — чиллер с воздушным охлаждением, заправленный хладагентом R513A, представляющим собой смесь ГФО 1234yf и R134a. ПГП смеси на 56% меньше, чем у чистого R134a, с точки зрения ASHRAE R513A относится к группе невоспламеняющихся веществ с малой токсичностью.

Также разработаны чиллеры, использующие в качестве хладагента пропан (R290), однако это решение еще не успело стать сколько-нибудь популярным.

Правила использования материалов сайта