Трубная обвязка систем фрикулинга чиллеров и драйкулеров стальными трубами ВГП: расчет диаметров Ду 50–150 и монтаж в Алматы

Круглогодичное технологическое охлаждение дата-центров, серверных помещений телекоммуникационных операторов, чистых комнат фармацевтических фабрик и термопластавтоматов в Алматы и Алматинской области сопряжено с колоссальным потреблением электроэнергии. Традиционный чиллер с парокомпрессионным циклом при работе зимой расходует до 0,25–0,35 кВт электрической мощности на каждый киловатт произведенного холода. В условиях резко континентального климата Казахстана, когда с ноября по март температура наружного воздуха стабильно держится в диапазоне от 0 °C до −25 °C, эксплуатация фреоновых компрессоров становится экономически нерациональной и приводит к их ускоренному износу из-за падения давления конденсации.

Интеграция контура свободного охлаждения (фрикулинга) с сухой градирней (драйкулером) позволяет полностью переводить систему на прямое охлаждение теплоносителя наружным воздухом при уличной температуре ниже +5…+7 °C. Однако надежность этой схемы на 80% определяется качеством и гидравлической корректностью трубной обвязки между чиллером, драйкулером и внутренними потребителями. Стальная водогазопроводная труба (ВГП) усиленной и обыкновенной серий по ГОСТ 3262-75 выступает базовым конструкционным материалом для межблочной обвязки благодаря способности выдерживать рабочее давление до 1,6–2,5 МПа, механической жесткости на протяженных наружных эстакадах и надежности резьбовых и сварных сопряжений при сейсмических нагрузках.

Гидравлические схемы интеграции фрикулинга: прямой, косвенный и встроенный контуры

Выбор гидравлической схемы включения сухой градирни определяет сортамент трубного проката, количество трехходовых регулирующих клапанов и логику защиты теплообменных аппаратов от гидравлических ударов и замерзания. На объектах Алматы применяются три основных схемных решения:

• Прямой гликолевый контур: этилен- или пропиленгликоль циркулирует как через наружный драйкулер, так и непосредственно через внутренние фанкойлы или прецизионные кондиционеры. Схема требует минимального количества теплообменников, но вынуждает заправлять весь объем системы дорогостоящим антифризом с повышенной вязкостью, что требует увеличения диаметров стальных труб ВГП на 1–2 типоразмера.
• Косвенный контур с промежуточным пластинчатым теплообменником: наружный контур драйкулера заправляется 40–45% раствором гликоля, а внутренний контур здания работает на деаэрированной воде. Разделение сред предотвращает попадание токсичного этиленгликоля в помещения и снижает гидравлические потери во внутренних магистралях, однако требует установки двух независимых насосных групп и промежуточного стального коллектора.
• Чиллеры со встроенным модулем фрикулинга (Integrated Free-Cooling): сухой теплообменник расположен в одном корпусе с конденсатором чиллера. Межблочная обвязка выполняется стальными трубами ВГП напрямую к буферной емкости и распределительным гребенкам машинного зала.

При круглогодичной эксплуатации в растворах гликолей кинематическая вязкость при температуре 0 °C возрастает в 2,5–3,5 раза по сравнению с чистой водой. Для исключения перегрузки циркуляционных насосов и сохранения расчетного расхода теплоносителя линейная скорость движения смеси в стальных трубах ВГП ограничивается пределами 1,0–1,6 м/с на магистралях и 0,6–0,9 м/с на подводках к аппаратам.

Расчет диаметров стальных труб ВГП по ГОСТ 3262-75 для контуров фрикулинга

Заужение диаметров подающих и обратных трубопроводов между драйкулером на кровле и чиллером в подвальном машинном зале приводит к резкому росту динамического напора насосной станции и падению температурного напора в теплообменнике свободного охлаждения. В результате система не может выйти на полную мощность фрикулинга даже при отрицательных уличных температурах, вынуждая автоматику запускать фреоновые компрессоры.

Подбор условного прохода труб ВГП выполняется по расчетному объемному расходу теплоносителя с учетом коэффициента запаса на повышенную вязкость низкозамерзающих растворов. В таблице приведены инженерные параметры выбора стальных водогазопроводных труб для систем фрикулинга различной холодопроизводительности при температурном графике гликолевого контура +12 °C / +7 °C:

На складах компании ATLANT MARKET в Алматы постоянно поддерживается полный сортамент стальных труб ВГП по ГОСТ 3262-75 диаметром от Ду 15 до Ду 150 в обычной и усиленной сериях. Для объектов в Каскелене, Талдыкоргане и промышленных зонах региона доступна оперативная резка трубного металлопроката в монтажный размер и комплектация фасонными деталями трубопроводов.

Особенности обвязки трехходовых смесительных узлов и гидравлической защиты

Плавный переход системы с компрессорного режима на частичный (тригенерационный) и полный фрикулинг осуществляется трехходовым регулирующим поворотным или седельным клапаном с электроприводом. При понижении температуры уличного воздуха клапан постепенно приоткрывает проток через теплообменник сухого охладителя, подмешивая охлажденный гликоль в обратную линию чиллера.

При монтаже смесительного узла из стальных труб ВГП необходимо соблюдать следующие правила:

1. Прямолинейные стабилизирующие участки: для исключения турбулентного срыва потока и шума в седле регулирующего органа длина прямого участка стальной трубы ВГП перед входом в трехходовой клапан должна составлять не менее 5Ду, а после клапана — не менее 3Ду.
2. Монтаж грязевиков и сетчатых фильтров: перед циркуляционными насосами и на входе в пластинчатые теплообменники обязательна установка магнитно-механических грязевиков серии ТС-569 из стальной трубы или фланцевых Y-образных фильтров с ячейкой сетки не более 400–500 мкм. Это защищает каналы пластин от монтажного грата и окалины.
3. Виброразвязка насосных групп и чиллеров: подключение стальных магистралей ВГП к напорным и всасывающим патрубкам насосов, чиллеров и драйкулеров выполняется исключительно через гибкие антивибрационные компенсаторы (вибровставки) из эластомера EPDM с кордным армированием. В сейсмоопасной зоне Алматы это предотвращает передачу вибраций компрессоров и защищает фланцевые стыки от среза при сейсмических толчках.
4. Байпасная линия с балансировочным клапаном: параллельно пластинчатому теплообменнику или контуру драйкулера монтируется сервисный байпас из трубы ВГП того же диаметра с ручным запорным вентилем и статическим балансировочным клапаном. Это позволяет регулировать гидравлическое сопротивление контура при сервисной промывке без остановки основного технологического холодоснабжения.

Узлы автоматической подпитки, деаэрации и защита от замерзания в условиях Алматы

Водно-гликолевые смеси обладают повышенной текучестью и поверхностным натяжением, которое на 30–40% ниже, чем у чистой воды. Любая микропористость сварного шва или некачественная резьбовая подмотка приводят к утечке гликоля. Заполнение и компенсация температурных расширений в контуре фрикулинга организуются через автоматическую насосную станцию подпитки готовым раствором гликоля из полиэтиленового бака, поскольку подпитка сырой водой из водопровода категорически запрещена из-за риска разбавления антифриза и последующего замерзания трубок драйкулера.

Для компенсации температурных изменений объема теплоносителя при нагреве от −25 °C зимой до +45 °C летом к обратной магистрали перед всасывающим коллектором насосов подключается мембранный расширительный бак. Трубная подводка к экспанзомату собирается из стальной трубы ВГП диаметром Ду 25–Ду 50 с установкой специального сервисного крана со спускником и защитным колпачком против случайного перекрытия.

В высших точках надкровельной эстакады на стальных стояках монтируются автоматические поплавковые воздухоотводчики с отсечными клапанами, а в нижних точках обвязки драйкулера — дренажные шаровые краны Ду 25–Ду 50 для аварийного самотечного слива теплоносителя в подземную дренажную емкость при длительном отключении электроэнергии.

Итог

Проектирование и монтаж систем свободного охлаждения на базе стальных труб ВГП по ГОСТ 3262-75 обеспечивают снижение затрат на электроснабжение ЦОД и промышленных предприятий Алматы на 40–60% в зимний и переходный периоды. Точный расчет диаметров Ду 50–150 с учетом повышенной вязкости гликолевых смесей, соблюдение прямолинейных участков перед регулирующей арматурой и качественная виброизоляция гарантируют безаварийную эксплуатацию контура в сейсмоопасных условиях Казахстана.

Часто задаваемые вопросы