Использование естественного холода в технологических процессах
Рост тарифов на электроэнергию, увеличение дефицита энергомощностей заставляет инвесторов внедрять в различных производственных сферах энергосберегающие технологии. Очень эффективным мероприятием, с точки зрения сокращения расходов электроэнергии на охлаждение промышленных вод и увеличения ресурса работы холодильного оборудования, является использование естественного холода в системах чиллеров с фрикулингом. Климат России позволяет широко внедрять технологии охлаждения с применением естественного холода в различных производствах почти на всей ее территории. На сегодняшний день чиллеры с фрикулингом получили наибольшее распространение в технологическом кондиционировании воздуха в молочной промышленности для охлаждения масла и молока, при производстве макаронных изделий, соков, пива, газированных напитков, вин, в химической промышленности и при производстве различных изделий из пластмасс.
Нашей задачей на таких производствах является охлаждение жидкого хладагента до заданной температуры при помощи холодильной установки (чиллера) или наружного воздуха. Во всех случаях (за исключением охлаждения технологической жидкости в градирнях открытого типа) для охлаждения хладоносителя при помощи наружного воздуха используются оребренные воздушные теплообменники(Аппараты Воздушного Охлаждения - АВО, или так называемые сухие охладители. Современные технологии изготовления таких теплообменников позволяют обеспечить эффективное охлаждение воды в промышленности (пищевой, химической и т.д.). При этом температурный напор между охлаждающим воздухом и жидкостью, входящей в теплообменник, составляет 5–7 °С, а в некоторых случаях 1-2°С. Поэтому нетрудно подсчитать время эффективного использования холодильных машин с естественным охлаждением для различных производств, расположенных в той или иной климатической зоне. Для этого необходимо знать температуру хладоносителя, используемого в технологическом процессе, и среднегодовой график изменения температур в данной местности.
Область применения чиллеров с фрикулингом:
- Охлаждение воды в химической промышленности (ее используют для охлаждения аппаратов и продуктов: кислот, пластмасс, продуктов органического синтеза, для их промывки, при перегонке веществ, а также оборотного водоснабжения).
- Машиностроение (охлаждение станков и другого оборудования, охлаждение жидкостей для шлифования, масел, охлаждающих жидкостей в генераторных установках – дизельных и газопоршневых, трансформаторных масел)
- Охлаждение молока, масла и других продуктов в пищевой промышленности.
Так как практически на всех производствах охлаждение требуется круглый год, и при этом температура хладоносителя, как правило, ниже температуры окружающего воздуха в теплый период года, то возможно применение комбинированных схем машинного и естественного охлаждения технологической воды.
Рассмотрим в качестве примера технологический процесс, когда температура охлаждающей жидкости должна быть 15 °C:
- в теплый период года при температурах наружного воздуха t нар=15 °C весь процесс происходит за счет парокомпрессионного цикла холодильного контура чиллера;
- при температурах наружного воздуха 7–15 °С возможен смешанный режим охлаждения: частично в холодильном контуре чиллера и частично в сухом охладителе;
- при t нар < 10 °C процесс охлаждения можно полностью реализовать в сухом охладителе. В табл. 1 приведены данные по количеству дней в году со средней температурой < 8 °С. В этот период потребность в работе холодильного контура отсутствует полностью.
Табл. 1 Ориентировочный период со среднесуточной температурой воздуха < 8 °С.
| Город | Продолжительность, сутки |
| Мурманск | |
| Архангельск | |
| Петрозаводск | |
| Санкт-Петербург | |
| Иркутск | |
| Красноярск | |
| Новосибирск | |
| Омск | |
| Екатеринбург | |
| Казань | |
| Москва | |
| Н.Новгород | |
| В.Новгород | |
| Самара | |
| Волгоград | |
| Краснодар | |
| Кустанай | |
| Астана |
°С 
Рис. 1. При температуре окружающего воздуха выше температуры охлаждаемой жидкости поток этой жидкости через трехходовой клапан поступает в испаритель холодильной установки, где охлаждается до заданной температуры
Рис. 2. Если температура окружающего воздуха опускается ниже температуры охлаждаемой жидкости, поток этой жидкости через трехходовой клапан поступает в батарею сухого охладителя, где охлаждается потоком воздуха. При этом температура охлаждаемой жидкости не достигает заданных значений. Далее поток этой жидкости направляется в испаритель чиллера, где охлаждается до заданного значения температуры. Холодильная установка в этом случае работает не на полную мощность, которая будет снижаться по мере понижения температуры окружающего воздуха
Рис. 3. При определенных значениях температуры окружающего воздуха температура охлаждаемой жидкости на выходе из батареи сухого охладителя достигнет заданного значения, и чиллер с фрикулингом отключится, т.е. охлаждение будет производиться только с использованием естественного холода. По мере дальнейшего понижения температуры окружающего воздуха для поддержания заданной температуры охлаждаемой жидкости будет уменьшаться поток воздуха через батарею сухого охладителя. При нижних значениях температуры окружающего воздуха и нулевом потоке воздуха через батарею сухого охладителя (выключенных вентиляторах) температура охлаждаемой жидкости на выходе из батареи может быть ниже заданной. Модулирующий трехходовой вентиль разделяет поток охлаждаемой жидкости и часть его направляет непосредственно в испаритель, а часть - в батарею сухого охладителя. Далее эти потоки смешиваются, и на выходе из машины температура жидкости достигнет заданного значения. Таким образом, обеспечивается надежная работоспособность установки при низких – вплоть до –40 °С – температурах окружающего воздуха
В промышленно развитых странах уже широко используются установки для охлаждения жидкостей с объединенными батареями воздушного конденсатора и сухого охладителя, имеющие единую микропроцессорную систему управления. В таких системах охлаждения жидкостей, как правило, батареи воздушных конденсаторов и батареи сухих охладителей имеют общее алюминиевое оребрение, что обеспечивает компактность этих установок, а соответственно, удобство транспортировки и размещения на объекте. Принцип работы чиллера с фрикулингом приведен на рис. 1–3.
Автоматика чиллера в каждый момент времени сама выбирает режим охлаждения технологической жидкости: машинный, естественный или смешанный, что позволяет обеспечить максимальное энергосбережение. В режиме естественного охлаждения работают только вентиляторы, которые в блочных машинах используются и для охлаждения воздушного конденсатора. Потребляемая мощность этих вентиляторов не превышает 10 % от потребляемой мощности водоохлаждающей установки, работающей в режиме машинного охлаждения. При низких температурах для поддержания заданной температуры охлаждаемой жидкости уменьшается поток воздуха через батарею охладителя. Делается это либо за счет изменения частоты вращения вентиляторов, либо за счет отключения части из них. Потребляемая мощность системы охлаждения жидкости при этом также будет снижаться.
Несмотря на то, что стоимость водоохлаждающих чиллеров с фрикулингом увеличивается на 20–25 %, их внедрение крайне выгодно. Во-первых, применение таких чиллеров для охлаждения воды в пищевой промышленности и других отраслях позволяет значительно сэкономить электроэнергию, а, следовательно, стоимость водоохлаждающих машин с естественным охлаждением окупится в кратчайшие сроки. Во-вторых, система free cooling увеличивает рабочий ресурс установки, что, в свою очередь, дает возможность сокращать расходы на ремонт холодильных установок и замену изнашиваемых деталей.
Расчет окупаемости затрат на приобретение водоохлаждающих установок для охлаждения промышленной воды.
Срок окупаемости увеличения капитальных затрат в случае приобретения чиллера с фрикулингом можно рассчитать по формуле:
Ток = (КЗ2 – КЗ1) / [(Nэл.1 – Nэл.2) n • Т],
Где
Ток – срок окупаемости увеличения капитальных затрат, лет;
КЗ1 – капитальные затраты на оборудование без фрикулинга, руб.;
КЗ2 – капитальные затраты на холодильные машины с естественным охлаждением, руб
Nэл.1 – потребляемая мощность оборудования в режиме машинного охлаждения, кВт;
Nэл.2 – потребляемая мощность оборудования в режиме фрикулинга, кВт;
N – годовая наработка оборудования в режиме фрикулинга, ч;
T – тариф на электроэнергию, руб./(кВт•ч).
Приведем пример расчета на основе водоохлаждающей установки с естественным охлаждением
– охлаждаемая жидкость – 30-процентный раствор этиленгликоля;
– температура входящей жидкости – 20 °С ;
– температура выходящей жидкости – 15 °С;
– холодопроизводительность – 1 015 кВт;
– потребляемая мощность в режиме машинного охлаждения – 304 кВт ;
– потребляемая мощность в режиме freecooling – 43 кВт.
Разница между ценой холодильной установки с естественным охлаждением и без него составит порядка 42 тыс. евро.
Предполагается круглогодичная работа установки, 24 часа в сутки.
Климатическая зона использования – Москва, количество дней со средней температурой +7 °С и ниже – 200 (табл. 1). Таким образом, годовая наработка установки с использованием free cooling составит порядка 4 800 часов.
При стоимости 1 кВт•ч электроэнергии 6 евроцентов срок окупаемости увеличения капитальных затрат составит:
Ток= 42 000/(304 – 43) х 4 800 x 0,06 = 0,56 года (или 204 дня).
Таким образом, в данном случае использование водоохлаждающие установки с естественным охлаждением экономически оправдано и целесообразно. Реальный срок окупаемости холодильной машины с естественным охлаждением – один цикл «осень–зима–весна». При этом мы не учитывали пониженную амортизацию оборудования, так как компрессоры работали около половины срока эксплуатации холодильной машины с естественным охлаждением.