Холодильные установки с промежуточным хладоносителем

Статья опубликована на сайте компании "ФАБС Инжиниринг"

М. Т. Ахметзянов

В настоящей статье приводится описание технических решений, заложенных в систему холодоснабжения реконструируемой части предприятия, а именно линии убоя птицы на Петелинской птицефабрике.

В последнее время идет пересмотр и переосмысление многих ставших привычными подходов к решению самых разнообразных технических задач. Так повышение требований к безопасности эксплуатации аммиачных систем привело к внедрению малоемких аммиачных холодильных установок. Однако ориентация на сокращение объемов хладагента представляется актуальной и для холодильных установок, работающих на фреоне. Это направление реализует на практике фирма «ФАБС Инжиниринг», спроектировавшая и запустившая в эксплуатацию несколько крупных холодильных систем с подачей холода в места потребления с помощью промежуточного хладоносителя.

Существующие холодильные системы по способу охлаждения классифицируются на системы с непосредственным охлаждением хладагентом и системы с охлаждением промежуточным хладоносителем.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили холодильные системы, работающие по принципу непосредственного охлаждения. Это связано с очевидными достоинствами таких систем: простотой схем, меньшими первоначальными финансовыми затратами на приобретение, более низкими удельными затратами энергии на получение холода, меньшими диаметрами трубопроводов и более компактным теплообменным оборудованием. Тем не менее, данным системам присущ и ряд недостатков. Прежде всего:

  • основные хладагенты (фреоны и аммиак) недопустимо использовать для охлаждения помещений, в которых предусматривается длительное нахождение и работа людей;
  • значительные потери давления в гидростатическом столбе жидкости при подаче углеводородных хладагентов на верхние этажи многоэтажных хладопредприятий, ведущие к существенной потере холодопроизводительности. Особенно заметно действие этого фактора при разнице высот более 10 м и низких температурах кипения;
  • проблемы с возвратом масла в случае разветвленной системы охлаждения территориально распределенного хладопредприятия;
  • опасность выброса жидкого хладагента из испарителя во всасывающую полость компрессора в условиях эксплуатации, допускающих резкие возрастания тепловой нагрузки;
  • значительные потери дорогостоящих углеводородных хладагентов в случае разгерметизации системы охлаждения и большие финансовые затраты на восполнение хладагента, особенно в случае разветвленных систем охлаждения;



Приведенные проблемы позволяют избежать холодильные системы с промежуточным хладоносителем, в которых охлаждение производится жидкостью, циркулирующей по системе трубопроводов от охладителя жидкости (чиллера) к конечным потребителям. Основными достоинствами таких систем являются:
  • отсутствие ограничений по высоте подачи жидкости и по предельному расстоянию между охладителем жидкости и охлаждаемыми помещениями. Требуемые параметры обеспечиваются выбором соответствующего напора насосной станции и толщины теплоизоляции трубопроводов;
  • простота регулирования температуры воздуха в камерах, возможность независимого регулирования температуры воздуха одновременно в большом количестве помещений, в том числе и при существенных различиях в поддерживаемых температурах;
  • компактная конструкция фреоновой части холодильной машины и минимальная потребность во фреоне;
  • большая аккумулирующая способность хладоносителя, более продолжительный межпусковой период и пониженная частота включения-выключения компрессоров;
  • в несколько раз меньшая стоимость хладоносителя по сравнению с хладагентами, что снижает финансовые потери в случае нарушения герметичности системы.

В качестве хладоносителей в системах охлаждения можно использовать водные растворы солей: NaCl, СаСl2, которые в силу дешевизны и доступности до последнего времени имели наибольшее распространение. Особенно широкое применение в холодильной технике получил рассол СаСl2, как имеющий наинизшую температуру замерзания -55°С. Такая температура исключает возможность замерзания рассола СаСl2 в испарителе и гарантирует высокую надежность системы.

Однако, несмотря на использование ингибиторов и прочих пассиваторов, коррозионная активность водных растворов солей остается достаточно высокой. Продолжительность эксплуатации рассольных систем в результате коррозии труб на 3-5 лет ниже систем непосредственного охлаждения.

В молочной промышленности широкое распространение получила вода. По совокупности свойств, предъявляемых к охлаждающим жидкостям: малая вязкость, большая плотность, высокие теплопроводность и теплоемкость, безопасность и безвредность, химическая стойкость, инертность по отношению к металлам, недефицитность и дешевизна – это идеальный хладоноситель. Однако температурная область применения воды ограничена: при температурах близких к нулю градусов Цельсия возникает опасность её замерзания и размораживания теплообменного оборудования.

По приведенным и некоторым другим причинам в последние годы на роль хладоносителей всё активней стали претендовать водные растворы этилен или пропилен гликолей, спирта или глицерина.

Фирма «ФАБС Инжиниринг», в частности, практикует использование водного раствора этиленгликоля, включающего в себя комплекс присадок и имеющего гигиеническое заключение, разрешающее его  применение в системах кондиционирования, хладо- и теплоснабжения. Такой хладоноситель не оказывает агрессивного воздействия на сантехническую резину и прокладки, что уменьшает возможность протечек и повышает надежность работы жидкостных циркуляционных контуров.  В  случае нецелесообразности использования водного раствора этиленгликоля или по желанию заказчика может быть применен любой другой хладоноситель.

Примером системы с этиленгликолевым промежуточным хладоносителем может служить холодильная установка, созданная «ФАБС Инжиниринг» на  мясоперерабатывающем комбинате «МПК Пензенский».

Потребности комбината диктовались необходимостью охлаждения куттеров, ванны ветчины и 4-х камер хранения с поддержанием в них температуры от –3°С до –6°С по возможности с помощью одной холодильной системы. При этом всё перечисленное расположено в разных местах вытянутого на 150 метров одноэтажного производственного здания комбината, а куттеры и ванна ветчины активно использовались в производственном процессе и охлаждались ледяной водой, получаемой с помощью аммиачной холодильной установки, подлежащей выводу из эксплуатации. Другими словами, вновь создаваемая холодильная система, помимо прочего, должна была обладать возможностью подключения к действующему оборудованию без его длительной остановки.

Для обеспечения холодом такого разнообразия потребителей со столь разнообразными требованиями было решено использовать холодильную схему с промежуточным хладоносителем и  расположением компрессорного оборудования в непосредственной близости от самых крупных из охлаждаемых камер. В конечном итоге была разработана установка с единым циркуляционным контуром хладоносителя и двумя параллельно устанавливаемыми чиллерами одинаковой конструкции суммарной холодопроизводительностью 950 кВт.

Главное достоинство такой схемы возможность поэтапного ввода оборудования в эксплуатацию. В первую очередь на Пензенском мясокомбинате был смонтирован циркуляционный контур и один чиллер холодопроизводительностью 475 кВт. Это позволило включить в работу куттеры, ванну ветчины и две камеры хранения, удовлетворив, таким образом, первоочередные потребности предприятия и создав предпосылки зарабатывания средств на дальнейшее развитие.

Чиллер, разработанный для «МПК Пензенский», представляет собой 4-х компрессорный блок с общим фреоновым контуром (фреон R22) и кожухотрубным испарителем. Конденсатор выносной с воздушным охлаждением. Получаемая температура раствора этиленгликоля на выходе из испарителя -14°С.

Фото: Чиллер на базе 4-х компрессоров HSN7471-75 (Bitzer).
Холодопроизводительность 475кВт при Ткип.= -19°С и Тконд.= +44°С.

К особенностям чиллера следует отнести использование пластинчатого маслоохладителя с охлаждением масла раствором этиленгликоля, охлаждаемого в свою очередь в «сухой» градирне. Подобное решение появилось в результате пожелания Заказчика не портить внешний вид здания размещением перед ним маслоохладителя с воздушным охлаждением. Так маслоохладитель был сокращен в размерах и помещен в компрессорный блок, а охладитель гликолевого контура охлаждения масла размещен на крыше. В результате не только сохранился дизайн здания, но и улучшился внешний вид компрессорного блока, с прохода были убраны трубы отвода-подвода масла, упростился доступ к блоку для обслуживания и ремонта.

Упрощенная схема холодильной системы

1 - Чиллер,
2 - Бак-аккумулятор и насосная станция для подачи охлаждаемого раствора гликоля,
3 - Воздушный конденсатор,
4 - Воздухоохладители,
5 - Пластинчатый теплообменник для охлаждения воды,
6 - Насосная станция для подачи раствора гликоля для охлаждения масла,
7 - Охладитель раствора гликоля (драйкулер).

Система холодоснабжения с использованием промежуточного хладоносителя Пензенского мясокомбината позволила обойтись заправкой 300 кг фреона R22  при холодильной мощности установки  475 кВт, и требует 600 кг фреона при работе на полной холодильной мощности 950 кВт. Для заправки аналогичной по мощности холодильной системы с непосредственным охлаждением потребовалось бы более 4000 кг фреона (в зависимости от удаленности потребителей холода и протяженности трубопроводов). Только одно предположение о возможной потере такого количества фреона в результате разгерметизации системы вызывает нехорошие ощущения.

В отличие от пензенского проекта, предусматривающего поэтапный ввод холодильной установки в эксплуатацию путем монтажа циркуляционного контура с незамерзающей жидкостью и последующим подключением к нему дополнительного чиллера, воздухоохладителей и другого оборудования на Волгоградском мясокомбинате принят несколько другой подход.

Производственные площади этого предприятия расположены в 5-ти этажном здании с подвалом, в котором также размещена часть холодильных камер. Значительное количество незадействованных в настоящее время камер также требует поэтапного подхода к вводу их в эксплуатацию. Большинство из вводимых камер относятся к среднетемпературным, которые можно разделить на два типа:

  • камеры с температурным режимом «+4 – +6°С» (камеры тепловой обработки продукции и её хранения);
  • камеры с температурным режимом «+12 – +14°С» (технологические камеры переработки продукции).

Применение непосредственного охлаждения в технологических камерах запрещено «Правилами по охране труда при эксплуатации холодильных установок».

В этой ситуации было решено использовать системы с промежуточным хладоносителем и модульным принципов построения. Для этого был спроектирован базовый охладитель жидкости–чиллер, на основе которого изготовлены чиллеры двух модификаций: холодопроизводительностью 270 и 350 кВт. Первый из охладителей оптимизирован на холодоснабжение камер с температурным режимом «+4 – +6°С», а второй – камер с температурным режимом «+12 – +14°С».




Основой модуля, в данном случае, являются чиллеры. В состав модуля моноблочного исполнения входит смонтированное на единой раме все основное оборудование: компрессор, кожухотрубные конденсатор и испаритель, фильтры механической очистки охлаждающей воды, запорно-регулирующая трубопроводная арматура и др.

Отличительная особенность модуля – концентрация основных функций и компактность. Последнее достигнуто использованием комбинированного и малогабаритного оборудования:  компрессоров «Bitzer» компактной серии CSH со встроенным маслоотделителем, пластинчатых теплообменников-экономайзеров, дисковых водяных затворов.

Фото: Чиллер на базе компрессора CSH 8571-140.
Производительность270 кВт при Ткип.= -10°С,Тконд.= +40°С.

Несмотря на оптимизированность и разную индексацию каждый из упомянутых типов чиллеров по сути дела представляют собой один и тот же модуль: отличие заключается только в конденсаторах, незначительно отличающихся по геометрическим размерам.

Построение систем холодоснабжения производится путем проектирования и монтажа циркуляционных контуров  раствора этиленгликоля и привязки их к конкретным модулям соответствующей модификации и охлаждаемым камерам.

Дополнительным методом агрегирования оборудования является использование для нескольких модулей с автономными циркуляционными контурами общих накопительных баков раствора этиленгликоля, насосных станций и возвратных трубопроводов. Это укрупняет оборудование и системы, уменьшает номенклатуру применяемого оборудования и количество систем, ведет к сокращению стоимости оборудования и повышению компактности его компоновки.

Схема

Благодаря компактности чиллеров-модулей достигнутая заправка фреона в один модуль не превышает 40 кг.

Созданные для Волгоградского мясокомбината чиллеры можно эффективно использовать и на других предприятиях, как в неизменном виде, так и оптимизированными под конкретные условия. Оптимизация может быть достигнута настройкой установки, а если этого недостаточно – подбором более оптимального конденсатора.

Накопленный опыт позволяет сделать выводы о более простой эксплуатации установок с промежуточным хладоносителем, в частности:

  • упрощается обслуживание, так как большая часть оборудования сосредоточена в одном месте;
  • отсутствуют проблемы с возвратом масла;- упрощается запуск в холодное время года;
  • компактность компрессорного блока и локализация фреона в ограниченном объеме, упрощает контроль герметичности, способствует его более тщательному проведению;
  • сглаживание резких колебаний тепловой нагрузки отдельных потребителей за счет их перераспределения на всю массу хладоносителя, исключает выбросы жидкости, имеющие место в установках непосредственного охлаждения при резком росте тепловой нагрузки, стабилизирует режим работы компрессора, делает ее более надежной, ведет к сокращению ремонтных работ.

Кроме того, стабильная работа компрессора позволяет упростить конструкцию установки и снизить ее стоимость.

Несомненным преимуществом систем холодоснабжения с промежуточным хладоносителем также являются более широкие возможности по поэтапному вводу в эксплуатацию и постепенному наращиванию числа потребителей.

В настоящее время считается, что затраты на эксплуатацию систем с промежуточным, в частности с рассольным охлаждением, на 20-25% выше, чем у систем непосредственного охлаждения. Это действительно справедливо для особоагрессивных хладоносителей, к каковым относятся растворы солей.

Новые хладоносители обладают много меньшей коррозионной активностью, чем рассолы. К тому же появились более совершенная трубопроводная арматура, уплотнения насосов с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Всё это позволяет выполнить жидкостные циркуляционные контуры более долговечными, требующими меньшего внимания и затрат на обслуживание и ремонтно-восстановительные работы. Современные холодильные системы с промежуточным хладоносителем во многих случаях показали себя более предпочтительными, чем установки с непосредственным охлаждением и, несомненно, заслуживают серьезного внимания.

наверх ^