Меню

Энергетическая эффективность холодильных установок

Энергоэффективность холодильных систем

Автор: Юрий Гордиенко (к.т.н., московское представительство ООО «ОК»)

Энергопотребление холодильными системами достигает 15% от объема электроэнергии, производимой в России. Половина электроэнергии, потребляемой пищевыми предприятиями и холодильными складами, расходуется на холодоснабжение. Поэтому, как непосредственно в холодильных установках, так и на стыке холодильных систем с технологическими системами скрыт существенный резерв по экономии электроэнергии. Зная, где находятся места потерь энергоресурсов, можно изменить общепринятые технические решения и, в результате, снизить себестоимость производимой продукции.

Рассмотрим некоторые факторы, влияющие на энергоэффективность систем холодоснабжения.

Холодильный агент. Есть много областей промышленности, где фреоновые системы находят свое применение: кондиционирование, торговля, медицина и др. Мы все чаще сталкиваемся с проблемами, возникающими при переносе опыта фреонового холодоснабжения небольших предприятий на крупные предприятия суммарной холодопроизводительностью больше 1,5 МВт. Получается множество децентрализованных систем холодоснабжения, порядка 8-10 «централей» на разные температуры кипения, нередко установленных в одном машинном отделении. Если заказчик, по каким-либо объективным или субъективным причинам, решил максимально уменьшить инвестиции на приобретение холодильного оборудования, то при эксплуатации, к сожалению, неизбежно возникают проблемы вплоть до продажи данного бизнеса.

Компания «ОК», как и другие уважаемые компании, применяющие аммиачное оборудование, предлагает использовать более универсальный вариант ценообразования. Критерием стоимости является так называемая «стоимость владения», в которую входят составляющими: инвестиции в приобретаемое оборудование; стоимость потребляемых энергоносителей: электроэнергии, воды, газа и т.д.; стоимость запасных частей и расходных материалов на техническое обслуживание агрегатов; стоимость сервисных работ на ближайшие 3 года эксплуатации. При таком подходе четко видны преимущества и недостатки того или иного решения. В странах ЕС аналогичный подход к холодильным установкам систем кондиционирования уже формализован, такое же принято в США. Есть попытки реализовать аналогичный метод и в России применительно к системам охлаждения ЦОД.

На рис.1 приведены результаты сравнения систем холодоснабжения на аммиаке и фреоне.

Потребление электроэнергии аммиачными холодильными системами меньше, чем фреоновыми, примерно на 20%, площадь теплообменной поверхности воздухоохладителей и конденсаторов меньше на 30-35%, масса аммиака в системе меньше примерно на 60%. Это факторы, которые существенно влияют на производство конкурентной пищевой продукции.

Аммиак является природным хладагентом и производится в России в отличие от фреонов, которые производятся за рубежом. Для сравнения, стоимость одной тонны аммиака составляет около 60 тыс руб за тонну, стоимость 1 т фреона R507А на сегодняшний день — около 400 тыс руб, что почти в 7 раз больше. При заправке холодильной системы, где находится 15 т фреона, что не редкость, емкость аммиачной системы составила бы ориентировочно 9 т — разница ощутима. Утечки из современных аммиачных холодильных систем в десятки раз меньше, чем из фреоновых. Это связано с более жестким обеспечением требований герметичности, оснащением системами контроля уровня загазованности, да и аммиак предупреждает о возникновении утечки.

Теплообменное оборудование. Тип конденсатора напрямую связан с принятым холодильным агентом. Наиболее часто во фреоновых холодильных системах применяют воздушные конденсаторы (температура конденсации 45°С и выше), в то время, как в аммиачных системах холодоснабжения применяются испарительные конденсаторы (температура конденсации 35°С). Разница в температурах конденсации хладагентов составляет более чем 10 К, а в сочетании со свойствами выбранного хладагента это обстоятельство увеличивает потребление электроэнергии винтовыми компрессорными агрегатами на 40-50%.

Воздухоохладители. Площадь поверхности теплообмена аммиачных воздухоохладителей на 35% меньше, чем фреоновых (рис. 1). Правда, это напрямую не влияет на стоимость, т.к. при производстве воздухоохладителей на аммиаке и фреоне применяется разный материал трубного пучка. Но важно другое, оттаивание инея с поверхности фреонового воздухоохладителя обычно осуществляется электронагревом, а оттайка аммиачного воздухоохладителя, как правило, конденсацией паров аммиака. Сравнение, приведенное на рис. 2, показывает, что срок окупаемости системы оттаивания инея горячими парами составляет 2,5 гр.

Естественный холод для охлаждения хладоносителя. Применение системы охлаждения хладоносителя наружным воздухом должно также решаться на стадии проектирования. Для решения этой задачи применяется дополнительный контур хладоносителя — фрикулинг, в котором охлаждение хладоносителя происходит в теплообменнике, продуваемым наружным воздухом. Экономическая эффективность такого решения зависит от района расположения предприятия. Эффект может быть достигнут там, где среднемесячная температура ниже 35°С наблюдается больше 5 месяцев в году. При выполнении данного условия срок окупаемости системы фрикулинга составляет около 3 лет.

Бросовая теплота. Постоянно обсуждаемое и редко реализуемое техническое решение по энергоэффективности производств — использование бросовой теплоты. Решить задачу по отбору бросовой теплоты у холодильной установки можно двумя способами: отбирая теплоту перегретых паров хладагента на линии нагнетания с помощью теплообменника (форконденсатора) или снимая теплоту с маслоохладителя винтового компрессора. Применяя совместно оба способа можно утилизировать до 30% тепловой энергии, получая в результате горячую воду с температурой 35-40°С. Вопрос, куда и как использовать низкотемпературную теплоту?

Все зависает на стыке с технологией производства. На всех пищевых производствах требуется теплая вода для санитарной мойки оборудования, инвентаря, помещений. Расположение котельной рядом с холодильной установкой позволяет использовать теплоту конденсации хладагента для подогрева воды, поступающей в котельную. Срок окупаемости систем использования бросовой теплоты не превышает года. Обогрев грунта под низкотемпературными помещениями также вариант использования бросовой теплоты.

Значительный объем экономии энергоресурсов скрыт в производственных помещениях, в которых температурный режим по технологическим требованиям к продукции находится в интервале от 0° до 12°С. В осенне-зимний период возникает технический конфликт между необходимостью отопления помещений и их охлаждением. Температура воды, используемой для отопления, не может снижаться ниже определенного предела по техническим требованиям к системам отопления. Кроме того недопустимо останавливать циркуляцию воды в зимний период — это чревато разрушением трубопроводов и отопительных устройств. Для обогрева таких помещений вполне возможно использование бросовой теплоты холодильной системы. Причем управление системой «обогрев — охлаждение» будет идти от одного блока управления, что ликвидирует техническую конфликтную ситуацию: чем интенсивней работает система охлаждения технологического помещения, тем жарче батареи отопления в этом помещении.

Читайте также:  Холодильные установки для свежего мяса

Решение задачи по экономии энергоресурсов комплексно, а не по отдельным кусочкам, позволяет экономить ежегодно на энергоресурсах до 40%. Вполне естественно, что инвестиции в подобную установку также больше, т.к. требуются дополнительные теплообменники, насосы, аккумуляционные емкости, резервное оборудование на работу в ситуации разбаланса выработки бросовой теплоты и в потребности теплоты. В условиях высокой стоимости энергоносителей и их дефицита правительства стран Европы частично компенсируют предпринимателям дополнительные инвестиции. Цены на энергоносители в ряде регионов России уже близки к европейским.

Специалисты ООО «ОК» всегда готовы рассмотреть Ваши предложения, оказать помощь в увязке технологических и холодильных процессов, выполнить интересующие Вас технико-экономические расчеты. При этом используется богатый опыт проектирования, подбора оборудования, монтажа, пуско-наладки, обучения специалистов-эксплуатационников подобных систем холодоснабжения. Работы производятся как для вновь вводимых предприятий пищевых производств, так и для работающих предприятий, причем реконструкция производится без остановки основного производства. Возможен ввод новой системы холодоснабжения по этапам, согласованным с заказчиком.

ООО «ОК»
197044, г.Санкт-Петербург, Б.Сампсониевский пр., д.45, лит.А
+7 812 740 22 65
ok-ref.ru
office@ok-ref.ru

Автор: Юрий Гордиенко (к.т.н., московское представительство ООО «ОК»)

источник

Энергетическая эффективность в холодильной промышленности

Комбинированное производство тепловой, электрической и холодильной энергии (тригенерация) представляет на сегодняшний день 1 из наиболее современных технологических решений в плане и повышения энергетической эффективности, решения экологических проблем.

Оптимизация потребления энергии является серьезной задачей, ее решение важно и с экономической точки зрения, в отношении улучшения экологии.

В жилых зданиях распределение энергопотребления выглядит следующим образом: 57% энергии идет на отопление помещений, 25% — на производство горячей санитарной воды и 11% — на питание электробытовых приборов.

Если не забывать, что значительная доля энергии расходуется на отопление, а также приготовление горячей санитарной воды, нужно знать, каковы последствия использования тепловой энергии, в том числе, какова степень загрязнения атмосферы, которая обусловлена производством тепла на бытовое отопление. Для минимизации негативного воздействия на экологию, а также уменьшения финансовых расходов представляется, что, кроме разработки совершенно новых альтернативных видов экологически безопасного топлива, следует шире эксплуатировать современные технологии, которые в определенных ситуациях могут существенно повысить производительность и улучшить применение источников энергии.

Системы когенерации (комбинированное производство тепла и электроэнергии) и тригенерации (комбинированное производство тепла, холода, а также электроэнергии) представляют из себя максимально эффективный и рациональный способ использования традиционных источников энергии (ископаемое горючее) и возобновляемых источников энергии (биогаз и солнечная энергия).

К примеру, системы когенерации в сочетании с холодильным оборудованием абсорбционного типа являются удачным выходом в ситуации, когда нужно обеспечить регенерацию и преобразование избыточного тепла в холодильную энергию.

Поэтому, системы тройного действия (рис. 1) являются эффективным решением для удовлетворения все время растущего спроса на электроэнергию, тепло и холод именно благодаря преимуществам, которые открывают современные газовые технологии, а также поправки, которые внесены в экологический регламент.

Рис. 1. Схема образования трех форм энергии в процессе тригенерации:
1 — горючее; 2 — тригенерация; 3 — тепло; 4 — электроэнергия;
5 — холод; 6 — потери тепла; 7 — потери при передаче

В промышленности и для высокого уровня обслуживания административных объектов, где продолжительность работы в годовом исчислении превосходит 4 тысячи часов, применяется когенерация.

В бытовой сфере тепло, производимое комбинированной энергосистемой, предназначается, главным образом, для отопления любых помещений, и, обычно, период реальной потребности в тепле ограничивается зимними месяцами, к примеру, в странах с умеренным климатом. В то же время, существует значительная потребность в холодоснабжении для кондиционирования тех же помещений в летний период. Именно в данных случаях, имея комбинированную энергосистему, регенерированное тепло можно эксплуатировать для производства холодильной энергии либо охлаждающей воды для системы кондиционирования либо промышленных процессов.

Система тригенерации состоит из системы комбинированного производства тепла, а также электроэнергии, которая соединена с 1 либо несколькими холодильными агрегатами (рис. 2). Тепловая часть представляет собой парогенератор с рекуперацией тепла, для питания которого применяются выхлопные газы первичного мотора, обычно, который оснащен газовой турбиной. Первичный мотор соединен с генератором переменного тока, обеспечивающим производство электрической энергии.

Дополнительно в системе предусмотрен аварийный контур, куда в случае необходимости можно сбрасывать пар для утилизации избыточного тепла в случае перегрева либо переохлаждения.

Рис. 2. Принципиальная схема комбинированного генератора тройного действия:
1 — выхлопные газы; 2 — двигатель; 3 — охлаждение двигателя; 4-5 — теплообменники;
6 — охлаждение газов; 7 — генератор переменного тока; 8 -испарительная башня;
9 — холодильная машина; 10 — охлажденная вода; 11 — электроэнергия

Для кондиционирования помещений применяется холодильная машина (чиллер) адсорбционного или абсорбционного типа, которая зимой дает тепло, а летом холод.

И, в конце концов, для охлаждения конденсационной воды холодильной машины предусмотрена испарительная башня (градирня).

В адсорбционной системе в качестве рабочей жидкости в холодильную машину адсорбционного типа заливается вода.

Принцип адсорбции состоит в использовании гигроскопичного материала, как правило кремнеземного геля (кремнегеля) в твердом состоянии, который может забирать водяной пар и отдавать его при подаче тепла.

В фазе влагоудаления химически обработанный пористый материал адсорбирует влагу, которая задерживается на ламелях адсорбционной крыльчатки, до всего насыщения, после чего такой адсорбер подлежит восстановлению. В фазе восстановления выполняется продувка через адсорбер горячего воздуха, после чего скопившаяся вода испаряется и выводится совместно с воздушным потоком. Большое превосходство такой системы в том, что она успешно работает также и при низких температурах.

Читайте также:  Что такое холодильная установка чиллер

Тепло, которое требуется для отвода воды, может иметь относительно невысокую температуру, порядка 50°С, что осуществляет возможным применение этой технологии, в том числе, в системах охлаждения посредством солнечной энергии.

Адсорбционная установка состоит из блоков высокого и низкого давления. В блоке низкого давления (около 0.01 бар) расположен испаритель, который обеспечивает испарение при пониженной температуре, равной приблизительно 12°С. В помещении, которое нужно охладить, температура воздуха выше температуры испарения (расчетное значение температуры внутреннего воздуха в помещении составляет 26°С в летний период), этой теплоты достаточно для испарения жидкого хладагента.

В блоке высокого давления расположен конденсатор. Температура конденсации жидкости должна быть выше температуры воздуха на улице (в летний период температура наружного воздуха достигает 35-40°С), достаточная величина давления — 0.1 бар.

Испаритель, а также конденсатор разделяются 2 камерами, выполняющими функцию компрессионных паровых машин, с происходящими в них термохимическими процессами. Камеры подвижны и поочередно присоединяются то к испарителю, то к конденсатору. К камере, движущейся к конденсатору, подается тепло, из камеры, движущейся от испарителя,— тепло отводится.

В качестве рабочего тела абсорбционных установок применяется раствор хладагента и абсорбента, которые образуют рабочую пару. За минувшие годы было предложено много таких пар, впрочем только 2 из них получили широкое распространение в промышленных процессах: аммиак — фреон, вода — абсорбент, вода — бромистый литий.

В таблице приведены кое-какие главные характеристики рабочих пар, используемых в абсорбционном цикле.

Основные характеристики рабочих пар


Характеристика
H2O-NH3 H2O-LiBr
Моно Моно Двойное
Температура испарения, ° С Низкая
от 0 до −30
До 5 До 5
Уровень давления в машине Выше атмосферного давления Функционирование в частичном в вакууме Функционирование в частичном в вакууме
Холодильная мощность, кВт 20-2500 300-5000 300-5000
Температура горячей воды, ° С 100-120 120-132 150-160
Коэффициент преобразования тепловой энергии (СОР) 0,6-0,7 0,5-0,6 0,9-1,1

Специальная система работающих поочередно автоматических клапанов разрешает поддерживать между конденсатором и испарителем необходимый перепад давления и осуществлять переключение режимов работы камер.

В нормальных рабочих условиях с температурой горячего источника около 80°С коэффициент преобразования энергии достигает 0.6. Работоспособность машин гарантируется в температурном диапазоне до 60°С. Диапазон мощности таких холодильных машин составляет от 50 до 500 кВт.

Достоинства адсорбционной системы — в простоте, а также надежности. Если не забывать, что нет никакой опасности кристаллизации, пределов для температуры холодильной воды не существует. В машине нет жидкостного насоса, ее энергопотребление невелико.

Недостатками системы можно считать ее немаленькие габариты, а также вес. На сегодня только несколько азиатских производителей выпускают адсорбционные холодильные машины, по этой причине цены таких машин остается все еще относительно довольно высокой.

источник

Энергосбережение в холодильной технике

В статье рассматриваются современные проблемы применения энергосберегающего холодильного оборудования на российских предприятиях.

В последнее время на телевидении, по радио и в прессе все чаще поднимаются вопросы энергосбережения. В прошлом году правительство приняло федеральный закон №261-Ф3 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». В этом году резко выросли тарифы на электроэнергию для предприятий.

А как это повлияло на рынок холодильного оборудования?

А никак. Большинство покупателей холодильного оборудования уверены, что все это относится только к энергосберегающим лампочкам.

Ну что нового можно придумать в холодильной технике в плане энергосбережения?

Все уже давно придумано и все известно специалистам. Любой высококвалифицированный специалист по холодильной технике с ходу назовет больше десятка способов повышения энергоэффективности холодильной машины. Но это — теория, а на практике большинство эксплуатируемого и предлагаемого на рынке холодильного оборудования имеет самую простейшую схему и самые дешевые комплектующие без каких-либо энергосберегающих излишеств.

Ответ лежит на поверхности. Это дикий рынок диктует нам свои правила, а инициатором и заложником данной ситуации являются сами покупатели.

Как обычно происходит выбор оборудования покупателем?

Покупатель объявляет условия тендера на поставку холодильного оборудования поставщикам. Условия тендера обычно очень приблизительные и не содержат конкретных требований к оборудованию. Об энергосбережении там речь как правило вообще не идет, так как покупатель сам не знает, нужно ему это или нет. Для него самое важное — это цена оборудования. В тендере обычно принимает участие несколько поставщиков. Получив предложения от поставщиков, покупатель выбирает тех из них, предложения которых его устраивают, и начинает опускать цену до тех пор пока не останется один поставщик, согласный на самую низкую цену. По этой причине поставщики, чтобы больше заработать, заинтересованы закупать оборудование у того производителя, который дает самую низкую цену.

Для того, чтобы быть конкурентоспособными и удержаться на рынке производители вынуждены минимизировать стоимость комплектующих и стоимость сборки. Они не могут работать себе в убыток, а это означает необходимость минимизировать теплообменники в ущерб их эффективности, использовать дешевые, но неэффективные компрессоры, использовать простейшие схемы, автоматику и приборы без учета энергосбережения. По этой же причине из-за границы везут самое дешевое оборудование, иначе его не продать и не заработать. В итоге покупатель получает самое дешевое оборудование, которое в первый год эксплуатации «съедает» электроэнергии на сумму более 30% от своей стоимости.

Читайте также:  Датчик высокого давления для холодильных установок

С каждым годом оно требует все больше вложений, так как тарифы постоянно растут. Покупатель думает, что он сэкономил, а на самом деле значительно потерял. Покупатель зачастую даже не понимает, что он потерял, так как у него нет выделенного счетчика электроэнергии для холодильного оборудования. При этом холодильное оборудование является самым энергоемким на предприятиях оборудованием. Кроме того, холодильные установки выделяют тепла значительно больше, чем производят холода. И все это тепло от огромного числа эксплуатируемых холодильных установок выбрасывается в атмосферу, хотя его можно было бы использовать для отопления, горячего водоснабжения и в других целях.

В итоге всеобщая жажда наживы приводит к огромным потерям электроэнергии и тепла в масштабах страны, сжиганию огромного количества топлива на электростанциях, губительным для природы и экологии всей планеты выбросам в атмосферу и климатическим изменениям. Заработанные таким образом деньги нашим детям и внукам не пригодятся, потому что не останется ни природных ресурсов, ни чистого воздуха.

Однако существует альтернатива. На данный момент известны десятки способов повышения эффективности холодильных машин, снижения их энергопотребления и утилизации тепла. Некоторые из них широко применяются на практике в больших холодильных системах, некоторые применяется редко, а некоторые не применяются вообще. Не претендуя на полный список, приведем основную часть из них:

22. Плавное регулирование производительности компрессоров с помощью частотно-регулируемого привода.

23. Поддержание оптимального давления кипения и/или конденсации с помощью частотно-регулируемого привода вентиляторов.

Применение высокоэффективных компрессоров и теплообменников, а также энергосберегающих технических решений может снизить энергопотребление до 50%, а в некоторых случаях даже больше по сравнению с ныне эксплуатируемыми установками. Кроме того, с помощью тепловых насосов можно утилизировать и использовать для отопления и других нужд до 100% тепла, выделяемого холодильными машинами.
Так почему же вышеперечисленные способы до сих пор не находят широкого применения на практике?
А дело как всегда в деньгах. Энергосберегающее холодильное оборудование не может стоить столько же или дешевле обычного. Высокоэффективные компрессоры и теплообменники стоят дороже обычных, применение энергосберегающих технических решений усложняет конструкцию холодильной машины, требует применения дополнительных теплообменников, средств автоматизации и современных электронных устройств, увеличивает затраты на проектирование и конструирование холодильных машин.
Однако рынок всегда диктует свои условия. Поставщики холодильного оборудования ориентированы на максимальную прибыль, т.е. они заинтересованы в покупке по минимальной цене и продаже по максимальной.
Большинство покупателей холодильного оборудования ориентированы на минимальную цену, поскольку не хотят вникать в расчеты экономии энергии и сроков окупаемости, не желают платить за энергосбережение, даже при том, что это принесет значительную экономию в будущем. Ведь платить за оборудование надо сейчас, а вернутся затраченные деньги только через год (при годовой окупаемости) и только через год начнется экономия.

В сложившейся ситуации производители не могут продавать энергосберегающее холодильное оборудование себе в убыток. Круг замкнулся: нет спроса – нет предложения. Но, несмотря на сложившуюся ситуацию на рынке, мы, «ФРИГОДИЗАЙН», уже более четырех лет проектируем, производим и продаем энергосберегающее холодильное оборудование. Хотя, точнее было бы сказать — внедряем его на рынок, потому что этот процесс требует больших усилий. За четыре года мы проработали большое количество энергосберегающих технических решений, накопили большой опыт и нашли пути внедрения энергосберегающего холодильного оборудования.

Для каждой конкретной технической задачи мы выполняем технико-экономические расчеты с целью поиска оптимальных с точки зрения стоимости оборудования и экономии электроэнергии технических решений. Такие компромиссные технические решения позволяют предложить заказчику энергосберегающее холодильное оборудование по цене обычного, что является решающим фактором для заказчика, а значит и для успешной реализации проекта. Однако при таком подходе очень сложно получить экономию энергии более 10-20%.

Для получения экономии энергии более 20% требуется применять более дорогие способы повышения эффективности холодильных машин или несколько способов одновременно, что увеличивает стоимость холодильной машины и для заказчика покупка холодильной машины превращается в инвестирование в энергосбережение. В этом случае мы выполняем для заказчика расчет срока окупаемости инвестиций в энергосбережение. К сожалению, в настоящее время очень мало заказчиков, готовых инвестировать в энергосбережение, и большинство из них не имеют на это средств.

Значительно чаще складывается ситуация, когда заказчику приходится инвестировать в энергосбережение из-за сложившейся безвыходной ситуации: нет у заказчика необходимой электрической мощности и получить ее невозможно, а холодильных мощностей не хватает. Решение таких задач – это основная наша работа. Пример решения такой технической задачи на Каменск-Уральском молокозаводе приведен ниже. Проблема утилизации холода окружающего воздуха и утилизации тепла холодильных машин еще сложнее, без инвестиций здесь вообще ничего сделать невозможно. Для утилизации холода или тепла требуются теплообменники, насосы, накопительные емкости, арматура, автоматика, электронные контроллеры и тепловые насосы. Утилизация холода и частичная утилизация тепла холодильных машин (до 15%) обычно стоит сравнительно недорого и имеет срок окупаемости не более одного года.
Полная утилизация тепла холодильных машин (до 100%) требует применения тепловых насосов, стоит дорого и имеет длительные сроки окупаемости. Задачу внедрения тепловых насосов очень трудно решить без вмешательства государства.

Во всех странах, где тепловые насосы получили широкое распространение, произошло это благодаря государственной политике, стимулирующей производство и широкое применение тепловых насосов. Для этого используются налоговые льготы, беспроцентное кредитование и другие методы стимулирования. Для нас основной проблемой в развитии этого направления является отсутствие заказчиков, готовых инвестировать в энергосбережение.

источник