Первичный и вторичный контур чиллера: как работает схема и когда она нужна

В простой системе охлаждения чиллер, насос и потребитель можно объединить одним гидравлическим контуром. Насос обеспечивает циркуляцию теплоносителя через испаритель холодильной машины и далее через оборудование, которое необходимо охлаждать.

Но по мере увеличения объекта схема усложняется. Появляются несколько потребителей, регулирующие клапаны, разные режимы работы и переменная потребность в холоде. При этом чиллеру необходимо обеспечить допустимый расход через испаритель независимо от того, сколько потребителей работает в конкретный момент.

Одно из решений — разделение системы на первичный и вторичный контуры. Разберем, чем они отличаются, зачем используются отдельные насосы и в каких случаях такая схема действительно оправдана.

Что такое первичный контур чиллера

Первичный контур — это часть гидравлической системы, которая обеспечивает циркуляцию теплоносителя через испаритель чиллера.

В простейшем варианте в него входят:

• чиллер;
• циркуляционный насос;
• запорная арматура;
• фильтр;
• датчики температуры и давления;
• защитная автоматика;
• соединительные трубопроводы.

Основная задача первичного насоса — обеспечить через чиллер расход теплоносителя в диапазоне, предусмотренном производителем холодильной машины.

Для испарителя недостаточный поток может быть так же нежелателен, как и чрезмерный. Поэтому насос подбирают по расчетному расходу и гидравлическому сопротивлению именно первичного контура.

Что такое вторичный контур

Вторичный контур связывает источник холода с потребителями.

В зависимости от объекта это могут быть:

• технологические теплообменники;
• производственные линии;
• воздухоохладители;
• фанкойлы;
• системы вентиляции;
• холодильные зоны;
• другое оборудование, которому требуется охлажденный теплоноситель.

Циркуляцию во вторичной части обеспечивает отдельный насос или несколько насосных групп.

Благодаря этому расход на стороне потребителей может меняться относительно независимо от расхода через чиллер.

Зачем разделять систему на два контура

Главная причина — разные требования источника холода и потребителей.

Испарителю чиллера может требоваться относительно стабильный поток, тогда как нагрузка со стороны производства постоянно меняется.

Например, к системе подключены четыре технологические линии. Утром работают все четыре, после обеда — две, а ночью остается только один потребитель.

Если на каждой линии установлен регулирующий клапан, общий расход в системе будет меняться вместе с количеством работающих потребителей.

Разделение контуров позволяет организовать работу так, чтобы:

• чиллер сохранял необходимые гидравлические условия;
• потребители получали столько теплоносителя, сколько требуется в конкретный момент;
• насосы разных частей системы регулировались независимо;
• изменение одного контура меньше влияло на другой.

Как соединяются первичный и вторичный контуры

Между двумя контурами нужен участок, который позволит насосам работать без жесткой гидравлической зависимости друг от друга.

Для этого в зависимости от проекта используют:

• общий участок трубопровода с очень низким сопротивлением;
• гидравлический разделитель;
• буферную емкость с соответствующей схемой подключения;
• другие расчетные решения для гидравлического разделения.

На таком участке происходит смешение потоков, если расход первичного и вторичного контуров отличается.

Что происходит, если расходы одинаковые

Рассмотрим условный пример.

Через чиллер проходит 20 м³/ч. Вторичный насос в этот момент также забирает 20 м³/ч для потребителей.

Если система правильно спроектирована, практически весь охлажденный теплоноситель из первичного контура уходит во вторичный, а обратный поток возвращается к холодильной машине.

Это расчетный режим, при котором расходы двух частей совпадают.

Что происходит, если потребителям нужно меньше жидкости

Предположим, чиллер продолжает обеспечивать 20 м³/ч, а после закрытия нескольких регулирующих клапанов вторичной системе требуется только 12 м³/ч.

Тогда вторичный насос забирает 12 м³/ч, а разница между потоками возвращается через участок гидравлического разделения обратно в первичный контур.

В результате часть уже охлажденного теплоносителя смешивается с обратным потоком.

Такая ситуация сама по себе не означает неисправность. Система должна быть рассчитана на возможные режимы и правильно управляться автоматикой.

Что происходит, если вторичный расход больше первичного

Возможна и обратная ситуация.

Например:

• через чиллер проходит 20 м³/ч;
• потребителям требуется 25 м³/ч.

Недостающие 5 м³/ч будут поступать во вторичный контур из обратной линии через участок гидравлического разделения.

В результате температура подачи потребителям повысится из-за подмешивания более теплого обратного теплоносителя.

Если такой режим возникает регулярно, необходимо проверить согласование производительности первичного и вторичного контуров, работу насосов и алгоритм управления чиллером.

Нужен ли отдельный насос для каждого контура

В классической первично-вторичной схеме — да. Именно отдельные насосы позволяют гидравлически разделить задачи.

Первичный насос отвечает прежде всего за циркуляцию через холодильную машину.

Вторичный — за подачу теплоносителя потребителям и преодоление сопротивления распределительной сети.

Для крупных объектов эти насосы могут объединяться в отдельные насосные станции-гидромодули с резервированием, частотным регулированием и автоматическим переключением агрегатов.

Как выбирается первичный насос

При подборе учитывают:

• требуемый расход через испаритель;
• гидравлическое сопротивление теплообменника чиллера;
• сопротивление трубопроводов первичного контура;
• фильтры и арматуру;
• тип теплоносителя;
• рабочую температуру;
• необходимый запас.

Установка значительно более мощного насоса «на всякий случай» не является правильным решением. Избыточный расход увеличивает гидравлические потери и энергопотребление.

Как выбирается вторичный насос

Здесь расчет выполняется уже по распределительной сети и потребителям.

Нужно определить:

• суммарный расчетный расход;
• сопротивление наиболее неблагоприятной ветви;
• режим изменения нагрузки;
• диапазон регулирования;
• минимальный расход;
• необходимость резервирования.

Если количество работающих потребителей меняется, вторичный насос часто оснащают частотным преобразователем.

Это позволяет уменьшать производительность при снижении нагрузки вместо постоянного дросселирования лишнего давления клапанами.

Постоянный и переменный расход

Именно характер расхода во многом определяет архитектуру гидравлической системы.

Постоянный расход

Если все потребители работают практически в одном режиме и поток меняется мало, гидравлическая схема может быть сравнительно простой.

Для распределения жидкости между параллельными ветвями выполняется гидравлическая балансировка.

Переменный расход

Если регулирующие клапаны постоянно открываются и закрываются, расход заметно меняется.

В этом случае требуется продумать:

• управление вторичными насосами;
• поддержание допустимого расхода через чиллер;
• перепад давления в сети;
• работу системы при минимальной нагрузке;
• гидравлическую балансировку потребителей.

Что такое гидравлический разделитель

Гидравлический разделитель — элемент с очень небольшим гидравлическим сопротивлением, через который соединяются контуры.

Его задача заключается не в создании холода и не в увеличении производительности, а в уменьшении взаимного влияния насосных контуров.

В зависимости от направления и разницы расходов внутри разделителя может происходить движение жидкости вверх или вниз между подающей и обратной линиями.

Размер и конструкцию разделителя необходимо подбирать расчетом.

Можно ли использовать буферную емкость

Да, в ряде систем буферная емкость одновременно участвует в гидравлическом разделении.

При этом она дополнительно:

• увеличивает объем теплоносителя;
• повышает тепловую инерцию;
• уменьшает частоту включений холодильной машины;
• сглаживает кратковременные изменения нагрузки.

Но не любой бак, установленный где-нибудь на трубопроводе, автоматически становится эффективным гидравлическим разделителем. Важны количество патрубков, их расположение, направление потоков и схема подключения.

Когда первично-вторичная схема особенно полезна

Разделение контуров стоит рассматривать, если:

• к одному источнику холода подключено много потребителей;
• нагрузка сильно меняется в течение суток;
• потребители имеют разные гидравлические характеристики;
• используются регулирующие клапаны;
• чиллер требует определенного минимального расхода;
• есть несколько насосных групп;
• система постепенно расширяется;
• важно независимо управлять отдельными зонами.

Когда два контура могут быть лишними

Усложнять систему без необходимости тоже не стоит.

Если объект небольшой, имеется один потребитель, расход практически постоянный, а характеристики насоса и чиллера хорошо согласованы, один гидравлический контур может быть проще и экономичнее.

Добавление второго насоса означает:

• дополнительную стоимость оборудования;
• дополнительное энергопотребление;
• больше арматуры и трубопроводов;
• более сложную автоматику;
• увеличение объема технического обслуживания.

Поэтому первично-вторичная схема должна решать конкретную инженерную задачу, а не использоваться автоматически на каждом объекте.

Что такое система с переменным первичным расходом

Первично-вторичная схема — не единственный вариант организации холодоснабжения.

В современных системах может использоваться переменный расход непосредственно через чиллер. Производительность насосов меняется вместе с нагрузкой, без отдельного вторичного насосного контура.

Такая схема может сократить количество оборудования и энергопотребление насосов, но требует более сложного управления.

При проектировании необходимо строго учитывать допустимый диапазон расхода через испаритель конкретной холодильной машины.

Поэтому переходить на переменный первичный расход только ради отказа от одного насоса нельзя без проверки требований производителя чиллера.

Несколько чиллеров в одной системе

Еще сложнее становится гидравлика, если источников холода несколько.

Например, объект может иметь три чиллера, которые включаются по мере увеличения нагрузки.

Автоматика должна согласовать:

• включение холодильных машин;
• работу первичных насосов;
• общий расход;
• вторичную насосную станцию;
• температуру подачи;
• текущую потребность объекта.

Если один чиллер отключается, необходимо исключить нежелательный поток через неработающую машину, если это предусмотрено схемой.

Поэтому для многомашинных систем особенно важны правильная арматура и алгоритмы управления.

Зачем нужны обратные клапаны

Обратные клапаны позволяют предотвратить нежелательное направление потока через отдельные участки системы.

Они могут быть необходимы:

• на параллельно работающих насосах;
• в контурах нескольких чиллеров;
• в резервных ветвях;
• там, где возможен переток через выключенное оборудование.

При этом любой клапан создает гидравлическое сопротивление, которое необходимо учитывать при расчете насоса.

Как выполняется гидравлическая балансировка

Разделение на два контура не решает автоматически проблему распределения теплоносителя между потребителями.

Если во вторичной системе несколько параллельных ветвей, их необходимо сбалансировать.

Для этого применяются:

• ручные балансировочные клапаны;
• автоматические регуляторы перепада давления;
• ограничители расхода;
• клапаны регулирования;
• частотное управление насосами.

Цель — обеспечить расчетный расход каждому потребителю при различных режимах работы.

Как гликоль влияет на расчет контуров

Если вместо воды используется гликолевый теплоноситель, его свойства необходимо учитывать и в первичном, и во вторичном контуре.

Изменяются:

• вязкость;
• плотность;
• гидравлические потери;
• условия работы насоса;
• теплопередача.

Поэтому нельзя сначала рассчитать насосные группы по воде, а потом без проверки заменить теплоноситель гликолем.

Как работает автоматика первичного и вторичного контуров

На крупном объекте насосы нельзя рассматривать отдельно от системы управления.

Автоматика может выполнять:

• запуск первичного насоса перед включением чиллера;
• подтверждение наличия протока;
• регулирование частоты вторичного насоса;
• поддержание перепада давления;
• переключение рабочего и резервного насосов;
• включение дополнительных чиллеров;
• защиту системы при авариях.

Логика управления реализуется через шкаф управления холодильной системой с необходимыми датчиками и алгоритмами.

Как выбрать место для датчика перепада давления

В системе с частотным регулированием вторичного насоса важно не только наличие датчика, но и место его установки.

Если контролировать давление непосредственно около насоса, автоматика может поддерживать высокий перепад, который фактически не требуется удаленным потребителям.

В больших распределительных сетях точку контроля выбирают с учетом гидравлической схемы и наиболее неблагоприятных потребителей.

Это позволяет уменьшать скорость насоса при частичной нагрузке и снижать энергопотребление.

Типичные ошибки при проектировании

Контуры разделены формально, но гидравлически влияют друг на друга

Причиной может быть слишком большое сопротивление соединительного участка или неправильная компоновка оборудования.

Первичный насос выбран без учета требований чиллера

Расход должен соответствовать характеристикам испарителя и рекомендациям производителя холодильной машины.

Вторичный насос слишком мощный

Избыточный напор приходится гасить клапанами, что увеличивает энергопотребление и шум.

Не рассчитан режим частичной нагрузки

Система нормально работает при открытых потребителях, но после закрытия большинства клапанов давление резко увеличивается.

Нет гидравлической балансировки

Разделение контуров не гарантирует правильного расхода по отдельным ветвям.

Не учитывается подмешивание обратной воды

Если вторичный расход превышает первичный, температура подачи потребителям может отличаться от температуры на выходе чиллера.

Автоматика разных элементов не согласована

Чиллеры, первичные насосы и вторичная насосная станция должны работать по единой логике.

Что проверяют при пусконаладке

После монтажа необходимо убедиться, что расчетная схема действительно работает в реальных условиях.

Во время пусконаладочных работ проверяют:

• направление вращения насосов;
• расход через каждый чиллер;
• давление до и после насосов;
• температуру подачи и обратной линии;
• работу обратных клапанов;
• гидравлическую балансировку;
• настройки частотных преобразователей;
• автоматическое переключение резервных насосов;
• работу при минимальной и максимальной нагрузке;
• аварийные режимы.

Особенно важно проверить не один расчетный режим, а несколько сценариев работы.

Какие режимы стоит испытать

Для системы с несколькими потребителями полезно проверить:

• все потребители включены;
• работает примерно половина нагрузки;
• остается минимальное количество потребителей;
• включается дополнительный чиллер;
• останавливается один насос;
• происходит переключение на резерв;
• закрываются регулирующие клапаны.

Это позволяет выявить проблемы, которые не проявляются при номинальной нагрузке.

Как понять, что существующая схема работает неправильно

Проверить гидравлическую часть стоит, если:

• чиллер периодически отключается по протоку;
• температура подачи потребителям нестабильна;
• вторичные насосы постоянно работают на максимальной частоте;
• часть оборудования не получает достаточного охлаждения;
• после отключения потребителей резко растет давление;
• регулирующие клапаны шумят;
• после модернизации ухудшилась работа старых потребителей;
• фактические расходы значительно отличаются от проектных.

В этом случае причина может находиться не в самом чиллере, а в согласовании насосов и гидравлических контуров.

Когда требуется модернизация системы

Необходимость пересмотра схемы часто возникает после расширения предприятия.

Например, к существующему чиллеру добавляют новые технологические линии. Насос меняют на более мощный, но распределение жидкости становится нестабильным.

Модернизация может включать:

• разделение существующей сети на первичный и вторичный контуры;
• установку новой насосной станции;
• добавление буферной емкости;
• балансировку потребителей;
• установку частотного регулирования;
• изменение логики автоматики.

Перед этим необходимо обследовать действующую систему и определить фактические расходы, сопротивления и режимы работы.

Какие данные нужны для проектирования

Для выбора схемы инженеру потребуются:

• холодопроизводительность объекта;
• количество и характеристики чиллеров;
• требуемый расход через каждую холодильную машину;
• характеристики потребителей;
• расчетные расходы по ветвям;
• температура подачи и обратной линии;
• тип теплоносителя;
• гидравлические сопротивления;
• режим изменения нагрузки;
• требования к резервированию;
• планы дальнейшего расширения.

По этим данным можно определить, нужен ли объекту отдельный вторичный контур и какую конфигурацию насосной станции использовать.

Почему гидравлическую схему нужно разрабатывать вместе с чиллером

Чиллер, насосы и распределительная сеть являются частями одной системы. Подбор каждого элемента отдельно повышает вероятность, что их рабочие характеристики не совпадут.

Например, правильно выбранная по холодопроизводительности машина не сможет стабильно работать, если через ее испаритель не обеспечен необходимый расход.

Компания «Пифагор» проектирует и производит чиллеры и насосные станции-гидромодули для промышленных систем охлаждения. Комплексный расчет позволяет согласовать холодильное и гидравлическое оборудование до монтажа и проверить его работу при разных нагрузках.

Часто задаваемые вопросы

Обязательно ли чиллеру нужны два контура?

Нет. Для простой системы с одним или несколькими стабильными потребителями может быть достаточно одного контура. Решение зависит от требований к расходу и характера нагрузки.

Чем первичный контур отличается от вторичного?

Первичный контур обеспечивает циркуляцию через источник холода, а вторичный распределяет теплоноситель между потребителями.

Зачем нужны два насоса?

Отдельные насосы позволяют независимо обеспечить требования чиллера и распределительной сети, особенно если расход со стороны потребителей меняется.

Можно ли вместо гидравлического разделителя использовать буферный бак?

В некоторых схемах да. Буферная емкость может выполнять функции гидравлического разделения и одновременно увеличивать тепловую инерцию, но способ подключения должен определяться проектом.

Что будет, если вторичный расход больше первичного?

Часть обратного теплоносителя будет подмешиваться в подающую линию вторичного контура. Из-за этого температура подачи потребителям может повыситься.

Нужен ли частотный преобразователь вторичному насосу?

Он особенно полезен в системах с переменным расходом, где количество работающих потребителей меняется. Необходимость определяется характеристиками сети и алгоритмом управления.

Можно ли добавить вторичный контур в уже работающую систему?

Да, но сначала нужно обследовать существующую систему, определить фактические расходы и сопротивления и проверить характеристики установленного оборудования.