Глава 1
Проектирование промышленных систем хладоснабжения с аккумуляторами холода
Общие рекомендации по проектированию
Отказ от использования для целей технологического охлаждения водопроводной и артезианской воды (исходя из требований экологии) привел к тому, что расход электроэнергии на выработку холода на предприятиях АПК (молкомбинаты, мясокомбинаты) достигает 40 - 50% общего расхода электроэнергии.
В регионах с продолжительными периодами сохранения температур наружного воздуха от 4-8°С и ниже, для отвода теплоты от технологических объектов (камеры, системы кондиционирования воздуха и продуктов) используют непосредственное и косвенное использование холодного наружного воздуха.
Наибольшее распространение получили системы хладоснабжения открытого типа - с вентиляторной градирней. Степень охлаждения воды в ней зависит от конструктивных характеристик, психрометрической разности температур и температуры воздуха по смоченному термометру.
|
|
Разность температур наружного воздуха по смоченному термометру Тм и средней температурой воды Тв.ср. определяется как
(1)
где А, С - эмпирические коэффициенты: А=85÷89;С=(3,63-3,66)х10-2;
В - численный коэффициент, равный 0,64÷0,84.
Q, Qн- расчетная и номинальная тепловая нагрузка на градирню, кВт;
Вентиляторная градирня охлаждает воду в режимах с работающим вентилятором и при его отключении, что зависит от термодинамического состояния наружного воздуха и опасности замерзания воды и намораживания льда на насадке градирни.
В закрытых системах, где наружным воздухом охлаждается вода в воздушно-жидкостных теплообменниках, замерзание воды предотвращают путем повышения ее скорости, автоматическим отключением вентиляторов, и при снижении температуры воды до 3°С, автоматическим включением аварийного электронагревателя.
Как показано в /27/, путем аккумуляции холода и регенерации тепла можно значительно сократить пиковые нагрузки и увеличить продолжительность эксплуатации системы хладоснабжения. Использование дешевого ночного тарифа на электроэнергию снижает общие затраты на энергопотребление, и в целом на эксплуатацию, что повышает КПД системы за отчетный период времени.
Анализ графика тепловых нагрузок не по среднему суточному значению, а по часам суток, и определение потребности в холоде путем «среза пика» и отнесения этой нагрузки на аккумуляционную позволяет, в схеме хладоснабжения с параллельно размещенными испарителем и льдогенератором, снизить оплату за энергопотребление на 30% и более.
Конструкция жидкостных АКХ проста: это заполненная хладоносителем емкость, подключенная к холодильной установке /4, 5/. Аккумулирующую способность таких аппаратов определяет вместимость бака и перепад температур хладоносителя в нем в процессе зарядки или разрядки. Их основной недостаток - большие габариты баков.
|
|
Так как температура выходящей из них воды, как правило, не ниже 3 °С, то это не позволяет охладить молоко до 1-2 °С. Такие аккумуляторы целесообразно включать в системы хладоснабжения небольшой производительности (особенно если хладоноситель - рассол).
В установках большой холодопроизводительности используют аппараты рекуперативного типа, аккумулирующая способность которых в расчете на единицу объема на порядок выше, чем у жидкостных.
В системах с температурой хладоносителя значительно выше (или ниже) 0°С предпочтительнее устанавливать контактные аккумуляторы вместо рекуперативных. Так, для систем кондиционирования воздуха (СКВ) предложены аппараты, температура плавления рабочих веществ в которых составляет 3-4°С, а температура кипения выше 0 °С (в водоледяном аккумуляторе температура кипения t0 была бы -5...-10°С). Применение контактных аккумуляторов также оправдано и для систем, где требуется хладоноситель с температурой ниже 0°С, что невозможно осуществить в водоледяном аккумуляторе.
Для «ледяной» воды (основного хладоносителя систем хладоснабжения предприятий молочной промышленности) преимущества контактного аккумулятора по сравнению с водоледяным сказываются в повышении температуры кипения на 3-5 °С и снижении расхода электроэнергии на 9-15%, из-за отсутствия в этом аппарате термического сопротивления теплопередающей поверхности между хладагентом и льдом. Однако сложности, возникающие при создании и эксплуатации систем с такими аккумуляторами, весьма значительны и едва ли оправдывают указанную экономию электроэнергии. Кроме того, применять подобные аккумуляторы с водой (или водными растворами солей) в аммиачных системах хладоснабжения невозможно из-за взаимной растворимости воды и аммиака.
Таким образом, для аммиачных систем, работающих на хладоносителе с температурой 0°С, наиболее целесообразен аккумулятор с намораживанием водного льда на теплопередающей поверхности, изготовляемой из труб или панелей.
Характеристики трубчатых и панельных АКХ существенно различаются.
При одинаковых теплопередающей поверхности и толщине слоя льда масса льда, намороженного в трубчатом аккумуляторе, больше, чем в панельном. Вследствие этого удельная металлоемкость (масса теплообменника, необходимого для намораживания 1 т льда) трубчатого аккумулятора меньше в среднем на 15 %, чем панельного. Кроме того, в трубчатом АКХ процесс таяния льда протекает более эффективно вследствие увеличенной, по сравнению с панельным АКХ, поверхности намороженного льда. Так, при таянии льда с начальной толщиной 30 мм, намороженного на трубах диаметром 42 мм, в среднем за цикл отводится теплоты в 1,2 раза больше, чем в панельном аккумуляторе.
В таблице 1 приведена сравнительная характеристика указанных аккумуляторов по металлоемкости С и площади F, необходимой для намораживания 1 т льда. Как видно из таблицы 1, для намораживания 1 т льда требуется от 100 до 200 пог.м труб в зависимости от наружного диаметра труб dH и толщины слоя льда . С учетом меньшей стоимости листа по сравнению с трубами панельный АКХ оказывается вдвое дешевле трубчатого. Поэтому несмотря на несколько более высокую эффективность трубчатого аккумулятора более рациональным представляется изготовление аккумуляторов холода панельного типа.
Ряд разработанных панельных АКХ включает восемь типоразмеров: АКХ-30, 2АКХ-30, АКХ-45, 2АКХ-45, АКХ-120, 2АКХ-120, АКХ-160, 2АКХ-160 /10, 17/.
Основной элемент аккумулятора - бак с пропеллерной мешалкой и испарителем.
|
|
Испаритель составлен из панелей, соединенных в единый блок коллекторами для подачи жидкого аммиака и отсоса его паров, сбора и удаления масла. Относительно боковых стенок бака и друг друга панели расположены на расстоянии, позволяющем намораживать слой льда толщиной до 35-40 мм (паспортная характеристика предусматривает намораживание 30 мм льда).
Мешалкой вода перемещается вдоль панелей.
Аккумулятор снабжен автоматической системой управления. Основной регулируемый параметр - толщина слоя льда. При достижении максимальной толщины слоя льда механический датчик подает сигнал, по которому прекращается подача аммиака в испаритель или останавливается компрессор, обслуживающий аккумулятор. Когда в процессе таяния толщина льда снижается до минимально допустимого значения, другой датчик подает сигнал на подачу аммиака в испаритель или на включение компрессора.
Уровень аммиака в панелях поддерживается с помощью датчика уровня типа ПРУ, по сигналу которого срабатывает магнитоуправляемый вентиль, установленный на линии подачи аммиака в испаритель.
Для потребителей с постоянной по времени тепловой нагрузкой предусмотрена возможность поддержания постоянной температуры воды на выходе из аккумулятора. Это достигается тем, что в начальный период обеспечивают таяние накопленного льда только с нижней половины панелей. Затем уровень воды повышают до номинального значения и происходит окончательное использование накопленного холода. Для регулирования уровня воды установлен перепускной клапан.
В 1997г. освоен серийный выпуск аммиачных горизонтально-трубчатых испарителей пленочного типа ИПТ /24/. Испарители предназначены для охлаждения воды до температуры, близкой к 0°С («ледяная» вода). Их рекомендуется использовать для
замены панельных испарителей типов НП, И ПП. Охлаждение воды осуществляется путем пленочного орошения всей поверхности пучка испарительных труб через низконапорные сопла. Жидкостной бак герметично соединен с корпусом аппарата, снабжен штуцерами для отвода, слива и перелива воды, имеет съемные боковые ограждения для контроля работы оросительного устройства и съемную верхнюю крышку.
|
|
Технические характеристики аммиачных испарителей типа ИПТ приведены в таблице 2.
Таблица 2
Модель аппарата | Поверхность теплообмена испарителя, м2 | Тепловая нагрузка, кВт | Расход хладоносителя, м3/ч | Вместимость по R717, дм2 | Габаритная площадь, м2 | Масса, кг | |||
ИПТ-25 | 5,510 | ||||||||
ИПТ-50 | 5,661 | ||||||||
ИПТ-75 | 5,772 | ||||||||
ИПТ-100 | 7,600 |
Результаты испытаний системы с АКХ показали, что в зависимости от объемной плотности орошения водой и интервала времени между пиковыми тепловыми нагрузками льдогенератор отводит 60÷90% этих нагрузок, т.е. установленная мощность холодильных машин может составлять от 10 до 40% от пиковой нагрузки.
В мировой практике широко распространены емкостные (обычно водяные) АКХ. Из их резервуаров «ледяная» вода либо вытесняется, либо сливается, причем в последнем случае внутренние потери меньше на ~20%, при температуре «ледяной» воды в АКХ около 1±0,5ºС.
АКХ с использованием фазового перехода воды имеют меньшие габариты, но намораживание льда толщиной 20...30 мм при температуре t0 от -18ºС до -20ºС приводит к перерасходу электроэнергии до 20÷35%, против получения в испарителе «ледяной» воды при t0=-5º...-7ºС. В льдогенераторах чешуйчатого льда, при его толщине 2...Э мм на теплообменной поверхности, коэффициент теплопередачи в аппаратах выше, что позволяет намораживать лед при более высоких температурах кипения t0=-15...-17ºС.
Показатель неравномерности нагрузки предприятия по холоду оценивается как
Где - максимальная часовая нагрузка, кВт;
- средняя часовая нагрузка, отнесенная к суммарной суточной, кВт;
и составляет от 1,5 до 1,8 (за рубежом), 2 и более - в отечественных производствах /26/. Так в Дании 60% систем хладоснабжения молочных заводов снабжены АКХ-ЛГ /35/.
При отсутствии многоставочных тарифов на электроэнергию, и нескольких пиков тепловой нагрузки необходим анализ различных вариантов схем хладоснабжения с аккумуляторами «ледяной» воды (АКХ) и с АКХ-ЛГ. Возможны к использованию четыре принципиальные схемы, с использованием АКХ и АКХ-ЛГ. В первой схеме используются панельные испарители; во второй - только АКХ-ЛГ. где лед намораживается в ночные часы, а в дневные используется для охлаждения воды; третья схема содержит панельные испарители и АКХ, оснащенные собственными компрессорами, причем охлаждение воды осуществляют последовательно - сначала в АКХ, потом в испарителе; в четвертой схеме использованы АКХ-ЛГ, в которых одновременно охлаждают воду, намораживают или оттаивают лед.
Выбор той или иной схемы обуславливается величинами Q0, τр и характером изменения суточного графика тепловой нагрузки, с учетом нестационарности процессов намораживания и таяния льда. Рассмотрение работы системы хладоснабжения со стационарным режимом работы АКХ-ЛГ вносит погрешность в определение Q0 не более 15%.
Для расчета используются значения заданной тепловой нагрузки QК на систему «ледяной» воды, температуры: наружного воздуха по влажному термометру tВЛ, воды tW1 на входе и tW2 на выходе из технологического
аппарата-охладителя, температуры кипения t0 и конденсации tК хладагента.
Расход оборотной воды на конденсаторы принимается по паспортным данным аппаратов, расход «ледяной» воды в охладителях из условия обеспечения перепада температур , равного 4ºC
Температуру t0 рассчитывают по уравнениям теплового баланса в испарителях и АКХ, соответственно по формуле
(3)
где - соответственно перепад температур воды на входе и выходе из испарителя (или АКХ) и температурный напор в них, ºС
Температуру находят методом последовательных приближений при совместном решении уравнений баланса энергии, подводимой к испарителю и компрессору и отводимой в конденсаторе:
, (4)
где - тепловая нагрузка конденсатора, кВт;
- холодопроизводительность установки, кВт;
- индикаторная мощность комперссора, кВт.
Мощность компрессоров и теплопередачу в теплообменных аппаратах рассчитывают по общепринятым методикам /10, 25/.
Расчет теплопередачи в АКХ рекомендуется /26/ проводить по формуле
, (5)
где - холодопроизводительность ХМ и количество тепла, отводимое тающим льдом, кВт;
k - коэффициент теплопередачи от воды к хладагенту с учетом слоя льда, кВт/(м·К);
F- площадь теплообменной поверхности АКХ, m2;
- коэффициент теплоотдачи от воды к тающему льду, порядка 0,35 кВт/(м·К);
- среднелогарифмический температурный напор соответственно между водой и хладагентом, и между средней температурой «ледяной» воды в баке и температурой поверхности льда tЛ, принимаемой (по опытным данным) равной -1°С.
При оценке вариантов и при выборе схемы хладоснабжения необходимо учитывать: возможности снижения расхода электроэнергии в условиях работы в ночное время при низких значениях tК и особо - при наличии мкогоставочных (двух, трех) тарифов, использование различной численности оборудования, снижение расхода запорной арматуры и протяженности трубопроводов, простоту технологической схемы и систем автоматики, место размещения и условия монтажа оборудования, емкость по хладагенту и охлаждающей воде (хладоносителю).
Целесообразность применения АКХ ориентировочно можно оценим, по суточному почасовому графику тепловых нагрузок: максимальная часовая нагрузка должна превышать среднечасовую более чем на 50%, а продолжительность пиковой нагрузки составить не более 4 ч при двух резко выраженных пиках нагрузки.
Для оценки системы хладоснабжения с АКХ, помимо нестационарности тепловой нагрузки, имеют место нестационарности t0 и tК.
Технико-экономическая оценка таких систем может быть выполнена на основе метода, предложенного в /10/. Площади поверхностей теплообмена можно выразить через основные параметры следующим образом:
, (6)
(7)
где , - площадь поверхности теплообмена соответственно испарителя и конденсатора, м2;
- суточная холодопроизводительность установки, кДж/сутки;
r - теплота плавления льда, кДж/кг;
ρ - плотность льда, кг/м3;
δ - толщина слоя льда, м;
ε - холодильный коэффициент;
t0 - время работы установки, с/сутки;
k - коэффициент теплопередачи, кВт/(м2К);
- средний температурный напор в конденсаторе, К;
(8)
где - суточное производство продукта, поступающего на охлаждение, кг/сутки;
- теплоемкость продукта, кДж/(кг К);
- начальная и конечная температуры продукта при охлаждении «ледяной» водой, К.
Толщину слоя льда δ можно ориентировочно оценить, для квазистационарного режима, по зависимости
,
где - температура замерзания воды, К;
λ - теплопроводность льда, Вт/(м К);
R - суммарное термическое сопротивление стенки испарителя и загрязнений, (м2К)/Вт.
Поданным /31/ для аммиачных компрессоров П110, при tК = 30ºС и в интервале температур t0 от -5 до -30°С, с учетом всех потерь, холодильный коэффициент εe равен
(10)
и расход энергии на привод компрессора при выработке 1 т льда:
кВт·ч (11)
Оптимальная температура кипения t0 при заданных толщинах слоя намораживаемого льда δ определяется по условию минимального значения суммарных затрат Rδ на производство льда:
(12)
где - стоимость электроэнергии, отчисления от стоимости компрессоров и льдогенератора, руб./т льда.
В уравнении (12) стоимость электроэнергии на замораживание 1т льда
где - стоимость электроэнергии, руб./(кВт-ч).
Отчисления от стоимости компрессоров в расчете на 1 т льда
где - стоимость компрессора, py6./(м3/с);
- амортизационные отчисления;
- объемная холодопроизводительность аммиака в диапазоне t0=-5...-30ºС и tК=ЗОºС; определяемая по выражению
λ - коэффициент подачи компрессора в том же диапазоне, и равный
, (16)
- число дней работы льдогенератора в году, сут/год.
Отчисления от стоимости льдогенератора
где - масса плит льдогенератора, кг;
- стоимость 1 т аппарата, руб./к.
Минимум затрат будет соответствовать первой производной Проведя кривую по этим точкам, получаем минимум кривой толщины льда δ, которая является в рассматриваемом случае оптимальной. Ей соответствует оптимальное значение температуры t0 opt. Результаты приведены на рисунке 2.
В зимнее время охлажденный хладоноситель из АВО поступает непосредственно к потребителю холода. Если наружный воздух не обеспечивает охлаждение хладоносителя до необходимой температуры, то АВО используют для охлаждения воды после конденсатора. Охлаждение хладоноситель осуществляется в испарителе 4 с помощью насоса 6.
Рисунок 14 - Схема использования АВО:
1 - АВО; 2 - конденсатор; 3 - регулирующий вентиль; 4 - испаритель для охлаждения хладоносителя; 5 - потребитель холода (технологический аппарат); 6,8 - насос для хладоносителя и воды; 7 - запорный вентиль; I - паровой трубопровод после компрессора.
Если влажность воздуха не является определяющим параметром, то для охлаждения камер экономичнее использовать непосредственно наружный воздух. Тогда с помощью осевых вентиляторов наружный воздух подается по воздуховодам в камеру. В этом случае необходимо предусматривать автоматическую систему регулирования температуры в камере.
Для камер хранения неупакованной продукции предложен ряд технических решений /12/, выполнение которых не требует значительных капитальных затрат, но обеспечивает достаточный экономический эффект. Так, в камере хранения (рисунок 15) устанавливают в стене фильтр очистки воздуха от пыли и микроорганизмов 2, мон тируют площадку 3 с центро-
бежным вентилятором 4. Под потолком камеры прокладывают воздуховоды 5 с регулируемыми окнами 6, которые должны автоматически закрываться при остановке вентилятора 4. На противоположной вентилятору стенке камеры размещают воздуховод 7 для вывода из камеры отепленного воздуха, на котором устанавливают обратный клапан 8. Заданную температуру в камере поддерживают автоматически с помощью двухпозиционных реле температуры, включающих или отключающих электродвигатель вентилятора.
Рисунок 15 - Схема хладоснабжения камеры хранения неупакованного пищевого продукта
1 - металлическая сетка; 2 - фильтр; 3 -площадка; 4 - вентилятор центробежный, 5 - воздуховоды; 6 - регулируемые окна; 7 - выводной воздуховод; 8 - обратный клапан; 9 - штабель продукта
Для камер с упакованной продукцией наличие фильтра-очистителя от микроорганизмов не обязательно, для камер с площадью менее 70 м2 допускается установка осевого вентилятора.
Камеры хранения, оборудованные подвесными воздухоохладителями типа ВОП, оборудуют (рисунок 16) воздуховодами 5, которые подсоединяют к воздухоохладителям 4 съемными переходными элементами 3, изготавливаемы-
Во второй схеме (рисунок 20) аккумулирование холода осуществляют при циркуляции ХН по контуру «градирня - баки -испаритель - насос 1», затем осуществляют охлаждение наружным воздухом при циркуляции ХН по контуру «объект охлаждения -бак с отепленным ХН - испаритель (без подачи в последний хладагента) - насос 1 - градирня - баки - насос 2». При смешанном охлаждении - подача хладагента в испаритель и использование аккумулированного холода - ХН циркулирует по контуру «бак с охлажденным ХН - насос 2 - объект охлаждения - бак с отепленным хладоносителем - испаритель - насос 1».
Для получения воды как ХН с температурой 1...4 °С при средней температуре наружного воздуха Ею ср = - 4,5 °С и (рм ср = 85 % можно использовать стандартные вентиляторные градирни, которые при указанных режимах и коэффициенте эффективности 0,8 имеют тепловую производительность порядка 50 % расчетной. Учитывая, что в зимний период внешние теплопритоки существенно снижаются, использование существующих градирен обеспечивает эффективную работу систем хладоснабжения без установки дополнительного оборудования.
При использовании в качестве ХН рассола в систему хладоснабжения вводят утилизатор естественного холода (рисунок 21), который выполняют на базе рассольных воздухоохладителей и размещают на открытой площадке. Утилизатор 6 подключают к теплоизолированному баку - аккумулятору 3 И дополнительному баку 7, который предназначен для регулирования суточных и сглаживания пиковых тепловых нагрузок. Бак 7 устанавливают на открытой площадке и используют в зимний период. В летний период используется аккумулятор 3, размещенный в компрессорном цехе.
Все системы хладоснабжения с использованием естественного холода базируются на серийных аппаратах и автоматических устройствах, необходимые баки и системы воздуховодов трубопроводов изготовляются непосредственно на месте эксплуатации. Тем самым, непосредственное использование и аккумуляция естественного холода упрощает эксплуатацию систем хладоснабжения в зимний период и даёт ощутимый экономический эффект.
2.2. Системы хладоснабжения для жидких пищевых продуктов
Молоко является специфическим пищевым продуктом, применительно к которому охлаждение должно проводиться непосредственно на фермах, так как только при этом может быть обеспечено сохранение первоначального качества продукта.
Системы хладоснабжения необходимы для животноводческих ферм и комплексов, где используется индустриальная технология доения и обработки молока. Охлаждение молока до температур 1...6°С стабилизируется путем совместного использования искусственного и естественного холода, в технологических линиях (см. рисунки 21-24), следующих /13/ типов:
I - доение в переносные емкости (фляга); предварительное охлаждение молока грунтовой водой и доохлаждение с помощью аккумулятора естественного холода или автоматизированного льдохранилища;
II - охлаждение в резервуарах - охладителях естественным хо-
лодом и доохлаждение в теплое время искусственным холодом;
III - доение в молокопровод, предварительное охлаждение грунтовой водой, доохлаждение с помощью автоматизированного льдохранилища;
IV- доение в молокопровод, предварительное охлаждение грунтовой водой, доохлаждение с помощью комбинированных аккумуляторов естественного и искусственного холода.
Система хладоснабжения I типа (рисунок 22) предназначена для малых ферм и отдельно стоящих коровников (до 200 голов). Молоко из фляг перекачивают в емкость, откуда оно переходит в проточный теплообменник, где последовательно охлаждается в двух секциях - предварительного и окончательного охлаждения и далее: поступает в резервуар - охладитель (или резервуар -термос). Охлажденное молоко из резервуара перекачивается в молоковоз, который отводит холодное молоко на молочный завод.
Грунтовая вода поступает в систему водоснабжения, охлаждает молоко и в дальнейшем отепленную воду дают пить животным или используют на технологические нужды. Окончательное охлаждение молока осуществляют холодной водой, которая поступает в теплообменник из аккумулятора естественного холода в зимнее время, где она охлаждается наружным воздухом и из автоматизированного льдохранилища в теплое время года.
Для намораживания льда в льдохранилище используют известные технические рекомендации и решения /3, 9/, используя воду ИЗ системы водоснабжения фермы или после теплообменника. При намораживании льда особое внимание необходимо уделить однородности массива намораживаемого льда, теплоизоляции льдохранилища и организации использования потенциала накопленного холода вследствие сокращения потерь аккумулированного льда.
Система хладоснабжения III тина (рисунок 23) предназначена для крупных ферм, оснащенных резервуарами-охладителями молока. В холодное время года поток воды, охлажденный наружным воздухом в аккумуляторе естественного холода, а также поток воды из системы охлаждения поступают в охлаждающую рубашку резервуара - охладителя. Отепленная вода откачивается насосом и подается снова в аккумулятор и в систему охлаждения. Затем цикл повторяется. Соотношение потоков воды, направляемых в систему охлаждения и в аккумулятор холода, регулируется вентилями. Автоматизированная система управления регулирует температуру воды, поступающей из аккумулятора естественного холода.
Рисунок 23. Технологическая схема охлаждения молока П типа: 1 - аккумулятор естественного холода; 2 - водяной насос; 3 - резервуар - охладитель молока; 4 - холодильная машина.
Если аккумулятор естественного холода не обеспечивает поддержания требуемой температуры молока, система управления автоматически включает систему охлаждения (компрессор и вентилятор конденсатора).
В системе хладоснабжения III типа для крупных ферм при доении в молокопровод охлаждение осуществляют без применения искусственного холода, используя грунтовую воду и доохлаждение молока «ледяной» водой (рисунок 24). При возможности используется аккумулятор естественного холода (в зимнее время года), а в теплое время - вода из холодной зоны льдохранилища. В системе хладоснабжения IV типа (рисунок 25) в теплое время года для охлаждения воды в аккумуляторе холода используется автоматизированная холодильная установка, причем подзарядку аккумулятора холода осуществляют в любое время суток, в том числе ночью, когда отсутствует нагрузка на охладитель молока.
Система хладоснабжения (по рисунку 30) для конкретного консервного завода /22/ включала автоматизированную холодильную
машину и две емкости для хранения зеленого горошка, которые установлены в цехе первичной переработки сырья. Блок воздушных конденсаторов, емкости для «ледяной» воды и насосы смонтированы вне цеха. Испаритель холодильной машины, емкости и трубопроводы теплоизолированы и покрыты алюминиевой фольгой.
Система хладоснабжения работает следующим образом. После перекачивания насосом артезианской воды из бака, где она накапливается, в одну из двух емкостей для «ледяной» воды, включается холодильная машина на режим «охлаждение». При достижении заданной температуры воды в этой емкости реле температуры останавливает холодильную машину. Насос переключается на заполнение артезианской
водой другой емкости, и холодильная машина снова включается в работу. В это время насос «ледяной» воды перекачивает её в емкость № 1 для зеленого горошка. По принятой технологии зеленый горошек хранят в емкости с «ледяной» (2.,.3°С) водой, меняя её на 3...4 раза и поддерживая температуру продукта не выше 5°С. Для четырехкратной заливки зеленого горошка в одну емкость необходимо было для конкретных условий около 12 м3 «ледяной» воды. Продолжительность охлаждения артезианской воды до уровня «ледяной» (с 15 до 2°С) составляет около 8 ч. Поэтому подготовку начинали за 10... 14 часов до поступления продукта на кратковременное хранение. При продолжительности охлаждения его «ледяной» водой в одном цикле от 4,5 до 8 мин и наличии запаса аккумулированной «ледяной» воды, время заливки ею горошка составило 15 мин, охлаждение за цикл - 5 мин и слив отепленной воды - 40 мин, общая продолжительность холодильной обработки от 18 до 4,5'°С составила 210 мин.
Таким образом, цикличная работа системы охлаждения при непрерывной работе холодильной машины позволяет снять пиковые поступления продукта в сезон массового созревания и характеризуется высокой эффективностью использования «ледяной» воды для кратковременного хранения зеленого горошка. Благодаря увеличению выпуска консервированного горошка высшим сортом срок окупаемости системы хладоснабжения составил не более двух лет.
Применительно к крупным молочным и сыродельным заводам, оснащенным рассольной системой охлаждения технологических аппаратов, может быть использована система хладоснабжения с АКХ, приведенная на рисунке 31. В системе используют раствор хлористого кальция с плотностью 1,21 кг/л, при средней температуре рассола - 7°С. Емкости для хранения молока охлаждают водой с температурой 1°С, которую получают в теплообменнике - охладителе 11, охлаждаемом холодным рассолом. АКХ выполнен в виде двух круглых теплоизолированных металлических емкостей, заполненных рассолом. Верхняя часть одной емкости соединена трубопроводом с нижней частью другой емкости (по направлению движения охлаждаемого рассола). В часы, когда тепловая нагрузка QTi. меньше установленной холодопроизводитель-ности Qo холодильной установки, АКХ заряжается, а в часы, когда тепловая нагрузка QTi больше Q - разряжается, покрывая максимальные тепловые нагрузки QTimax При зарядке АКХ охлаждается до температуры ниже рабочих параметров, что способствует уменьшению необходимой вместимости баков АКХ. Температура холодного рассола принимается порядка - 14°С и отепленного рассола - не выше - 3°С.
Для обеспечения подачи в технологические аппараты рассола с требуемой температурой - 7 °С предусматривается автоматическое регулирование температуры, путем смешивания отепленного и холодного рассолов. Массовый расход подаваемого на аппараты ХН в соответствии с изменением тепловой нагрузки регулируется ступенчатым включением (отключением) насосов 6 путем контроля перепада температур ХН в подающей и обратной магистралях, обеспечивая поддержание AT = 4°С. При повышении перепада температур ХН в подающей и обратной магистралях на 1°С последовательно включаются насосы, при понижении на 1°С - отключаются. При понижении температуры рассола, подаваемого на технологические аппараты, ниже -10°С все насосы 6 останавливаются, и включается аварийная сигнализация. Наличие АКХ позволяет вводить в технологическую схему производства продукта новые интенсивные аппараты, наращивать их производительность без дополнительных капитальных затрат на приобретение холодильного оборудования.
3.2. Системы хладоснабжения с льдоаккумуляторами
Введенные в системы хладоснабжения панельные АКХ (таблица 1) могут обеспечить не только получение «ледяной» воды с температурой 0,5...2°С, но и позволяют осуществить наморозку льда на панелях. АКХ автоматизированы: система автоматики обеспечивает их работу в «режимах зарядки - намораживания льда» и «разрядки - оттаивания». При зарядке баки АКХ наполняются водой до полного затопления испарительных секций; лед намораживается слоем до 30 мм. Датчик толщины льда при достижении заданной толщины отключает подачу аммиака в испарительные секции. В период повышенной тепловой нагрузки потребителя происходит разрядка АКХ. Из технологических аппаратов в баки АКХ подаётся отепленная вода, которая охлаждается тающим льдом. «Ледяная» вода подаётся насосом к потребителю, там она вновь отепляется и возвращается в баки АКХ.
АКХ могут выполняться одноярусными (АКХ) и двухъярусными (2АКХ) (см. рисунок 32). В двухъярусных АКХ вода охлаждается до более низкой температуры, чем в одноярусных. Она переливается из верхнего бака в нижний и отводится к технологическим аппаратам из нижнего бака. Вода может сливаться также из каждого бака в общий трубопровод.
АКХ типа АКХ-И выпускаются только одноярусными, с меньшим, чем в АКХ, расстоянием между панелями. Соответственно их способность меньше. За цикл намораживается слой льда толщиной 20 см.
Наряду с панельными АКХ проводились исследования по использованию специализированных аппаратов - льдогенераторов для производства льда, последующего хранения льда в баках и расплавления при производстве «ледяной» воды, АКХ с льдогенераторами (АКХ-ЛГ) чешуйчатого льда /2,7/ по сравнению с панельными АКХ имеют более высокие теплотехнические показатели, компактнее и проще в эксплуатации.
АКХ-ЛГ выполняют в виде комплексного агрегата (рисунок 33), включающего льдогенератор чешуйчатого льда 1 с одно- или двухсторонним намораживанием /4/, бак-накопитель 2, оросительное устройство 3 с форсунками 4 и рециркуляционный насос 5.
В процессе наморозки льда в бак 2 заливают воду, включают насос 5 и льдогенератор 1. Намороженный в льдогенераторе 1 лед удаляется скребковыми ножами и подаётся в бак 2. После максимально возможного заполнения бака льдом и прекращения подачи воды насосом 5 льдогенератор 1 останавливается. В процессе разрядки через оросительное устройство 3 технологическая вода разбрызгивается форсунками 4 на поверхность льда и насосом 6 подаётся в технологические аппараты 7.
Известные льдогенераторы при работе в составе АКХ-ЛГ характеризуются следующими показателями (табл. 2).
Таблица 2.
Характеристики АКХ-ЛГ (по/3,7/)
Тип АКХ с льдогенератором | Тепловая нагрузка, кВт | Масса намороженного льда, Т | Время таяния льда, ч | Температура воды, Т°С | Скорость таяния льда, т/ч |
АКХ-ИЛ 500 | 89,3 | 2,5 | 2,5 | 0,4 | 1,0 |
АКХ-ИЛ 500 | 66,1 | 0,83 | 1,16 | 1,0 | 0,7 |
АКХ-Л 250 | 66,8 | 1,11 | 1,33 | 0,65 | 0,83 |
Н26-ИХ 7А | 0,50 | 0,63 | 0,5 | 0,8 |
Опыт использования АКХ-ЛГ показал /15,21,22/ особую целесообразность использования льдоаккумуляторов для потребителей холода с небольшой холодильной мощностью.
Так, на небольшом молочном заводе, где возможности увеличения мощности компрессорного цеха были ограничены из-за недостатка строительных площадей и невозможности увеличить мощность электроподстанции и теплообменные поверхности для охлаждения оборотной воды, применили схему (рисунок 34), в которой использовали все имеющееся холодильное оборудование для получения «ледяной» воды. Система хладоснабжения (рисунок 34) действует следующим образом. В начале смены включается испаритель 4 вместе с насосом 5. Работа холодильной машины в заданном режиме продолжается до тех пор, пока температура воды в испарителе 4 не повысится на 2-3°С. При дальнейшем росте температуры включается насос 6, которым «ледяную» воду из льдоаккумулятора подают в общий трубопровод, где она смешивается с водой, поступающей из испарителя 4. Излишек воды сливается в льдоаккумулятор 3 через расширительный бак 7. Насос 6 работает до тех пор, пока температура воды, выходящей из льдоаккумулятора 3, не сравняется с температурой воды, поступающей в него из расширительного бака 7.
При дальнейшем увеличении тепловой нагрузки всю «ледяную» воду подают через расширительный бак 7, льдоаккумулятор 3 и насос 5 в испаритель 4 для облегчения работы холодильной машины и уменьшения опасности влажного хода, так как льдоаккумулятор 3 увеличивает тепловую инерционность системы хладоснабжения.
Для лучшего сохранения качества плодов и овощей важно после сбора охладить их возможно быстрее. Хорошо отводит теплоту от плодов система так называемого «влажного» охлаждения, которая основана на интенсивном контакте циркулирующего воздуха с охлажденной водой. Отепленный воздух быстро охлаждается и увлажняется в воздухоохладителе влажного типа, что способствует максимальному теплообмену между ним и продуктом. В системе холодоснабжения, по /27/, холодный влажный воздух из воздухоохладителя 1 (см. рисунок 35) направляется в продухи 2, образуемые чередующимися рядами ящиков 3; так что воздух проходит через весь штабель продуктов. Отепленный воздух, выходящий из продухов 3, вновь поступает в воздухоохладитель, где охлаждается холодной водой, подаваемой из поддона 4 льдоаккумулятора 5. Для увеличения охлаждающего эффекта холодная вода распыляется форсунками 8 над верхней секцией 9 воздухоохладителя в противоток поднимающемуся воздуху.
Рисунок 35. Схема системы хладоснабжения «влажного» охлаждения
1 - воздухоохладитель; 2 - продухи, 3 - ящики с продуктом; 4 -поддон; 5 - льдоаккумулятор; 6 - насос; 7 - коллектор; 8 - форсунки; 9 – вентилятор
Для небольшой молочной фермы использовали /34/ льдоаккумуляторы. В связи с расширением производства и увеличением потребности в «ледяной» воде были проанализированы варианты холодоснабжения, увеличение холодильной мощности или комбинирование имеющейся холодильной установки с льдоаккумуляторами. Технико-экономические расчеты показали, что установка дополнительного льдоаккумулятора, холодопроизводительность которого эквивалентна получаемой при таянии 16 т льда, обеспечит дополнительные потребности производства в холоде. Размещение льдогенераторов на крыше не потребовало выделять площадь цеха для нового оборудования.
Однако практика эксплуатации панельных аккумуляторов показала, что при возвращении из технологических аппаратов воды с довольно низкой температурой (не выше 6°С) лед на панелях тает очень медленно. При температуре порядка 3...4°С лед практически не тает, и не обеспечивается достижение температуры 0,5..2 °С. Поэтому в часы максимальных тепловых нагрузок, несмотря на наличие на панелях льда (а отчасти и из-за этого), температура воды повышалась до 6...8 °С и выше, и только тогда начиналось сколько-нибудь заметное таяние льда. Опыт показывает, что наиболее целесообразна заготовка чешуйчатого или трубчатого льда, характеризуемого большей поверхностью контакта, обеспечивающей интенсивное охлаждение воды. При этом температура кипения хладагента в льдогенераторе не изменяется, что обеспечивает экономичную эксплуатацию льдогенератора в наморозке льда.
Расход льда из льдохранилища на доохлаждение предварительно охлажденного молока составляет до 200-250 кг/т молока. Ориентировочные технические характеристики систем хладоснабжения приведены в таблице 6. Выбор соотношения доли естественного и искусственного охлаждения решается на основе технико-экономического расчета, с учетом географической зоны расположения ферм, стоимости энергии, стоимости имеющегося и нового оборудования, а также квалификации персонала.
В СССР разработаны типовые конструкции тепловых насосов, предназначенных для теплоснабжения различных объектов и работающих по одноступенчатому циклу на R12 с регенеративным переохлаждением жидкости в теплообменнике. В режиме теплоснабжения компрессионные тепловые насосы обеспечивают получение горячей воды от 45 до 58 °С при температуре кипения в испарителе не ниже 6 °С. Источником низкопотенциальной теплоты служит водопроводная, артезианская, геотермальная вода или жидкостные источники ВЭР с температурой от 10 до 40 °С. В режиме хладоснабжения эти же машины обеспечивают получение хладоносителя с температурой до —25 °С при охлаждении конденсатора водой не выше 30 °С. Отечественные тепловые насосы состоят из компрессорно-конденса-торных, испарительно-ресиверных агрегатов, станций переключений и щитов управления и сигнализации. Конденсаторы и испарители — кожухотрубного типа. Характеристики теплового насоса НТ-80 приведены на рис. 13.8.
§ 13.5. Пути использования высокопотенциальных ВЭР, солнечной, геотермальной энергии и других тепловых ресурсов для хладо-, тепло- и электроснабжения
Высокопотенциальные ВЭР можно использовать в абсорбционных бромистолитиевых холодильных машинах с двухступенчатой генерацией раствора. При этом генератор высокого давления обогревается теплотой ВЭР, а затем раствор довыпаривается в генераторе низкого давления за счет теплоты конденсации пара хладагента, полученного при выпаривании раствора в генераторе высокого давления [10, 45]. В СССР освоено производство абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин с двухступенчатой генерацией раствора путем доукомплектования машины АБХА-2500 дополнительными аппаратами: приставкой — генератором высокого давления и растворным теплообменником между генераторами высокого и низкого давлений. Действительный тепловой коэффициент при использовании теплоты высокопотенциального источника в машине с двухступенчатой генерацией раствора составляет около 1,3. Использование теплоты высокопотенциального греющего источника в понижающем абсорбционном бромистолитиевом термотрансформаторе позволяет получить температуру воды на выходе из конденсатора до 95—100 °С и выше при коэффициенте трансформации около 1,7.
В нашей стране и за рубежом проводятся широкие исследования по использованию солнечной энергии для получения холода с помощью абсорбционных машин. В летнее время в южных районах нашей страны температура днем достигает 35—40 °С при низкой влажности воздуха. Это позволяет осуществлять открытое выпаривание слабого раствора в схеме солеводяной абсорбционной холодильной машины, предназначенной для кондиционирования воздуха в помещении. В качестве генератора слабого раствора могут быть использованы крыши зданий или другие открытые поверхности, на которые падают солнечные лучи.
В физико-техническом институте АН Туркменской ССР был исследован опытный образец хлористолитиевой абсорбционной солнечной холодильной установки с открытым выпариванием раствора (рис. 13.9).
Рис 13.9. Схема опытной хлористолитиевой абсорбционной солнечной холодильной машины с открытым выпариванием раствора:
■--- крепкий раствор; — — — — слабый раствор;
—•- холодная вода; /—/—/ —;охлаждающая вода; —••— — воздух
-Крыша здания из плоского асбошифера. установленного на наклонных деревянных балках, представлявшая ровную наклонную поверхность (угол наклона 10°), выполняла роль генератора / холодильной машины. Под листами асбошифера находится теплоизолирующий слой опилок. Верхняя поверхность листов покрыта рубероидом. Применение рубероида обеспечивает равномерное орошение плоскости раствором, а отсюда полное использование поверхности генератора. Кроме того, рубероид имеет достаточно высокий коэффициент поглощения солнечных лучей. Выпаривание слабого раствора -в генераторе происходит _за счет теплоты солнечных лучей» которые нагревают раствор, стекающий тонкой пленкой, до температуры 50—60 °С. Желоб 10 служит для сбора и подачи крепкого раствора в регулятор 9. Поплавковый регулятор представляет собой бак, в котором установлен поплавок с прикрепленным к нему стержнем с конусообразным концом.Теплообменник-ороситель 2 типа «труба в трубе» располагается по ширине плоскости генератора. По, внутренней трубе протекает горячий крепкий раствор, а по наружной — слабый. Через отверстия в верхней части наружной трубы слабый раствор вытекает на плоскость генератора. Абсорбер 4 выполнен в виде однорядной трубной секции из последовательно соединенных труб, которая установлена в корпусе из листовой стали. Орошение труб раствором проводится оросителем — трубой. Для доступа водяных паров в верхнюю часть.абсорбера она соединена трубой с испарителем 3. В испарителе установлен разбрызгиватель воды и поплавковый регулятор для ее добавления. Воздух отсасывается из нижней части абсорбера вакуум-насосом 6. Для подачи слабого раствора из абсорбера на плоскость генератора и циркуляции охлажденной воды через воздухоохладитель 8 используются соответственно насосы 5 и 7. При испытании опытной машины в осеннее время года (октябрь месяц) холо-допроизводительность составила 3 кВт при температуре охлажденной воды 11,7 °С. В летнее время производительность машины повышается в 1,4—1,5 раза при температуре охлажденной воды 10 С. Геотермальная энергия, как и теплота горячей воды от ТЭЦ или других источников, может использоваться непосредственно в абсорбционных машинах для получения холода или теплоты. При высокой минерализации воды необходима защита генератора от коррозии.
С помощью теплоты геотермальных источников может быть получена электроэнергия в турбоагрегатах, работающих на неводяных парах. На Паратунском геотермальном месторождении Камчатки Институтом теплофизики СО АН СССР исследована ГеоТЭС, работающая на хладоне R12 [27]. Схема установки, разработанная ВНИИхолодмашем (рис. 13.10), относительно проста. Жидкий R-I2 питательными насосами подается последовательно в,три подогревателя, испаритель и пароперегреватель поверхностного типа. Греющей средой является термальная вода с температурой 80 °С. После перегревателя пар R12 с давлением 1,4 МПа и температурой 65— 75 °С направляется в турбину, где расширяется до 0,5 МПа и при температуре 15 °С конденсируется в поверхностном конденсаторе. Жидкий R12 поступает через промежуточный ресивер к питательным насосам, и цикл повторяется.
Турбина — одноступенчатая, центростремительная, консольная, с алюминиевым рабочим колесом, имеет, только одно уплотнение. Номинальная мощность 750 кВт. При испытаниях максимальная мощность установки составила 684 кВт. Полная мощность не была достигнута потому, что установка проектировалась на использование горячей воды с температурой 90 °С, а средняя температура термальных вод Средне-Паратунского месторождения составляет 80 ± 1 °С. Понижение температуры термальной воды привело к снижению паро-производительности котла и не позволило достигнуть максимальной мощности.
Используя теплоту сгорания натурального топлива, можно осуществить одновременную выработку холода, теплоты (для теплоснабжения) и электроэнергии. В ЛТИХП выполнен комплекс научно-исследовательских и проектных работ по созданию принципиально новых теплохладо-энергетических агрегатов (ТХЭА) для комплексной выработки в едином термодинамическом цикле теплоты, холода, электроэнергии (рис. 13.11). Принцип действия ТХЭА заключается в том, что в генераторе /, состоящем из компрессора К> камеры сгорания КС и турбины Т для привода компрессора, в результате сжигания жидкого топлива или природного газа в среде сжатого воздуха образуется газовая смесь (дымовые газы) при повышенном давлении (0,3—0,6 МПа и температуре 450—650 °С В качестве генератора газовоздушной смеси в ТХЭА могут быть использованы авиационные газотурбинные двигатели (с использованным летным моторесурсом), свободно-поршневые генераторы газа и высоконапорные парогенераторы. Дымовые газы (рис. 13.11, а) поступают в котел-утилизатор 2, в котором образуется пар давлением 0,3—0,6 МПа и более, а затем в экономайзер 3, где вода, используемая для питания котла и- на горячее водоснабжение производства, нагревается до 60—75 °С. Дымовые газы при этом охлаждаются до температуры 30—35 °С, т.е. ниже температуры точки росы для водяных паров, присутствующих в продуктах сгорания в результате сжигания топлива. Водяные пары конденсируются и отделяются от потока во влаго-отделителе 4. Далее дымовые газы направляется в турбодетандер 5, где расширяются до давления, близкого к атмосферному. Температура газа снижается до —10-:—50 °С. Мощность, развиваемая турбодетандером, используется для выработки электроэнергии в электрогенераторе 6, спаренном с турбодетандером 5. Холодные дымовые.газы в теплообмшном аппарате 7 охлаждают хладоноситель, подаваемый на технологические цели. Рассматриваемый тепло-хладо-энергетический агрегат может быть использован не только для получения умеренно низких температур, но и для производства сухого льда вымораживанием газообразной двуокиси углерода, содержащейся в продуктах сгорания топлива (рис. 13.11, б). Для этого газовый поток перед расширением в турбодетандере 5 подвергается более глубокому охлаждению (до температуры десублимации двуокиси углерода —90~—100 °С) в регенераторе 7 обратным потоком газа, имеющим более низкую температуру. В процессе расширения в турбодетанДере 5 при достижении состояния насыщения двуокись углерода кристаллизуется в газовом потоке и отделяется от потока в сепараторе 8, из которого она выводится шнековым прессователем 9 в виде цилиндрических блоков сухого льда. Получение сухого льда в цикле ТХЭА по сравнению с существующим абсорбционно-десорбционным способом позволяет существенно упростить схему производства, снизить металлоемкость, энергоемкость и расход воды; отпадает также нобходимость в потреблении пара и моноэтаноламина. Таким образом, в ТХЭА реализуются совмещенные прямой и обратный термодинамические циклы, отличающиеся той особенностью, что газовая смесь, образующаяся в генераторе продуктов сгорания, превращается не только в рабочее тело теплофикационного цикла, но и в рабочее тело обратного цикла. Высокая эффективность ТХЭА по сравнению с раздельным способом производства теплоты (в основном от котельных), холода (от паровых компрессорных холодильных машин) и двуокиси углерода по обычному абсорбционно-десорбционному методу обуславливается отсутствием теплопотерь с уходящими газами, так как продукты сгорания топлива в итоге выбрасываются в атмосферу при температуре, близкой к температуре окружающей среды. В связи с этим сокращается расход топлива примерно на 10 %, полезно используется теплота конденсации водяных паров продуктов сгорания, т. е. утилизируется высшая теплота сгорания топлива, что равноценно сокращению расхода топлива на 10—12 %. Сокращение необратимых потерь, связанных с трансформацией одного вида энергии в другой за счет комбинирования прямого и обратного циклов в едином агрегате эквивалентно сокращению расхода топлива на 8—10 %. В том случае, когда на предприятиях или на транспортных установках имеется теплота с температурным уровнем 60—100 °С или выше, для получения* холода и теплоты Ф. М. Чистяков предложил специальную систему, осуществляющую прямой и обратный циклы с одним и тем же рабочим веществом [50]. Для осуществления прямого цикла в систему включены: котел-утилизатор, пароперегреватель, турбина, конденсатор и конденсатный насос, а для обратного цикла — испаритель, компрессор, конденсатор и дроссельный вентиль. Конденсатор является общим для осуществления как прямого, так и обратного циклов.
Механическая работа, полученная в прямом цикле, используется непосредственно в обратном для привода компрессора. Осуществление процесса конденсации при повышенном давлении позволяет нагреть теплоноситель до промежуточной температуры, необходимой для теплоснабжения.
Таким образом, в агрегате можно одновременно получить как холод, так и теплоту. Применение таких агрегатов целесообразно при использовании сбросной теплоты. Помимо холодильной техники они* могут быть использованы в качестве тепловых насосов (повышающих термотрансформаторов), для повышения температурного уровня источника сбросной теплоты, который в этом случае должен подводиться к испарителю. Действительный тепловой коэффициент и степень термодинамического совершенства циклов с турбиной и компрессором для достаточно высоких КПД последних будут выше, чем для абсорбционных и пароэжекторных холодильных машин.
Пути повышения эффективности теплохладоснабжения промышленных предприятий на базе источников теплоты различного температурного потенциала должны определяться на основе анализа энерготехнологических схем и их оптимизации. Разработка рациональных термодинамических циклов с применением рабочих веществ должна осуществляться для конкретных условий комплексного использования тепловой энергии различных видов на всех этапах осуществления технологических или иных процессов и создания высокоэффективного энерготехнологического оборудования для утилизации теплоты ВЭР и других источников.