Новітні тенденції в розробці холодильних машин

Енергозбереження та зменшення парникового впливу — ось два завдання, які доводиться вирішувати розробникам кліматичного обладнання. Щоб підвищити енергоефективність систем охолодження, інженери зосереджують зусилля на розробці великих безмастильних чилерів відцентрового типу, збільшення потужності електродвигунів з постійними магнітами, вдосконаленні систем управління чилерами і розширенні використання частотно-регульованих приводів (VFD). Що стосується зниження парникового впливу, то тут основний напрямок   перехід на холодоагенти з більш низьким потенціалом глобального потепління (ПГП).

Поширення безмастильних чилерів

Безмастильні технології стали однією з найбільш значних інновацій кліматичної галузі за останній час. Перевагою безмастильних відцентрових чилерів є можливість позбутися від присутності мастила в холодильному контурі і виключити зниження ефективності теплообміну через забруднення теплообмінників. При цьому механічні втрати (витрати енергії на подолання сил тертя) в безмастильних пристроях набагато нижче, ніж у традиційних.

Перший безмастильний компресор з'явився на ринку під маркою Danfoss Turbocor. Це був пристрій продуктивністю 70 холодильних тонн з магнітною підвіскою і електродвигуном на постійних магнітах. У 2009 році до випуску безмастильних чилерів приступила компанія Daikin Applied, почавши з пристроїв продуктивністю 500 холодильних тонн і потім збільшивши потужність охолодження спочатку до 700, а потім і до 1500 тонн. Компанія York вийшла на ринок безмастильних технологій в 2010 році, представивши чилер продуктивністю 400 холодильних тонн. У 2013 році свої моделі безмастильних холодильних машин випустили японська Mitsubishi Heavy Industries і китайська Gree. При цьому у чилерах багатьох виробників використовуються компресори Danfoss Turbocor.

Крім того, з'явилися безмасляні чилери відцентрового типу, в яких не використовується магнітна підвіска. Так, у двоступеневих безмастильних відцентрових чилерах Trane продуктивністю 180–390 холодильних тонн застосовані роликові підшипники, що змащуються холодоагентом. Ролики цих підшипників виконані з кераміки. При цьому зниження механічних втрат забезпечується за рахунок того, що холодоагент має меншу в'язкість, ніж традиційні мастила.

В 2014 році на виставці в Пекіні китайська компанія Midea представила безмастильний відцентровий чилер з двигуном на постійних магнітах, в якому використані підшипники ковзання, що змащуються газоподібним холодоагентом. LG нещодавно оголосила про випуск інверторного двоступінчастого безмастильного чилера з «газовими підшипниками», які мають рекордні показники енергоефективності: COP дорівнює 6,4, а інтегральний показник ефективності при частковому навантаженні (IPLV) — 11,3.

Технологія газового змащення підшипників вже була відома і застосовувалася в деяких типах повітряних компресорів, але її впровадження у компресори для холодильної техніки стало справжнім проривом в індустрії.

На відміну від магнітної підвіски ротора, підшипники, що змащуються рідким або газоподібним холодоагентом, не вимагають складної системи управління.

Поширення технології частотного регулювання

Добре відомо, що управління швидкістю обертання відцентрового компресора дозволяє досягти значного зростання енергоефективності. Із зменшенням коефіцієнта стиснення знижується енергоспоживання, яке пропорційно швидкості обертання, зведеної в куб. З розвитком напівпровідникових технологій вартість контролерів і частотно-регульованих приводів істотно знизилася, в той час як діапазон робочих потужностей цих пристроїв розширився. В результаті наявні на ринку чилери з частотно-регульованим приводом всього на 15–20% дорожче пристроїв аналогічної продуктивності з постійною швидкістю обертання. Сучасні технології дозволяють керувати швидкістю обертання, як електродвигунів змінного струму, так і моторів на постійних магнітах.

Енергоспоживання гвинтових компресорів пропорційно швидкості обертання, тому виграш від зниження швидкості не так помітний, як у випадку з компресорами відцентрового типу. Тим не менш управління потужністю гвинтового компресора за рахунок зміни швидкості обертання дозволяє усунути ковзання клапанів і уникнути витоків, підвищивши тим самим ефективність роботи пристрою.

Такі виробники, як Gree, Trane, York, Daikin Applied, Carrier, розробили гвинтові компресори, які розраховані виключно на використання частотно-регульованих приводів для чилерів як з водяним, так і повітряним охолодженням конденсатора.

Частотне регулювання все частіше використовується не тільки в компресорах, але і в інших компонентах систем охолодження — для керування швидкістю обертання вентиляторів у чилерах з повітряним охолодженням, для регулювання створюваного насосами потоку води у відповідності з навантаженням на чилер. У великих системах охолодження частотно-регульовані приводи використовуються в вентиляторних доводжувачів і вентиляторах сухих градирень для зниження енергоспоживання при частковому завантаженні.

Тенденції в конструюванні і нові холодоагенти

На даний час представляється вкрай важливим підібрати відповідні екологічно безпечні холодоагенти для різних типів компресорів — від потужних відцентрових до невеликих ротаційних. Виробники чилерів спільно з постачальниками холодоагентів намагаються зробити оптимальний вибір з урахуванням таких факторів, як пожежонебезпека, вплив на навколишнє середовище, продуктивність. При цьому конструктори чилерів, як правило, ставлять перед собою завдання зменшити об'єм холодоагенту, що заправляється в контур, за рахунок використання, наприклад, випарників з падаючою плівкою.

Відцентрові чилери

В 2014 році на ринку вперше з'явилися центробіжні чилери, які розраховані на використання нового холодоагенту ГФО 1233zd(E), ПГП якого дорівнює 4,5–7. Термодинамічні властивості цього холодоагенту близькі до характеристик ГХФВ 123. За класифікацією ASHRAE ГФО 1233zd(E) відноситься до групи A1 — негорючі речовини з низькою токсичністю.

Ще один альтернативний холодоагент з низьким ПГП, призначений для заміни R134a, — ГФО 1234ze, зараз проходить випробування. При цьому ряд виробників, головним чином — європейських, вже випустили холодильні машини, які заправлені ГФО 1234ze. Термодинамічні властивості цього холодоагенту навіть краще, ніж у R134a, а ASHRAE відносить його до групи A2L — малотоксичні речовини з середньою здатністю до займання.

Гвинтові, спіральні і поршневі чилери

65% всіх чилерів у світі оснащені компресорами об'ємної дії. Як правило, це пристрої продуктивністю до 500 холодильних тонн, що використовуються як у складі систем кондиціонування повітря, так і для теплопостачання промислових та комерційних об'єктів (у режимі теплового насоса), а також для охолодження виробничих ліній і центрів обробки даних. У зв'язку з тенденцією заміни опалювальних котлів тепловими насосами температуру нагріву води в останніх тепер часто доводять до 90°С, що дозволяє використовувати її не тільки для опалення приміщень, але і для виробничих потреб.

Частка чилерів з повітряним охолодженням конденсатора становить близько 40%, велика кількість таких пристроїв використовується в Японії і Китаї. Як правило, в чилерах з повітряним охолодженням продуктивністю 70–500 холодильних тонн використовуються гвинтові компресори, в холодильних машинах малої і середньої продуктивності (від 10 до 200 холодильних тонн) застосовуються спіральні компресори. Крім того, на базі нещодавно розроблених потужних спіральних компресорів створюються чилери, діапазон продуктивності яких можна порівняти з продуктивністю холодильних машин на основі компресорів відцентрового типу.

Протягом останніх 10 років особливою популярністю в Японії і Китаї користуються модульні чилери з повітряним охолодженням конденсаторів, які збираються з окремих блоків і оснащені декількома спіральними або ротаційними компресорами.

Основним холодоагентом для спіральних і ротаційних компресорів, що керуються інверторами постійного струму, залишається R410A. Взагалі, в більшості компресорів об'ємної дії використовуються або R410A, або R134a. В якості перспективної заміни R410A розглядається R32, чий потенціал глобального потепління дорівнює 675. В Японії та інших країнах Азії вже продаються побутові та напівпромислові системи кондиціонування на R32.

Альтернативою R134a, що використовується в більшості чилерів гвинтового типу, може стати ГФО 1234ze. Компанія Carrier вже встановила кілька чилерів з водяним охолодженням, що використовують цей холодоагент, у ході реалізації проекту централізованого теплопостачання в одному з міст Європи.

Крім того, компанія Trane нещодавно анонсувала новинку — чилер з повітряним охолодженням, який заправлений холодоагентом R513A, що представляє собою суміш ГФО 1234yf і R134a. ПГП суміші на 56% менше, ніж у чистого R134a, з точки зору ASHRAE R513A відноситься до групи незаймистих речовин з малою токсичністю.

Також розроблені чилери, що використовують в якості холодоагенту пропан (R290), однак це рішення ще не встигло стати скільки-небудь популярним.

Правила використання матеріалів сайту