Вентиляция машинных отделений холодильных установок
Семенов Юрий Владимирович
Технический директор ООО «Мультиинжиниринг», Санкт-Петербург
Рассмотрены требования нормативных документов к вентиляции машинных отделений холодильных установок и основные ошибки при ее проектировании. Предложен и обоснован новый способ определения тепловыделений от холодильных компрессоров.
Что такое машинное отделение?
Машинные отделения холодильных установок – это помещения, в которых установлены компрессоры и другое оборудование, обеспечивающее холодом различных потребителей, находящихся внутри здания.
Машинные отделения есть в любом торговом или многофункциональном комплексе. В них могут располагаться установки центрального холодоснабжения (холодильные централи), обслуживающие холодильное оборудование, расположенное в торговом зале супермаркета (витрины, ванны, прилавки), холодильные компрессоры, обслуживающие холодильные камеры хранения охлажденных и замороженных продуктов, технологические процессы и т. п.
Такие установки работают преимущественно на хладоне R404A, а в качестве компрессоров применяются современные поршневые и спиральные компрессоры, снабженные встроенными электродвигателями, охлаждаемыми потоком пара хладона.
Компрессоры имеют герметичную конструкцию и по типу корпуса разделяются на:
– герметичные, имеющие сварной неразборный корпус;
– полугерметичные (бессальниковые), имеющие корпус со съемными крышками.
Теплообменное оборудование, выделяющее большое количество тепла в окружающую среду (воздушные конденсаторы, охладители жидкости), располагаются вне пределов машинного отделения, например, на кровле здания.
Поэтому в самом машинном отделении тепловыделения обычно незначительны и могут быть компенсированы только за счет приточно-вытяжной вентиляции.
Что говорят нормативные документы?
Требования к вентиляции машинных отделений холодильных установок изложены в п. 3.1 СНиП 2.11.02–87 «Холодильники» (с изменением № 1, утвержденным Постановлением Госстроя России от 24.02.2000) и п. 9.16 СНиП 41-01–2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование».
Согласно СНиП 2.11.02–87 «Холодильники» кратность воздухообмена в машинных отделениях хладоновых холодильных установок должна составлять:
– по притоку – по расчету, но не менее 3;
– по вытяжке – согласно СНиП 2.04.05–91;
– аварийная вытяжка – согласно СНиП 2.04.05–91.
Так как СНиП 2.04.05–91 был заменен СНиП 41-01–2003, соответствующий п. 6.16 СНиП 2.04.05–91 стал п. 9.16 СНиП 41-01–2003.
Согласно п. 9.16 СНиП 41-01–2003 в машинном отделении следует предусматривать общеобменную вентиляцию, рассчитанную на удаление избытков теплоты.
При применении хладона в качестве хладагента следует предусматривать системы вытяжной вентиляции с механическим побуждением, обеспечивающие не менее 3 воздухообменов в час, а при аварии – 5 воздухообменов в час.
Таким образом, нормативными документами регламентируется расчет воздухообмена по тепловыделениям, при этом существуют требования к минимальным кратностям воздухообмена.
Основную сложность при проектировании вентиляции машинных отделений как раз и представляет расчет тепловыделений от установленных в них холодильных компрессоров.
Как не надо считать
Современные холодильные компрессоры, применяемые для холодоснабжения торговых и многофункциональных комплексов, имеют герметичную конструкцию и снабжены встроенными электродвигателями, охлаждаемыми потоком пара хладона.
Пар хладона, проходя через электродвигатель, охлаждает его и отводит все тепло, выделяемое им. Поэтому электродвигатели герметичных и полугерметичных холодильных компрессоров не выделяют тепла в окружающую среду, т. к. все тепло отводится хладоном, который дополнительно перегревается в электродвигателе и только после этого поступает на сжатие.
Вся потребляемая компрессором электрическая мощность идет на нагрев и сжатие хладона и сбрасывается в виде тепла в окружающую среду только в конденсаторе, мощность которого определяется по формуле (см., например, [1]):
Qк = Qо + N, (1)
где Qо – холодопроизводительность компрессора, кВт;
N– потребляемая мощность, кВт;
Qк – мощность конденсатора, кВт.
Незнание многими проектировщиками конструктивных особенностей холодильных компрессоров приводит, однако, к тому, что расчет тепловыделений от холодильного компрессора со встроенным электродвигателем производится как от электродвигателя, не имеющего принудительного охлаждения с отводом теплоты, например, по следующей формуле [2]:
Q= N1 * KЗ * KОД * (1 – ?1 ) /?1, (2)
где N1 – мощность электродвигателя, кВт;
KЗ – коэффициент загрузки;
KОД – коэффициент одновременности работы;
?1 – коэффициент полезного действия при заданной нагрузке.
Расчет тепловыделений по формуле (2) не только не соответствует физическим условиям работы электродвигателя, но и, как мы увидим далее, приводит к огромному завышению как тепловыделений, так и расхода воздуха для их компенсации.
Как можно считать
Расчет тепловыделений от холодильного компрессора Q, Вт, может быть выполнен в соответствии с рекомендациями компании Bitzer[3] по следующей формуле:
Q= k* S* (Th-Ta), (3)
где k– коэффициент теплопередачи стенки компрессора (расчетный), Вт/(м2·K);
S– площадь поверхности компрессора, с которой излучается тепло (только сторона высокого давления), м2;
Th– наибольшая температура поверхности компрессора, °С;
Ta– температура окружающего воздуха, °С.
В соответствии с расчетом, приведенном в [3], тепловыделения от двухцилиндровых полугерметичных поршневых компрессоров моделей с 2KC-05.2Y по 2FC-3.2Y составляют 48 Вт.
Несмотря на кажущуюся простоту данной формулы, расчет по ней представляет значительную сложность, т. к. параметры, входящие в формулу, требуют индивидуального расчета или экспериментального определения.
Формула (3) в общем случае может быть использована только для предварительной оценки тепловыделений от холодильного компрессора.
Как надо считать
Практическая сложность расчетного определения тепловыделений с применением формулы (3) послужила причиной поиска альтернативного способа расчета тепловыделений от холодильного компрессора.
Для этого был рассмотрен полный рабочий цикл холодильного компрессора.
В рабочем цикле любого холодильного компрессора есть время простоя, когда компрессор не работает из-за отсутствия нагрузки. Это время составляет, в зависимости от различных условий, от 10 до 30 % рабочего цикла, т. е. в сутки холодильный компрессор из 24 ч простаивает от 2,5 до 7,5 ч. В этот период времени электродвигатель компрессора выключен, процесса сжатия, естественно, не происходит и, казалось бы, нет никаких тепловыделений. Но, это не совсем так, вернее, совсем не так.
Холодильные спиральные и поршневые компрессоры в условиях России обязательно оснащаются электрическими подогревателями масла в картере, которые включаются в противофазе с электродвигателем компрессора, т. е. когда компрессор не работает, работает подогреватель. Эти подогреватели предназначены для поддержания определенной минимальной температуры масла в картере компрессора, что снижает насыщенность масла хладоном во время простоя компрессора и тем самым предотвращает как повышенный унос масла из картера при запуске компрессора, так и ухудшение смазывающих свойств холодильного масла.
В зависимости от конструкции компрессора, подогреватель может быть стержневым (трубчатым), размещаемым непосредственно в картере компрессора, поясковым, охватывающим снаружи картер герметичного компрессора, или плоским, размещаемым под картером.
Независимо от типа, каждый подогреватель имеет фиксированную максимальную мощность, которая может рассматриваться как мощность, выделяемая в окружающий воздух компрессором во время простоя, т. к. назначение подогревателя и заключается в компенсации теплопотерь через наружную поверхность нагретого картера компрессора.
Номенклатура подогревателей намного меньше, чем номенклатура компрессоров.
Так, например, двухцилиндровые полугерметичные компрессоры Bitzer серии Octagon(13 моделей) оснащаются всего двумя подогревателями, имеющими максимальную мощность 60 Вт (модели с 2KC-05.2Y по 2FC-3.2Y) и 120 Вт (модели с 2EC-2.2Yпо 2CC-4.2Y) [4].
Сравнивая для моделей с 2KC-05.2Y по 2FC-3.2Y мощность подогревателя(60 Вт) и расчетное значение тепловыделений (48 Вт), мы видим, что мощность подогревателябольше, т. е. компрессор при простое выделяет больше тепла, чем при работе, и расчет тепловыделений от компрессора правильней производить по мощности подогревателя.
Следовательно, в качестве тепловыделений от компрессора может быть принята мощность установленного в нем подогревателя масла в картере.
При таком подходе мы имеем возможность быстро и с достаточной для инженерных расчетов точностью определить как тепловыделения от одного холодильного компрессора, так и от всех компрессоров, расположенных машинном отделении.
Просуммировав мощности установленных в компрессорах подогревателей, получим значение общих тепловыделений Q(Вт):
n
Q=? Ni (4)
i=1
где Ni– мощность подогревателяi-го компрессора, Вт;
n– количество компрессоров в машинном отделении, шт.
Пример расчета
В качестве примера рассмотрим машинное отделение супермаркета, в котором установлено холодильное оборудование на базе компрессоров компании Bitzer, работающих на хладоне R404A.
Машинное отделение имеет площадь 30 м2 и высоту 2,8 м (объем помещения равен 84 м3).
Состав и технические характеристики холодильных установок приведены в табл. 1.
Таблица 1
|
Назначение установки |
Температура кипения, °С |
Холод, кВт |
Потребляемая мощность, кВт |
Компрессор |
Мощность подогревателей, Вт |
|
|
Модель |
Кол-во |
|||||
|
Потребители среднего холода торгового зала |
–10 |
108,3 |
50,3 |
4H-25.2Y |
3 |
420 |
|
Потребители среднего холода торгового зала |
–15 |
37 |
20,7 |
4СС-9.2Y |
3 |
360 |
|
Потребители низкого холода торгового зала |
–35 |
29,2 |
27,3 |
4H-15.2Y |
3 |
420 |
|
Низкотемпературная камера (заморозка) |
–25 |
10,9 |
7,5 |
4PC-10.2Y |
1 |
120 |
|
Среднетемпературная камера (молоко) |
–7 |
9,7 |
4,3 |
4FC-5.2Y |
1 |
120 |
|
Среднетемпературная камера (фрукты) |
–5 |
7,8 |
3,3 |
2DC-3.2Y |
1 |
120 |
|
Потребители мясного цеха |
–2 |
19,5 |
6,5 |
4DC-7.2Y |
1 |
120 |
|
Итого |
|
|
119,9 |
|
|
1680 |
Из таблицы видно, что суммарная мощность подогревателейсоставляет 1,68 кВт.
Считая, что тепловыделения от компрессоров равны суммарной мощности подогревателей, определим, какой расход воздуха необходим для компенсации тепловыделений.
Данный расход воздуха L,м3/ч,может быть определен по формуле:
3600 * Q
L =——————— , (5)
1,2 * 1,005 * DT
где Q– тепловыделения, кВт;
DT– разность температур вытяжного и приточного воздуха, K.
Полагая, что разность температур приточного и вытяжного воздуха равна 10 K, получим, что требуемый расход воздуха равен 500 м3/ч, что соответствует кратности воздухообмена 5,95.
Полученное значение кратности необходимо сравнить с нормируемым значением кратности аварийной вентиляции (равно 5), и принять большее из них. Для данного машинного отделения принимаем кратность воздухообмена 5,95 и, соответственно, расход воздуха 500 м3/ч. Если принять расход по кратности аварийной вентиляции (420 м3/ч), то разность температур DTсоставит 11,9 K.
Рассмотрим для тех же исходных данных, какой должен быть расход воздуха при расчете тепловыделений по формуле (2).
Подставляя в (2) ?1 = 0,85,KЗ= 1,KОД= 0,75 иN1= 119,9кВт, получим, что Q= 15,87кВт, что в 9,45 раза больше, чем мы приняли по суммарной мощности подогревателей.
Соответственно, расход воздуха будет в 9,45 раз больше (4725 м3/ч), что соответствует кратности воздухообмена 56,3, т. е. более чем в 11 раз больше кратности аварийной вентиляции.
Очевидно, что неправильный расчет по формуле (2) приводит к неоправданному увеличению стоимости вентиляционного оборудования, воздуховодов и монтажных работ.
Выводы
1. Предлагаемый способ позволяет быстро и с достаточной инженерной точностью рассчитывать тепловыделения от холодильных компрессоров.
2. Расчет тепловыделений от холодильного компрессора как от обычного электродвигателя приводит к значительному завышению тепловыделений и расхода воздуха и соответствующему увеличению стоимости вентиляционного оборудования.
3. Существующие нормы могут быть взяты за основу при предварительном расчете вентиляции машинных отделений, если отсутствуют данные об устанавливаемом в нем компрессорном оборудовании.
Литература
1. Стрельцов А. Н., Шишов В. В. Холодильное оборудование предприятий торговли и общественного питания. М., 2003.
2. Внутренние санитарно-технические устройства: В 3 ч. Ч. З. Вентиляция и кондиционирование воздуха / Под ред. Н. Н. Павлова и Ю. И. Шиллера. 4-е изд., перераб. и доп. М., 1992.
3. Расчет тепловой эмиссии от компрессора // www.bitzer.spb.ru.
4. Полугерметичные поршневые компрессоры // Каталог KP-100-5 RUS компании Bitzer.
