25 ноября 2015
Энергосбережение и уменьшение [вклада] в глобальное потепление являются основными текущими вопросами для климатического оборудования. Для улучшения энергоэффективности систем охлаждения на чиллерах техническое развитие сосредоточено на таких компонентах, находящихся на стадии реализации, как крупные бессмазочные центробежные чиллеры, крупные электродвигатели на постоянных магнитах (PM), системы управления чиллерами и расширенное использование частотно-регулируемых приводов (VFD). Были проведены комплексные исследования для перехода от текущих хладагентов на хладагенты с низким потенциалом глобального потепления (GWP), и в последнее время были выпущены некоторые чиллеры, заряженные новыми хладагентами.
Повышение энергоэффективности, растущее использование бессмазочных чиллеров
Безмасляное сжатие для холодильных компрессоров является одним из последних замечательных нововведений в HVAC индустрии. Особым преимуществом бессмазочных центробежных чиллеров является исключение масляной системы смазки с ее компонентами, устранение ухудшения производительности теплообменника из-за загрязнения масла в системе, и снижение механических потерь до значительно более низких значений.
С тех пор как компании Danfoss Turbocor удалось впервые выпустить небольшой 70-тонный бессмазочный компрессор с магнитными подшипниками с приводом от PM двигателя, компания Daikin Applied разработала в 2009 году большие безмасляные чиллеры, начиная с 500 тонн, а затем увеличила их производительность до 700 тонн и позже до 1500 тонн (двойные компрессоры). Йорк вышел на рынок безмасляных чиллеров с магнитными подшипниками с 400-тонной машиной в 2010 году. В 2013 году японская компания Mitsubishi Heavy Industries (MHI) разработала безмасляные центробежные чиллеры в 350-500 тонн, а китайская компания Gree разработала большой двухступенчатый безмасляный чиллер с магнитными подшипниками. Между тем, чиллеры, использующие компрессоры Данфосс Turbocor, были выпущены на рынок многими производителями. Безмасляные центробежные чиллеры стали широко признаны на чиллерном рынке.
Кроме того, была проведена разработка безмасляных центробежных чиллеров без использования магнитных подшипников. Компания Trane выпустила новый безмасляный двухступенчатый центробежный чиллер (180-390 тонн) с PM двигателем на роликовых подшипниках со смазкой хладагентом. Поскольку обычные стальные роликовые подшипники не могут эксплуатироваться со смазкой хладагентом, был разработан новый «гибридный подшипник» с использованием керамического материала. Механическое потери могут быть уменьшены за счет низкой вязкости хладагента, являющегося смазкой.
К выставке Beijing Expo 2014 компания Мidea выпустила новый безмасляный центробежный чиллер с приводом от PM двигателя, в компрессоре которого использовались подшипники скольжения со смазкой газообразным хладагентом без масла. LG недавно объявила о безмасляном двухступенчатом инверторном чиллере (100 тонн) с «газовыми» подшипниками, с коэффициентом полезного действия (СОР) 6,4 и интегральным значением неполной нагрузки (IPLV, Integrated Part-Load Value) 11,3.
Исследование центробежных компрессоров с газовыми подшипниками проводилось в течение длительного времени и было успешным для воздушных компрессоров в некоторых приложениях. Но, этот новый безмасляный холодильный компрессор с газовой смазкой является уникальным на рынке.
Преимущество безмасляных компрессоров с использованием жидкого или газообразного хладагента в качестве смазки в том, что они не требуют сложной системы управления, которая используется для магнитных подшипников.
Широкое распространение технологии VFD (частотно-регулируемого привода)
Общепринятым мнением является, что добавление плавного регулирования скорости к центробежным чиллерам имеет замечательный эффект по повышению энергетической эффективности при не-расчетных условиях.
При более низкой степени сжатия снижается потребление электроэнергии, так как потребление энергии на сжатие пропорционально кубу скорости вращения. С развитием полупроводниковых технологий, затраты на контроллер и VFD значительно снизились, а доступный диапазон мощности расширился. Таким образом, чиллеры с установленным VFD стали широко использоваться и в настоящее время могут быть предложены за дополнительную плату в 15-20% в сравнении с чиллерами с фиксированной скоростью. Контроль скорости может быть применен к индукционным двигателям переменного тока (AC) и PM двигателям, оба из которых применяются в центробежных машинах.
Энергопотребление винтового компрессора пропорционально скорости вращения и повышению давления, и влияние снижения скорости вращения на производительность не столь значительно, как у центробежных компрессоров. Однако, регулирование производительности за счет скорости вращения для винтовых чиллеров может устранить необходимость установки золотниковых клапанов, чтобы уменьшить потери на утечку, а также байпассные потери, для повышения эффективности компрессора.
Основные американские производители — компании Trane, York, Daikin Applied и Carrier, а также производители винтовых компрессоров, разработали винтовые компрессоры исключительно предназначенные для VFD, которые используются для чиллеров с воздушным и водяным охлаждением. Как и в центробежных компрессорах, в винтовых компрессорах применяются индукционные двигатели переменного тока и PM двигатели.
В дополнение к использованию VFD для компрессоров, они настоящее время широко используются в холодильных системах для другого оборудования, например, для вентиляторов в конденсаторах с воздушным охлаждением и для водяных насосов, включенных в чиллеры, для регулировки потока воды в соответствии с нагрузкой чиллера. Для больших холодильных систем VFD также широко используются не только для водяных насосов, но и для вентиляторов внешних блоков и градирен для снижения мощности двигателя и повышения эффективности в условиях частичной загрузки, соответствующей нагрузке охлаждения и обогрева.
Тенденции продукта и новые хладагенты
Для соответствующего типа компрессоров и приложений от больших центробежных до малых ротационных компрессоров важно выбрать подходящие новые хладагенты. Производители чиллеров в сотрудничестве с поставщиками хладагента пытаются найти оптимальные хладагенты с учетом таких свойств, как риск горючести, GWP (потенциал глобального потепления), производительность цикла и пригодность для компрессоров. В то же время, общим в конструкции чиллеров становится вопрос о сокращении количества хладагента таким образом, чтобы использовать испарители с падающей пленкой.
Центробежный чиллер
С 2014 года стали доступны новые центробежные чиллеры, заряженные хладагентом HFO-1233zd (E) с низким давлением и GWP примерно 4,5-7. Этот хладагент имеет производительность цикла, сравнимую с HCFC-123 и классифицируется как негорючий с низкой токсичностью (ASHRAE-A1).
В качестве другого альтернативного хладагента с низким GWP для HFC-134а центробежных чиллеров, был исследован и тщательно протестирован HFC-1234ze ( GWP = 6). Некоторые производители, в основном в Европе, выпустили продукты, заряженные хладагентом HFO- 1234ze. Этот хладагент имеет несколько более высокую эффективность цикла, чем HFC-134a. Он классифицируется как «малотоксичный и умеренно воспламеняющийся A2L».
Винтовые/спиральные/поршневые чиллеры
Чиллеры с компрессорами объемного составляют 65% от общего объема глобальных охладителей, которые имеют меньше ограничений по условиям подъема, и могут быть использованы не только в комфортном охлаждении, но и для различных приложений, таких как промышленные и коммерческие тепловые насосы, технологическое охлаждение и охлаждение центров обработки данных мощностью, в основном, в диапазоне ниже 500 тонн. В современной тенденции перехода от котлового обогрева к обогреву тепловыми насосами, температура горячей воды увеличивается до 90°C, расширяя ее использование не только для обогрева пространства, но и для нагрева в производственных процессах.
На долю чиллеров и тепловых насосов с воздушным охлаждением приходится около 40% всего мирового парка охладителей, и большая часть из них сосредоточена в Японии и Китае. В чиллерах с воздушным охлаждением винтовые компрессоры, как правило, используются в диапазоне производительностей 70-500 тонн, а спиральные компрессоры для малой и средней производительности в 10-200 тонн. Наряду с разработкой крупных спиральных компрессоров с производительностью до 40-60 л.с., были выпущены большие спиральные чиллеры с воздушным охлаждением с диапазоном мощностей, близким к центробежным чиллерам. Модульные чиллеры с воздушным охлаждением, состоящие из модулей мощностью в 30-60 л.с. с несколькими спиральными компрессорами или с компрессорами с двойным ротором, стали в последние 10 лет основным направление на японском, а также китайском рынках. Модульная концепция при должном сочетании блоков может гибко отвечать требованиям заказчика.
Спиральные и ротационные компрессоры с инвертором постоянного тока обычно используют хладагент высокого давления R410A, что позволяет повысить эффективность при неполной нагрузке и сделать компактными трубопроводы и теплообменники.
В чиллерах с компрессорами объемного типа используются различные компрессоры — поршневые, ротационные, спиральные и винтовые — но основными используемыми хладагентами являются R410A и R134a. В качестве альтернативы для R410A наиболее перспективным является R32 (GWP = 675); бытовые и полупромышленные кондиционеры воздуха, заряженные R32, уже выпущены, в основном, на азиатский рынок, в частности, японский.
В качестве альтернативы R134a, используемого в основном для винтовых чиллеров, был исследован, в основном в Европе, хладагент HFO-1234ze и Carrier недавно установил комплекс чиллеров с водяным охлаждением на HFO-1234ze в проекте центрального теплоснабжения в Европе.
Между тем, Trane недавно объявил о новом чиллере с воздушным охлаждением конденсатора, заряженным новым хладагентом, обозначенным R513A (GWP = 572), который состоит из смеси HFO-1234yf и HFС-134a, с меньшим на 56% GWP по сравнению с обычным хладагентом, и классифицированным Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE) как A1.
Как уже упоминалось, эта тенденция смещения к хладагентам с более низким GWP ускоряется также и для чиллеров с воздушным охлаждением.
Чиллеры, заряженные R290 (пропан), выпускаются в основном для промышленного использования в Европе, однако пока еще не стали основой рынка.