Хладоносители для чиллера: вода, гликоль, рассолы
В стандартном исполнении чиллеры ВМТ-Ксирон охлаждают воду или водные растворы этилен- и пропиленгликоля. Рассолы (хлорид натрия, хлорид кальция) требуют испарителя из титана или медно-никелевого сплава — это оговаривается при заказе. Ниже: какой хладоноситель выбрать, таблица температур замерзания, калькулятор объёма гликоля и требования к качеству воды, от которых зависит срок службы испарителя.
Материал испарителя определяет допустимый хладоноситель
| Тип испарителя | Стандартное исполнение | Допустимые хладоносители | Спецматериал для рассолов (по заказу) |
|---|---|---|---|
| Пластинчатый паяный (ППТО) | Пластины из нержавеющей стали AISI 316L, припой на основе меди | Вода, водные растворы этилен-/пропиленгликоля | Титан |
| Кожухотрубный | Корпус — углеродистая сталь, трубки — медь | Вода, водные растворы этилен-/пропиленгликоля | Медно-никелевый сплав; трубки из нержавеющей стали — для увеличения ресурса |
Ограничивающий элемент в обоих случаях — медь (припой или трубки). Именно к меди предъявляет требования большинство параметров качества воды в разделе ниже.
Этиленгликоль или пропиленгликоль
- Этиленгликоль (МЭГ): дешевле, ниже вязкость при отрицательных температурах — меньше потери на насосе. Токсичен: только для закрытых промышленных контуров без контакта с продуктом (экструзия, литьё пластмасс, металлообработка).
- Пропиленгликоль (МПГ): пищевой класс, нетоксичен. Для сатураторов, молокозаводов, пивоварен и купелей, где утечка хладоносителя может попасть в продукт или к людям. При одинаковой концентрации даёт чуть более высокую температуру замерзания и большую вязкость.
- Только ингибированный гликоль для теплообменного оборудования. Автомобильный антифриз не подходит: силикатные присадки выпадают в осадок и забивают каналы пластинчатого испарителя.
- Концентрация: температура замерзания раствора должна быть на 5–10 K ниже минимальной температуры хладоносителя на выходе из чиллера. Больше не нужно: с ростом концентрации падают теплоёмкость и холодопроизводительность, растёт мощность насоса.
- Контроль: проверяйте концентрацию рефрактометром или ареометром при вводе в эксплуатацию и раз в год — при доливе воды раствор разбавляется.
Температура замерзания хладоносителей в зависимости от концентрации
Гликоли — по объёму (ASHRAE Handbook — Fundamentals, расчёт в CoolProp), рассолы — по массе (CRC Handbook of Chemistry and Physics).
| Концентрация, % | Гликоли, % по объёму | Рассолы, % по массе | ||
|---|---|---|---|---|
| Этиленгликоль, °C | Пропиленгликоль, °C | Хлорид натрия NaCl, °C | Хлорид кальция CaCl2, °C | |
| 5 | — | — | −3,0 | −2,4 |
| 10 | −3,6 | −3,4 | −6,6 | −5,9 |
| 15 | −6,2 | −5,2 | −10,9 | −10,9 |
| 20 | −9,0 | −7,4 | −16,5 | −18,6 |
| 23 | −10,8 | −8,9 | −21,1 | — |
| 25 | −12,1 | −10,0 | — | −29,4 |
| 30 | −15,7 | −13,1 | — | −46,0 |
| 35 | −19,9 | −16,9 | — | — |
| 40 | −24,8 | −21,5 | — | — |
| 45 | −30,5 | −27,0 | — | — |
| 50 | −37,1 | −33,7 | — | — |
| 55 | −44,4 | −41,6 | — | — |
| 60 | −52,0 | −51,1 | — | — |
Рассолы: эвтектика 23,3 % — −21,1 °C; эвтектика 29,9 % — −55 °C. При концентрации выше эвтектической температура замерзания снова растёт.
Калькулятор гликоля для чиллера
Считает объём чистого гликоля на заливку и температуру замерзания раствора. Режим «по температуре» подбирает концентрацию с запасом к минимальной температуре хладоносителя.
Как гликоль влияет на работу чиллера
- Холодопроизводительность снижается. У раствора ниже теплоёмкость и теплопроводность, выше вязкость — испаритель передаёт меньше тепла при том же расходе. При подборе чиллера концентрация гликоля учитывается в расчёте: подбор ВМТ-Ксирон ведётся с учётом хладоносителя.
- Расход и напор насоса растут. Вязкость 40 % этиленгликоля при 0 °C в разы выше вязкости воды; при той же тепловой нагрузке нужен больший расход, и гидромодуль комплектуется соответствующим насосом. Диаметры трубопроводов проверяйте в LineSize.
- Открытая буферная ёмкость. Гликоль не испаряется, но при доливе воды концентрация падает — контролируйте её после каждой подпитки.
Требования к качеству воды для чиллера
Вода со стороны хладоносителя контактирует с нержавеющей сталью и медью. Два процесса сокращают ресурс испарителя: накипь (снижает теплопередачу) и коррозия (приводит к разгерметизации). По правилу Вант-Гоффа скорость химических реакций растёт в 2–3 раза на каждые 10 °C, поэтому в чиллерах с хладоносителем +5…+15 °C коррозия идёт медленнее, чем в системах отопления, но не останавливается.
Накипь
Определяется карбонатной (содержание гидрокарбонатов HCO3−) и общей жёсткостью (сумма Ca2+ и Mg2+). При нагреве и дегазации выпадает карбонат кальция CaCO3, при дальнейшем нагреве — гипс CaSO4. Отдельный источник отложений — оксиды и гидроксиды железа («ржавчина», магнетит), вымываемые из других частей контура. Немецкий градус жёсткости 1 °dH = 17,8 мг/л CaCO3.
Коррозия
Основные факторы: кислород, pH, буферная ёмкость воды и содержание солей. Медь припоя менее стойка, чем сталь AISI 316L, поэтому предельные значения в таблице ниже в основном защищают медь; нержавеющая сталь страдает только при высоком содержании хлоридов и температуре выше 60 °C.
| Вид коррозии | Где и почему возникает |
|---|---|
| Сплошная (общая) | Коррозия медного припоя — потеря прочности и утечки. Зависит главным образом от pH. |
| Щелевая | В новом теплообменнике щелей нет; они образуются под накипью, отложениями и в дефектах пайки. |
| Гальваническая | Контакт медь — нержавеющая сталь в воде с высокой электропроводностью: разрушается менее благородный металл, то есть медь. |
| Коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) | Нержавеющая сталь при высоких растягивающих напряжениях и высоком содержании хлоридов; риск резко растёт выше 60 °C. |
| Питтинговая | Медь — при избытке сульфатов и хлоридов, в мягкой воде; сталь — при хлоридах и повышенной температуре. |
Ключевые параметры воды
- pH: оптимум 7,5–9,0. Ниже 7 — общая коррозия меди, выше 9 — риск для меди растёт.
- Щёлочность (HCO3−): 70–300 мг/л. Ниже 60 мг/л вода мягкая и агрессивна к меди, выше 300 — накипь.
- Электропроводность: до 500 мкСм/см. Чем выше, тем быстрее идёт гальваническая коррозия.
- Жёсткость: соотношение [Ca2+ + Mg2+] / [HCO3−] в молях больше 0,5 — мягкая вода агрессивна к меди.
- Хлориды (Cl−): для хладоносителя ниже 20 °C — до 1000 мг/л для стали; для меди — чем меньше, тем лучше.
- Сульфаты (SO42−): до 100 мг/л при [HCO3−]/[SO42−] > 1,5 (в молях); при более низком соотношении питтинг меди возможен и при меньших концентрациях.
- Нитраты (NO3−): до 100 мг/л, действуют аналогично сульфатам; нитриты не допускаются.
- Аммоний (NH4+): до 2 мг/л. Самый опасный для меди ион: десятые доли мг/л со временем вызывают сильную коррозию.
- Свободный хлор: до 0,5 мг/л. Сильный окислитель, разрушает пассивную плёнку AISI 316L.
- Железо и марганец: Fe до 0,2 мг/л, Mn до 0,05 мг/л; Fe2+/Fe3+ при заметном растворённом кислороде дают отложения и подплёночную коррозию.
- Кислород: избегайте резких изменений насыщения — и деаэрация инертным газом, и перенасыщение дестабилизируют защитную плёнку гидроксидов меди.
Таблица 2. Рекомендуемые предельные значения показателей воды для меднопаяных пластинчатых теплообменников
| Параметр | Условие | Значение |
|---|---|---|
| Внешний вид | прозрачная | |
| Запах | без запаха | |
| Примеси | без осадков и частиц | |
| Смазочные материалы | < 1 мг/л | |
| pH | 7–10 | |
| Электропроводность | < 2500 мкСм/см | |
| Карбонатная жёсткость (HCO3−) | 1 ммоль/л < Ks4,3 < 5 ммоль/л | |
| Общая жёсткость | [Ca2+ + Mg2+] / [HCO3−] > 0,5 | |
| Хлориды | при T < 20 °C | < 1000 мг/л |
| при T < 50 °C | < 400 мг/л | |
| при T < 80 °C | < 200 мг/л | |
| при T > 100 °C | < 100 мг/л | |
| Сульфаты | [SO42−] < 100 мг/л и [HCO3−] / [SO42−] > 1,5 | |
| Нитраты | < 100 мг/л | |
| Нитриты | не допускаются | |
| Аммоний | < 2,0 мг/л | |
| Свободный хлор | < 0,5 мг/л | |
| Общее железо | < 0,2 мг/л | |
| Марганец | < 0,05 мг/л |
Ks4,3 — кислотность (буферность) воды; карбонатная жёсткость = содержание гидрокарбонатов = временная жёсткость.
Вода после химводоподготовки
Если контур заполняется умягчённой или обессоленной водой с pH 9–9,5 и связыванием кислорода, три правила: pH повышайте гидроксидом натрия NaOH или тринатрийфосфатом Na3PO4, не аммиаком — он разрушает медь и латунь; для связывания кислорода не используйте сульфит натрия Na2SO3 — бактерии восстанавливают образующийся сульфат до сульфида (норма сульфидов < 0,02 мг/л, сульфитов < 10 мг/л), применяйте органические поглотители кислорода (танины); содержание кислорода держите ниже 0,1 мг/л.
Совместимость материалов теплообменника с водой
Указано для воды при 20 °C. Зелёный — хорошая стойкость; жёлтый — чем больше параметров в жёлтой зоне, тем вероятнее коррозия; красный — применение паяных ППТО не рекомендуется.
| Параметр | Ион | Концентрация, мг/л (ppm) | AISI 316L | Медь |
|---|---|---|---|---|
| pH | < 6 | |||
| 6–7,5 | ||||
| 7,5–9 | ||||
| > 9 | ||||
| Щёлочность | HCO3− | < 70 | ||
| 70–300 | ||||
| > 300 | ||||
| Сульфаты | SO42− | < 70 | ||
| 70–300 | ||||
| > 300 | ||||
| Щёлочность / сульфаты | HCO3− / SO42− | > 1 | ||
| < 1 | ||||
| Электропроводность, мкСм/см | < 10 | |||
| 10–500 | ||||
| > 500 | ||||
| Аммоний | NH4+ | < 2 | ||
| 2–20 | ||||
| > 20 | ||||
| Свободный хлор | Cl2 | < 1 | ||
| 1–5 | ||||
| > 5 | ||||
| Сероводород | H2S | < 0,05 | ||
| > 0,05 | ||||
| Свободная (агрессивная) углекислота | CO2 | < 5 | ||
| 5–20 | ||||
| > 20 | ||||
| Нитраты | NO3− | < 100 | ||
| > 100 | ||||
| Железо | Fe | < 0,2 | ||
| > 0,2 | ||||
| Алюминий | Al | < 0,2 | ||
| > 0,2 | ||||
| Марганец | Mn | < 0,1 | ||
| > 0,1 |
Хлориды и максимальная температура — выбор марки стали пластин
| Хлориды Cl−, ppm | 60 °C | 80 °C | 120 °C | 130 °C |
|---|---|---|---|---|
| ≤ 10 | AISI 304L | AISI 304L | AISI 304L | AISI 316L |
| ≤ 25 | AISI 304L | AISI 304L | AISI 316L | AISI 316L |
| ≤ 50 | AISI 304L | AISI 316L | AISI 316L | Ti/SMO 254 |
| ≤ 80 | AISI 316L | AISI 316L | AISI 316L | Ti/SMO 254 |
| ≤ 150 | AISI 316L | AISI 316L | Ti/SMO 254 | Ti/SMO 254 |
| ≤ 300 | AISI 316L | Ti/SMO 254 | Ti/SMO 254 | Ti/SMO 254 |
| > 300 | Ti/SMO 254 | Ti/SMO 254 | Ti/SMO 254 | Ti/SMO 254 |
Стандартные пластины ВМТ-Ксирон — AISI 316L; титан или SMO 254 — по заказу для агрессивной воды. Хладоноситель чиллера редко теплее 30 °C, поэтому актуальна колонка 60 °C.
Накипь, промывка и гарантия
Накипь и отложения снижают теплопередачу испарителя и не относятся к гарантийным дефектам. Чтобы уменьшить осаждение, испаритель подбирается на максимально возможную скорость потока. Удаление накипи — химическая промывка составом под тип осадка; поручайте её сервисным организациям с проверенной технологией: агрессивная промывка сокращает ресурс теплообменника. Если вода не укладывается в таблицу 2, дешевле поставить фильтр и корректор pH, чем менять испаритель.
Вопросы и ответы
Можно ли заливать в чиллер обычную водопроводную воду?
Да, если она укладывается в таблицу 2: pH 7–10, электропроводность до 2500 мкСм/см, хлориды до 1000 мг/л при температуре ниже 20 °C, аммоний до 2 мг/л. Для сомнительной воды закажите анализ или заполните контур подготовленной водой.
Какой гликоль выбрать — этиленовый или пропиленовый?
Этиленгликоль — для закрытых промышленных контуров: дешевле и менее вязкий. Пропиленгликоль — для пищевых производств, купелей и везде, где возможен контакт с продуктом или людьми.
Какая концентрация гликоля нужна для хладоносителя −5 °C?
Температура замерзания должна быть на 5–10 K ниже минимальной температуры хладоносителя, то есть −10…−15 °C. Это 25 % этиленгликоля (замерзание −12,1 °C) или 30 % пропиленгликоля (−13,1 °C) по объёму.
Подойдёт ли автомобильный антифриз?
Нет. Силикатные присадки автомобильных антифризов забивают каналы пластинчатого испарителя. Используйте ингибированный гликоль для систем теплообмена.
Можно ли охлаждать рассол хлорида натрия или кальция стандартным чиллером?
Нет: рассолы разрушают медный припой и медные трубки. Укажите рассол при заказе — чиллер комплектуется испарителем из титана (пластинчатый) или медно-никелевого сплава (кожухотрубный).
Замерзает ли вода в испарителе при работе на воде без гликоля?
При стандартном режиме +5…+15 °C на выходе — нет. Ниже +5 °C на выходе применяется гликолевый раствор; для купелей при температуре воды ≤ +5 °C — схема с промежуточным гликолевым контуром.
Подобрать чиллер под ваш хладоноситель
Укажите холодопроизводительность, температуру и тип хладоносителя — подберите ВМТ-Ксирон онлайн или пришлите анализ воды инженеру для выбора материала испарителя: 8 (495) 984-74-92. Купить чиллер от производителя можно с испарителем под любой из перечисленных хладоносителей.