Что такое чиллер: устройство и принцип работы

Чиллер — это холодильная машина, которая охлаждает жидкость: воду или раствор гликоля. Холодная вода идёт по трубам к станку, пресс-форме, танку или фанкойлу, забирает там тепло и возвращается в чиллер. Простыми словами, чиллер делает для воды то же, что холодильник для продуктов, только непрерывно и с точной температурой. Название происходит от английского chill — «охлаждать», написание «чилер» означает то же самое.

Принцип работы чиллера

Чиллер работает по тому же парокомпрессионному циклу, что холодильник и кондиционер. В замкнутом контуре циркулирует хладагент (фреон): при низком давлении он кипит и забирает тепло у воды, при высоком давлении конденсируется и отдаёт это тепло наружу. Цикл держится на четырёх элементах.

1. Испаритель. Теплообменник, в котором хладагент кипит и охлаждает воду. Температура кипения ориентировочно на 4–6 °C ниже температуры воды на выходе: чтобы получить воду 7 °C, хладагент кипит при 1–3 °C.
2. Компрессор. Отсасывает пар хладагента из испарителя и сжимает его. Давление и температура пара растут, на выходе получается горячий газ.
3. Конденсатор. Горячий газ отдаёт тепло воздуху или воде и превращается в жидкость. Температура конденсации ориентировочно на 10–20 °C выше температуры воздуха, который продувают через конденсатор: в жару +35 °C это 45–55 °C.
4. Терморегулирующий вентиль (ТРВ). Дросселирует жидкий хладагент: давление резко падает, часть жидкости вскипает, и холодная смесь снова поступает в испаритель. Подробнее — в справочнике о ТРВ.

Вода и хладагент не смешиваются: их разделяет стенка теплообменника. Насос гонит воду через испаритель к потребителю и обратно, разница между подачей и обраткой обычно 3–5 °C, например 7 и 12 °C.

Конденсатор отводит больше тепла, чем чиллер забирает у воды, потому что к теплу воды добавляется работа компрессора:

Q_к = Q_х + N

Q_к — тепло конденсатора, кВт; Q_х — холодопроизводительность чиллера, кВт; N — мощность, которую потребляют компрессоры, кВт. Отношение Q_х к N у чиллеров с воздушным конденсатором ориентировочно 2,5–3,5: на 1 кВт электроэнергии приходится 2,5–3,5 кВт холода. В жару это отношение ниже, при прохладном воздухе выше.

Устройство чиллера

Кроме четырёх элементов холодильного цикла, в чиллере есть узлы, которые обслуживают водяной контур и защищают машину.

• Гидромодуль — насос, бак-аккумулятор, расширительный бак, фильтр и запорная арматура. Он встроен в чиллер или стоит отдельно. Подробнее — в справочнике о гидромодуле.
• Вентиляторы конденсатора — у чиллеров с воздушным охлаждением. Их скорость регулируют по давлению конденсации, чтобы чиллер устойчиво работал и зимой.
• Контроллер держит заданную температуру воды: включает и отключает компрессоры или меняет их производительность, показывает аварии и останавливает машину.
• Защиты — реле высокого и низкого давления, реле протока, датчик защиты испарителя от замерзания. Без протока воды чиллер не запускается: вода в испарителе может замёрзнуть и разорвать его.

Чем чиллер отличается от кондиционера

Кондиционер гонит хладагент по медным трубам к внутреннему блоку и охлаждает воздух на месте; чиллер охлаждает воду, и к потребителям идёт она — на сотни метров и к любому их числу. В зданиях чиллер работает с фанкойлами по схеме чиллер — фанкойл; подробное сравнение — в справочнике о чиллере и кондиционере.

Какие бывают чиллеры

Главное различие — как отводится тепло конденсатора. Подробнее о трёх исполнениях — в справочнике о воздушном и водяном охлаждении конденсатора.

• С воздушным конденсатором — самый распространённый вариант. Моноблок стоит на улице или в помещении с подводом и отводом воздуха, вентиляторы выбрасывают тепло в наружный воздух.
• С выносным конденсатором — чиллер стоит в помещении, воздушный конденсатор на улице, между ними фреоновая трасса. Длина трассы и перепад высот ограничены, трассу заправляет холодильщик на месте.
• С водяным конденсатором — тепло уносит вода или гликоль к драйкулеру или градирне. Чиллер компактнее и тише, но появляется второй контур с насосом.

Компрессоры в чиллерах бывают спиральные, винтовые и поршневые, в самых крупных машинах — центробежные. Чем они отличаются, разобрано в справочнике о компрессорах; на расчёт холодопроизводительности тип не влияет.

Есть и особые исполнения: мини-чиллер до 10 кВт для лазеров и шпинделей, мобильный чиллер на колёсах или в контейнере, чиллер с фрикулингом, который зимой охлаждает воду наружным воздухом, и абсорбционный чиллер, получающий холод от тепла вместо работы компрессора. Если вода нужна ниже 5 °C или контур проходит по улице, вместо воды заливают гликоль — о нём справочник свойств гликолей.

Для чего нужен чиллер

Чиллер нужен там, где тепло отводят постоянно и с заданной температурой, независимо от погоды. Задачи собраны по разделам каталога, в каждой есть калькулятор холодопроизводительности.

• Переработка пластмасс — пресс-формы термопластавтоматов, экструдеры, выдувные машины, ПЭТ-преформы, резиносмесители, УФ-отверждение.
• Металлообработка и станки — лазерные и электроэрозионные станки, 3D-принтеры по металлу, шпиндели, масло гидростанций, индукционные нагреватели, сварочные машины, ванны анодирования и гальваники, ультразвуковые ванны, экструзия алюминия, винтовые компрессоры, испытательные стенды двигателей.
• Пищевое производство и напитки — молоко, пивоварни, винодельни, вода для замеса теста на проток и с баком, темперирование шоколада, аквариумы и УЗВ, душирование колбас.
• Климат и здания — фанкойлы, приточные установки, серверные и GPU-серверы с жидкостным охлаждением, теплицы и грибные камеры, катки, купели и бассейны, бетонные заводы.
• Химия и медицина — химические реакторы, МРТ и компьютерные томографы, вакуумные насосы, лабораторное оборудование, климатические камеры, лиофильные сушилки, красильные машины.

Что из этого следует для подбора

Чиллер выбирают не по площади и не по мощности оборудования, а по холодопроизводительности — теплу в кВт, которое он должен отвести. Для подбора нужны пять величин.

• Холодопроизводительность — тепловая нагрузка процесса плюс запас 10–20 %. Если известны расход воды и её температуры, подойдёт расчёт по расходу и температурам; если известно оборудование — задача для него из каталога.
• Температура воды на выходе — та, которую требует процесс. Серийные чиллеры дают воду 5–15 °C.
• Разница температур подачи и обратки — от неё зависят расход воды, насос и диаметр трубопровода.
• Самая высокая летняя температура воздуха там, где стоит конденсатор: в жару холодопроизводительность чиллера падает.
• Вода или гликоль — гликоль нужен, если контур на улице или вода ниже 5 °C; его долю считают в расчёте концентрации гликоля.

Гликоль, вода теплее 15 °C, например для масла гидравлики до 30 °C, и холодопроизводительность больше 1000 кВт выходят за серийный ряд: такие чиллеры подбирают индивидуально. Данные для подбора и опросный лист — в справочнике о подборе чиллера.