Насосно-циркуляционная система с промежуточным хладоносителем для холодоснабжения витрин и холодильных камер в торговых центрах

Аннотация

Описана насосно-циркуляционная холодильная система, использующая в качестве хладоносителя экологически безопасный антифриз (пропиленгликоль). Особенностью системы является то, что в зимнее время для снижения температуры антифриза, поступающего на объект в охлаждаемый холод, используется морозный воздух при выключенной холодильной машине.

Полный текст

Во многих крупных торговых центрах с большим набором продаваемых пищевых продуктов отказались от применения охлаждаемых витрин со встроенным в них холодильным оборудованием. Более рациональным признано централизованное холодоснабжение.

В 15] приводится опыт фирмы «Эйркул» по созданию системы централизованного холодоснабжения в супермаркете «Метатр» (г. Королев, Московская обл.). Все потребители холода объединены в два контура - низко- и среднетемпературный. Каждый контур обеспечивается холодом от холодильной машины самостоятельно. Конденсатор воздушного охлаждения расположен снаружи здания торгового центра и оснащен системой регулирования в зимний период. В каждой охлаждаемой витрине располагается испаритель с приборами автоматики для регулирования требуемой температуры храпения и демонстрации продуктов.

Площади современных супермаркетов достигают 4000...6000 м² [5]. Поэтому протяженность подающих и обратных трубопроводов циркуляции хладагента значительно возрастает, что, в свою очередь, приводит к увеличению объемов хладагента и масла для заполнения холодильного контура, а при их аварийной утечке - к экологическому загрязнению, а также к порче продуктов в охлаждаемых витринах.

Для устранения этих недостатков за последние годы в зарубежной практике в супермаркетах с охлаждаемыми витринами применяют централизованное холодоснабжении с помощью хладоносителя, в качестве которого используют антифриз. В отдельном помещении располагается несколько холодильных машин (рис. 1), подбираемых по числу объединяемых охлаждаемых объектов с одинаковым температурным режимом. Хладагент и масло циркулируют только в расположенных в одном блоке компрессоре, конденсаторе и испарителе. Объем заполняющих систему хладагента и масла в этом случае значительно меньше по сравнению с традиционными решениями [5].

Возможная утечка хладагента и масла при авариях и нарушении герметичности трубопроводов не приведет к значительному экологическому загрязнению, а также к порче продуктов в охлаждаемых витринах. К воздухоохладителям 9, смонтированным в каждой охлаждаемой витрине, по трубопроводам 8 или 12 подается антифриз, например пропилеи- гликоль [31. Утечка пропиленгликоля из трубопроводов или из воздухоохладителя не приведет к загрязнению продуктов в витрине. В каждой витрине у воздухоохладителя 9 есть трехходовой автоматический клапан 10, управляемый датчиком 11 контроля требуемой температуры t_хол1 внутри витрины (см. рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная насосно-циркуляционная схема холодоснабжения от работы холодильной машины или с помощью антифриза, охлажденного в потоке наружного воздуха: 1 — холодильная машина; 2 — сдвоенный насос циркуляции антифриза через охлаждающий теплообменник в потоке, наружного воздуха с переменной температурой t_H; 3 — трубопроводы циркуляции антифриза через конденсатор холодильной машины; 4 — охлаждающий теплообменник в потоке наружного воздуха; 5 — трехходовой автоматический клапан для контроля температуры антифриза, подаваемого в конденсатор t_KД; 6 — обводной трубопровод для пропуска отепленного антифриза; 7 —сдвоенный насос циркуляции охлажденного антифриза через охлаждающий теплообменник; 8 — трубопроводы подачи антифриза в испаритель; 9 — воздухоохладитель; 10 — трехходовой автоматический клапан, управляемый датчиком; 11 — контроля температуры в охлаждаемом объеме tхолі; 12 — трубопроводы циркуляции антифриза, охлаждаемого наружным воздухом в теплообменнике 4; 13 —герметичный расширительный сосуд; 14 — соленоидный вентиль (нормально открыт); 15 — соленоидный вентиль (нормально закрыт).

Сдвоенный насос 7 прокачивает охлажденный антифриз по контуру трубопроводов 8 и через испаритель холодильной машины 1. В зависимости от потребности каждой охлаждаемой витрины в холоде автоматический клапан 10 обеспечивает изменение расхода охлажденного антифриза через воздухоохладитель 9 или обводной трубопровод.

Холодильную машину 1 выбирают из условия возможности регулирования ее холодопроизводительности и соответственно снижения расхода электроэнергии при уменьшении потребности охлаждаемых витрин в холоде. Объединение трубопроводами 8 воздухоохладителей 9, а следовательно, и потребителей холода с примерно одинаковыми температурам хранения продуктов t_хол1 = t_холi, в единый циркуляционный контур антифриза позволяет выбрать наиболее энергетически рациональный (ш температуре кипения хладагента) peжим. Конденсатор холодильной машины 1 охлаждается антифризом циркулирующим с помощью сдвоенного насоса 2 по трубопроводам 3. Концентрация антифриза обеспечивает его незамерзаемость при минимальных температурах наружной воздуха зимой [4].

Циркуляция антифриза по трубопроводам 3 и 8 и аппаратам осуществляется сдвоенными насосами 2 и 7. Использование их позволяет иметь 100%-ный резерв: один насос работает, а второй находится в резерве.

Температура наружного воздуха даже в расчетные сутки теплого периода года изменяется на 10... 12 ^ºС Поэтому датчик трехходового автоматического клапана 5 контролирует допустимые верхний и нижний уровни температуры охлажденного в теплообменнике 4 антифриза, который насосом 2 подается в конденсатор холодильной машины 1. Если температура антифриза в конденсаторе t_кд опускается ниже настроенного уровня, то датчик контроля температуры подает команду на первоначальное уменьшение частоты вращения вала осевых вентиляторов, обдувающих теплообменник 4, и постепенную остановку электродвигателей вентиляторов. Если даже при остановленных вентиляторах температура охлажденного в теплообменнике 4 антифриза остается ниже контролируемого уровня температуры конденсации, то повышение t_кд достигается пропуском части отепленного антифриза автоматическим клапаном 5 по обводному трубопроводу 6.

В целях экономии электроэнергии в зимние месяцы рационально останавливать холодильную машину 1 в тех контурах циркуляции антифриза, где в охлаждаемых витринах требуется поддерживать умеренно низкие температуры (например, в витринах кондитерских изделий t_хол = 4.. .6 °С).

В табл. 1 представлены результаты наблюдений за температурами воздуха в некоторых климатических зонах России в зимние месяцы [4].

Как видно из табл.1, в различных климатических районах России температура наружного воздуха такова, что им можно охлаждать антифриз, используемый для создания в витринах достаточно низких положительных температур, требуемых для хранения многих видов пищевых продуктов.

Теплотехническую эффективность теплообменника 4 для охлаждения антифриза можно принять η_т.н = 0,7. Тогда температуры охлажденного наружным воздухом антифриза t_ох1 и t_ох2 можно вычислить из преобразованного выражения для показателя теплотехнической эффективности, которое для рассматриваемого примера имеет вид

η_т.н = (t_аф2 – t_аф1)/(t_аф2 – t_н).                 (1)

Температурный перепад по охлажденному антифризу в теплообменнике 4 можно принять

Δt_аф = t_аф2 – t_аф1 ⁼ 4°С.

Тогда из преобразованного выражения (Г) можно определить температуру отепленного антифриза:

t_аф2 = (Δt_аф/η_т.н)+ t_н                               (2)

Температуру охлажденного в теплообменнике 4 зимой антифриза (°С) находят по формуле

t_аф1 = t_аф2 – Δt_аф                     (3)

По формулам (2) и (3) вычислены представленные в табл. 2 расчетные значения температур антифриза, охлажденного в теплообменнике 4, при среднемесячных температурах наружного воздуха, приведенных в табл. 1.

Таблица 1

Город	Температура наружного воздуха tн, °С
	Средняя по месяцам						Абсолютная минимальная
	I	II	III	IV	XI	XII
Красноярск	-17,1	14,7	-7,6	1,3	-9,2	-15,0	-48
Челябинск	-16,4	-14,1	-8,4	2,7	-6,7	-13,5	-44
Москва	-10,2	-9,6	-4,7	4	-2,2	-7,6	-42
Мурманск	10	-10,1	-7	-1,2	-4,7	-8,3	-37

Как видно из табл. 2, в представленных климатических районах России около пяти месяцев в году можно холодом наружного воздуха обеспечить поддержание температур в охлаждаемых витринах на уровне t_хол = 3...6 °С. Это обеспечит значительную экономию электроэнергии благодаря остановке холодильных машин в контуре обслуживания охлаждаемых витрин с умеренно низкими температурами.

Таблица 2

Город	Температура антифриза, охлажденного наружным воздухом, по месяцам, ºС
	I	11	III	IV	XI	XII
Красноярск	-15,4	-13	-6	3	-7,5	-14,2
Челябинск	-14,7	-12,4	-6,7	4,4	-5	-11,8
Москва	-8,5	-7,9	-3	5,7	-0,5	-5,9
Мурманск	-8,3	-8,3	-5,3	0	-3	-6,6

На схеме, показанной на рис. 1, переключение режимов получения холода (от работы холодильных машин или от холода наружного воздуха в теплообменнике 4) достигается с помощью автоматических соленоидных вентилей 14 и 15. Управлять ими можно с помощью датчика контроля температуры наружного воздуха t_н, связанного с электронным регулятором (на рис. 1 не показаны). При достижении наружным воздухом температур, при которых обеспечивается требуемая температура охлажденного в теплообменнике 4 антифриза t_аф1, подается команда на остановку холодильной машины 7, открытие соленоидных вентилей 75 и закрытие соленоидных вентилей 14, при этом сдвоенные насосы 2 и 7 начинают прокачивать антифриз по соединительным трубопроводам 12.

В качестве циркуляционных насосов в системах холодоснабжения широко применяются и хорошо себя зарекомендовали насосы фирмы «Грундфос». При напорах до 12 м и подаче до 90 м³/ч в мировой практике широко применяют трехскоростные бесфундаментные насосы типа UPS и UPSD (сдвоенные) серии 200. При автоматическом электронном (буква Е в наименовании насосов) регулировании развиваемого напора используют насосы типа UPE и UPED (сдвоенный) серии 2000.

Рис. 2. Насосы фирмы «Грундфос», широко применяемые в системах холодоснабжения: 1 — одиночный насос CLM 200/315; 2 — запорные клапаны на всасывающих и нагнетательных трубопроводах; 3 — одиночный насос LP; 4 — водяной фильтр; 5 — прибор для измерения перепада давлений на водяном фильтре; 6 — бетонный цоколь фундамента с анкерными болтами для крепления корпуса насоса; 7 — пробковые плиты основания фундамента насоса; 8 — сдвоенный насос LPD.

В системах циркуляции жидкости с требуемыми напором до 14 м и подачей до 95 м³/ч применяют насосы с «сухим» ротором ТР и ТРД серии 200. При напоре до 60 м и подаче до 600 м³/ч используют насосы с «сухим» ротором LM/LP и LMD/LPD, а также CLM и CDM (сдвоенный).

На рис. 2 показан машинный зал холодильной станции, в которой для циркуляции хладоносителя применены насосы CLM 200/315, рассчитанные на подачу (по холодной воде) 300 м³/ч и напор 35 м. Один насос рабочий, а второй - запасной. Применение двух насосов обусловлено требованием непрерывной работы насоса. На стороне всасывания установлены водяные фильтры 4. О засорении фильтра сигнализирует прибор 5, измеряющий давление воды до и посла фильтрации. Насос с загрязненным фильтром останавливается, и в paботу пускается запасной насос с чистым водяным фильтром. При этом производится соответствующее переключение запорных клапанов 2 на всасывающих и нагнетательных трубопроводах.

Для устранения вибрации и снижения создаваемого от работы наcoca шума фирма «Грундфос» рекомендует применять в основания фундамента пробковые плиты 7, на которые устанавливают бетонный цоколь 6.

В нижней правой части рис. 2 показан одиночный насос LP (поз. 3), и в левой части сдвоенный насос LPD (поз. 5). Представленные на рис. 2 насосы фирмы «Грундфос» широко применяют в системах холодоснабжения для циркуляции холодной воды или антифриза.

В технической литературе все гидравлические сопротивления приводятся для условий прохода воды по элементам систем. При использовании в качестве хладоносителя антифриза расчет гидравлической сети первоначально проводят для условий перемещения воды с температурой 4 °С. Полученные данные корректируют в зависимости от физических показателей антифриза, как это подробно изложено в [1, 2].