Improving the efficiency of refrigeration with pump circulation of antifreezes.

Abstract

The advantages of use of an antifreeze as a cooling medium in air conditioning systems are shown. The sequence of design steps of the pump installation for antifreeze circulation is presented. Four versions of pump installations for antifreeze circulation are compared. It is shown that in case of proportional control of the head of pumps a decrease in energy consumption up to 49 % from that in the uncontrolled pump installation is possible.

Full Text

Применение промежуточного хладоносителя позволяет существенно сократить объем хладагента, заправляемого в холодильную машину, благодаря сокращению протяженности коммуникаций.

Объемная теплоемкость жидкостей в десятки раз больше, чем газов. Поэтому применение жидких промежуточных хладоносителей (как правило, воды) приводит к уменьшению сечений трубопроводов и снижению энергозатрат на циркуляцию по сравнению с использованием воздуха.

Для охлаждения воздуха в камерах хранения пищевых продуктов до отрицательных температур в качестве хладоносителя целесообразно использовать незамерзающие растворы - антифризы.

Среди антифризов применяемых в отечественной пищевой промышленности наибольшее распространение получили растворы хлористого натрия, хлористого кальция, этиленгликоля. Однако эти растворы имеют серьезные недостатки. Растворы хлористого натрия и хлористого кальция характеризуется сильной коррозионной активностью, приводящей к быстрому разрушению трубопроводов и теплообменного оборудования. Растворы этиленгликоля ядовиты, в связи с чем их попадание на пищевые продукты при утечке из систем охлаждения камер и торговых прилавков недопустимо. К числу полностью безопасных антифризов относится пропилен гликоль [3]. По своему внешнему виду — это бесцветная густая жидкость, малорастворимая в воле. В целях обеспечения высоких антикоррозионных качеств раствора пропилен гликоля для его приготовления необходимо использовать дистиллированную воду. В работе [3] описаны методы получения качественных растворов на основе пропиленгликоля.

Рис. 1. Графики зависимости кинематической вязкости (а) и плотности (б) водного раствора пропиленгликоля от температуры

На рис. 1 представлены графики зависимости кинематической вязкости и плотности водных растворов пропиленгликоля от температуры. Из графиков видно, что с повышением концентрации и снижением температуры резко возрастают вязкость и плотность раствора пропиленгликоля. Это приводит к значительному росту гидравлического сопротивления при движении раствора по трубопроводам и аппаратам.

Стрелками на графиках показан пример определения свойств раствора с температурой —20 °C, состоящего из 57 % пропиленгликоля и 43 % дистиллированной воды. Раствор, подаваемый в воздухоохладители, не должен замерзать (рабочие точки на графике расположены правее линии замерзания).

Расчет мощности электродвигателя насоса и напора, требуемого для перемещения антифриза, рекомендуется проводить по методике, изложенной в работе 141. Сначала рассчитывают гидравлическую сеть для условий перемещения но пей воды, расход которой равен расходу антифриза. По найденному значению напора насоса, требуемого для перемещения воды, определяют коэффициенты повышения напора А1 и мощное KN электродвигателя для перемещения по гидросети антифриза заданных концентрации и температуры. Для этого используют номограмму, приведенную в [4].

Чем выше концентрация и ниже температура антифриза, тем выше значения поправочных коэффициентов и KN. Следовательно, для циркуляции антифриза необходимо применять насосы с большими напором и мощностью привода, чем у насосов, используемых для циркуляции воды равного расхода.

Подвод холода к объекту охлаждения обычно регулируют путем изменения расхода хладоносителя через местный воздухоохладитель. Температурный датчик, расположенный в охлаждаемом объекте, воздействует на автоматический клапан, изменяющий расход охлажденного антифриза через трубки воздухоохладителя. Для сокращения энергозатрат на циркуляцию антифриза рекомендуется применять насосы с электронным регулированием частоты вращения приводного электродвигателя.

Рис. 2. График годового энергопотребления системы холодоснабжения с изменяющейся тепловой нагрузкой при расчетном расходе хладоносителя 204 лд/ч

Фирма «Грундфос» разработала, производит и поставляет эффективные насосы для циркуляции антифриза в системах хладоснабжения. На рис. 2 и в таблице представлены данные о годовом энергопотреблении насосов расчетной производительностью 204 м3/ч в системе холодоснабжения. Сравниваются четыре варианта насосных установок циркуляции антифриза.

Вариант А соответствует традиционному решению применения нерегулируемого насоса с постоянной объемной подачей хладоносителя. На трубопроводах к воздухоохладителям установлены трехходовые автоматические вентили, поддерживающие расход антифриза постоянным. Энергопотребление насоса (точка 4 на рис. 2) соответствует расчетному режиму и не изменяется в течение года. Для этого варианта годовой расход электроэнергии принят за 100 %.

Вариант Б. Применены три насоса типа «Инлайн» LP80-160/154. Один из них отрегулирован на постоянный перепад давлений в подающем и всасывающем трубопроводах и оснащен электронным управлением частотой вращения двигателя. Два других насоса включаются или выключаются в зависимости от расхода антифриза через местные воздухоохладители, регулируемого автоматическими клапанами. Этот вариант насосной системы применим во всех рабочих режимах (точки с 1 по 4). При этом годовой расход электроэнергии составляет 79 % от традиционного решения.

Вариант В. Применяются три насоса типа «Инлайн» ТРЕ8-240, каждый из которых оснащен встроенным датчиком, отслеживающим постоянный перепад давлений. Благодаря автоматическому поддержанию перепада давлений в подающем и отводящем трубопроводах годовой расход электроэнергии снижается до 61 % от традиционного решения.

Вариант Г. Применяются три насоса типа «Инлайн» ТРЕ80-240 со встроенными датчиками, обеспечивающими пропорциональное изменение напора насосов в зависимости от тепловой нагрузки системы. Благодаря такому изменению напора насосов достигается наибольшее снижение расхода электроэнергии - до 49 % от традиционного решения.

По данным таблицы можно определить годовое снижение оплаты за электроэнергию в варианте Г по сравнению с вариантом А [стоимость электроэнергии принимаем 0,9 руб/(кВт* ч)]:

С_эл = (∑N_А- ∑N_г)•С_эл= (111300 - 54500) • 0,9 = 51120 руб/год, где Nx и Wr — энергопотребление в вариантах А и Г соответственно.

Необходимо отметить тенденцию повышения цен на энергоносители до мирового уровня. В этих условиях окупаемость более дорогих насосов с электронным управлением (наличие буквы Е в конце наименования типоразмера) будет выше окупаемости традиционных нерегулируемых насосов.

Все консультации по применению современных насосов можно получить фирме «Грундфос» и в ее представительствах в различных городах России по адресам, указанным в рекламе.