Читать начало — Экспресс-метод расчёта трубопроводов для чиллерных систем. Часть 1 // Журнал СОК, 2025. №1. С. 62–67.

В российских условиях эксплуатации использование незамерзающих жидкостей для чиллера является гарантией, что чиллер снова заработает после зимы. Минусовая температура зимой у нас есть везде, даже в Сочи или Крыму, поэтому обычная вода в холодильном контуре зимой обязательно замёрзнет и раздавит теплообменник. После этого летом начнётся трудоёмкое и не всегда успешное восстановление холодильного контура чиллера, как правило, с заменой компрессоров. Исключением могут служить разве что чиллеры внутренней установки с выносным конденсатором, но чаще всего применяются наружные моноблоки.

Характеристики и варианты холодоносителей

Холодоноситель (не путать с хладагентом, то есть фреоном) представляет собой вещество, предназначенное для отвода тепла от охлаждаемого объекта и передачи холода, выработанного испарителем. Оно должно обладать низкой температурой замерзания, нейтральными свойствами по отношению к металлам и высокой теплоёмкостью.

С точки зрения физических свойств (теплоёмкости, плотности, кинематической вязкости) вода считается оптимальным холодоносителем. К тому же её можно спокойно сливать на грунт или в канализацию. К сожалению, в нашей стране воду можно использовать только внутри помещений, поскольку при 0°C она замерзает. Водные растворы гликолей лишены этих недостатков, поскольку они замерзают при гораздо более низких температурах. Их плотность в процессе кристаллизации снижается намного меньше, чем во время превращения воды в лёд, а значит и объём увеличивается не так сильно — даже замёрзшие водные растворы гликолей не разрушают трубы.

Очень часто выбирают пропиленгликоль, так как он нетоксичен. По сути, это разрешённая пищевая добавка Е1520, которую используют в выпечке и других продуктах питания как влагоудерживающий агент. Если заполнить систему водным раствором пропиленгликоля, особые меры предосторожности не нужны — потребуется только дополнительный резервуар для компенсации утечек. С этиленгликолем работать сложнее — это вещество относится к умеренно токсичным (третий класс опасности). Его предельно допустимая концентрация в воздухе составляет 5 мг/м³, но из-за невысокой летучести при нормальной температуре парами этого многоатомного спирта можно отравиться только если ими долго дышать.

Хуже дела обстоят со стоками: вода и пропиленгликоль не требуют утилизации, а вот концентрация этиленгликоля в объектах общего водопользования не должна превышать 1 мг/л. Из-за этого владельцам чиллера придётся заложить в смету специальные системы слива, изолированные ёмкости и/или систему разбавления сливаемого теплоносителя водой: просто спустить его в канализацию нельзя. Объёмы воды для разбавления в сотни раз превышают объёмы теплоносителя, а выливать его на грунт крайне нежелательно — токсичный многоатомный спирт приходится смывать большим количеством воды. Тем не менее, применение этиленгликоля в современных системах кондиционирования тоже возможно при соблюдении всех необходимых мер предосторожности.

Вода (Н2О)

Параметрами обычной водопроводной воды, определяющими общую коррозионную стойкость теплообменников чиллера, являются: температура, рН, карбонатная жёсткость (щёлочность), общая жёсткость, а также концентрация хлоридов, сульфатов и нитратов; электропроводность часто используется как суммарный параметр для определения общего содержания ионов (солей).

Поскольку медь обладает более низкой коррозионной стойкостью в водопроводной воде, чем нержавеющая сталь марки AISI 316L, перечисленные выше характеристики воды в основном влияют на окисление меди. В общем случае коррозия нержавеющей стали происходит только в водопроводной воде, содержащей большие концентрации хлоридов при высокой температуре.

Наиболее важные параметры воды:

1. Температура. В общем случае повышение температуры приведёт к увеличению скорости коррозии большинства металлов. Согласно правилу Вант-Гоффа, при повышении температуры на каждые 1°C скорость химических реакций увеличивается в два-четыре раза. При использовании меди в нагретой воде (при температуре выше 60°C) вероятность питтинговой (локальной) коррозии повышается. Также при температуре выше 60°C у нержавеющей стали будет увеличиваться риск коррозионного растрескивания под напряжением, а скорости питтинговой и щелевой коррозии нержавеющей стали тоже зависят от температуры.

2. Водородный показатель pH. Сплошная коррозия меди в основном зависит от показателя рН. Риск коррозии является минимальным, если pH поддерживается в диапазоне от 7,5 до 9,0. При этом в обычной водопроводной воде значение рН колеблется около 7,0, но рекомендуется избегать воды с рН ниже 7,0. Вода систем централизованного теплоснабжения зачастую будет щелочной со значениями рН до 10.

3. Щёлочность. Если содержание гидрокарбонатов HCO3- в воде очень низкое (ниже 60 мг/л), то продукты коррозии меди могут попасть в систему. Также рекомендуется не допускать превышение концентрации [HCO3-] более 300 мг/л.

4. Электропроводность. Высокая электропроводность водопроводной воды означает, что вода имеет большую концентрацию ионов различных веществ. Увеличение электропроводности водопроводной воды приводит к увеличению скорости коррозии большинства металлов. Рекомендуемое максимальное значение электропроводности воды составляет 500 мкСм/см.

5. Жёсткость. Медь подвержена коррозии в мягкой воде; соотношение [Ca2+, Mg2+]/[HCO3-] (рассчитанное в молях) должно быть больше 0,5.

6. Хлориды. Наличие хлоридов в питьевой воде повысит риск локальной коррозии нержавеющей стали. Предельное значение будет зависеть от температуры.

7. Сульфаты. Высокая концентрация сульфатов повышает риск питтинговой коррозии меди. Рекомендуемая максимальная концентрация сульфатов 100 мг/л, но коррозия может возникать и при более низких концентрациях, если отношение [HCO3-]/[SO42-] (в молях) меньше 1,0.

8. Нитраты. Нитрат-ионы оказывают такое же влияние, что и сульфат-ионы. Максимальная концентрация нитратов рекомендуется не более 100 мг/л.

9. Хлор. Во многих установках, имеющих контур водопроводной воды, добавление хлора выполняется в целях обеззараживания. Хлор является сильным окислителем и снижает коррозионную стойкость нержавеющей стали. Исследования показали, что концентрация свободного активного хлора должна поддерживаться ниже 0,5 мг/л во избежание коррозии нержавеющей стали марки AISI 316L.

Рекомендации компании Carrier по жидким теплоносителям:

1. Не допускается присутствие ионов аммиака NH4+ в воде, поскольку они оказывают вредное воздействие на медь. Это один из самых важных факторов, влияющих на срок службы медных труб. Наличие нескольких десятых мг/л со временем вызывает сильную коррозию меди.

2. Ионы хлора Cl- оказывают вредное воздействие на медь, вызывая точечную коррозию. Следует удерживать концентрацию [Cl-] на уровне ниже 125 мг/л.

3. При наличии концентрации ионов сульфатов [SO4-] более 30 мг/л может возникать точечная коррозия.

4. Не допускается наличие ионов фторидов (менее 0,1 мг/л).

5. Следует избегать наличия ионов Fe2+ и Fe3+ при заметных уровнях растворённого кислорода. Допускается менее 5 мг/л растворённого железа при растворённом кислороде менее 5 мг/л.

6. Растворённый кремний: кремний ведёт себя в воде как кислотный элемент и также может вызывать коррозию. Допустимое содержание менее 1 мг/л.

7. Жёсткость воды: ТН > 2,8°dH [имеется в виду немецкий градус (deutsche Härte), то есть 10 мг/см³ = 1°dH]. Могут быть рекомендованы значения от 10 до 25. Это способствует осаждению окалины, что может ограничить коррозию меди. Слишком большие величины ТН могут со временем приводить к закупорке трубопроводов. Желателен суммарный алкалиметрический титр (ТАС) ниже 100.

8. Растворённый кислород: необходимо избегать любого резкого изменения величины насыщения воды кислородом. Обескислороживание воды путём смешивания её с инертным газом так же вредно, как перенасыщение её кислородом путём смешивания воды с чистым кислородом. Нарушение насыщения воды кислородом способствует дестабилизации гидроокисей меди и увеличению частиц.

9. Удельное сопротивление: чем выше удельное сопротивление, тем медленнее образуется коррозия. Желательны значения более 3000 Ом/см. Нейтральная среда благоприятна для получения максимальных значений удельного сопротивления. Можно рекомендовать значения удельного сопротивления в диапазоне от 200 до 6000 Ом/см.

10. рН: идеальный случай — это нейтральный рН (7 < pH < 8) при 20–25°C.

Зная химический состав воды и условия работы системы, можно оценить риск образования накипи и коррозии.

Образование накипи

Водопроводная (сырая) вода содержит более или менее высокое количество растворённых газов и солей в зависимости от геологических условий участка добычи воды. Эти различия обуславливают состав получаемой воды. Для образования накипи определяющими различиями являются, в частности, карбонатная жёсткость воды (содержание гидрокарбоната) и общая жёсткость, то есть суммарное содержание ионов кальция и магния; кроме того, на жёсткость воды могут влиять другие ионы, такие как, например, сульфат-ионы.

Из упомянутых выше соединений известковая накипь (состоящая из карбоната кальция СаСО3) может образовываться при повышении температуры и/или удалении углекислого газа, например, путём дегазации. Дальнейшее повышение температуры может привести к осаждению различных солей, например, гипса CaSO4.

Другие соединения, способные вызывать загрязнение поверхности, представляют собой железосодержащие отложения, такие как «ржавчина», то есть оксиды и гидроксиды железа, или магнетит. Они могут выделяться непосредственно внутри теплообменников чиллера, но также могут быть вымыты из других частей системы, где образуются вследствие коррозионных процессов.

Интенсивность теплопереноса в пластинчатых теплообменниках будет уменьшаться за счёт осаждения солей, содержащихся в воде (образования накипи) и осаждения примесей. Образование накипи обычно вызвано присутствием солей кальция и магния.

Общая жёсткость — это суммарное содержание ионов кальция Ca2+ и магния Mg2+ в воде. Обычно выражается в миллиграммах на литр [мг/л] или частях на миллион [ppm] карбоната кальция CaCO3, или в градусах жёсткости [°dH]. Немецкий градус жёсткости [°dH] эквивалентен 17,8 ppm CaCO3.

Нагревание жёсткой воды вызывает осаждение известковой накипи — CaCO3. Она будет выглядеть как слой на поверхности пластины. Нагревание до температур выше 55°C может вызвать обильное осаждение известковой накипи, что снизит интенсивность теплопередачи в пластинчатых теплообменниках.

Коррозия

Коррозия может иметь различную природу происхождения. Некоторые виды коррозионных процессов протекают внутри трубопроводов и теплообменников во время эксплуатации. Большинство видов коррозии вызываются химическими реакциями: химический состав воды по-разному влияет на конструкционные материалы (табл. 1).

Важную роль в коррозии металлов играет кислород. Кроме того, важными параметрами, способствующими возникновению коррозии, являются значение водородного показателя рН (кислотность среды), буферная ёмкость (способность буферного раствора сохранять свой pH) и содержание солей. Знание этих факторов имеет решающее значение для оценки возможных рисков коррозии.

Наиболее важными параметрами, влияющими на коррозионную стойкость нержавеющей стали в воде из сети централизованного теплоснабжения, являются содержание хлоридов, температура и содержание кислорода. Допустимое содержание хлоридов будет зависеть от максимальной температуры, воздействию которой подвергается пластинчатый паяный теплообменник. Наиболее важными параметрами, ограничивающими риск коррозионного разрушения меди, являются практически полное отсутствие кислорода (содержание ниже 0,1 мг/л) и щелочной среды (рН ниже 10), а также содержание аммиака и сульфидов ниже минимальных предельных значений.

В воде центрального отопления используется умягчённая или опреснённая вода с рН около 9,0–9,5, а содержащийся в ней кислород удаляется или химически связывается. Особые опасения вызывает содержание некоторых химических веществ, которые используются для водоподготовки, и/или веществ, связывающих кислород.

Следует избегать использования аммиака для изменения рН воды из-за опасности коррозии меди (и латуни). Вместо этого используйте гидроксид натрия NaOH или тринатрийфосфат Na3PO4 для повышения рН воды.

Сульфит натрия Na2SO3 широко используется в качестве связывающего кислород вещества, но его следует избегать в системах, содержащих медь и нержавеющую сталь. В процессе связывания кислорода сульфит превращается в сульфат. Сульфат может использоваться некоторыми бактериями, которые расщепляют сульфат до сульфида, создавая таким образом коррозионную среду для меди и нержавеющей стали. Вместо этого в системе следует использовать органические вещества, связывающие кислород, например, дубильные вещества.

Как правило, повышенные концентрации сульфида в воде могут указывать на бактериальное обсеменение системы централизованного теплоснабжения. Поэтому рекомендуется поддерживать минимальные концентрации сульфида в воде.

Иногда в воду добавляют другие связывающие кислород вещества. Некоторые примеры — витамин C и метилэтилкетоксим (MEKO). Биоциды также могут быть добавлены в воду, чтобы подавить рост бактерий в системе.

Пропиленгликоль (С3Н8О2)

Данное вещество относится к спиртам и представляет собой вязкую жидкость без цвета, со слабым запахом и сладковатым вкусом. В отличие от этиленгликоля, жидкость нетоксична для человека. Растворы пропиленгликоля на воде применяют в качестве низкозамерзающих теплоносителей в системах вентиляции, кондиционирования, охлаждения пищевых производств и в другом оборудовании при температурах от −40 до +108°C.

Основные характеристики водных растворов пропиленгликоля приведены в табл. 2.

Растворы пропиленгликоля, ввиду своей безопасности, являются наиболее приоритетными. Их основные преимущества при использовании в чиллерах:

  • экологичность;
  • низкая температура замерзания;
  • хорошие антикоррозионные свойства;
  • высокие теплофизические качества;
  • смазывающие свойства;
  • длительный срок эксплуатации.

Небольшая утечка вещества не приносит вреда окружающей среде и людям, а благодаря значительному замедлению коррозии удаётся увеличить срок работы чиллера без ремонта. Этот холодоноситель используется при кондиционировании общественных и жилых зданий, производстве и хранении продуктов питания.

Этиленгликоль (С2Н6О2)

Этиленгликоль — это двухатомный спирт. В нормальных условиях он представляет собой вязкую прозрачную жидкость без цвета и запаха. В чистом виде данное вещество замерзает при температуре −12,3°C, а закипает при +197°C. Но физические свойства спирта изменяются при растворении его в воде. При определенной концентрации этиленгликоля температура замерзания понижается до −65…-40°C, а вязкость уменьшается, улучшается теплопроводность. Благодаря своим свойствам эти растворы получили широкое распространение в качестве холодоносителя. Для уменьшения коррозии трубопроводов в рабочую жидкость добавляют специальные присадки. Основные характеристики водных растворов этиленгликоля приведены в табл. 3.

Применение водного раствора этиленгликоля имеет ограничение из-за токсичности. Его попадание в организм человека приводит к необратимым изменениям и смерти. Летальная доза при употреблении внутрь составляет 100–300 мл. Серьёзной угрозе также подвергается человек при вдыхании паров вещества. Поэтому такой холодоноситель не используют в пищевой промышленности.

Расчёт фактических характеристик моноблочных чиллеров со встроенным гидромодулем

Стандартные характеристики чиллеров приведены для холодоносителя — воды.

Очевидно, что в случае применения холодоносителя с другими тепловыми и динамическими характеристиками производительность чиллера изменится. Изменятся также характеристики насосов. Наша главная задача — определить реальные характеристики чиллера и всей системы в целом в новых изменившихся условиях.

Для начала нам необходимо определить фактическую производительность чиллера. В случае использования незамерзающих растворов фактическая производительность будет немного отличаться.

Также будут отличаться гидравлические характеристики, а именно расход холодоносителя и потери давления в чиллере.

Теоретически производительность чиллера не изменится, если теплообменник (испаритель) пропускает через себя достаточное количество холодоносителя. Но многие производители рекомендуют пересчитать фактическую производительность при изменении процентного содержания пропиленгликоля в растворе (табл. 4). Объяснить это можно применением стандартных гидравлических модулей, когда изменение характеристик холодоносителя однозначно приведёт к изменению его расхода.

Какие выводы мы можем сделать исходя из сравнения характеристик чиллера со встроенным гидравлическим модулем на воде и на 50%-м растворе пропиленгликоля (табл. 5)?

Выводы будут следующие:

1. Производительность чиллера немного упала (на 4,2%).

2. Энергопотребление чиллера упало на 2,2%.

3. Коэффициент энергетической эффективности также снизился на 2%.

4. Расход холодоносителя увеличился на 15%, так как теплоёмкость раствора пропиленгликоля меньше, чем у воды.

5. Потери давления в испарителе чиллера и теплообменниках фанкойлов стали больше на 20%, так как расход увеличился.

6. Из-за увеличившегося расхода располагаемый напор насоса стал меньше на 8%.

7. Из-за сниженного располагаемого напора насоса удельные потери давления в трубопроводах должны быть меньше.

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 расчётной 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. 5).

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 — расчётные удельные потери давления на 1 м трубопровода главного циркуляционного кольца, кПа/м; Рн — расчётное давление насоса, кПа; Рф — потери давления в фанкойле, кПа; Ркл — потери давления в клапанах и регулировочной арматуре, ориентировочно принимается 25 кПа; Рч — потери давления в теплообменнике чиллера, кПа; К — доля потерь на местные сопротивления, ориентировочно принимается 0,35; LΣ — сумма длин всех участков трубопровода главного циркуляционного кольца, м.

Подставляя данные из табл. 2 первой части статьи, мы получаем удельные потери от 0,2 до 0,32 кПа (0,02–0,032 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 либо уменьшаться с помощью регулирования его частоты вращения, либо гаситься с помощью балансировочных клапанов. В итоге имеем универсальную табл. 6 для выбора диаметра трубопроводов при холодоносителе — 50%-м растворе пропиленгликоля.

Пример. Участок трубопровода обслуживает десять фанкойлов суммарной производительности 50 кВт по холоду. Следовательно, это попадает в диапазон 29–60 кВт (табл. 6), 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 расчётные 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 в итоге пропустит нужный расход холодоносителя. Поэтому для подбора диаметра ответвлений мы также пользуемся табл. 6.

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 уникальный чиллер с индивидуальными характеристиками. Единственной преградой был сложный расчёт трубопроводов и вспомогательного оборудования. Однако с помощью экспресс-методики подбора трубопроводов, изложенной в данной статье, стало возможным максимально упростить процесс проектирования чиллерных систем со стандартными гидравлическими модулями.

В этой статье мы рассмотрели экспресс методику подбора чиллерных систем с незамерзающими растворами в качестве холодоносителя. По сравнению с холодоносителем — водой, применение 50%-го раствора пропиленгликоля приведёт, с одной стороны, к безопасной эксплуатации чиллера при наружной температуре до −35°C без угрозы замерзания и повреждения теплообменника. С другой стороны, расход теплоносителя должен быть больше, соответственно, без изменения характеристик насоса нам необходимо уменьшить потери давления в сети и, следовательно, увеличить диаметр трубопроводов. Итоговые диаметры трубопроводов при холодоносителе — 50%-м растворе пропиленгликоля мы можем определить по табл. 6.

Статья также содержит рекомендации по использованию воды для приготовления растворов незамерзающих холодоносителей.