Get Adobe Flash player

 

Выбор оптимальной системы получения «ледводы» молокозавода.

 

Многие годы промышленные холодильные установки получения «ледводы» молокозаводов в качестве хладагента использовали аммиак NH3. Последние годы существенно ужесточились требования к эксплуатации аммиачных холодильных систем. Это связанно с повышенными мерами безопасности при работе с аммиаком.

Перед руководством данных предприятий стала дилемма: вкладывать средства в старое морально устаревшее оборудование, повышая его безопасность или производить реконструкцию с полной заменой на современные хладоновые (фреоновые) установки.

В зависимости от конкретных условий возможны различные критерии выбора нового оборудования. Рассмотрим их на примере реального предприятия.

 

 

Обязательные условия подбора.

1.Максимальная требуемая производительность системы получения ледводы: 550 кВт.

2.Температура окружающей среды (лето): +42 оС.

3.Температура окружающей среды (зима): -38 оС.

4.Количество независимых холодильных систем: мин 2 шт.

5.Температура воды 0,5+0,5 оС.

6.Принятое решение должно соответствовать современным украинским требованиям к промышленным холодильным установкам.

 

Таблица №1. Нагрузки на систему получения «ледводы».

Часы

Нагрузка, кВт

Часы

Нагрузка, кВт

1

25,6

13

400,8

2

25,6

14

471,6

3

25,6

15

454,3

4

0

16

404,9

5

3,3

17

381,5

6

56,8

18

344,8

7

82,4

19

340

8

333,6

20

256,4

9

303,5

21

168,8

10

306,4

22

103,1

11

288,9

23

30,4

12

548,3

 

 

 

 

 

 

 

Основные пункты решения задачи.

1)                    Выбор схемы охлаждения.

2)                    Выбор типа компрессора.

3)                    Выбор типа хладагента.

4)                    Выбор конденсатора.

5)                    Критерии надежности.

6)                    Пути модернизации.

 

 

 

 

 

 

1.Выбор схемы охлаждения.

Системы получения «ледводы»:

- прямого кипения (в льдоаккумуляторе, в пленочном испарителе, затопленном теплообменнике),

-двухконтурные (в пластинчатом теплообменнике «гликоль– вода»).

 

Рис 1. Принципиальная схема получения ледводы в теплообменнике прямого кипения хладагента.

 

Рис 2. Принципиальная схема получения ледводы в теплообменнике с промежуточным хладоносителем.

 

Преимущества двухконтурной схемы:

- точность поддержания температуры «ледводы» на выходе из установки;

- возможность транспортировать хладоноситель на большое расстояние;

- герметичность гидравлических контуров;

- меньшее количество хладагента по сравнению с «льдоаккумулятором»;

- компактность по сравнению с «льдоаккумулятором».

- менее металлоемкие теплообменные устройства по сравнению с «льдоаккумулятором».

 

Недостатки двухконтурной схемы:

- из-за двойного dT (на испарителе, охлаждающем промежуточный хладоноситель и на теплообменнике, охлаждающем воду) установка работает на низком кипении хладагента, по сравнению с пленочными испарителями, на 5..7 К,

- соответственно на 25…30% более мощные компрессоры;

- соответственно выше энергопотребление на 10…15%;

- соответственно необходимость применения более мощных конденсаторов на 10…15%;

- нет возможности скомпенсировать пиковые нагрузки за счет аккумулирования энергии.

 

Преимущества «льдоаккумулятора»:

- возможность скомпенсировать пиковые нагрузки за счет аккумулирования энергии;

- использование для решения задач установок в несколько раз (минимум в 2) меньшей мощности, чем пиковая нагрузка

- возможность использования ночного тарифа при аккумуляции энергии.

Недостатки  «льдоаккумулятора»:

- габариты;

- металлоемкость;

- низкое кипение хладагента (аналогично двухконтурной системе);

- дополнительные теплопотери;

- высокая энергоемкость и большие затраты на оплату электроэнергии в случае отмены ночного тарифа (как это произошло в последние годы в Западной Европе).

 

Преимущества пленочного испарителя:

- малое энергопотребление;

- меньшее количество хладагента по сравнению с «льдоаккумулятором»;

- компактность по сравнению с «льдоаккумулятором».

- менее металлоемкие теплообменные устройства по сравнению с «льдоаккумулятором».

Недостатки пленочного испарителя.

- нет возможности скомпенсировать пиковые нагрузки за счет аккумулирования энергии;

 

При анализе текущей задачи находим, что среднесуточная нагрузка чуть меньше половины от пиковой. Т.е. отсутствуют многократно превышающие среднюю нагрузку пики. Применение схемы, связанной с аккумуляцией холода в данном случае нецелесообразна по своей металлоемкости и дороговизне, а в случае изменений ночного тарифа, дорогая по энергопотреблению. Применение схемы с промежуточным хладоносителем в данном случае преимущества не имеет.

Рис.3. Предлагаемая схема получения ледводы в теплообменнике прямого кипения хладагента (пленочном испарителе).

 

Вывод 1. Наиболее выгодной и по первоначальным затратам и энергопотреблению для данной задачи выглядит схема с пленочным испарителем.

 

2.Выбор типа компрессора.

 

Три основных типа компрессоров: спиральный, поршневой, винтовой. Если брать за эталон линейку компрессоров фирмы Bitzer  - признанного мирового лидера в производстве промышленных компрессоров, то самой большой мощностью обладают винтовые, самой малой спиральные. Поэтому для решения данной задачи можно применить либо 18 спиральных, либо 5 поршневых или один винтовой.

В условиях подбора (п.4) звучит: минимум две независимые системы. Увеличивать их число не целесообразно, так как увеличение систем приведет к децентрализации и усложнению регулировки производительности 3-х и более охлаждающих установок. Учитывая, что компрессорная станция состоит не более чем из 5 компрессоров, применение спиральных автоматически исключается. Поэтому возможны следующие варианты комплектаций: две установки на базе 2-х винтовых или 6 –и поршневых  компрессоров.

 

С точки зрения экономичности на КПД компрессора существенно влияют тип хладагента, диапазон применения (который в свою очередь зависит от конкретной задачи и эффективности теплообменных поверхностей), конструкционные особенности конкретной модели.

При рассмотрении винтовых и поршневых компрессоров на одинаковых хладагентах и режимах их КПД как правило не отличался на 5 %. (В расчет принимались хладагенты: R 22,R 404a, R507a, R407a. Кипение: -3оС, конденсация 50оС, полный перегрев 8К, полезный перегрев 6К, переохлаждение 3К). Обязательное условие сравнения- рассмотрение производительности винтового компрессора  без экономайзера. Экономайзер повышает холодопроизводительность системы на данном режиме на 10…15% , но в системе с регулируемой производительностью отключается первый. Т.е. работает только для данной задачи 1 час, сутки. А если учесть, что температуры +40… +42 окружающей среды бывает не более 5 дней в году, то работать экономайзер будет в лучшем случае 5 часов в году. Поэтому рассматривать эффективность работы системы с экономайзером не корректно.

 

Вывод 2. Для решения данной задачи с точки зрения эффективности компрессора равнозначно можно рассматривать системы на базе винтовых и поршневых компрессоров.

 

3.Выбор типа хладагента.

При выборе хладагента следует учитывать следующие факторы: эффективность (влияние на КПД компрессора), предельна температура конденсации при предельно допустимом давлении, диапазон применения компрессоров на данном типе хладагента, химические свойства, озонобезопасность.

 

КПД (СОР) установок на R22 существенно выше, в среднетемпературной гамме, чем большинства современных хладагентов, включая аммиак (начиная от кипения – 5оС и выше). Для режима, на котором будет работать установка КПД на разных хладагентах следующие:

 

R 507а – 2,01 (2,05)

R 404a – 2,07 (2,09)

R 407a – 2,34 (2,36)

R 22 – 2,64 (2,55)

Кипение: -3оС, конденсация 50оС, полный перегрев 8К, полезный перегрев 6К, переохлаждение 3К.

Первое значение – поршневой компрессор (6G-40.2, значение в скобках – винтовой CSH8561-125).

Программа Bitzer Software 5.2.

 

Предельная температура конденсации, как правило, определяется максимальным рабочим давлением 25бар. Для разных хладонов эта температура разная. Например Pизб:

R 507а - +53,6 оС

R 404a - +55,4 оС

R 407a - +59…61 оС

R 22 - +63,5 оС

Программа Refutil.

Верхний диапазон применения у «озонобезопасных» R404а и R507а по высокому давлению на 8…10оС ниже, чем у R22.  Т.е. если поставить 3 одинаковые среднетемпературные установки, заправленные тремя разными хладагентами, первой отключится по аварии установка на R507а, последняя на R22. А во время работы максимальную холодопроизводительность (и при наименьшем энергопотреблении) будет давать установка именно  на R22.

 

Диапазон применения винтовых компрессоров на различных фреонах:

R 507а  – по кипению не выше 0, по конденсации не выше…60 оС

R 404a – по кипению не выше 0, по конденсации не выше…60 оС

R 407a – по кипению не выше +12,5, по конденсации не выше…60 оС

R 22 – по кипению не выше +12,5, по конденсации не выше…60 оС

 

Диапазон применения поршневых компрессоров на различных фреонах:

R 507а  – по кипению не выше 7,5, по конденсации не выше…55 оС

R 404a – по кипению не выше 7,5, по конденсации не выше…55 оС

R 407a – по кипению не выше 7,5, по конденсации не выше…55 оС

R 22 – по кипению не выше +12,5, по конденсации не выше…63 оС

 

По химическому составу хладоны делятся наоднокомпонентные и многокомпонентные (азеотропные, «псевдо» азеотропные и зеотропные). При аварийной утечке многокомпонентного хладагента один из компонентов может выйти в большей степени и свойства всей смеси изменятся. В этих случаях даже после дозаправки хладагент не будет иметь первоначальных теплофизических характеристик. В этом плане наиболее привлекательные однокомпонентные и азеотропные хладоны.

В азеотропных веществах все компоненты ведут себя одинаково (имеют одинаковый состав паровой и жидкой фаз и давления в точках росы и кипения совпадают). В случае любых утечек их можно добавлять в систему.

«Псевдо» азеотропные имеют небольшое температурное расхождение. Споры о возможности безопасной дозаправки «псевдо» азеотропного хладагента ведутся в диапазоне от 30 до 70% от величины утечки.

Зеотропное вещество имеет большое температурное расхождение свойств.  В случае любой утечки – полная замена обязательна.

Величина расхождений температур кипения и конденсации именуется temperature glide (dT  gl)

Состав фреонов:

R 507а  – R125/R143a (50/50) – азеотропное (dT  gl=0 K)

R 404a – R125/R143a/R134a (44/52/4) – «псевдо» азеотропное (dT gl=0,8 K)

R 407a – R32/R125/R134a (20/40/40) – зеотропное (dT gl=4,6-6,7 K).

R 22 – однокомпонентное вещество.

 

Таким образом, R 407a – наиболее непривлекательный хладагент по своему составу и химическим свойствам.

 

Озонобезопасность:

R 507а, R 404a,  R 407a - озонобезопасные хладагенты.

R 22 - переходный хладагент, оказывающий малое влияние на разрешение озонового слоя (ODP<0,05), но, согласно Монреальского протокола, в ближайший год должен быть исключен из ранка хладагентов. Эксплуатация установок на данном хладагенте временным диапазоном не ограничена.

Но, принимая в расчет пункт №6 обязательных условий подбора, этот высокоэффективный хладагент не годится для данной технической задачи.

 

Вывод №3. По совокупности балов наиболее предпочтителен R404а. Данный хладагент озонобезопасен (в отличии от R22), имеет минимальное значение dT gl (в сравнении с R407а) и имеет преимущество перед R507 по более высокому значению температуры конденсации (особенно актуально в жару).

 

4.Выбор конденсатора.

Как правильно выбирать температуру конденсации при подборе конденсатора воздушного охлаждения холодильной установки?

Чтобы ответить на этот вопрос необходимо определиться с двумя температурами (Токр. и Тконд.) и критерием эффективности.

Первая (Токр.)- температура воздуха на входе в конденсатор воздушного охлаждения, вторая (Тконд.) – предельно допустимая температура конденсации, возможная для безопасной эксплуатации установки.

В данном случае принимать её следует по максимальной суточной температуре в зоне установки конденсатора холодильной системы. Т.к. установка должна выдавать расчетную мощность не зависимо от времени суток и при любой высокой температуре окружающей среды.

Предельная температура конденсации, как правило, определяется максимальным рабочим давлением 25бар. Для разных хладонов эта температура разная. (См. часть 3. Выбор типа хладагента.)  Желательно чтобы при этом был запас не менее 2 бар.

Чем меньше разница температур, тем меньше энергопотребление, но больше металлоемкость конденсатора. Как правило, для среднетемпературных установок эта разница колеблется от 10 до 15 К.

 

Вывод 4. Для данной установки на R404a и температуры окружающей среды +42оС принят воздушный конденсатор с дельтой 10,5 К.

 

 

 

 

5.Критерии надежности.

Безотказность, простота эксплуатации и быстрота приведения в рабочее состояние после аварии.

 

Компактные винтовые компрессоры.

 

Преимущества:

–надежное высокотехнологичное оборудование;

- по сравнению с многокомпрессорной станцией на поршневых компрессорах – это более компактное решение;

- ценовое отличие на 5..8%.

 

Недостатки:

- в случае выхода из строя дорогостоящего компрессора, система хладоснабжения теряет 50% производительности. Сроки замены, как правило, определяются сроками изготовления. Возможно, разумеется, держать запасной компрессор на складе. Но это увеличит капитальные затраты на 8…10%.

- требует повышенного внимания к проблеме уноса масла. Компрессор имеет встроенный маслоотделитель, которого хватает при работе с небольшими по объему системами.

- требует повышенного внимания к температуре масла. В случае охлаждения корпуса компрессора в зимний период (см.п.3), в случае длительной стоянки, запуск не произойдет пока не нагреется масло.

 

Станции на поршневых компрессорах.

Преимущества:

- простота конструкции  и обслуживания.

- надежность работы при различных температурах окружающей среды.

- маслоотделители и масляный ресивер с гарантированным запасом масла.

- электронная система поддержания уровня масла в картерах компрессоров.

- в случае выхода их строя одного из 6 компрессоров* производительность всей системы изменится меньше чем 16%.

- замена компрессора вышедшего из строя до 3 суток (при наличии компрессора на территории Украины).

 

Недостатки:

- габаритные характеристики ~ в 2 раза больше чем агрегата на базе компактного винтового компрессора.

- масса на 20% больше чем агрегата на базе компактного винтового компрессора.

- большее количество частей и механизмов.

 

* в данном случае предполагается установка компрессорных станций на базе 8-ми компрессоров 6G-40.2Y. Данный компрессор отличается наилучшими характеристиками в данном диапазоне температур и производительности.  Принимая во внимание тот факт, что работа при высоких температурах окружающей среды будет происходить всего несколько часов в году, то все остальное время каждый четвертый компрессор на каждой станции будет играть роль резервного.

 

Вывод №5. Несмотря на большие габариты и металлоемкость, применение станций на поршневых компрессорах более надежный выбор по сравнению с агрегатами на базе винтовых компрессоров.

 

 

 

 

 

6.Пути модернизации системы хладоснабжения.

1. Нередко при сравнении эффективности аммиачных и хладоновых систем совершенно не учитывается способ охлаждения конденсаторов холодильных установок. Большинство предприятий, эксплуатирующих аммиачные системы, оснащены градирнями и конденсаторами водяного охлаждения или испарительными конденсаторами (совмещающими в одном устройстве градирню, водяной и воздушный конденсатор). В результате температура конденсации получается существенно ниже, чем на воздушных конденсаторах. Соответственно КПД таких систем будет высоким.

На данном предприятии действует система водяного охлаждения конденсаторов холодильных машин. Одним из способов модернизации новой системы – установка фреонового водяного конденсатора. Либо как основного, либо как дополнительного (на пиковые температуры летних месяцев).  Это позволит снизить установленную мощность компрессоров, подобранных при высокой конденсации и снизить капитальные затраты.

 

2. При производстве холода система, сбрасывает в атмосферу до 8 МВт тепла в сутки.

Установка водяного предконденсатора позволит утилизировать часть данного тепла на нужды горячего водоснабжения и отопления в зимний период. А в летний период сможет облегчить работу всей холодильной системы, снижая нагрузку на конденсатор.

 

МСМ

www.kriofor.com.ua