Проектирование трубопроводов для систем холодоснабжения представляет из себя достаточно сложную задачу. На выбор диаметров трубопроводов влияет большое количество факторов: требуемый расход холодоносителя, вид холодоносителя (вода или незамерзающие растворы), длина трубопроводов, располагаемый напор насоса, потери давления в приемниках холода (фанкойлах), потери давления в теплообменнике чиллера, потери давления на регулирующей арматуре и т. д. Поэтому при проектировании систем холодоснабжения с промежуточным холодоносителем требуются глубокие знания и опыт проектировщика. В противовес проектированию систем холодоснабжения с водой, проектирование систем прямого испарения (VRF) предельно упрощено. Для подбора диаметра трубопровода на определенном участке требуется знать только нагрузку по холоду, которую несет этот участок (табл. 1). Хотя с точки зрения гидравлических потерь расчет VRF-систем должен быть намного сложнее, чем расчет систем «чиллер — фанкойлы», по следующим причинам:

1. В трубопроводах VRF-систем движется в одну сторону жидкость, а в другую газ. У чиллерных систем в обоих трубопроводах движется только жидкость.

2. В газовом трубопроводе VRF-систем происходит движение не только фреона в виде газа, но и частично масла для смазки компрессора. Поэтому необходимо учитывать необходимость возврата масла при эксплуатации на минимальной скорости.

3. В жидкостном трубопроводе VRF-систем возможно вскипание хладагента, поэтому скорость движения и, соответственно, потери давления могут резко увеличиться.

4. Направление движения фреона у систем VRF меняется на противоположное при переключении режима охлаждения на обогрев. У чиллерных систем направление движения холодоносителя не меняется.

Таким образом, на расчет трубопроводов систем VRF влияет больше факторов, чем на расчет трубопроводов чиллерных систем, и, тем не менее, подбор труб для VRF намного проще.

Почему стало возможным подбирать диаметры трубопроводов для VRF-систем только исходя из требуемой производительности участка, без учета множества других факторов? Потому что производители ввели ограничения на возможную конфигурацию систем (рис. 1). То есть, например, при рекомендуемых диаметрах трубопроводов потери давления на трение будут равны располагаемому напору компрессора при эквивалентной длине трубопроводов до 90 м. Если длина трубопроводов будет больше, то потери давления возрастут выше допустимых величин. Производители в этом случае рекомендуют увеличить диаметры жидкостных и газовых магистральных трубопроводов на один типоразмер. В чиллерных системах в этом случае мы могли бы подобрать насос с бóльшим напором, а для систем VRF такой возможности нет.

Таким образом, если мы введем аналогичные ограничения на возможную конфигурацию систем «чиллер — фанкойлы», мы можем разработать простую таблицу для подбора трубопроводов холодоносителя. Для больших чиллерных систем это, по-видимому, не будет актуально, а вот для относительно небольших модульных чиллеров методика экспресс-подбора трубопроводов будет очень востребована.

Основной параметр, который влияет на потери давления в системе и подбор насоса, — это длина главного циркуляционного кольца (рис. 2). Холодоноситель (вода или растворы) после чиллера попадает в подающий трубопровод, движется до самого удаленного фанкойла, проходит теплообменник фанкойла и возвращается назад на всасывание насоса. На всем пути движения возникают потери давления по длине и потери давления на местных сопротивлениях. Причем важны потери давления именно на главном циркуляционном кольце, то есть максимальном пути движения жидкости. В реальной системе, конечно, есть ответвления с более короткими циркуляционными кольцами, но они для нас на этом этапе не важны, поскольку подбор насоса мы будем делать исходя из максимальных потерь давления.

Для расчета систем холодоснабжения существуют две методики. Первая методика основывается на расчете всех потерь давления в системе и в конце подбирается по расчетному расходу и сумме потерь давления требуемый насос. Вторая методика идет по обратному пути. Исходя из параметров существующего насоса подбираются диаметры трубопроводов с требуемыми удельными потерями давления.

Поскольку мы ориентируемся на модульные чиллеры и стандартные гидромодули, то для нас подходит именно вторая методика. Таким образом, характеристики чиллеров со стандартными гидромодулями на воде следующие (табл. 2).

Без сомнения, основной частью любого гидромодуля является насос. Для понимания особенностей работы насоса рассмотрим график зависимости давления от расхода жидкости, перекачиваемый насосом. Такой график часто называют «характеристикой насоса» (рис. 3).

Характеристика насоса

Характеристика насоса выглядит стандартным образом: по горизонтальной оси откладывается расход воды через насос Q [ м³/ч], а на вертикальной оси находится располагаемый напор насоса H [м].

На рис. 3 показаны три линии, которые соответствуют характеристикам насоса при разной скорости вращения рабочего колеса. Чем больше скорость вращения ротора, тем выше располагается линия характеристик насоса.

Мы видим, что график «падающий», то есть чем больше расход воды через насос, тем меньше располагаемый напор. Максимальный напор насос дает при нулевом расходе. А вот про правую часть графика нужно поговорить подробнее.

На многих характеристиках насосов мы видим, как линия зависимости расхода от напора не доходит до напора 0 м или доходит в виде штриховой линии. Что это означает? Для ответа на этот вопрос посмотрим на график ниже, это график потребляемой мощности насоса. Вопреки устоявшемуся ошибочному мнению, максимальную энергию насос потребляет не при максимальном сопротивлении сети, то есть при максимальном напоре, а при нулевом напоре и максимальном расходе. И в теории насос может работать в этой зоне характеристики сети, но его электродвигатель часто не рассчитан на работу при такой потребляемой мощности.

На практике возникают ситуации, когда сопротивление сети недостаточно, расход увеличивается выше расчетного, энергопотребление двигателя увеличивается, двигатель перегревается, и его обмотки горят. Поэтому важно, чтобы насос работал в области оптимальных значений расхода и напора.

Несколько слов необходимо сказать о такой важной величине, как КПД насоса. Для центробежных насосов максимальный КПД наблюдается при неких средних значениях напора и расхода (рис. 4). Поэтому с точки зрения максимальной эффективности работы насоса нужно стремиться, чтобы рабочая точка не находилась в крайних областях характеристики насоса. Для поддержания определенных параметров работы насоса необходимо создать соответствующий баланс потерь давления и расхода холодоносителя в нашем циркуляционном контуре. График зависимости потерь давления от расхода называют характеристикой сети.

Характеристика сети

На потери давления в проектируемой или существующей трубопроводной сети влияет огромное количество факторов: от диаметра используемых трубопроводов и скорости движения воды до степени загрязнения фильтра и степени открытия регулирующей арматуры. В целом все возможные варианты можно изобразить в виде кривых, представленных на рис. 4:

1. Горизонтальная линия. Потерь давления в сети нет или они постоянны, вне зависимости от расхода. Это теоретически возможно, когда размеры трубопроводов просто огромны по сравнению с используемым насосом.

2. Характеристика сети в виде параболы с ненулевыми потерями давления при нулевом расходе. Наиболее часто встречающийся тип характеристики сети с обратным клапаном после насоса.

3. Потери давления в виде параболы, исходящей из нулевой точки пересечения осей. График потерь давления при турбулентном движении.

4. Потери давления в виде прямой восходящей линии. Ламинарное движение жидкости в трубопроводах.

Для практических расчетов принимается, что характеристика сети имеет форму графика №3, то есть парабола, исходящая из точки пересечения осей расхода и давления. Для определения расчетных итоговых характеристик работы конкретного насоса в реальной сети накладывают друг на друга два графика — характеристику насоса и характеристику сети. Точка пересечения этих графиков называется расчетной точкой, которая показывает, какие результирующие расход и напор мы получим в наших условиях (рис. 5).

Элементы гидравлического модуля

Гидравлический модуль является готовым набором стандартных элементов, которые необходимы для работы чиллерной системы. Основная характеристика гидравлического модуля — это расход холодоносителя, который должен соответствовать расчетному расходу для чиллера. Расход жидкости зависит от насоса, характеристики которого мы уже рассмотрели. Какие еще элементы присутствуют в гидравлическом модуле и для чего они нужны?

1. Расширительный бак — служит для компенсации температурного изменения объема холодоносителя. Как правило, объема стандартного расширительного бака достаточно для системы трубопроводов до 200 м. При большей длине трубопроводов лучше проверить объем расширительного бака расчетом.

2. Для аварийного сброса давления предусмотрен предохранительный клапан (6 бар) с дренажным отводом. При установке двух насосов (основной и резервный) для каждого из них устанавливается обратный клапан.

3. Сетчатый фильтр устанавливается перед каждым насосом и служит для его защиты от примесей и механических частиц.

4. Реле расхода является важнейшим элементом системы, обеспечивая защиту чиллера. При отсутствии или недостаточном расходе холодоносителя происходит неполное кипение фреона в испарителе, давление кипения понижается и уходит в область отрицательных температур. Далее вода в теплообменнике замерзает и разрывает пластины теплообменника. Еще одно возможное последствие недостаточного расхода воды через чиллер — это снижение давления хладагента и перегрев компрессора из-за недостаточного расхода. В случае недостаточного расхода холодоносителя реле расхода подает сигнал на чиллер, и компрессоры отключаются по защите.

5. Манометры до и после насосов позволяют понять, работает ли система в расчетном режиме. И, например, отследить загрязнение фильтра при слишком большом перепаде давления.

6. Термометры позволяют контролировать температуру холодоносителя.

7. Балансировочный вентиль (клапан) служит для выравнивания потерь давления в разных циркуляционных кольцах системы. Любая холодильная или отопительная система предполагает проведение гидравлической настройки. Это необходимо для того, чтобы в итоге на каждый фанкойл пришло требуемое количество теплоносителя. Такая настройка может осуществляться разными способами — дроссельными шайбами различных диаметров, точным расчетом диаметров труб, однако самым распространенным и современным способом является применение балансировочного клапана. Это устройство представляет собой ручной вентиль, с помощью которого производится регулировка потока теплоносителя. Такая регулировка должна быть выполнена в соответствии с проектом, то есть настройки на каждом клапане выставляются на этапе монтажа системы холодоснабжения согласно расчетам либо в процессе пусконаладки. Холодильная система может быть с постоянным (статическая) или переменным (динамическая) расходом теплоносителя. В первом случае устанавливаются ручные (муфтовые) балансировочные клапаны, во втором — автоматические балансировочные клапаны либо ручные балансировочные клапаны в паре с регулятором перепада давления.

Итак, возвращаясь к нашим конкретным чиллерам и гидравлическим модулям, мы должны определить, какой именно располагаемый напор имеет гидравлический модуль, а точнее насос в гидравлическом модуле, чтобы рассчитать позднее необходимые потери давления в трубопроводах. Для этого у нас имеется в технической документации график с характеристикой насоса. Чтобы определить по этому графику располагаемый напор, мы должны сначала рассчитать требуемый расход холодоносителя.

Начнем расчет с простого варианта, в котором холодоноситель — вода. Нам необходимо с помощью воды отвести от теплообменника чиллера требуемое количество холода. Зная теплоемкость воды и холодопроизводительность чиллера, рассчитаем расход воды:

где Q — производительность чиллера по холоду, кВт; cp — удельная теплоемкость холодоносителя, для воды при температуре +10°C и давлении 1 бар cp = 4,192 кДж/(кг·°C); ∆t — разница между температурой входящего и выходящего холодоносителя, °C. Например, для чиллера производительностью 28,2 кВт по холоду мы получаем (табл. 2):

Затем по графику мы определяем напор насоса, который при расходе 4,84 м³/ч равен 23 м вод. ст. или 232 кПа.

Далее мы должны определить суммарные потери давления в элементах главного циркуляционного кольца и так подобрать диаметры трубопроводов, чтобы потери были меньше или равны напору насоса в нашей расчетной точке.

Суммарные потери давления в главном циркуляционном кольце складываются из потерь в следующих элементах: теплообменник чиллера, запорно-регулирующая арматура, теплообменник фанкойла, трубопроводы, фильтры. Потери давления в теплообменнике чиллера и фанкойлов мы можем найти в характеристиках оборудования (табл. 2).

Определение диаметров трубопроводов

На данном этапе мы должны определить диаметры трубопроводов главного циркуляционного кольца. Для этого мы определяем целевые удельные потери давления на 1 м трубопровода по формуле:

где Rср — расчетные удельные потери давления на 1 м трубопровода главного циркуляционного кольца, кПа/м; pн — расчетное давление насоса, кПа; ∆pф — потери давления в фанкойле, кПа; ∆pкл — потери давления в клапанах и регулировочной арматуре, ориентировочно принимается 25 кПа; ∆pч — потери давления в теплообменнике чиллера, кПа; K — доля потерь на местные сопротивления, ориентировочно принимается 0,35; ΣL — сумма длин всех участков трубопровода главного циркуляционного кольца, м.

Подставляя данные из табл. 2, мы получаем удельные потери от 0,31 до 0,48 кПа (0,031–0,048 м вод. ст.) на 1 м участка трубы. Поскольку мы хотим сделать универсальную таблицу для выбора трубопроводов, мы должны выбрать минимальные удельные потери. Избыточный напор насоса будет уменьшаться с помощью регулирования его частоты вращения либо гаситься с помощью балансировочных клапанов. В итоге универсальная таблица для выбора диаметра трубопроводов (холодоноситель — вода) примет вид табл. 3.

Пример: участок трубопровода обслуживает десять фанкойлов суммарной производительности 50 кВт по холоду. Следовательно, это попадает в диапазон 43–88 кВт табл. 3, и мы выбираем трубопровод с внутренним диаметром 65 мм.

Следующий этап — это определение диаметров трубопроводов более коротких циркуляционных колец. При отсутствии регулировочной арматуры мы должны были бы также определить расчетные удельные потери давления для каждого циркуляционного кольца, и затем по ним подобрать диаметры трубопроводов. Но в нашем случае предполагается, что на каждом ответвлении у нас имеется балансировочный вентиль, который будет отрегулирован при пусконаладочных работах и пропустит в итоге нужный расход холодоносителя. Поэтому для подбора диаметра ответвлений мы снова пользуемся табл. 3.

Заключение

Применение модульных чиллерных систем очень актуально на российском рынке в период сложностей с доставкой оборудования. Намного удобнее держать на складе набор наиболее востребованных модулей, чем заказывать под каждый объект чиллер с индивидуальными характеристиками. Единственной преградой является сложный расчет трубопроводов и вспомогательного оборудования. Однако с помощью методики экспресс-подбора трубопроводов, изложенной в данной статье, стало возможным максимально упростить процесс проектирования чиллерных систем со стандартными гидравлическими модулями.

В следующей статье мы рассмотрим экспресс-методику подбора чиллерных систем с незамерзающими растворами в качестве холодоносителя.