Введение
При производстве различных продуктов (то есть в технологических процессах переработки) требуется холод. Условно можно всю эту необъятную сферу разделить на две части: охлаждение и/или заморозка продуктов с помощью холодного воздуха («камерное»), либо при помощи промежуточного хладоносителя (вода, либо водные растворы гликолей).
В первом случае, а это классический способ охлаждения, можно получать практически любые температуры, а также добиваться путём «правильного» выбора, подбора и расположения воздухоохладителей минимальной усушки неупакованного продукта. Однако, данный способ невозможно применить при некоторых технологических процессах.
Например, после убоя, туши нужно быстро охладить (чем быстрее это будет сделано, тем более высокого качества получится полуфабрикат на выходе). В некоторых случаях, как при переработке кур, дополнительно требуется «отмыть» их. В этом случае единственный способ, это длинная ванна с конвейером, наполненная ледяной водой, то есть водой с температурой, максимально близкой к точке замерзания, ~0,5…1оС.
Впрочем это не единственная сфера, где требуется такая холодная вода.
Можно привести множество примеров, начиная с первичного охлаждения сырого парного молока (и здесь скорость охлаждения также играет решающую роль, так как в прямом смысле, определяет качество или сорт молока, а следовательно его стоимость), и заканчивая различными технологическими примерами в химической промышленности.
В данной статье не ставилась задача освещения всех сфер применения ледяной воды, но, напротив, мне хотелось бы рассказать о различных способах её получения, активно использующихся в настоящее время, с упором на плюсы и минусы каждого из вариантов.
Самые распространённые на сегодняшний день перечислены ниже:
1. С помощью установки с контуром промежуточного хладоносителя. В дополнение к стандартной водоохлаждающей установке (чиллеру) добавляется модуль промежуточного хладоносителя, в котором возможно охлаждение воды до низких температур.
2. С применением льдоаккумуляторов. Льдоаккумулятор представляет собой трубную решётку, которая погружается в воду. Внутри труб кипит хладагент, снаружи охлаждается вода с возможным её намерзанием. Температура кипения хладагента в испарителе поддерживается около -10±5°С (об этом подробно будет рассказано ниже, при описании данного способа).
3. С применением испарителя плёночного типа. Испаритель представляет собой набор вертикально установленных теплообменных панелей из нержавеющей стали. Вода равномерно распределяется через специальные форсунки и стекает по поверхности теплообменных пластин в виде тонкой плёнки. Ледяная вода собирается в баке, находящимся под пластинами, и далее распределяется по потребителям.
Ниже я подробно рассмотрю каждый из вышеперечисленных способов, но сейчас мне хотелось бы акцентировать Ваше внимание на то, что существует ещё и четвёртый способ, который, хотя и имеет свои нюансы, и неохотно используется холодильщиками, однако имеет ряд существенных преимуществ перед остальными.
Не стану Вас более интриговать и скажу, что это способ непосредственного получения ледяной воды в испарителе, то есть прямой контакт охлаждаемой воды с хладагентом (разумеется через стенки испарителя), без каких-либо промежуточных «посредников».
Данный способ имеет два неоспоримых преимущества перед остальными:
1. Он даёт самое низкое энергопотребление, то есть прямые затраты на получение ледяной воды,
2. При этом стоимость установки также получается одной из самых дешёвых.
Есть у него правда один нюанс, для получения желаемого результата требуется более тщательный просчёт испарителя и компрессора, правильное схемное решение, а также дополнительные меры защиты испарителя от «замораживания».
Всё это, однако, с лихвой компенсируется вышеназванными преимуществами.
1. С помощью установки с контуром промежуточного хладоносителя
Данный способ я поставил первым в списке из-за его надёжности и широкого применения ещё в эпоху СССР. Только тогда, вместо водных растворов гликолей использовался рассол, который позволял работать при отрицательных температурах без риска замерзания. Существенным недостатком его применения была агрессивность к «чёрной стали», нержавейка держалась пару-тройку лет, ну а если использовался титан (который кстати из-за своей коррозионной стойкости повсеместно использовался на морских судах), то тогда срок эксплуатации существенно удлинялся и мог составить до 10 лет и даже более. Поэтому-то уже более 30 лет тому назад на замену рассола и пришёл гликоль.
В случае использования водных растворов гликолей можно использовать как стальные, так и пропиленовые трубы, главное необходимо помнить о том, что нужно выбрать «правильную» концентрацию для получения оптимального результата, так как увеличение концентрации снижает температуру замерзания смеси, но, одновременно, повышается вязкость и плотность, и снижается коэффициент теплопередачи, что в целом негативно отражается на параметрах установки.
В таблице приведены данные для водных растворов пропилен- и этиленгликолей с указанием их свойств при различных температурах.
Сразу хочу оговориться, что использование концентраций свыше 45% для пропиленгликоля и 50% для этиленгликоля бессмысленно из-за невозможности найти подходящий насос ввиду слишком большого значения вязкости (прокачать такой хладоноситель становится практически невозможным).
Здесь приведены данные для 50% водного раствора этиленгликоля.
В случае необходимости работать при температурах ниже минус 35С лучше использовать Нордвэй-Форм. Это вещество при низких температурах имеет вязкость на порядок ниже, чем у водных растворов гликолей.
Использование Нордвэй-Форм-40 при температуре минус 30С даёт вязкость более чем в 10 раз меньшую.
Сравним динамическую вязкость 50% водного раствора этиленгликоля и Нордвэй-Форм-40.
У первого 160 мПа (мН/м2)*с, а у второго 15,5 мПа*с, ремарка (мПа= мН/м2).
Но возвращаясь к теме ледяной воды, здесь вполне допустимо использовать в качестве промежуточного хладоносителя 30% водный раствор пропиленгликоля с точкой замерзания минус 13С.
Хочу напомнить Вам также ещё два важных момента:
1. Пропиленгликоль является официально разрешённой пищевой добавкой, следовательно его попадание в ледяную воду в случае разгерметизации контура вполне допустимо, хотя и нежелательно, в то время как этиленгликоль — это сильнейший яд,
2. Точка замерзания водного раствора гликоля должна быть на 5К ниже минимально возможной температуры, то есть в случае кипения фреона, например, минус 8С, минус 13С как раз соответствует данному правилу.
Таким образом, этот способ, с точки зрения безопасности, как я уже отмечал выше, самый надёжный, так как исключается процесс кипения хладагента в теплообменнике охлаждения воды, а охлаждение воды без фазового перехода, полностью исключает риск подмерзания теплообменника и образования ледяной шуги.
Помимо всего прочего, хочу ещё отметить, что в случае прямого охлаждения риск образования шуги гораздо выше, к тому же этот процесс, как правило, носит лавинообразный характер:
1. Как только образуется первая снежная корка на теплообменной поверхности, то коэффициент теплопередачи резко падает (из-за роста теплового сопротивления), что приводит к дальнейшему снижению температуры кипения, что приводит к ещё большему росту шуги. Очень напоминает процесс обмерзания морозильных камер в старых холодильниках без системы «no frost»,
2. Из-за образования шуги возрастают гидропотери, что автоматически приводит к падению расхода через испаритель, таким образом, это вновь приводит к дальнейшему снижению температуры воды и лавинообразному росту ледяной шуги.
Резюмируя всё вышесказанное, следует признать, что данный способ, хоть и самый «старинный», однако, всё ещё используется до сих пор на многих предприятиях, особенно на небольших молочных фермах, там где энергопотребление не столь критично, а качество продукта и надёжность ценится превыше всего!
В таких установках наиболее широкое распространение получили пластинчатые теплообменники (как паянные, так и полусварные разборные). При больших мощностях также используются кожухотрубные теплообменники.
2. С применением льдоаккумуляторов
Данный способ используется в широком спектре мощностей, от десятков до сотен кВт и более.
Его главное преимущество, отказ от промежуточного хладоносителя, что безусловно, снижает стоимость установки. Также, бесспорным преимуществом данного способа является возможность аккумуляции холода путём намораживания льда и его последующего таяния во время пиковых нагрузок.
Следует, однако, сразу оговорится, что необходимо правильно рассчитывать объем льдоаккумулятора, с учётом суточного графика нагрузок, а также принимая во внимание, что скорость таяния будет зависеть от многих факторов, и не всегда можно добиться снятия пиковой мощности даже при «правильной» величине толщины льда.
Существует некий оптимум, то есть такая толщина льда, при которой, с одной стороны обеспечивается запас «холода» для снятия пика, и в то же время, снижение температуры кипения агрегата не становится слишком критичным для увеличения энергопотребления, а также падения холодильной мощности.
На картинках выше показан бак льдоаккумулятора, две картинки по центру и справа уже с намороженным льдом. Принципиальная схема установки приведена на следующей картинке.
Применение воздуховки является обязательным, так как она создаёт барботаж, тем самым обеспечивая перемешивание воды, не допуская образования застойных зон с тёплыми участками, что особенно критично при пиковых нагрузках, когда запас накопленного льда начинает заканчиваться!
Хотелось бы обратить особое внимание на тот факт, что данный способ хотя и позволяет отказаться от промежуточного хладоносителя, но не даёт особого выигрыша ни в стоимости оборудования, ни по энергетике.
В самом деле, на первый взгляд, может показаться, что это ошибочное утверждение, однако, давайте попробуем разобраться в этом поподробнее.
В случае промежуточного хладоносителя температура промежуточного хладоносителя должна быть не выше минус 5С на входе в Т/О гликоль-вода, следовательно, температура кипения хладагента будет ~около минус 10С.
Для получения льда температура кипения должна быть не выше минус 5С, однако, эта величина не будет оставаться постоянной, так как по мере роста ледяной корки, её термосопротивление будет расти, что неизбежно будет приводить к падению температуры кипения. Можно прибегнуть к простой эмпирической зависимости, которая была получена из результатов практической работы подобных установок, а именно: каждый сантиметр толщины льда снижает температуру кипения на ~3С. То есть при толщине льда в 1 см кипение опуститься до минус 8С, при 2 см толщине минус 11С, для толщины в 3 см уже минус 14С, и дальнейшее увеличение толщины льда уже будет нецелесообразным, ни с практической, ни с энергетической точки зрения.
Широкое распространение получили мобильные установки в контейнерном исполнении, так как фактически их можно в течение достаточно короткого времени отстыковать и перевезти на новое место, где провести состыковку только по воде, так как фреоновый контур полностью замкнутый.
Вариант контейнерного исполнения льдоаккумулятора большой мощности с трубными секциями
Здесь показаны два варианта устройства льдоаккумулятора:
1. Погружной испаритель с панельными секциями на рисунке справа,
2. Погружной испаритель с трубными секциями на рисунках слева и по центру.
Панельные секции обладают более высоким коэффициентом компактности, то есть размеры льдоаккумулятора могут оказаться существенно меньше по сравнению с аналогичным по мощности трубным, однако, у него есть и свои минусы, он более чувствителен к обмерзанию, и в нём будет хуже работать барботаж, в то время как трубные секции позволяют намораживать лёд большей толщины и за счёт наличия «свободного» пространства перемешивание воды осуществляется на порядок лучше.
Правда, у каждой медали есть своя «оборотная» сторона, и в данном случае испарители с трубными секциями имеют больший внутренний объем, то есть большее количество хладагента, что становится особенно актуальным в свете поэтапного сокращения квот на поставку хладагентов и постепенного перехода на природные аналоги.
Подводя итоги, можно отметить бесспорное преимущество этого способа, так как за счёт накопления льда и его последующего таяния в пики, можно использовать агрегат относительно небольшой мощности, то есть недорогой.
Однако, хочу ещё раз обратить Ваше внимание, что данный способ практически не даёт существенного выигрыша в энергетике, так как компрессор холодильного агрегата работает 24 часа в сутки, что практически сводит на нет его преимущество в небольшом типоразмере.
Безусловно, для подтверждения либо опровержения моих выводов, каждый раз приходится делать просчёты нескольких вариантов, и уже только на основании полученных результатов принимать окончательное решение в пользу того или иного варианта. Ниже приведён график нагрузок на молокоперерабатывающем предприятии.
Например, в данном случае, применения льдоаккумулятора может оказаться нецелесообразным ввиду длительного пика максимальной нагрузки (3 часа), а также полупиковых нагрузок до и после основного пика ещё в течение 5 часов. В этом случае необходимо использовать плёночный испаритель, о чём я сейчас расскажу Вам более подробно.
3. С применением испарителя плёночного типа
Данный способ предполагает прямое охлаждение воды путём стекания её через узкие щели (форсунки), где она интенсивно охлаждается за счёт испарения хладагента внутри данных панелей.
В этом случае удаётся добиться решения сразу двух проблем, а именно:
1. Обеспечить охлаждение воды до температур, близких к точке замерзания, +0,5…+1С, причём вне зависимости от изменения нагрузки, как это было показано на предыдущем графике,
2. Полностью исключить обмерзание панелей, таким образом, исключив риск их «размораживания», а также исключив влияние ледяной корки на температуру кипения компрессора холодильного агрегата. Температура кипения постоянно поддерживается на уровне минус 5С, что даёт хорошую энергетику и снижает общее энергопотребление.
Данный способ особенно выгодно использовать там, где нет нагрузка более или менее равномерно распределена по времени, и отсутствуют ярко выраженные пики, так как именно в этом случае, использование льдоаккумулятора затруднено, а установка с плёночным испарителем убедительно демонстрирует свои неоспоримые преимущества.
Ниже приведена картинка, из которой видно, что в этом варианте необходимо использование двух насосных станций, одна из которых работает на внутренний контур (испаритель агрегата – бак плёночника), а втора на внешний контур (бак плёночника – потребители ледяной воды).
Из приведённого выше рисунка видно, что насосы должны подбираться таким образом, чтобы обеспечивать разный расход, и следовательно, разную температурную разность между входом и выходом воды.
Для плёночного испарителя оптимальной является разность температур не более 6К (7С - вход воды, и на выходе около 1С), в то время как от потребителей вода может возвращаться с более высокой температурой, в диапазоне 8…14С, в зависимости от нагрузки (большей температуре соответствует более высокая нагрузка на систему, и наоборот).
Здесь показан внешний вид плёночного испарителя и его внутреннее устройство.
Данный способ в последнее время находит всё более широкое применение, даже несмотря на то, что в силу известных событий ряд зарубежных производителей ушли с Российского рынка холода.
Ещё раз хочу отметить, что данный способ имеет хорошие энергетические показатели обеспечивает неизменную и независящую от нагрузки температуру ледяной воды на подаче к потребителям.
Внешний вид панелей плёночного испарителя в процессе работы.
4. Способ непосредственного получения ледяной воды в испарителе
Как я писал вначале статьи данный способ непосредственного получения ледяной воды в испарителе, то есть прямой контакт охлаждаемой воды с хладагентом (разумеется через стенки испарителя), без каких-либо промежуточных «посредников» имеет два неоспоримых преимущества перед всеми остальными:
1. Он даёт самое низкое энергопотребление, то есть прямые затраты на получение ледяной воды,
2. При этом стоимость установки также получается одной из самых дешёвых,
3. Наименьшие габариты установки по сравнению со всеми вышеперечисленными способами, особенно в сравнении с льдоаккумуляторов и плёночных испарителей.
Температура кипения в этом случае может поддерживаться на самом высоком из всех ранее перечисленных способов уровне, примерно минус 3,5…2,5С, поэтому-то этот способ наиболее энергетически выгоден по сравнению с остальными.
Также, стоимость испарителя на порядок ниже, чем у льдоаккумуляторов и плёночных испарителей, а компрессоры получаются на один-два типоразмера меньше.
За счёт более высокой температуры кипения можно использовать дополнительный способ снижения типоразмера компрессора, путём использования частотных преобразователей (ЧП). А более высокая температура кипения вкупе с пониженной температурой конденсации (в частности, при использовании конденсаторов водяного охлаждения, либо испарительных конденсаторов, или даже системы адиабатического охлаждения) позволяет «разгонять» компрессор до максимальной частоты в 60 Гц, что приводит к ещё большему сокращению типоразмера компрессора.
Тем не менее, для получения желаемого результата требуется более тщательный просчёт испарителя и компрессора, правильное схемное решение, а также дополнительные меры защиты испарителя от «замораживания».
6. Терморегулирующий вентиль,
7. Испаритель,
9. Слив ледяной воды в холодный бак,
10. Насос подачи тёплой воды в испаритель,
11. Реле давления,
12. Холодный бак,
13. Соединительная перемычка,
14. Тёплый бак,
15. Насос подачи ледяной воды к потребителям,
16. Потребители холода.
ЧП целесообразно также использовать и на насосах, для более плавного регулирования расхода через испаритель и потребителей при изменении нагрузки на установку.
В заключение хочу сказать, что данный способ был уже с успехом апробирован на нескольких предприятиях, где требовалось обеспечить минимальное энергопотребление в сочетании с низкой стоимостью, а также ограниченными габаритами для размещения установок.
Следует отметить, что данный способ получения ледяной воды также требует минимального обслуживания во время его эксплуатации, особенно по сравнению с льдоаккумулятором, где периодически может возникать ситуация разгерметизации отдельных участков трубных либо панельных секций из-за постоянного воздействия ледяной «шубы».
Заключение
Для сравнения энергоэффективности вышеперечисленных способов были проведены расчёты установок небольшой мощности (около 40 кВт) и получен общий коэффициент полезного действия (СОР) с учётом суммарного энергопотребления (электродвигатели компрессоров, вентиляторы конденсатора, и электродвигатели насосов).
Как видно из этой таблицы СОР по варианту 4) составляет 2,01, что даже чуть выше варианта 3), и существенно больше вариантов 1) и 2). Вариант с льдоаккумулятором имеет наихудшую энергетику.
Годовая экономия варианта 4) по сравнению с 1) при средней стоимости за 1 кВт*час 8 руб. составляет 119750 ₽ (напоминаю, холодильная мощность установки составляет всего лишь 40 кВт). Годовая экономия варианта 4) по сравнению с вариантом 2) составляет 122342 ₽. Годовая экономия варианта 4) по сравнению с вариантом 3) составляет 62208 ₽.
В заключение[1] хотелось бы ещё раз остановиться на преимуществах и областях применения того или иного из вышеперечисленных способов получения ледяной воды.
1. Способ с промежуточным хладоносителем бесспорно можно отнести к наиболее надёжному, хоть и достаточно энергозатратному. Всё же, этот метод ещё распространен, и даже с использованием рассола,
2. Способ с льдоаккумулятором распространен очень широко, и главным образом из-за его мобильности (в контейнерном исполнении), а также ввиду того, что данный способ идеально подходит для предприятий, где есть ярко выраженная пиковая нагрузка в течение достаточного небольшого промежутка времени (не более 2…3 часов) в сочетании с длительным периодом минимальной нагрузки, либо даже её полного отсутствия, что позволяет агрегату в течение этого времени накопить запас льда. Энергетика в данном способе наихудшая, и следует учитывать то обстоятельство, что в конце пика вода может иметь температуру уже выше требуемой на 2…3С, что не может негативным образом не влиять на качество охлаждаемого продукта. Хотя в случае выбора способа получения ледяной воды данному методу отдаётся предпочтение по факторам, приведённым выше,
3. Способ с плёночным испарителем также получил широкое применение ввиду гарантированного и стабильного поддержания заданной температуры воды на выходе вне зависимости от изменения нагрузки. Также этот способ единственно возможный при относительно равномерной нагрузке на установку, то есть там, где использование льдоаккумулятора просто исключено. Энергетика у него наилучшая по сравнению с предыдущими способами, но стоимость оборудования также может оказаться одной из самых высоких. Для решения проблемы подбора агрегата на максимальную мощность часто используют комбинирование способов 2) и 3), таким образом комбинированная установка состоит из: а) небольшого агрегата для накопления льда, и, б) также вполовину меньшего по мощности плёночного испарителя (разумеется, это условная цифра, и она на 100% зависит от реального графика нагрузки),
4. Способ с непосредственным охлаждением воды в испарителе. Данный метод самый энергоэффективный, дешевле чем предыдущие, но требует очень тщательного подхода к расчёту и подбору компонентов. И хотя оборудование подбирается на максимальную нагрузку, однако в периоды простоя, либо минимальной нагрузки за счёт ступенчатого либо плавного регулирования производительности агрегата (или отключения одного или нескольких компрессоров), суммарное энергопотребление может оказаться ещё ниже, чем при использовании льдоаккумулятора, где агрегат работает 24 часа в сутки, или пленочника, где регулирование производительности представляется более затруднительным ввиду конструктивных особенностей самого аппарата.
[1] Все фотографии, схемы и картинки в данной статье взяты с открытых источников в интернете.
Войдите
или зарегистрируйтесь,
чтобы поставить зачет
Комментарии 0
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы оставить комментарий