Аммиачные холодильные установки в супермаркетах
В качестве альтернативы холодильным установкам супермаркетов на фторуглеродных и хлорфторуглеродных хладагентах в Бразилии была разработана установка с использованием промежуточных хладоносителей.
Аммиачные холодильные установки в супермаркетах
В качестве альтернативы холодильным установкам супермаркетов на фторуглеродных и хлорфторуглеродных хладагентах в Бразилии была разработана установка с использованием промежуточных хладоносителей. Первоначально цель применения таких установок заключалась лишь в уменьшении объема использования фреона. Хладагент работал только на центральной холодильной станции, а промежуточная среда транспортировала «холод» к месту использования в торговом помещении (прилавки и склады). В дальнейшем стало возможным полностью исключить галогены путем использования аммиака.
Функционирование системы
Система состоит из охладителя жидкости, который охлаждает водный раствор с добавлением антифриза, позволяющего сохранять раствор в жидком состоянии при низких температурах (рис. 1). Раствор по системе распределительных трубопроводов с помощью центробежного насоса подается из машинного зала к прилавкам и холодильным камерам. Температура в них поддерживается на уровне, необходимом для хранения продуктов, за счет теплового баланса, определяемого температурой промежуточного теплоносителя и поверхностью теплообменников. Поскольку транспортировка «холода» в системе таким образом упрощается (вместо газа циркулирует водный раствор), вся автоматика регулирования и защиты – контроль производительности, перегрева, утечек хладагента, возврата масла – сосредоточена на центральной установке.
 |
Рисунок 1. Схема системы 1 – жидкостный охладитель (центральный) 2 – градирня 3 – насос промежуточного хладагента 4 – насос конденсатора 5 – расширительный бак 6 – витрины и склады 7 – вентили для размораживания (только для низкотемпературных систем) |
Среднетемпературные холодильные системы
В среднетемпературных холодильных системах в супермаркетах обычно используется непосредственное испарение (прямое расширение) фреона-22 с температурой испарения около -10 °C. Поверхности теплообменников и другие компоненты сконструированы для этих условий. Большая разница между температурой хранения продуктов и температурой испарения хладагента заставляет использовать соответствующую схему регулирования: контроль температуры при частичной нагрузке и процедуру периодического оттаивания, т. к. поверхность теплообменника покрывается льдом.
В установках с промежуточным хладоносителем обычно используется раствор при температуре -7 °C. Таким образом, можно использовать теплообменники с той же поверхностью теплообмена, что и для систем с прямым расширением. Однако при этом сохраняется необходимость регулирования температуры в прилавках и холодильниках и необходимость периодического оттаивания теплообменников. Это существенно снижает энергетическую эффективность.
Решение, разработанное нами, ориентировано на использование малого перепада температур между промежуточным хладоносителем (примерно -2 °C) и охлаждаемыми продуктами.
Расчет теплового баланса и подбор поверхности теплообменника в соответствии с расходом промежуточного хладоносителя позволяет обеспечивать температуру в камере, необходимую для сохранения качества продуктов. При этом исключается система регулирования температуры и процедура оттаивания прилавков и холодильников, что повышает энергетические показатели всей системы.
Результаты
При использовании промежуточного хладоносителя качество хранения продуктов оставалось на том же уровне, что и в обычных системах с непосредственным испарением фреона-22, однако ввиду отсутствия перерывов в подаче хладагента, параметры хранения не менялись в течение дня. Это обеспечивает сохранение продуктов в соответствии со стандартами качества в торговле (рис. 2).
 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Рисунок 2. Данные по эксплуатации системы охлаждения продуктов
|
Эффективность системы
С учетом возможности работы с более высокими температурами испарения, можно добиться более высокого коэффициента эффективности холодильной установки, что позволит сберечь энергию для насоса, перекачивающего промежуточный хладоноситель (табл. 1).
Однако при сравнении эффективности систем на частичной (неполной) нагрузке с использованием среднегодовых наружных температур (а не средних летних) обнаруживается более значительное повышение эффективности систем. Это происходит из-за того, что в установках прямого испарительного охлаждения на терморегулирующем вентиле всегда поддерживается некоторый перепад давления.
Исходя из того что в установках с промежуточным хладоносителем используются электронные регулирующие вентили, нет необходимости поддерживать тот же перепад давлений, что и для прямого испарительного охлаждения. Таким образом, помимо повышения температуры испарения в данном случае, мы работаем на пониженной температуре конденсации, что увеличивает общую эффективность системы (табл. 2).
Промежуточной хладоноситель
Поскольку в нескольких установках уже использовался водный раствор пропиленгликоля, не было необходимости проведения специальных исследований для выбора промежуточного хладоносителя среднего уровня температур. К тому же, из-за малой концентрации пропиленгликоля (менее 20 %), физические и термодинамические свойства воды не претерпевают значительных изменений (табл. 3).
Что касается коррозии – водный раствор пропиленгликоля обладает чрезвычайно низкой коррозионной активностью по отношению к меди и латуни. Если добавить ингибитор – коррозия снижается и для углеродистой стали.
В табл. 4 приведены сравнительные данные по коррозии, взятые из каталогов фирм-производителей, полученные тестированием согласно стандарту ASTM D1384.
Водные растворы пропиленгликоля с добавлением ингибиторов коррозии также совместимы почти со всеми конструктивными материалами обычных холодильных установок (оборудование и материалы прокладок и соединительных элементов). Следует избегать контактов лишь со следующими веществами:
- цинком;
- оцинкованной сталью;
- серым чугуном;
- водой с высоким содержанием хлора;
- водой с высоким содержанием сульфатов.
По показателю токсичности пропиленгликоль допускается в пищевой, косметологической и фармацевтической промышленности. Есть разновидности ингибированного пропиленгликоля, которые вообще не токсичны (используются в кормах для животных).
Воспламенение пропиленгликоля возможно при концентрации свыше 80 %, температура возгорания – 102 °C. При концентрации ниже 80 % раствор не воспламеняется.
Низкотемпературные холодильные системы
Общепринято считать, что низкотемпературные холодильные системы с прямым расширением фреона R-22 работают при температуре испарения равной или ниже -30 °C. Поэтому было решено поддерживать такую же температуру в испарителе центральной установки, а температуру промежуточного хладоносителя принять равной -27 °C. При таких условиях, используя те же теплообменники, что и в стандартных фреоновых холодильниках, но изменив циркуляционный контур, удалось обеспечить температуру в витринах с замороженными продуктами и в холодильных камерах на уровне -20 °C.
Обеспечение указанного температурного режима стало возможным благодаря следующим факторам:
- противоточному течению в теплообменниках;
- равномерной теплоотдаче по длине теплообменника;
- минимуму перегрева.
Кроме того, улучшение работы холодильной установки имело место и в режиме оттаивания, а именно:
- электрическое оттаивание в теплообменниках с промежуточным хладоносителем происходит эффективнее, чем в сухих испарителях, благодаря интенсификации теплообмена при течении рабочей жидкости; период размораживания сокращается;
- восстановление температурного режима после оттаивания также происходит быстрее, т. к. отсутствуют ограничения холодопроизводительности, связанные с дросселирующим вентилем.
Результаты
Полученные результаты подтвердили, что холодильные установки, работающие по вышеописанному принципу, обеспечивают требуемые условия хранения замороженных продуктов в витринах и холодильниках супермаркетов (рис. 3). Хотя процедура оттаивания по-прежнему необходима, было отмечено, что колебания температуры промежуточного теплоносителя в период восстановления режима значительно меньше, чем неустойчивость температуры испарителя обычных холодильников в тот же период.
 |
||||||||||||||||
Рисунок 3. Данные по эксплуатации системы заморозки продуктов
|
Эффективность системы
В низкотемпературных холодильных системах (так же как и в среднетемпературных) при полной нагрузке общая эффективность несколько снижается из-за дополнительной мощности на перекачку промежуточного хладоносителя. Когда в качестве хладагента используется аммиак, коэффициент эффективности возрастает и становится выше, чем у испарительных холодильников с воздушным охлаждением конденсатора, которые используются в большинстве супермаркетов (табл. 5). Однако, если рассматривать работу холодильных установок на частичной нагрузке, опять-таки при среднегодовой, а не при летней температуре окружающей среды, системы с промежуточным хладоносителем обладают реальным преимуществом по эффективности (табл. 6).
Промежуточный хладоноситель
В том, что касается антифризов, ситуация для низкотемпературных холодильных систем отличается от среднетемпературных, т. к. не существует определенного антифриза, идеального по физическим свойствам. Однако появляются новые возможности, в частности, в северной Европе, где установлены предельные сроки для полного замещения галогенов. Таким образом, мы сравнили свойства некоторых веществ, которые могли бы использоваться в рабочей жидкости при температуре -30 °C.
Необходимые свойства антифриза для промежуточного хладоносителя:
- высокая теплопроводность;
- высокая плотность;
- высокая теплоемкость;
- низкая вязкость;
- низкая токсичность;
- низкая коррозионная активность;
- растворимость в воде.
В табл. 7 приведены результаты сравнения некоторых веществ по указанным параметрам. В табл. 8 показаны сравнительные данные по коррозионной активности, полученные тестированием согласно стандарту ASTM D1384. В результате сравнения показателей можно заключить, что наиболее подходящими свойствами для использования в качестве низкотемпературного хладоносителя обладает Tyfoxit 1.2 – водный ингибиторный раствор ацетата калия при объемной концентрации 80 % с добавлением ингибиторов коррозии.
Водный раствор Tyfoxit совместим почти во всеми материалами, используемыми в обычных холодильных установках (оборудование и материалы уплотнений и соединительных элементов). Следует избегать контакта со следующими веществами:
- политетрафторэтиленом;
- силиконовыми смесями;
- осадком растворов гликоля;
- хлорированной водой;
- оцинкованной сталью.
Tyfoxit не токсичен, его кратковременное воздействие не вредит здоровью. Однако рекомендуется во время работы надевать резиновые перчатки, в соответствии с общими правилами работы с химреактивами. Tyfoxit не воспламеняется (табл. 9).
Система регулирования
По сравнению с испарительными холодильниками, регулирование систем с промежуточным хладоносителем значительно проще. Регулирование осуществляется только в машинном зале и включает:
- контур регулирования температуры промежуточного хладоносителя;
- контур регулирования дроссельного вентиля.
Оба контура регулирования задействованы при работе системы с частичной нагрузкой. Они связаны только с центральным охладителем рабочей жидкости и управляются микропроцессором этого охладителя. Это позволяет обеспечить стабильную работу с отклонением температуры промежуточного хладоносителя в пределах ±1 °C. Возможно также оптимизировать холодильный цикл с перегревом до 4 °C.
Неотъемлемой частью системы регулирования является автоматическое оттаивание прилавков и холодильных камер. Этими процедурами управляют специальные контроллеры, которые обеспечивают синхронизацию, предотвращающую самопроизвольное включение оборудования. Контур включает также датчик температуры, останавливающий цикл размораживания при полной очистке теплообменника от обледенения, даже если время, отведенное на эту процедуру, еще не истекло. Такой механизм предотвращает перегрев оборудования и упрощает восстановление нормального режима работы после размораживания.
Сигналы датчиков по сети передаются в компьютер, так что контролирующая программа позволяет отслеживать все операции. Эта программа не является управляющей для холодильной установки, она лишь преобразует сигналы в информацию, понятную оператору. Эта информация отображается в виде графиков и отчетов или передается на другую рабочую станцию для дистанционного мониторинга.
Стоимость
В табл. 10 и 11 сравниваются затраты на сооружение и эксплуатацию холодильных установок в супермаркете Porto-Alegre (Бразилия). Площадь торговых залов составляет 5 000 м2.
Цифры в табл. 10 получены непосредственно от поставщиков оборудования и материалов и соответствуют уровню цен июля 1998 года. Транспортные и накладные расходы не учтены.
Эксплуатация
Эксплуатационные расходы соответствуют холодильной установке со следующими характеристиками:
- Тепловая нагрузка на охлаждение продуктов – 250 000 ккал/ч.
- Тепловая нагрузка на замораживание продуктов – 60 000 ккал/ч.
- Средняя рабочая нагрузка обеих установок – на уровне 70 %.
- Стоимость кВт•ч составляет $0,1 (определяется по установленной мощности, цене за кВт•ч при пиковых и непиковых нагрузках).
- Коэффициенты эффективности приняты по условиям водяного охлаждения конденсатора.
- Стоимость замены хладагента принята по данным ASHRAE. Для испарительных холодильных станций годовые утечки фреона, согласно этому источнику, составляют 25 % от общего объема заполнения системы (800 кг/год).
- В эксплуатационных расходах не учитывается снижение мощности для установки охлаждения продуктов.
Преимущества и недостатки
Системы с промежуточным хладоносителем обладают следующими преимуществами и недостатками по сравнению с традиционными установками прямого расширения на фреоне-22.
Преимущества
- Эквивалентная стоимость сооружения.
- Снижение потребления электроэнергии.
- Снижение холодильной мощности для среднего температурного режима.
- Отсутствие процедуры оттаивания для среднего температурного режима.
- Отсутствие температурного регулирования для прилавков и холодильных камер.
- Более высокая эффективность теплообменников.
- Снижение количества хладагента в системе и значительно меньшая вероятность утечек.
- Упрощение монтажа, технического обслуживания и ремонта.
- Повышение absentmindedness надежности (снижается количество ремонтов).
- Упрощение системы регулирования.
- Отсутствие фторуглеродных и хлорфторуглеродных хладагентов.
Недостатки
- Увеличение площади машинных залов, занимаемой оборудованием.
- Увеличение поверхности теплообменников в холодильных камерах и прилавках для систем среднего температурного режима.
Выводы
Основные преимущества холодильных систем с промежуточным хладоносителем – возможность использования аммиака в качестве первичного хладагента, простота эксплуатации, простота системы регулирования, сокращение потребления электроэнергии, стабильность работы. Эти качества подтверждены в ходе 10-летней эксплуатации на объекте в Бразилии (в частности, средний температурный режим без процедур размораживания). Система постоянно находилась в стабильном рабочем состоянии, изменения режима были связаны только с изменением количества продуктов.
Для низкотемпературного режима было доказано, что использование промежуточного теплоносителя повышает эффективность теплообменников, что позволяет устойчиво поддерживать требуемую температуру в охлаждаемых витринах и холодильных камерах.
Перепечатано с сокращениями из журнала ASHRAE.
Перевод с англ. О. П. Булычевой.
Научное редактирование выполнено А. П. Иньковым – директором ООО «Экотерм», тел. (095) 482-2658.
Ссылки на таблицы
Статья опубликована в журнале “АВОК” за №4'2003
Подписка на журналы
