Get Adobe Flash player

Творческое применение научных принципов для проектирования или разработки структур, машин, аппаратуры, производственных процессов, или работа по использованию их отдельно или в комбинации; конструирование или управление тем же самым с полным знанием их дизайна; предсказание их поведения под определёнными эксплуатационными режимами».

(Определение термина «ИНЖЕНЕРИЯ» Совета американских Инженеров по Профессиональному Развитию (ECPD))

Выбор схемы централизованного холодоснабжения.

 

Постоянной задачей, стоящей перед холодильной отраслью с момента её возникновения является повышение эффективности и производительности элементов, входящих в состав холодильных установок. Разработчики холодильных компонентов постоянно совершенствуют элементарную базу, создавая все более надежные и эффективные компрессоры, теплообменное оборудование, автоматику. В настоящий момент сконцентрирован огромный опыт создания надёжных установок различных схем и назначений, в которых работа всех входящих узлов максимально оптимизировано и эффективно.

Создаются удобные компьютерные программы, позволяющие не только подбирать и рассчитывать выпускаемое оборудование, но и моделировать его работу в зависимости от различных режимов эксплуатации.

Однако при всем многообразии современной техники и технической поддержки очень важным моментом во внедрении холодильных систем является конечное инженерное решение. Решение, при котором должен будет грамотно использованы знания техники и творчески  применены научные принципы проектирования. Решение, при котором все усилия разработчиков, производителей будут правильно реализованы в готовом техническом решении оснащения объекта холодоснабжения. Или, напротив, в случае дилетантского подхода, все усилия огромного количества специалистов могут быть сведены на «нет». И вместо качественного и надежного холодильного процесса при неграмотном конечном инженерном решении получится энергоемкое, неэффективное и аварийноопасное оборудование, не отвечающее поставленной задаче.

Инженерные ошибки меньше заметны на малых объекта коммерческого назначения, но чем больше объект, чем сложнее процесс охлаждения, тем серьезнее последствия неверного проектного решения. Очень часто неопытные специалисты со слабой инженерной подготовкой пытаются «интерполировать» решения простых холодильных установок, либо на крупные объекты холодоснабжения, либо специфические технологические процессы. В таких случаях от инженера – проектировщика требуется глубокое знание технологии конкретного производства и четкое понимание, каким именно холодильным оборудованием данная технология может быть реализована. Никакая «интерполяция» тут не поможет.

Например, без специализированных, т.е. непосредственно предназначенных только для данной технологии теплообменных узлов или совокупности технических решений невозможно охладить вино ниже температуры 0оС, получить охлажденные пастообразные продукты, реализовать получение оборотной «ледводы» загрязненной охлаждаемым продуктом, охладить воздух, содержащий пыль, влагу или агрессивные среды. Использование для этих задач традиционных пластинчатых, кожухотрубных, пленочных испарителей и стандартных коммерческих воздухоохладителей, прекрасно себя зарекомендовавших для стандартных задач охлаждения чистых сред – воды или воздуха, очень быстро приводит к выходу из строя холодильного оборудования. При этом времени на исправление данных ошибок у предприятий-производителей пищевой продукции нет. Ежедневно предприятие, производящее сотни тонн продукции не имея возможности её охладить, будет нести колоссальные потери. Время на поставку специализированного оборудования измеряется месяцами. Поэтому масштабы проблемы не трудно представить.

Другим характерным примером  необходимости применения грамотного инженерного подхода является проектирование объектов с большим количеством потребителей искусственного холода. Как правило, на такие объекты проектируется централизованная система холодоснабжения. Ключевым моментом является выбор схемы, по которой к данным потребителям будет подаваться хладоноситель (хладагент).

Это может быть так называемая DX-схема непосредственного кипения хладагента в испарителях охлаждающих устройств каждого из потребителей. Циркуляция хладагента  по системе трубопроводов осуществляется холодильными компрессорами. Главный недостаток такого технического решения - большие потери магистральные, снижающие КПД системы и проблематика с «уносом» и «залеганием»  масла связанные с большой протяженностью хладоновых магистралей.

Снижение магистральных потерь возможно путем увеличения диаметров трубопроводов (что в свою очередь влечет за собой удорожание систем). Проблема с залеганием масла, по меньшей мере, снижает эффективность работы теплообменного оборудования.

Унос масла из компрессоров вызывает периодическую остановку холодильных компрессоров по аварии («отсутствие масла») и приводит к серьезным повреждениям внутренних трущихся элементов.

Схема 1. Параллельная установка компрессоров с регуляторами уровня масла, маслоотделителем, масляным ресивером. [11]

Таким образом, холодильные системы должны оснащаться сложными системами контроля и возврата масла в компрессоры. Это традиционные решения с контроллерами уровня масла, маслоотделителями, масляными ресиверами, маслоподъёмными петлями, правильно рассчитанной дополнительной заправкой масла.

 

Схема 2. Проектирование и компоновка коллектора на линии всасывания. [11]

 

 

 

 

 

 

 

Справедливости ради стоит отметить, что существуют эксклюзивные решения, в которых упрощена система возврата масла[4]. Это: холодильные централи LINDE или PRO FROYD, в которых надёжное снабжение маслом при любых штатных режимах работы обеспечивается только за счёт специальных всасывающих и промежуточных коллекторов. Или системы большой протяженности: мультизональные системы кондиционирования VRF TOSHIBA, в которых благодаря совокупности инженерных решений полная длина трубопровода может достигать 300 м, а перепад высоты между блоками - до 50 метров без потерь и риска остановки оборудования по аварии. Но и стандартные и оригинальные решения либо имеют высокие капитальные затраты (системы возврата масла могут до 50% увеличить стоимость холодильной станции), либо имеют характер «know-how» или имеют узкую специализацию (только в системах кондиционирования).

Фото1. Холодильная среднетемпературная станция Pro Froyd (Франция) на базе полугерметичных компрессоров BITZER 6G-30.2Y.

Фото2. Холодильная низкотемпературная станция Pro Froyd (Франция) на базе спиральных компрессоров Copeland ZF33K4E-TWD.

 

Рис.1 Мультизональные системы VRF Toshiba Super SMMS.[1,2]

Как правило, вместо системы с непосредственным кипением хладагента при большой протяженности магистралей (более 100м) применяют установки с насосной подачей хладагента. В этом случае  исчезает проблема потерь в магистральных трубопроводах и снижения КПД холодильной установки. Но усложнение системы неизбежно вызывает рост ее стоимости.

Проектирование системы с насосной подачей хладагента следует учитывать следующие особенности:

1. Фреон в жидкой фазе благодаря насосам постоянно циркулирует через теплообменники – охладители и ресивер. Испарение в теплообменниках происходит лишь частично, поэтому температурный перепад составляет 1…2К.  Это главное преимущество насосной подачи перед DX-схемой, в которой температурный перепад составляет 6….10К. Для создания такого перепада в теплообменниках DX-схемы определенный участок теплообменника работает как перегреватель хладагента, тем самым снижающий эффективную площадь теплообмена.

2.  В циркуляционном ресивере постоянно находятся жидкий хладагент и насыщенный пар, находящийся с жидкостью в равновесном состоянии. Компрессоры откачивают из циркуляционного ресивера насыщенный пар. Для компрессора существует постоянная авария по «влажному ходу». Для предотвращения аварийной ситуации на всасывающей магистрали должны быть предусмотрена защитная автоматика (сепараторы жидкости, регенеративные теплообменники, докипатели и т.п.).

3. В циркуляционный ресивер вместе с фреоном попадает масло. Необходимо предусмотреть систему возврата масла в компрессоры. Это может быть система выпаривающая часть фреона на жидкостной магистрали, содержащего масло и возвращающего перегретый пар и масло обратно в компрессор. Также возможна система сепарации масла в зависимости от уровня жидкого хладагента в ресивере. [6]

Схема 3. Автоматический возврат масла в компрессор установки с насосной подачей хладагента фирмы WITT. [10]

Таким образом более эффективная и надежная система насосной подачи хладагента чем DX-система по капитальным затратам будет намного дороже. Но в случае с промышленными холодильными установками централизованного холодоснабжения насосная подача хладагента – более грамотное и эффективное по эксплуатационным затратам решение. Следует отметить, что большая часть хладокомбинатов в Советском Союзе оснащались именно системами (аммиачными) с насосной подачей.

В случае проектирования систем насосной подачи хладагента большой производительности, экономически обосновано применение водяного конденсатора с охлаждением воды в градирне или конденсатора испарительного охлаждения холодильной установки. При этом существенно снижается давление конденсации, как следствие снижается энергопотребление и тем самым компенсируются затраты на водоподготовку и обслуживание теплообменных поверхностей орошаемых водой.

Фото 3. Вентиляторная градирня.

Более простым решением (особенно для среднетемпературных систем) – применение систем с насосной подачей промежуточного хладоносителя, исключающее потерю производительности компрессоров. В качестве источника холода используют моноблочные чиллера полной заводской готовности. Охлажденный хладоноситель, как правило, водный раствор гликоля, циркулирует благодаря насосам по системе стальных или пластиковых трубопроводов между чиллером и внутренними устройствами охлаждения. Наиболее часто встречающиеся подобные системы («чиллер - фэнкойл») можно встретить в супермаркетах, крупных офисах и гостиничных комплексах.

Несмотря на то, что, на первый взгляд, применение схемы с промежуточным хладоносителем должно быть более энергоемким, за счет энергопотребления насосов и дополнительного перепада температур на теплообменнике «хладагент - хладоноситель», применение современных чиллеров позволяет существенно экономить электроэнергию по сравнению с другими схемами. Это происходит по следующим причинам:

1)      магистральные потери в DX-схеме снижают расчетную температуру кипения;

2)      применяемые в «чиллерах» хладагенты R407C, R410a имеют более высокую эффективность в среднетемпературных режимах, чем  традиционно низкотемпературные R404a, R507a;

3)      применение систем частотного регулирования работы насосов, компрессоров и вентиляторов конденсатора;

4)      применение электронных ТРВ, позволяющий точно регулировать степень заполнения испарителя чиллера хладагентам. Установка электронных ТРВ настоятельно рекомендуется для систем с большими перепадами нагрузки;

5)      применение «Free cooling» - опционно устанавливаемой в чиллере системы естественного охлаждения хладоносителя при низких температурах окружающей среды без использования холодильных компрессоров. При определенных условиях возможна существенная экономия до 25% от годового энергопотребления. [7,8]

Использование гликолевых растворов имеет условно ограниченное применение по температурному диапазону. Чем ниже температура в охлаждаемом объеме, тем выше должна быть концентрация гликоля во избежание замерзания и тем хуже теплофизические свойства раствора как хладоносителя. Увеличение концентрации требует более мощных перекачивающих насосов и большей теплообменной поверхности охлаждающих устройств. Поэтому разработчики холодильных компонентов постоянно находятся в поиске не только оптимальных хладагентов, но и более эффективных хладоносителей. В качестве перспективных хладоносителей рассматривается и экологически чистые продукты, такие как бинарный лед и углекислота. Обладая благоприятными для окружающей среды характеристикам, низкой токсичности и привлекательным физико-химическим свойствам в случае "докритического" функционирования углекислота (CO2) всё более интересует разработчиков как предпочтительный хладоноситель для вторичного контура, а также как хладагент для низкотемпературных каскадных систем.

Схема 4. Каскадная система с CO2 (упрощённая схема) .[10]

 

 

 

 

Таблица. Сравнение различных схем холодоснабжения.

Показатели

DX-схема

Насосная подача хладагента

Насосная подача промежуточного хладоносителя

Хладогент (хладоноситель)

Как правило, из соображений малого температурного гистерезиса хладагент R507a

R507a

Промежуточный хладоноситель – водный раствор пропилен- (этилен-) гликоля

Процесс теплообмена в охлаждающих устройствах

Непосредственное кипение

Теплообмен с хладагентом с частичным испарением

Теплообмен с хладоносителем

Перепад температур в воздухоохладителях

7…10 К

1…2 К

3-5 К

Давление в среднетемпературной системе

До 25 бар в нагнетательных и жидкостных,

3-5 бар  во всасывающих хладоновых магистралях

До 25 бар в нагнетательных и жидкостных,

3-5 бар во всасывающих хладоновых магистралях

до 3 бар в системе гидравлики промежуточного хладоносителя

Проблемы, вызванные уносом масла

Большая вероятность.

Малая вероятность.

Решено благодаря системе автоматики холодильной установки..

Отсутствует.

Длины более 150 м до самого дальнего потребителя

Необходимость увеличения количества холодильных систем

Проблемой не является

Проблемой не является

Трубопроводы

Медные паяные, толщина стенки от 0,8 мм и выше

Электросварные, толщина стенки от 3 мм и выше

Электросварные, толщина стенки от 3 мм и выше

Трудоемкость монтажных работ

Монтаж оборудования и трубопроводов производит персонал холодильной фирмы

Монтаж трубопроводов производят высококвалифицированные сварщики

Монтаж оборудования и трубопроводов производит персонал санитарно-технической фирмы

Пусконаладочные работы

Производит персонал холодильной фирмы

Специалисты по пусконаладке подобных систем

Производит персонал санитарно-технической фирмы

Скорость ремонта магистралей хладоносителя

Зависит от скорости реагирования ремонтной бригады поставщика оборудования.

Зависит от скорости реагирования ремонтной бригады поставщика оборудования.

В течении 30мин при присутствии на объекте персонала с квалификацией сантехника.

Простота ремонта магистралей хладоносителя

Трудоемкий, особенно в труднодоступных местах. Необходимы огневые работы.

Трудоемкий, особенно в труднодоступных местах. Необходимы огневые работы.

Простой. Не требует огневых работ.

Качество изготовления агрегатов

Мелко-узловая сборка в цеховых условиях отечественных фирм

Крупно-узловая сборка

Сборка в заводских условиях европейских производителей

Скорость обнаружения малой утечки

Длительный и трудоемкий процесс, часто безрезультатный

Длительный и трудоемкий процесс, часто безрезультатный

Визуальное обнаружение, достаточно обнаружить появление луж

Стоимость хладагента (хладоносителя)

10 Евро за кг

10 Евро за кг

0,7 Евро за кг

Количество заправки хладагента в случае большой утечки

100%

100%

50% (если это магистральный трубопровод)

Главный недостаток

Большая протяженность хладоновых магистралей.

Следствие – большие потери магистральные, снижающие КПД системы и проблематика с «залеганием»  масла.

Высокая себестоимость в следствии больших объемов заправки хладагента, наличие в системе насосов, циркуляционных ресиверов.

Наличие в системе промежуточного хладоносителя. Следствие – более низкое кипение хладагента в испарителе чиллера (не ниже КПД, чем в решении №1), наличие насосов для перекачивания хладагента (дополнительное энергопотребление).

Основное преимущество

1. Стандартное решение.

Энергоэффективность

1. Энерго-эффективность.

2. Энергосбережение (использование сбросной теплоты и естественного холода).

3. Более низкая себестоимость.

4. Надежность.

5. Экологическая безопасность.

Основная тенденция современного проектирования промышленных холодильных систем: выбор высокоэффективного хладагента и оптимального хладоносителя, построение системы с минимальным объемом заправки хладагентом, транспортировка хладоносителя к потребителям насосами. Благодаря этому происходит существенная экономия как капитальных затрат так эксплуатационных.

 

 

Источник информации.

1. Mini-SMMS - самая экономичная мини-система кондиционирования. www.toshibaaircon.ru

2. SMMSi. Система кондиционирования для крупных зданий. Toshiba. www.toshibaaircon.ru

3. Повышение эффективности холодильных установок с компрессорами БИТЦЕР. www.bitzer.ru.

4. Системы контроля циркуляции масла в компрессорах БИТЦЕР. www.bitzer.ru.

5. Intelligent compressor BITZER - верное решение. www.bitzer.ru.

6. Холодильная установка с насосной подачей жидкого фреона в испаритель( установка заморозки фарша). www.bitzer.ru

7. Ferroli. LDA. Руководство по монтажу и эксплуатации. Чиллеры с функцией свободного охдаждения. www.gruppoferroli.com

8. Ferroli. LDК. Техническое руководство. Чиллеры, тепловые насосы с функцией свободного охдаждения. www.Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

9. Обзор хладагентов. Издание 13. А-501-13. Bitzer. http://www.bitzer.de.

10. WOR – WITT Oil Recovery Systems. How works the automaticel oil recovery sytem WOR.  www.tb-witt.com.

11. Техническая информация. Параллельное соединение компрессоров OCTAGON в многокомпрессорных установках. КТ-602-1 RUS. Bitzer. http://www.bitzer.de.

12. Герман Ренц, Полугерметичные поршневые и винтовые компрессоры "Битцер" для каскадных холодильных установок на СО2" Bitzer. http://www.bitzer.de.

27/06/2012

МСМ.