Analysis of refrigeration unit with freecooling

Full Text

ОБОСНОВАНИЕ

Применение искусственного охлаждения в молочной промышленности является критически важным аспектом, обеспечивающим не только сохранность продукции, но и оптимизацию производственных процессов. В последние годы особое внимание уделяется энергосберегающим технологиям и использованию природных хладагентов, что обусловлено как экономическими, так и экологическими факторами.

Снижение энергопотребления является актуальной задачей при эксплуатации холодильной установки. Важность данной задачи решается на государственном уровне (Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации») и собственниками холодильного оборудования. Одним из решений задачи, наряду с алгоритмом «плавающего давления конденсации» [1], снижением величины температурного напора в конденсаторах воздушного охлаждения [2], применением аккумуляторов холода [3, 4], с целью повышения эффективности является использование так называемой функции «свободного охлаждения» («фрикулинг») при температуре окружающей среды ниже требуемой.

«Фрикулинг» — это система, которая позволяет использовать низкие уличные температуры для охлаждения производственных помещений и технологических установок, снижая таким образом потребности в электрической энергии для работы традиционных холодильных установок. В молочной промышленности «фрикулинг» применим для охлаждения воды, используемой в технологических процессах, и сервера, обеспечивающего функционирование систем управления.

Система включает теплообменники, которые способны использовать уличный воздух для непосредственного охлаждения или предварительного охлаждения хладоносителя. В холодное время года, когда температура наружного воздуха достаточно низкая, «фрикулинг» практически полностью заменяет работу компрессорных установок, снижая нагрузку на эти системы.

Одним из технологических процессов, применяемых на предприятиях молочной промышленности, где целесообразно применение «фрикулинга», является процесс первичного охлаждения молока. После дойки молоко необходимо быстро охладить до температуры около +4°C. Этот шаг критически важен для предотвращения роста бактерий и поддержания качества молока. Скорость охлаждения влияет на микробиологическую стабильность и срок годности продукта.

Поскольку требуемая температура продукта составляет +4°C, становится возможным использовать низкие температуры окружающего воздуха для получения следующих преимуществ:

• снижение энергопотребления;
• увеличение долговечности оборудования;
• снижение эксплуатационных затрат.

Традиционно данное решение, как было указано выше, подразумевало использование дополнительного контура промежуточного хладоносителя (вода) с использованием аккумуляторов холода. В данной публикации рассматривается холодильная установка для получения «ледяной воды» (вода, температура которой близка к 0°С) с использованием хладагента в режиме «свободного охлаждения» (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема цикла.

Fig. 1. Cycle flow chart.

Указанная холодильная установка работает следующим образом: одноступенчатый парокомпрессионный цикл работает, если температура окружающей среды превышает требуемую температуру охлаждаемой среды (в случае холодильной установки для получения «ледяной воды» эта величина составляет 0,5…2°С) — пары хладагента сжимаются компрессором (КМ), конденсация происходит в конденсаторе воздушного охлаждения (КД), далее следует процесс дросселирования в регулирующем вентиле (РВ), после чего хладагент поступает в отделитель жидкости (ОЖ), где происходит разделение на жидкую и паровую фазы — жидкий хладагент под действием силы тяжести поступает в испаритель (И), где охлаждает хладоноситель (вода) до требуемой температуры, а образовавшиеся при дросселировании пары поступают в компрессор. Пары хладагента, образовавшиеся при кипении в испарителе, поступают обратно в отделитель жидкости ОЖ и, совместно с парами, образовавшимися после дросселирования, поступают в компрессор КМ. Запорные клапаны КЗ1 и КЗ3 открыты, КЗ2 и КЗ4 закрыты.

Для возможности работы режима «свободного охлаждения» необходимо, чтобы температура окружающей среды была ниже требуемой температуры хладоносителя на определенную величину, которая определяется технико-экономическим расчетом [5]. В данном случае компрессор КМ отключается, пары хладагента конденсируются в конденсаторе КД и под действием силы тяжести поступают в отделитель жидкости ОЖ, жидкий хладагент под действием силы тяжести поступает в испаритель И, где охлаждает хладоноситель (вода) до требуемой температуры за счет кипения хладагента, образовавшиеся при этом пары поступают обратно в отделитель жидкости и далее в конденсатор. Запорные клапаны КЗ1 и КЗ3 закрыты, КЗ2 и КЗ4 открыты, РВ закрыт.

Таким образом, установка работает в трех режимах — режим одноступенчатого парокомпрессионного цикла, режим «свободного охлаждения» и смешанный режим, из которых мы будем рассматривать два. При работе таких установок экономический эффект целесообразно оценивать за один календарный год работы [6]. Система автоматического управления на рис. 1 не показана.

ЦЕЛЬ

Целью исследования является анализ схемы холодильной установки с функцией «свободного охлаждения» без дополнительного контура хладоносителя на этапе проектирования.

МЕТОДЫ

В качестве основного метода исследования холодильной установки для получения «ледяной воды» с функцией «свободного охлаждения» без использования промежуточного хладоносителя применялся энтропийно-статистический метод термодинамического анализа [7], как наиболее подходящий для машин, задачей которых является получение низких температур [8–11].

В качестве хладагента рассматривается аммиак, что в сегодняшних условиях [12], несмотря на токсичность и горючесть, является одним из лучших решений [13–16].

В табл. 1 показаны исходные данные для анализа холодильной установки для получения «ледяной воды». Принципиальная пневмогидравлическая схема и цикл работы в диаграмме давление — энтальпия приведены на рис. 1.

Таблица 1. Исходные данные

Table 1. Inputs

Методика, применяемая для анализа, описана в [7] и [17]. Дополнительно используются следующие зависимости:

• массовый расход хладагента через испаритель

$G_1=\frac{Q_o}{q_o}$, (1)

• массовый расход хладагента в компрессоре

$G_2=\frac{Q_o}{h_1-h_5}$, (2)

• действительная удельная работа сжатия

$l_{сж}=\frac{l_{ад}}{{\eta }_{ад}}\times \frac{G_2}{G_1}$, (3)

• удельные затраты работы сжатия для компенсации производства энтропии в отделителе жидкости:

$\Delta l_{ОЖ}=T_{ос}\times \left[\frac{G_2}{G_1}\times s_5-\left(s_6\right)-\left(\frac{G_2-G_1}{G_1}\right)\times s_1\right]$(4)

• величина расчетной адиабатной работы сжатия определятся суммой удельных затрат работ для компенсации производства энтропии во всех элементах холодильной установки:

$l_{ад.р}=l_{\min }+\Delta l_{кд}+\Delta l_{др}+\Delta l_{и}+\Delta l_{ОЖ}$, (5)

• потери в компрессоре определяются как разница между действительной удельной работой сжатия и расчетной величиной адиабатной работы сжатия, определяемой по (17):

$\Delta l_{км}=l_{сж}-l_{ад.р}$, (6)

• расчетная величина удельной работы сжатия:

$l_{сж.р}=l_{ад.р}+\Delta l_{км}$, (7)

• потери мощности в каждом элементе холодильной установки определяются по следующей зависимости:

$\Delta N_i=l_i\times G_i$. (8)

Результаты анализа показаны на рис. 2 и в табл. 2.

Рис. 2. Распределение потерь мощности по элементам, кВт.

Fig. 2. Distribution of power losses by elements, kW.

Таблица 2. Результаты анализа

Table 2. Analysis

РЕЗУЛЬТАТЫ

В табл. 2 приведены результаты анализа, на рис. 2 приведены значения распределения потерь мощности по элементам системы при работе в режиме парокомпрессионного цикла и «свободного охлаждения».

При анализе результатов, приведенных в табл. 2, можно заметить, что в режиме «свободного охлаждения» величина необходимой минимальной удельной работы для генерации холода принимает отрицательные значения. В данном случае, отрицательное значение говорит о потенциальной возможности получения дополнительной работы.

Однако, при расчете потерь в испарителе и конденсаторе становится очевидным, что потенциально возможная работа расходуется на компенсацию потерь в данных элементах.

При реализации данной схемы предполагается использовать конденсаторы воздушного охлаждения (рис. 3), в то время как традиционным решением для систем с аммиаком в качестве хладагента является использование испарительных конденсаторов (рис. 4). Данная необходимость обусловлена большей площадью теплообменной поверхности конденсаторов воздушного охлаждения, что позволяет реализовать описанную выше систему «свободного охлаждения» при отрицательных температурах окружающего воздуха.

Рис. 3. Внешний вид конденсатора воздушного охлаждения.

Fig. 3. View of the air-cooled condenser.

Рис. 4. Внешний вид испарительного конденсатора.

Fig. 4. View of the vaporator condenser.

ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты проведенного исследования говорят о том, что:

1. применение «свободного охлаждения» позволяет снизить энергетические потери в цикле на 68,65%;
2. потенциально получаемая работа в процессе реализации схемы «свободного охлаждения» расходуется на компенсацию потерь вследствие неравновесного теплообмена в конденсаторе и испарителе;
3. при реализации описанной выше системы потребуются дополнительные капитальные затраты на установку конденсаторов воздушного охлаждения.

Опыт реализации подобных схем показывает, что при холодопроизводительности установки 2 МВт срок окупаемости дополнительных капитальных затрат благодаря экономии электроэнергии не превысит 2 лет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

«Свободное охлаждение» представляет собой перспективное направление, способствующее оптимизации производственных процессов, однако его реализация возможна не во всех климатических зонах без дополнительных затрат.

Применение режима «свободного охлаждения» позволяет снизить потери в элементах холодильного контура, однако может потребовать установки дополнительного оборудования [18]. Также стоит отметить тот факт, что эффективность применения данного решения зависит от температуры окружающей среды.

Таблица 3. Условные обозначения

Table 3. Legend

Целесообразность выбора расчетных параметров определяется технико-экономическим анализом конкретной холодильной установки.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Все авторы внесли значимый вклад в проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию статьи до публикации.

Источник финансирования. Отсутствуют.

Раскрытие интересов. Авторы заявляют об отсутствии отношений, деятельности и интересов за последние три года, связанных с третьими лицами (коммерческими и некоммерческими), интересы которых могут быть затронуты содержанием статьи.

Оригинальность. При создании настоящей работы авторы не использовали ранее опубликованные сведения (текст, иллюстрации, данные).

Доступ к данным. Редакционная политика в отношении совместного использования данных к настоящей работе не применима, новые данные не собирали и не создавали.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовал один член редакционной коллегии.

ADDITIONAL INFORMATION

Author contributions: All authors made substantial contributions to the conceptualization, investigation, and manuscript preparation, and reviewed and approved the final version prior to publication.

Funding sources: No funding.

Disclosure of interests: The authors have no relationships, activities or interests for the last three years related with for-profit or non-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality: When creating this work, the authors did not use previously published information (text, illustrations, data).

Data availability statement: The editorial policy regarding data sharing is not applicable to this work, and no new data has been collected or created.

Generative AI: Generative AI technologies were not used for this article creation.

Provenance and peer-review: This work was submitted to the journal on its own initiative and reviewed according to the usual procedure. А member of the editorial board participated in the review.

About the authors

Maksim S. Talyzin

Author for correspondence.
Email: talyzin_maxim@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7244-1946
SPIN-code: 6524-3085

Cand. Sci. (Engineering)

Konstantin V. Pecherskih

Email: const83@mail.ru
Russian Federation, Ekaterinburg

Andrey V. Skolov

Email: skolov@lekmaholod.ru
Russian Federation, Rostov-on-Don

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Cycle flow chart.

Download (143KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Distribution of power losses by elements, kW.

Download (109KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. View of the air-cooled condenser.

Download (82KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. View of the vaporator condenser.

Download (182KB)

Indexing metadata