Минимальный объем системы кондиционирования с чиллером
Семенов Юрий Владимирович, Технический директор ООО «Мультиинжиниринг»
Объем оказывает существенное влияние на работу системы кондиционирования с чиллером. Проанализировано влияние характеристик чиллера на минимальный объем системы. Получена соответствующая расчетная формула.
Что такое минимальный объем системы
В современных чиллерах холодопроизводительностью в сотни киловатт применяются спиральные и винтовые компрессоры, работающие на хладагентах R134a, R410A и R407C.
Такой чиллер имеет минимальную холодопроизводительность, равную первой ступени производительности винтового компрессора (25–30 % от номинальной производительности) или производительности одного спирального компрессора.
Чиллер отключается, если нагрузка на него становится меньше его минимальной производительности.
Если нагрузка вновь возрастает всего через несколько секунд, то чиллер не может сразу включиться в работу, т. к. в его контроллере заложены определенные задержки включения ступени производительности (компрессора), позволяющие контроллеру «убедиться», что повышение нагрузки не было случайным, и, кроме того, ограничивающие число пусков компрессора в час.
Чем больше объем системы, тем реже контроллером выдается команда на выключение/включение компрессора и тем более стабильную температуру воды имеют потребители при простое чиллера. Чтобы система работала в оптимальном режиме, объем системы должен быть не менее определенного минимального значения, обеспечивающего необходимую для данного чиллера инерцию системы.
Рекомендации по минимальному объему системы можно найти в технической документации производителей чиллеров. Обычно такие данные приводятся к 1 кВт производительности.
Например, компания AERMEC [1, 2] рекомендует минимальный объем системы в размере 15–22 л на 1 кВт минимальной производительности чиллера, компания Carrier[3, 4]– 2,5–3,25 л на 1 кВт номинальной производительности чиллера.
Попробуем выяснить, на чем основаны такие рекомендации и как в общем случае определить минимальный объем системы для выбранного чиллера.
Как работает современный чиллер?
Чтобы оценить влияние различных факторов на минимальный объем системы, рассмотрим в качестве примера чиллер производительностью 300 кВт, имеющий 4 ступени производительности (25, 50, 75 и 100 %). Производительность чиллера связана с массовым расходом воды известной зависимостью [5]:
Q = cGDT, (1)
где Q – номинальная холодопроизводительность, кВт;
с – удельная теплоемкость воды, кДж/(кг·К);
G – массовый расход воды, кг/с;
DT – номинальная разность температур воды (вход–выход), K.
Массовый расход воды G равен произведению объемного расхода v, м3/с, на плотность воды. Полагая, что плотность воды равна 1000 кг/м3, а теплоемкость 4,19 кДж/(кг·K), из формулы (1) определим номинальный расход воды через чиллер:
v = Q / (4190 * DT) , м3/с (2)
или
v = 0,8592Q / DT, м3/ч. (3)
Этот постоянный расход через чиллер должен обеспечиваться циркуляционным насосом.
При температуре воды на входе в чиллер t1 = 12 °С и температуре на выходе t2 = 6 °С получим, что DT = 6 K и v = 42,96 м3/ч.
В идеальном случае чиллер должен обеспечивать постояннуюt2, в реальности же задаются определенной погрешностью, с которой нужно поддерживать температуру на выходе из чиллера.
Например, если мы хотим поддерживать t2 = 6 °С с погрешностью 0,5 K, то минимальное значение температуры будет равно 5,5 °С, максимальное 6,5 °С.
При постоянном расходе воды через чиллер v= 42,96 м3/ч и номинальной производительности Q = 300 кВт значению t2 = 6°С соответствует t1 = 12 °С.
Если чиллер имеет 4 ступени производительности по 25 %, то одной ступени производительности DS соответствует 1,5 K (DT / 4 = 6/4).
Тогда при t2 = 6 °С первой ступени производительности (25 %) будет соответствовать t1 = 7,5 °С, второй (50 %) — t1 = 9 °С, третьей (75 %) — t1 = 10,5 °С и четвертой (100 %) — t1 = 12 °С. Разность температур включения и выключения ступени df называют дифференциалом или гистерезисом.
На рис.1 представлена упрощенная диаграмма работы контроллера чиллера. Предварительно в контроллере задаются:
– уставка (Set Point) – номинальная t1 первой ступени (в нашем случае SP= 7,5 °С);
– дифференциал (одинаковый для всех ступеней) принимаем df= 1K;
– шаг между включением/выключением ступеней – в нашем случае DS=1,5K.
Управление работой чиллера осуществляется по температуре входящей воды. Контроллер воспринимает аналоговый сигнал от датчика температуры воды на входе в чиллер и в соответствии с заданным алгоритмом последовательно включает/выключает ступени производительности чиллера при изменении t1.
Первая ступень производительности включается, когда t1 ³SP+df/2, т.е в нашем случае при t1 ³ 8.
Если температура на входе в чиллер продолжает возрастать, то после определенной задержки включается следующая ступень производительности (в нашем случае 50 %) и т. д. до 100 % производительности.
Если температура на входе в чиллер снижается, то ступени начинают последовательно отключаться.
Первая ступень производительности отключается, когдаt1 £SP – df/2, т.е в нашем случае при t1 £ 7.
Отключение первой ступени производительности, естественно, соответствует выключению чиллера.
Температуры включения/выключения ступеней производительности для нашего случая приведены в табл. 1.
Таблица 1
| Ступень |
Номинальнаяt1, °С |
Температура включения, °С |
Температура выключения, °С |
|
1 |
7,5 |
8 |
7 |
|
2 |
9 |
9,5 |
8,5 |
|
2 |
10,5 |
11 |
10 |
|
4 |
12 |
12,5 |
11,5 |
Обратим внимание:
– уставка находится посередине дифференциала первой ступени;
– дифференциал не может быть больше шага между включением ступеней. Следовательно, увеличивая количество ступеней производительности, мы вынуждены уменьшать дифференциал, что автоматически ведет к повышению точности поддержания температуры на выходе из чиллера;
– дифференциал соответствует погрешности поддержания температуры воды на выходе. Действительно, если первая ступень производительности работает при t1 = 7…8 °С, то при постоянном расходе v = 42,96 м3/ч температура t2 = 5,5…6,5 °С, т. к. производительность ступени соответствует DS =1,5 K.
Четыре ступени производительности чиллера при 300 кВт мы можем реализовать:
– установкой четырех одинаковых спиральных компрессоров (по 75 кВт);
– установкой одного винтового компрессора (300 кВт) с пошаговой регулировкой производительности (25, 50, 75 и 100 %).
Для защиты компрессоров от недопустимых рабочих режимов применяются встроенные электронные устройства, контролирующие температуры обмоток электромоторов, а также количество включений компрессора в час и минимальное время работы компрессора. Эти функции также дублируются в контроллерах современных чиллеров заданием времени между повторными пусками TR и временем паузы TS(рис. 2).
Перерыв между повторными пусками компрессора TR необходим для того, чтобы избежать перегрева обмоток от пусковых токов, которые в несколько раз превышают номинальные значения. Если мотор запускается слишком часто, обмотки мотора не успевают остыть после пуска, что приводит в конце концов к срабатыванию встроенной защиты или, при ее отсутствии или отключении, к сгоранию электромотора. Количество пусков компрессора в час зависит от мощности электромотора: чем больше мощность, тем меньшее количество пусков в час допустимо.
Минимальное время работы компрессора TM связано с системой смазки. Необходимо определенное время, чтобы система смазки компрессора начала работать в штатном режиме и масло стало поступать к узлам трения. Если компрессор часто запускается и работает непродолжительное время, то поверхности трения работают практически без смазки, что приводит к повышенному механическому износу узлов компрессора и соответственно сокращает срок его службы.
В табл. 2 приведены значения TRиTM, полученные из обобщения информации, предоставляемой производителями компрессоров, и расчетное время паузы TS.
Таблица 2
| Компрессор |
TR, мин. |
TM , мин. |
TS, мин. |
|
Спиральный |
5 |
2 |
3 |
|
Винтовой |
10 |
5 |
5 |
Следовательно, если в чиллере установлен только один винтовой компрессор, он может запуститься только через 5 мин. после выключения, в течение которых потребители остаются без источника холода.
Если же в чиллере установлен только один спиральный компрессор, время паузы сокращается до 3 мин.
Но если в чиллере установлено не менее двух компрессоров, то время паузы TS между выключением одного и включением другого компрессора составляет примерно 1 мин. (рис. 3), т. к. контроллер обеспечивает чередование включения компрессоров, т. е. при выключении одного компрессора после паузы включается другой.
Это время соответствует времени задержки включения очередной ступени производительности чиллера, которое задается в контроллере.
Следовательно, если в чиллере установлены несколько компрессоров, то пауза в работе чиллера, независимо от типа компрессора, сокращается в несколько раз по сравнению с одиночным компрессором.
Во время паузы TS чиллер не производит холода, но насос работает, обеспечивая циркуляцию воды через чиллер и по системе, при этом работающие потребители вынуждены использовать только имеющуюся в системе холодную воду, постепенно нагревая ее.
Если к моменту окончания паузы температура воды на входе в чиллер повысится до SP+ df/2 (в нашем случае при t1 ³ 8), включается первая ступень производительности, если же к моменту окончания паузы t1 < SP+ df/2, то чиллер не включится до тех пор, пока температура на входе не превысит значение SP+ df/2.
Как рассчитать минимальный объем системы?
Чем больше объем системы, тем медленнее в ней нагревается вода при неработающем чиллере и тем более стабильную температуру воды имеют потребители во время паузы чиллера.
Очевидно, что при отключении чиллера нагрузка на него меньше, чем производительность первой ступени чиллера Qmin, т. к. в противном случае он бы не выключился.
Поскольку значение нагрузки в общем случае неизвестно, для определения минимального объема системы будем исходить из самого неблагоприятного случая, когда при выключенном чиллере нагрузка системы внезапно возрастает до Qmin.
Тогда минимальный объем системы Vmin, м3 может быть определен как такой объем системы, при котором за время паузы чиллера TS, мин., при нагрузке, равной Qmin, кВт, температура воды на входе в чиллер возрастет на значение, равное дифференциалу df, K, что приведет к включению чиллера на первой ступени производительности.
Для определения минимального объема системы воспользуемся формулой (2), т. к. если объем системы (м3) разделить на время паузы (с), мы получим эквивалент расхода (м3/с). Подставляя в формулу (2) Qmin вместо Q, dfвместо DT и Vmin/(ТS·60) вместо v, получим формулу для определения минимального объема системы:
Vmin = QminTS / 69,83df, м3. (4)
Из формулы (4) видно, что минимальный объем системы прямо пропорционален производительности первой ступени Qminи времени паузы TS и обратно пропорционален дифференциалу df. Определим Vmin для нашего случая.
При одинаковой производительности первой ступени Qmin = 75 кВт и дифференциале контроллера df = 1K чиллер с одним винтовым компрессором имеет паузу 5 мин. (TS= 5 мин.), а чиллер с четырьмя спиральными компрессорами всего 1 мин. (TS = 1 мин.). Соответственно, Vmin во втором случае должен быть в 5 раз меньше, чем в первом. Результаты расчетов сведены в табл. 3.
Таблица 3
| Компрессор |
Кол-во, шт. |
TS, мин. |
Vmin, м3 |
|
Спиральный |
4 |
1 |
1,074 |
|
Винтовой |
1 |
5 |
5,370 |
Посмотрим, что изменится, если вместо одного винтового компрессора производительностью 300 кВт в чиллере установлены два винтовых компрессора по 150 кВт, как это обычно делается в современных чиллерах такой производительности.
При производительности первой ступени компрессора 25 %, получим, что чиллер с двумя компрессорами имеет 8 ступеней производительности. Шаг производительности – 37,5 кВт, что соответствует DS= 6/8 = 0,75 K. Поскольку дифференциал dfне может быть больше DS, то принимаем df=DS = 0,75 K. Так как в чиллере стало 2 компрессора, время паузы TS уменьшилось с 5 до 1 мин. Результаты сравнительных расчетов приведены в табл. 4.
Таблица 4
| Компрессор |
Кол-во, шт. |
TS, мин. |
Vmin, м3 |
|
Винтовой |
1 |
5 |
5,370 |
|
Винтовой |
2 |
1 |
0,717 |
Замена позволяет существенно уменьшить минимальный объем системы (для нашего случая в 7,5 раз).
В сводной табл. 5 приведены результаты расчетов и относительные величины (отношения объема к производительности) для трех рассмотренных вариантов комплектации чиллера производительностью 300 кВт.
Таблица 5
| Вариант |
Компрессор |
Кол-во, шт. |
Vmin, л |
Vmin/Q, л/кВт |
Vmin/Qmin, л/кВт |
|
1 |
Спиральный |
4 |
1074 |
3,6 |
14,3 |
|
2 |
Винтовой |
1 |
5370 |
17,9 |
71,6 |
|
3 |
Винтовой |
2 |
717 |
2,4 |
19,1 |
Сравнивая полученные относительные величины с рекомендациями производителей чиллеров, приведенными в начале статьи, мы видим хорошее совпадение расчетных и рекомендуемых данных для вариантов 1 и 3, что говорит о корректности сделанных предположений.
Вариант 2 (один винтовой компрессор) не является оптимальным как с точки зрения надежности, так и, как мы убедились, с точки зрения требований к минимальному объему системы. Поэтому он практически не применяется производителями чиллеров.
Таким образом, мы получили расчетную формулу, позволяющую для конкретного чиллера, имеющего соответствующие характеристики Qmin, TS и df, определить минимальный объем системы, необходимый для его нормальной работы.
Литература
1. Водонакопительные системы SAP (1500 – 2500 – 3500): Техническое описание и инструкция по установке. М., 2000.
2. Гидромодули SAP: Техническое описание, инструкции по установке и эксплуатации. М., 2002.
3. 30XA. Жидкостные чиллеры воздушного охлаждения: Инструкции по установке, работе и техническому обслуживанию. М., 2006.
4. 30HXC 080-375, 30GX 082-358 Screw Compressor Water-Cooled Liquid Chillers and Air-Cooled Liquid Chillers: Installation, operation and maintenance instructions. Carrier, 1999.
5. Шавра В. М. Основы холодильной техники и технологии. М., 2004.
