Гликолевый низкотемпературный чиллер: от 0 до −40 °C

Гликолевый, или низкотемпературный, чиллер охлаждает не воду, а раствор гликоля или другой незамерзающий хладоноситель до температуры ниже нуля — от 0 до −30…−40 °C. Он нужен там, где продукт или процесс требует минусовой температуры: молоко, брожение, катки, химические реакторы. Устроен он как обычный чиллер, но при той же машине даёт заметно меньше холода, а ниже −25…−30 °C требует другой схемы сжатия, поэтому такие чиллеры всегда подбирают индивидуально.

Где нужен холод ниже нуля

• Молоко охлаждают пропиленгликолем около 0 °C через пищевой теплообменник — расчёт в задаче об охлаждении молока; продукт после пастеризатора — в задаче об охлаждении после пастеризации.
• Пиво и вино. Рубашки бродильных ёмкостей охлаждают гликолем ниже нуля, чтобы быстро снимать тепло брожения, — задачи о пивоварне и о винодельне. Как охлаждают сусло после варки, описано в справочнике о погружном чиллере.
• Кондитерские тоннели с воздухом холоднее 8 °C переводят с воды на гликоль — задача об охлаждающем тоннеле.
• Каток. Под ледовым полем идёт гликоль с минусовой температурой — расчёт в задаче о катке.
• Овощи и фрукты после уборки охлаждают водой около 1 °C, которую готовят на гликоле через теплообменник, — задача о гидроохлаждении овощей и фруктов.
• Химия и фармацевтика. Реакторы, кристаллизаторы и конденсаторы паров охлаждают до −10…−30 °C, а иногда и ниже — задача о химическом реакторе.
• Твёрдое анодирование. Электролит держат около 0 °C, хладоноситель — −8 °C и ниже: задача об анодировании.
• Холодильные камеры с воздухоохладителями на гликоле −10…−4 °C хранят овощи, мясо и молочную продукцию — задача о чиллере для холодильной камеры.
• Испытания и лаборатории — климатические камеры, стенды, термостаты.

Хладоноситель

Вода замерзает при 0 °C, поэтому ниже +5 °C в контур заливают раствор, который замерзает с запасом ниже рабочей температуры. На сайте принят запас 10 °C: при гликоле −10 °C на выходе раствор должен замерзать не выше −20 °C, это около 39 % пропиленгликоля по массе. Концентрацию для своей температуры считают в расчёте концентрации гликоля.

Чем ниже температура, тем крепче раствор и тем он вязче: насос тратит больше энергии, а теплообменники передают меньше тепла. Пропиленгликоль, который используют в пищевых производствах, применяют примерно до −20 °C, этиленгликоль — примерно до −25 °C. Ниже используют специальные теплоносители, их выбирают вместе с производителем чиллера. Свойства гликолей собраны в справочнике о свойствах гликолей.

Почему холода меньше

Чем холоднее нужна жидкость, тем ниже давление кипения хладагента и плотность пара, который всасывает компрессор. За один оборот компрессор перекачивает меньше хладагента, а сжимать его приходится сильнее. Ниже — расчёт идеального цикла на R404A, хладагенте низкотемпературных машин: кипение на 5 °C ниже жидкости на выходе, конденсация при 50 °C. Холод дан в процентах к режиму с водой 7 °C для того же компрессора; цифры ориентировочные.

Пример: процессу нужно 30 кВт холода при гликоле −10 °C. Чиллер, который даёт эти 30 кВт, при воде 7 °C дал бы около 30 / 0,52 = 57,7 кВт. Поэтому низкотемпературный чиллер подбирают по холодопроизводительности при рабочей температуре, а не по номиналу на воде.

Что меняется в машине

• Компрессор и хладагент. Степень сжатия растёт, вместе с ней температура нагнетания. Ниже −25…−30 °C одноступенчатое сжатие упирается в пределы компрессора, и ставят двухступенчатые или каскадные машины.
• Испаритель рассчитывают на гликоль: раствор хуже передаёт тепло, поэтому поверхность больше, чем для воды той же нагрузки.
• Изоляция всего холодного — труб, насосов, баков, арматуры: на поверхности холоднее нуля из воздуха намерзает лёд. Толщину считают в расчёте теплоизоляции трубопроводов, при минусовой жидкости её берут с запасом.
• Насос подбирают с учётом вязкости раствора при рабочей температуре: насос, подобранный по воде, не даст нужного расхода.

Что из этого следует для подбора

• Подбор индивидуальный. Серийные чиллеры рассчитаны на воду 5–15 °C, всё холоднее подбирают под задачу.
• Для запроса нужны холодопроизводительность при рабочей температуре, температура жидкости на выходе и её нагрев, вид и концентрация хладоносителя, температура воздуха у конденсатора и режим работы. Остальные данные — в опросном листе из справочника о подборе чиллера.
• Не берут температуру с запасом «на всякий случай»: каждые 5 °C холоднее отнимают заметную часть холодопроизводительности и повышают потребление.