Cascade systems with C02 - a promising trend in refrigeration technology (York)

Abstract

Currently, the main refrigerant used in large industrial refrigeration plants is ammonia. This is due to its excellent thermodynamic properties and environmental friendliness. At the same time, many big refrigeration facilities are located in the densely populated regions, which is not safe for the population in case of emergency emission of ammonia. Various technical solutions are currently used for localization and reduction of emissions.

Full Text

В настоящее время основным хладагентом, используемым в крупных промышленных холодильных установках, является аммиак. Это связано с его отличными термодинамическими свойствами и экологической безопасностью для окружающей среды. В то же время многие крупные холодильные станции размещаются в густонаселенных районах, что небезопасно для населения в случае аварийных выбросов аммиака. Для локализации и уменьшения выбросов в настоящее время используются различные технические решения:

•    повышение надежности работы холодильной станции за счет автоматизации управления и контроля;

•    уменьшение аммиакоемкости системы путем разделения ее на отдельные технологические блоки для минимизации единичной заправки установок;

•    использование промежуточного хладоносителя и холодильных машин с дозированной заправкой;

•    применение систем локализации аварийных выбросов и эвакуации аммиака из помещений холодильных станций (вентиляция, дренчерные системы и т.д.);

Все перечисленные меры позволяют снизить опасность аварийных выбросов аммиака для населения, но не обеспечивают полную его защиту. В то же время названные меры приводят к существенному увеличению стоимости холодильной станции и в большинстве случаев к ухудшению ее энергетических и эксплуатационных показателей.

Как это ни странно, но техническое решение, лишенное перечисленных недостатков, известно очень давно.

Оно может быть реализовано с помощью СО₂ - диоксида углерода, который еще в конце XIX в. был применен в качестве хладагента для первых холодильных машин. Но от его использования пришлось отказаться из- за высокого давления конденсации (около 72 бар при температуре конденсации 30°С).

В последние годы во всем мире в связи с ужесточением требований к защите окружающей среды и населения появляется все больше новых и реконструированных каскадных холодильных систем, использующих традиционные хладагенты в верхней и диоксид углерода - в нижней ветви каскада. Это позволяет поддерживать давление диоксида углерода в пределах 5,5...32 бар, что соответствует его температуре -55...-3ºС.

Основным преимуществом такой схемы является минимальная заправка холодильной установки традиционным хладагентом. При этом она не зависит от общей емкости холодильной системы с учетом потребителей. Это решение позволяет, как минимум, на порядок снизить количество хладагента в системе.

Сравнительная эффективность холодильных систем (t=35°C)

1— каскадная (CO₂/NH₃)

2 — двухступенчатая с открытым промсосудом (NH₃)

3 — одноступенчатая с экономайзером (NH₃)

Кроме того, применение диоксида углерода в области относительно низких температур, где он особенно эффективен, приводит к ряду уникальных возможностей, связанных с его термодинамическими свойствами:

• достижение требуемой температуры в охлаждаемых объектах (до -55°С) при малых энергетических затратах;

•   меньшая материалоемкости более компактное исполнение по сравнению с машинами, использующими традиционные хладагенты и хладоносители при прочих равных условиях;

•  обеспечение высокой безопасности для окружающей среды и населения;

Эффективность применения тоге или иного вещества в качестве хладагента определяется его термодинамическими свойствами, в частности плотностью и скрытой теплотой парообразования: эффективность тем больше, чем выше значения этих параметров.

Другими словами, небольшой поршневой компрессорный агрегат, работающий на СО₂, при одинаковых рабочих температурах обеспечит такую же холодопроизводительность, как и высокопроизводительный винтовой агрегат на традиционных хладагентах в том числе и на аммиаке.

Диапазон рабочих температур поршневых компрессорных агрегатов НРО и НРС, работающих на СО₂

В нижней ветви каскада диоксид углерода может использоваться как хладагент или как “псевдохладоноситель”.

В первом случае цикл нижней вето каскада аналогичен циклу с традиционным хладагентом. Во втором случае жидкий СО₂ насосом подается из конденсатора в испаритель и кипит в нем при повышенном давлении; обратно конденсатор СО₂ поступает за счет разницы давлений.

Подобный цикл менее эффективен, ем цикл компрессионной холодильной машины, однако гораздо эффектнее цикла с традиционным промежуточным хладоносителем, так как теплопередача с изменением агрегатного состояния всегда эффективнее.

Холодильная машина с использованием СО₂ как «псевдохладоносителя» имеет недостатки, свойственные системам с промежуточным хладоносителем: температура кипения хладагента (в верхней ветви каскада) ниже температуры хладоносителя, т.е. энергетическая целесообразность применения таких систем при температуре хладоносителя ниже -20°С невелика.

В настоящее время фирмой YORK освоен полный спектр стандартизированного и сертифицированного холодильного оборудования, предназначенного для каскадных систем, работающих на СО₂.

Наиболее ответственным элементом подобной холодильной установки является компрессор для диоксида углерода. К нему предъявляются повышенные требования: работа при высоком давлении конденсации, низкой температуре всасывания и надежность. Компанией YORK специально разработаны серии поршневых НРО, НРС и винтовых RWB II, RXF компрессорных агрегатов, отличающихся усиленным исполнением корпуса, клапанной доски (для поршневых), специальным исполнением всасывающей полости и панелью контроля и управления, оптимизированной для данного режима работы.

Отдельно следует отметить специально разработанный кожухотрубный теплообменник с межтрубным кипением, используемый в качестве испарителя-конденсатора в каскадных системах. Это теплообменник затопленного типа с пучком трубок малого диаметра для СО₂, что позволяет снизить емкость верхней ветви каскада по хладагенту.

Фирма YORK выпускает сосуды низкого давления для нижней ветви каскадных систем с диоксидом углерода. Эти сосуды проходят специальную термообработку для работы при низких температурах (до -60°С). Они безопасны в эксплуатации при повышении давления в сосуде сверх рабочего значения.

Согласно последним требованиям PED (новых европейских правил для сосудов, работающих под давлением) расчетное давление для сосудов, а также клапанов, вентилей и др. составляет 40 бар. Это обстоятельство позволяет использовать стандартную арматуру в нижней ветви каскада на CO₂.

Кроме того, фирмой YORK разработан модельный ряд стандартных агрегатированных каскадных холодильных установок CAFP, в состав которых входят поршневой компрессорный агрегат SMC с пластинчатым водяным конденсатором в верхней ветви каскада и поршневой агрегат НРО/НРС с насосно-циркуляционным ресивером и насосами - в нижней ветви, а также кожухотрубный теплообменник в качестве испарителя-конденсатора и система поддержания давления в нижней ветви каскада. Все элементы установки размещены на общей раме.

Поршневые компрессорные агрегаты

Использование диоксида углерода требует принятия специальных мер во избежание превышения расчетного давления. Для этого в систему вводится небольшой холодильный контур с традиционным хладагентом, компенсирующий теплопритоки в нижней ветви во время остановки системы. Помимо этого на каждый элемент нижней ветви каскада должен быть установлен двойной предохранительный клапан для предотвращения разрыва сосудов и трубопроводов. Небольшой выброс СО₂ в атмосферу абсолютно безопасен как для окружающей среды, так и для обслуживающего персонала.

В промышленных холодильных установках воздухоохладители обычно оттаивают горячими парами хладагента. Этот способ применим и в системах с диоксидом углерода, однако для его реализации требуется дополнительный компрессорный агрегат, а температура горячих паров СО₂, от которой зависит эффективность оттайки, по понятной причине не может быть слишком высокой. Поэтому в холодильных системах с СО₂ рекомендуется использовать другие варианты оттайки воздухоохладителей.

Диоксид углерода обладает высокой плотностью и низкой вязкости что дает возможность обслуживая потребителей холода на более значительном расстоянии от холодильной станции, применять трубопровод меньших диаметров, а также более компактные многозаходные теплообменники при сохранении приемлемого значения гидравлического сопротивления системы. Это значительно снижает стоимость оборудования. Кроме того, труба меньшего диаметра обладает большей прочностью при той же толщине стенки, что чрезвычайно важно при работе с диоксидом углерода.

Основными потребителями каскадных холодильных систем являют предприятия пищевой промышленности: фабрики мороженого, производители замороженных продукта крупные промышленные склад предприятия нефтехимической индустрии и др.

Пластинчатый каскадный испаритель-конденсатор

Эксплуатация каскадных систем применением СО₂ в Европе показа их высокие эксплуатационные качества, безопасность и экономичное Несколько десятков таких каскада холодильных систем было смонтировано фирмой YORK за последние годы.

Кожухотрубный каскадный испаритель-конденсатор

Примером отлично работающей каскадной холодильной станции СО₂ является система холодоснабжения комбината по изготовлению полуфабрикатов в г. Белефельд (ФРГ). Эта современная система холодопроизводительностью 470 кВт, спроектированная в 2000 г., обеспечивает холодом потребителей на температурном уровне -52°С.

Агрегативная каскадная холодильная установка CAFP

Проведенные в России исследования показали большую заинтересованность ряда крупных предприятий различных отраслей промышленности в продвижении каскадных систем на российский рынок.

Сравнение фактических финансовых затрат (%) на каскадные и двухступенчатые системы охлаждения при t₀=—54°С и t_к=+35°C

Каскадные холодильные машину диоксидом углерода можно применять и при реконструкции действующих холодильных систем.

Фирма YORK имеет богатый опыт проектирования и монтажа каскада систем на базе имеющегося у заказчика холодильного оборудования.