Energy benefits of pumped antifreeze circulation for refrigeration

Abstract

The energy benefits of the application ofpump circulation of antifreeze for refrigeration supply of air conditioning systems are shown. A calculation using a special nomogram which demonstrated a real advantage of inclusion of the pump circulation of the antifreeze into the scheme was carried out.

Full Text

В системах кондиционирования воздуха (СКВ), холодоснабжение которых осуществляется с помощью холодильных машин, на 2.4 кВт • ч вырабатываемого холода расходуется 1 кВт • ч электроэнергии. Значительное сокращение затрат на электроэнергию при круглогодовой потребности в холоде достигается использованием естественного холода. В качестве характерного примера на рис. 1 представлена принципиальная схема кругло- годового холодоснабжения в новом цехе кондитерской фабрики (г. Москва).

В теплый период года холод вырабатывается с помощью холодильной машины, число которых в схеме равно трем. В испари теле холодильной машины охлаждается до = 6 °C вода, циркулирующая в контуре 8 под действием работы насоса типа UPS. В пластинчатом теплообменнике охлаждается до г_и = 9 °C вода, циркулирующая с помощью насоса, входящего в контур циркуляции 10, по трубопроводам 72через технологическое оборудование. Конденсатор холодильной машины 1 охлаждается антифризом, подаваемым с помощью насоса UPS в контур циркуляции 3. Отепленный до t_к = 40 °C антифриз насосом, входящим в контур 5, подается в теплообменник-охладитель 2, через который вентиляторами продувается наружный воздух в количестве L .

В климате г. Москвы расчетная температура наружного воздуха в теплый период года t_н = 28,5 °C [3]. Для принятого в схеме (см. рис. 1) температурного режима конденсации теплообмен ник- охладитель 2должен обладать следующей теплотехнической эффективностью:

Θ = (t_к-t_{к ох})/(t_к-t_н)(40 -34)/(40 - 28,5) = 0,52,

где t_{к ох} — температуры антифриза (см. рис. 1).

В холодный период года холодильная машина не работает, а охлаждение антифриза до t= 6 °C осуществляется в тегиюобменнике-охладитслс 2. Для принятого в схеме (см. рис. 1) температурного режима получения в теплообменнике-охладителе 2 естественного холода показатель теплотехнической эффективности принимает вид

Θ =(t_аф1-t_аф2)/(t_аф2-t_н)(12 — 6)/( 12 — t_н) - 0,52,

где (t_аф1,t_аф2- температуры антифриза (см. рис. 1).

Из преобразованного выражения дня показателя Θ, можно вычислить верхнее значение температуры наружного воздуха t_H, при которой обеспечивается получение естественного холода требуемой температуры (t_аф1 = 6 °C):

t_н = t_аф2-(t_аф2-t_аф1)/Θ= 12 - (12 - 6)/0,52 = 0,5 °C.                                                                                   

Температуры наружного воздуха от t_н = 0,5 °C и ниже наблюдаются в климате г. Москвы в течение не менее половины года, когда получение холода на нужды технологии будет достигаться без работы холодильных машин. Принципиально можно повысить показатель теплотехнической эффективности 0_т до 0,72, что позволит увеличить время использования холода наружного воздуха. Циркулирующий в контурах 3, 5 и 13 с помощью насосов антифриз должен иметь такую температуру замерзания, при которой в трубках теплообменника-охладителя 2 при минимальных температурах наружного воздуха сохранялось бы жидкое состояние хладоносителя. По данным климатологии, в г. Москве в период наиболее холодных суток t = — 35 °C. При остановленных насосах в контуре циркуляции 5 находящийся в трубках охладителя 2антифриз должен иметь температуру замерзания на 3...5 °C ниже 1 . Для климата г. Москвы можно принять t=- 38 °C, что потребовало применения в качестве антифриза водного раствора гликоля концентрацией 48 % [5]. Как известно, с понижением температуры значительно возрастают вязкость и объемная плотность антифриза, что вызывает увеличение гидравлического сопротивления в контурах насосной циркуляции. Насосы циркуляции антифриза в контурах 3, 5 и 13 имеют различные температурные режимы. Это необходимо учитывать при выборе мощности приводов насосов.

В контуре насосной циркуляции 3 в конденсатор холодильной машины / гликоль поступает с температурой p_аф = t_кох = 34 °C, при которой гликоль с концентрацией 48 % имеет массовую плотность р_аф = 1036 кг/м^? и кинематическую вязкость 3,2 мм²/с.

Puc. 1. Принципиальная схема круглогодового холодоснабжения технологического оборудования:1 холодильная машина; 2 — теплообменник-охладитель гликоля наружным воздухом; 3 — контур насосной циркуляции гликоля для охлаждения конденсатора холодильной машины; 4 — подающий и обратный коллекторы циркуляции гликоля через конденсаторы холодильных машин; 5 - контур насосной циркуляции гликоля; 6 - подающий и обратный коллекторы циркуляции гликоля через воздушные охладители; 7 — пластинчатый теплообменник охлаждения технологической воды гликолем; 8 — контур насосной циркуляции воды через испаритель холодильной машины; 9 подающий и обратный коллекторы циркуляции воды, охлаждаемой в испарителях холодильных машин; 10 — контур насосной циркуляции воды, охлаждаемой с помощью холодильных машин; 11 — пластинчатый теплообменник охлаждения технологической воды с помощью холодильных машин; 12- трубопроводы насосной циркуляции охлаждающей технологической воды; 13 — контур насосной циркуляции охлаждения пластинчатого теплообменника 

Для нахождения требуемых характеристик насоса, осуществляющего циркуляцию антифриза, применяется следующая последовательность. Первоначально контур циркуляции рассчитывают для перемещения с помощью насоса воды, расход которой одинаков с расходом антифриза (объемная плотность воды принимается при температуре 4 °C). По результатам расчетов определяют необходимый напор циркуляционного насоса H_w (м). Для нахождения требуемых характеристик насоса, осуществляющего циркуляцию антифриза, предлагается использовать имеющуюся в материалах фирмы «Грундфос» номограмму (рис. 2) для определения двух повышающих коэффициентов: возрастания напора А_н: увеличения требуемой мощности привода А. Требуемые напор И (м) и мощность привода V . (кВт) насоса находят по формулам:

Н _аф=Н_wК_н                                                                                              (1)

N_{нас аф} =(Q_аф H_аф ρ_аф K_N)/η_насη_эл3600 •100),                                   (2)

где N_{нас аф} объемный расход антифриза;(Q_аф H_аф ρ_аф  - КПД насоса и электродвигателя. Коэффициенты полезного действия насоса η_нас и электродвигателя η_эл могут быть приняты:η_нас = 0,6; η_эл = 0,95. 

В теплый период года в контуре циркуляции 3 (см. рис. 1) объемный расход гликоля Q_аф = 20 м³/ч. При циркуляции по этому кенгуру одинакового расхода воды расчетом получено значение напора Н_w = 8 м. По номограмме (см. рис. 2) находим:K_N= 1,015: K_H= 1,09. По формулам (1) и (2) вычисляем:

H_АФ = 8•1,015 = 8,12 м;

N_{нас аф} = (20-8,12•1036•1,09)/(0,6•0,95•3600•100) = 0,9 кВт.

По каталогу фирмы «Грундфос» можно найти рациональный типоразмер циркуляционного насоса UPS и уточнить действительное значение КПД насоса для повторного расчета по формуле (2) установочной мощности приводного электродвигателя. Широкое применение в контурах циркуляции 3, 10 и 13 насосов типа UPS объясняется их высокими энергетическими и эксплуатационными качествами при возможности обеспечения подачи до 80 м’/ч и создании напора до 12 м. Это, как правило, вполне достаточно для обеспечения постоянного расхода жидкости через теплообменные аппараты различной производительностью по охлаждению или нагреву. Наличие в этих контурах циркуляции трехходовых автоматических клапанов позволяет осуществлять надежные и экономичные схемы качественного регулирования [1].

В контуре 5 (см. рис. 1) под действием насоса циркулирует поступающий от трех холодильных машин антифриз, объемный расход которого 0_аф = 60 м’/ч. Гидравлическое сопротивление при циркуляции по этому контуру воды составляет 37 м. Наиболее низкие температуры антифриза в рабочем цикле холодоснабжения составляют t = 6 °C; они характерны в этом контуре циркуляции для холодного периода, когда р = 1056 кг/.м³ и коэффициент кинематической вязкости равен 14 мм²/с. По номограмме (см. рис. 2) находим: А'_н = 1,04; A'_v= 1,13. По формулам (1) и (2) вычисляем:

H_АФ= 37• 1,04 = 38,5 м;

N_{нас аф} ⁼ (60-38,5•1056•1,13)/(0,6•0,95•3600•100) = 13,4 кВт* ч.

При напоре до 60 м и постоянной подаче до 600 м³/ч рекомендуется применение насосов типа ТР или LM/LP фирмы «Грундфос», которые хорошо зарекомендовали себя в системах холодоснабжепия.

В результате охлаждения наружным воздухом потока антифриза, расход которого составляет 60 м³/ч, до t _ф= 6 °C обеспечивается получение следующего количества естественного холода:

Q_х.н= (Q_аф ρ_аф С_аф (t_аф2 t_аф1)/3600= 60- 1056-3,37(12 - 6)/3600 = 356 кВт*ч,

где с_ф — теплоемкость антифриза.

Для получения такого количества естественного холода используются циркуляционный насос и вентиляторы, подающие к трем охладителям антифриза наружный воздух. При расходе электроэнергии насосом N_{нас аф} = 13,4 кВт*ч общее потребление ее вентиляторами N_вн  = 18 кВт*ч. Энергетический показатель получения естественного холода:

η_х.н = Q_х.н/(N_{нас аф}+N_вн = 356(13,4 + 18) = 11,3.

По сравнению с использованием холодильной машины достигается следующее снижение расхода электроэнергии: 11,3/2,4 = = 4,7 раза.

В контуре циркуляции 5 (см. рис. 1) рационально применить насос с электронным регулированием частоты вращения, что позволит до 60 % сократить годовые затраты электроэнергии на работу насоса в системе холодоснабжения. Фирма «Грундфос» выпускает насосы UPE, LME/LPF. и ТРЕ с частотным преобразователем, встроенным в клеммную коробку электродвигателя. Более подробную информацию об этих насосах можно найти в каталогах фирмы.

Рис. 2. Номограмма для нахождения коэффициентов учета повышения напора Л1( и мощности электродвигателя насоса при работе на антифризе по сравнению с данными параметрами при работе на воде. Стрелками показано построение для режимов: подача (по воде) Qw = бОм/ч; 7 - 30м; подача (по циркулирующему антифризу) Qtf = 60м/ч.

Применение в системах кондиционирования воздуха насосной циркуляции антифриза через теплообменники в приточных агрегатах дает возможность не только экономить электроэнергию на получение холода, по и до 50 % снижать расход теплоты на подогрев приточного наружного воздуха [2].