Analysis of the refrigeration unit with freecooling

Full Text

УДК 621.565.83; 665.66

Название статьи

Анализ холодильной установки с режимом «естественного охлаждения»

Авторы

М. С. Талызин¹, К. В. Печерских², А. В. Сколов³

Организации

¹Международная Академия Холода, г. Москва, Российская Федерация

²Международная Академия Холода, г. Екатеринбург, Российская Федерация

³ ООО «Лекма Холод», г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация

аннотация

Обоснование: Холодильные установки широко применяются на предприятиях молочной промышленности, в частности для получения «ледяной воды» с температурой 0,5…2°С, которая используется для первичного охлаждения молока после дойки. Данный процесс критически важен для предотвращения роста бактерий и поддержания качества молока. Скорость охлаждения влияет на микробиологическую стабильность и срок годности продукта. Снижение энергопотребления является актуальной задачей на всех этапах жизненного цикла 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 путей решения задачи энергосбережения является использование «естественного холода» если температура окружающей среды ниже требуемой температуры хладоносителя или температуры в охлаждаемом помещении. Для реализации данной технологии, как правило, используется контур с хладоносителем. Однако, существует возможность использовать только контур хладагента.

Цель: 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, который позволяет определить потери по элементам холодильной системы. В качестве хладагента рассматривался R717 как один из наиболее перспективных хладагентов для будущего применения в промышленных холодильных установках.

Результаты: Применение «свободного охлаждения» позволяет снизить энергетические потери в цикле на 68,65%

Потенциально получаемая работа в процессе реализации схемы «свободного охлаждения» расходуется на компенсацию потерь вследствие неравновесного теплообмена в конденсаторе и испарителе

Заключение: Результаты анализа показали перспективу применения функции «свободного охлаждения» без использования промежуточного хладоносителя.

Ключевые слова

энтропийно-статистический метод анализа, эффективность, фрикуллинг, хладагент, хладоноситель, степень термодинамической эффективности, потери

Title

Analysis of the refrigeration unit with freecooling

Authors

M.S. Talyzin ¹, A.V. Skolov ²

Affiliation

¹International Academy of Refrigeration, Moscow, Russia

² LLC «Lekma Holod», Rostov-on-Don, Russia

Abstract

BACKGROUND: Refrigeration units are widely used in the dairy industry, in particular to obtain "ice water" with a temperature of 0.5... 2 °С, which is used for primary cooling of milk after milking. This process is critically important to prevent bacterial growth and maintain milk quality. The cooling rate affects the microbiological stability and shelf life of the product. Reducing energy consumption is an urgent task at all stages of the refrigeration plant life cycle. The importance of this task is solved at the state level (Federal Law No. 261-FZ "On Energy Saving and on Increasing Energy Efficiency and on Amending Certain Legislative Acts of the Russian Federation") and by the owners of refrigeration equipment. One way to solve the problem of energy saving is to use "natural cold" if the ambient temperature is lower than the required coolant temperature or the temperature in the cooled room. To implement this technology, as a rule, a coolant circuit is used. However, it is possible to use only the coolant circuit.

AIMS: analyze the refrigeration unit with the "free cooling" function without an additional coolant circuit

MATERIALS AND METHODS: A study of losses in a refrigeration unit was carried out to obtain "ice water" with the function of "free cooling" without using an intermediate coolant by the entropy-statistical method of thermodynamic analysis [1]. As a refrigerant, R717 was considered as one of the most promising refrigerants for future use in industrial refrigeration plants [2].

RESULTS: The use of "free cooling" reduces energy losses in the cycle by 68.65%

Potentially obtained work during the implementation of the "free cooling" scheme is spent on compensation for losses due to non-equilibrium heat exchange in the condenser and evaporator

CONCLUSIONS: The results of the analysis showed the prospect of using the "free cooling" function without using an intermediate coolant.

Keywords

entropy-statistical method of analysis, efficiency, freecooling, refrigerant, coolant, losses
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], 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).

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 паро-компрессионного 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

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], [9], [10], [11].

В качестве хладагента рассматривается аммиак, что в сегодняшних условиях [12], несмотря на токсичность и горючесть, является одним из лучших решений [13], [14], [15], [16].

В таблице 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.

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

• массовый расход хладагента через испаритель

                                                                                                                                           (1)

• массовый расход хладагента в компрессоре

                                                                                                                                    (2)

• действительная удельная работа сжатия

                                                                                                                              (3)

Удельные затраты работы сжатия для компенсации производства энтропии в отделителе жидкости:

                                                         (4)

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

                                                                                      (5)

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

                                                                                                                           (6)

Расчетная величина удельной работы сжатия:

                                                                                                                       (7)

Потери мощности в каждом элементе холодильной установки определяются по следующей зависимости:

                                                                                                                                 (8)

Результаты анализа показаны на Рис. 2 и в Таблице 2.

Результаты

В Таблице 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 Таблице 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.

Обсуждение

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 за счет 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.

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

Список литературы

1. Талызин М. С., Солодкий А. С. О «плавающем» давлении конденсации. // Холодильная техника. 2013. № 11. С. 27 – 29.
2. Шишов В. В., Талызин М. С. Температурный напор в конденсаторах с воздушным охлаждением. // Холодильная техника. 2014. № 9. С. 35-37.
3. Корниенко В.Н., Сучков А.Н. Аккумуляторы холода в молочной промышленности // Молочная промышленность. 2022. №8.
4. Бабакин Б.С., Сучков А.Н., Бабакин Б.С. Естественные аккумуляторы холода для молочных ферм // Молочная промышленность. 2022. №7.
5. Маслаков В. Н. Метод расчета срока окупаемости естественного охлаждения (фрикулинга) // Холодильная техника. 2018. № 2. С. 44–48.
6. Шишов В. В., Талызин М. С. Эффективность работы холодильного оборудования с учетом годового изменения температур окружающей среды. // Холодильная техника. 2019. № 2. С. 28–31.
7. Архаров А.М. Основы криологии. Энтропийно-статистический анализ низкотемпературных систем. // Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана. Москва, 2014. 507 с.
8. Архаров А.М. Почему эксергетический вариант термодинамического анализа не рационален для исследования основных низкотемпературных систем // Холодильная техника. 2011. №10. С. 8-12.
9. Архаров А.М. Сычев В.В. Основы энтропийно-статистического анализа реальных энергетических потерь в низкотемпературных и высокотемпературных машинах и установках // Холодильная техника. 2005. № 12. С. 14-23.
10. Архаров А.М. О едином термодинамическом пространстве, теплоте, холоде, эксергии и энтропии, как о базовых понятиях инженерной криологии // Холодильная техника. 2009. №6. С. 34-39.
11. Архаров А.М. Сычев В.В. И еще раз об энтропии и задаче определения реальных (действительных) величин энергетических потерь вследствие необратимости // Холодильная техника. 2007. № 4. С. 8-13.
12. Талызин М. С. Альтернативные хладагенты – проблемы и перспективы // Молочная промышленность. 2021. №12. С. 36-37.
13. Цветков О.Б., Бараненко А.В., Лаптев Ю.А. и др. Озонобезопасные хладагенты // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Холодильная техника и кондиционирование. 2014. № 3. С. 98–111.
14. Бабакин Б.С., Бабакин С.Б., Белозеров А.Г., Кузьмина И.А. Природные смесевые хладагенты // Молочная промышленность. 2017. № 12. С.
15. Горючие хладагенты. 36-я информационная записка по холодильным технологиям (февраль 2018 г.) // Холодильная техника. 2018. № 5. С. 4–8. 5.
16. Бабакин Б.С., Белозеров А.Г., Бабакин С.Б., Сучков А.Н. Современные экологически безопасные хладагенты для предприятий АПК // Мясные технологии. 2019. № 5(197). С. 44–47.
17. Талызин М.С., Сколов А.В. Выбор хладагента для применения в холодильных машинах для охлаждения жидкости (чиллерах) // Холодильная техника. 2024. № 1. С. 13–20.
18. Велюханов В. И. Энергосбережение в холодоснабжении за счет естественного холода // Империя холода. 2021. №3(108). С. 28-30.

Таблицы

Таблица 1. Исходные данные

Таблица 2. Результаты анализа

Таблица 3. Условные обозначения

Рисунки

Рисунок 1: Принципиальная схема цикла.

Рисунок 2: Распределение потерь мощности по элементам, кВт

Рисунок 3: Внешний вид конденсатора воздушного охлаждения

Рисунок 4: Внешний вид испарительного конденсатора

Информация об авторах

About the authors

Maksim Talyzin

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

Cand. Sci. (Technics), correspondent member of International Academy of Refrigeration (IAR)

Konatantin Viktorovich Pecherskih

Email: const83@mail.ru
Russian Federation

Andrey V. Skolov

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

References

Supplementary files