Теплообменник чиллера: испаритель и промежуточный теплообменник

В чиллере вода охлаждается в испарителе — пластинчатом или кожухотрубном теплообменнике, где кипит хладагент. Пластинчатый стоит в чиллерах малой и средней мощности, кожухотрубный — в крупных и там, где вода грязная. Если охлаждать нужно молоко, морскую воду или контур в здании при чиллере на гликоле, между чиллером и потребителем ставят ещё один, промежуточный теплообменник, и он стоит несколько градусов.

Пластинчатый или кожухотрубный испаритель

• Пластинчатый паяный — пакет гофрированных пластин из нержавеющей стали, спаянных медью. Хладагент и вода идут через пластину друг от друга в узких каналах. Он компактный, требует мало хладагента и хорошо передаёт тепло, но боится грязи и замерзания.
• Кожухотрубный сухой — хладагент кипит в трубках, вода омывает их снаружи внутри корпуса. Каналы для воды шире, поэтому грязь ему менее опасна. Ставят в чиллерах средней и большой мощности.
• Кожухотрубный затопленный — наоборот: вода идёт по трубкам, а хладагент кипит в корпусе, заливая трубки. Разница между водой и кипением у него меньше, чем у сухого, но хладагента нужно больше. Его ставят в крупные винтовые и центробежные чиллеры.

Тип испарителя выбирает производитель вместе с компрессором и хладагентом; как они работают вместе, описано в справочнике «Что такое чиллер». Для подбора важно другое: какая вода пойдёт через испаритель и что будет, если она остановится.

Промежуточный теплообменник

Промежуточный теплообменник отделяет жидкость потребителя от контура чиллера. Его ставят в четырёх случаях:

• Пищевая жидкость. Молоко охлаждают гликолем через пищевой теплообменник — так устроена задача об охлаждении молока, а после пастеризатора — задача об охлаждении после пастеризации. Так же охлаждают воду на проток, которая уходит в продукт, — схема в справочнике о чиллере для охлаждения воды.
• Морская вода и рыба. Медь паяного испарителя ядовита для рыб, а морская вода его разъедает: нужен титан, как в задаче об аквариуме и УЗВ. Так же через титановый теплообменник охлаждают рассол — задача о сыроварне.
• Чиллер на улице, вода в здании. Чиллер работает на гликоле, а по зданию идёт вода: гликоль дороже, хуже передаёт тепло и требует более мощного насоса. Его долю считают в расчёте концентрации гликоля.
• Грязная или технологическая вода — с окалиной, стружкой, эмульсией. Её пускают через разборный пластинчатый теплообменник, который можно вскрыть и почистить, а испаритель чиллера остаётся в чистом контуре. Так охлаждают и СОЖ станков — задача о чиллере для СОЖ, и закалочное масло — задача о закалочной ванне.

Тепло через теплообменник идёт только от тёплого к холодному, поэтому жидкость потребителя всегда теплее жидкости чиллера, обычно на 2–4 °C. На эти градусы чиллер должен давать воду холоднее, а при этом его холодопроизводительность падает и растёт потребление. Площадь теплообменника считают по средней разнице температур:

Δt_ср = (Δt_б − Δt_м) / ln(Δt_б / Δt_м)

F = Q × 1000 / (k × Δt_ср)

Δt_б и Δt_м — большая и меньшая разница температур жидкостей на концах теплообменника, °C; Δt_ср — средняя логарифмическая разница, °C; Q — тепловая нагрузка, кВт; k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·°C), у пластинчатого теплообменника вода — гликоль ориентировочно 3000–5000; F — площадь теплообмена, м².

Пример: нагрузка 100 кВт, вода в здании 12 → 7 °C, гликоль от чиллера 4 → 8 °C, k = 4000 Вт/(м²·°C).

1. Разницы на концах: 12 − 8 = 4 °C и 7 − 4 = 3 °C.
2. Δt_ср = (4 − 3) / ln(4 / 3) = 1 / 0,288 = 3,48 °C.
3. F = 100 × 1000 / (4000 × 3,48) = 7,2 м².
4. Если чиллер даст гликоль 2 → 6 °C, разницы станут 6 и 5 °C, Δt_ср = 5,48 °C, а площадь — 4,6 м². Теплообменник меньше, но чиллер работает с более холодным гликолем.

Сопротивление теплообменника со стороны воды добавляют к напору насоса — его считают в расчёте насоса для чиллера.

Грязь, замерзание и промывка испарителя

Пластинчатый испаритель забивается окалиной, песком и биоплёнкой: расход воды падает, разница между водой и кипением растёт, и чиллер останавливается по низкому давлению или протоку. Поэтому перед ним обязателен сетчатый фильтр, а в открытых контурах — следить за качеством воды. Где ставить фильтр, показано в справочнике о гидромодуле.

Если проток остановится, а компрессор продолжит работать, вода в каналах замёрзнет и разорвёт пластины, хладагент попадёт в воду. От этого защищают реле протока и защита от замерзания по температуре воды на выходе. По той же причине серийные чиллеры на воде дают не холоднее 5 °C, а ниже нужен гликоль.

Промывка испарителя снимает отложения со стороны воды. Пора промывать, когда при том же расходе растёт перепад давления воды на испарителе, а разница между температурой воды на выходе и температурой кипения становится больше обычной; часто к этому добавляются аварии низкого давления, разобранные в справочнике о низком давлении в чиллере.

1. Остановить чиллер, отсечь испаритель кранами от контура и слить из него воду.
2. Подключить промывочную станцию — насос с баком — к штуцерам промывки так, чтобы раствор шёл против обычного направления потока: грязь выходит тем же путём, каким зашла.
3. Прокачать моющий раствор, допущенный для материала теплообменника. Паяные пластинчатые испарители спаяны медью, поэтому соляная и другие сильные кислоты для них не годятся; состав и время циркуляции берут из инструкции к средству.
4. Нейтрализовать и промыть водой до чистого слива, затем заполнить контур и удалить воздух.
5. Записать перепад давления после пуска: он должен вернуться к значению, записанному на новом чиллере. Если не вернулся, отложения не сняты или засорён фильтр.

Сетчатый фильтр и закрытый контур с подготовленной водой делают промывку редкой работой. Если испаритель приходится промывать каждый сезон, причину ищут в воде, а не в теплообменнике.

Что из этого следует для подбора

• Тип испарителя выбирает производитель; в опросном листе указывают, какая вода пойдёт через чиллер: чистая в закрытом контуре, оборотная или технологическая.
• Промежуточный теплообменник учитывают в температуре: чиллер должен давать воду на 2–4 °C холоднее, чем нужно потребителю. Если для этого нужна вода холоднее 5 °C, чиллер работает на гликоле и его подбирают индивидуально.
• Материал теплообменника выбирают по жидкости: для пищевых — пищевая нержавеющая сталь, для морской воды и хромовых электролитов — титан (задача о гальванике).
• Фильтр, реле протока и доступ для промывки закладывают в обвязку сразу.