В настоящее время ведущие фирмы-производители холодильного оборудования активно заполняют мировой рынок всевозможными системами, реализующими циклы охлаждения с промежуточным теплоносителем(ПТ). В качестве ПТ используют воду, водные растворы солей натрия, кальция, этиленгликоля, пропиленгликоля.

Существуют производственные процессы, требующие круглогодичного отвода теплоты при сравнительно высоких температурах (от 0°С и выше), такие как хранение фруктов и овощей, различных продовольственных продуктов, химические производства, охлаждение вычислительных центров, телефонных станций и др. Работа холодильных систем в межсезонье, когда температура окружающей среды опускается ниже температуры охлаждаемого объекта, кроме нерациональности самого факта работы установки, вызывает немало трудностей при ее эксплуатации (понижение давления конденсации в установке, повышение вязкости масла, влажный ход компрессора и т.п.). Использование систем с промежуточным теплоносителем (СПТ) позволяет отключать в холодное время года контур с хладагентом и производить перенос теплоты непосредственно в окружающую среду с помощью ПТ через дополнительный теплообменник, т.е. производить, так называемое, "экономное" охлаждение. Использование нулевого закона термодинамики вместо второго приводит не только к весомой экономии электроэнергии и повышению ресурса работы компрессора, но и упрощает обслуживание установки.

На рис.1Б, В показаны наиболее часто применяющиеся СПТ для круглогодичного охлаждения помещений с рабочей температурой выше 0°С.

Контур с хладагентом ограничен пунктирной линией и содержит компрессор (КМ), конденсатор (КД), регулирующий вентиль (РВ) и испаритель (И). Рассмотрим работу холодильной установки с СПТ на испарителе (Рис.1В). Когда температура окружающей среды выше температуры охлаждаемого объекта, ПТ подается насосом (Н) в И, охлаждается и поступает в теплообменник ТО1 для охлаждения помещения (вентиля ВН3,ВН4,ВН5 закрыты, ВН1,ВН2,ВН6 - открыты, рис.1Г).При понижении температуры окружающей среды ниже определенного предела (на 15-18K ниже температуры охлаждаемого объекта) контур с хладагентом отключается и промежуточный теплоноситель охлаждается в теплообменнике ТО2 (ВН1, ВН2, ВН4 и ВН6 закрыты, ВН3 и ВН5 открыты рис.1Д). Особый интерес представляет комбинированной режим работы системы, при котором охлаждение ПТ происходит последовательно в теплообменнике ТО2 и И (ВН6 и ВН3 закрыты, остальные - открыты или частично открыты рис1.В).

Рис.1 Циклы с промежуточным теплоносителем.

СПТ имеет значительные эксплутационные преимущества. Появившись под названием "рассольная система" (ПТ были водные растворы солей натрия и кальция) для решения задачи распределения холода по холодильным камерам при большом их количестве (в системе просто регулируется температура по объектам), в дальнейшем СПТ получила широкое распространение на транспортных и других установках, где ее применение диктовалось требованиями техники безопасности. Автоматизация холодильных установок такого типа не представляет особых сложностей. За счет рационального комбинирования узлов системы можно значительно уменьшить объем холодильной установки, заполненной хладагентом. При этом повышается экологическая безопасность системы и сокращаются затраты при высокой цене новых хладагентов. Уменьшаются размеры магистралей, количество швов на холодильных трубопроводах; облегчается поиск утечек, меньше окислов в системе после монтажа, надежнее возврат масла в картер компрессора. Наконец, упрощается эксплуатация холодильных установок при использовании хладагентов- неазеотропных смесей, например, R404a, R407c и т.д.

В традиционных теплообменниках хладагент - ПТ (кожухотрубные конденсаторы и испарители) разница между температурой фазового перехода хладагента и температурой ПТ составляет около 6К. Дополнительные потери хладомощности достигают 23% для СПТ на испарителе и 7% для СПТ на конденсаторе (при температуре кипения t0=+5°С и конденсации tк=+45°С) по сравнению с системами непосредственного охлаждения (см. Рис2).

Рис. 2 Зависимость хладомощности Qo, кВт от температуры кипения to и конденсации tk.

Применение эффективных пластинчатых теплообменников позволяет сократить величину недорекуперации до 3К, поэтому в СПТ с пластинчатым теплообменником (испаритель или конденсатор) потеря хладомощности составляет величину 12% и 3% соответственно. Как показала практика, неизбежное увеличение гидропотерь в пластинчатых теплообменниках не привело к заметным изменениям эффективности циклов. С другой стороны их применение значительно улучшает массогабаритные и эксплуатационные характеристики системы.

Для более полного представления о СПТ здесь приводятся расчетные зависимости параметров работы установки с ПТ на испарителе для охлаждения помещения. Хладомощность установки принимается равной Q0п=10кВт при температуре окружающей среды tос=+25°С и охлаждаемого помещения tп=+18°С. Рабочее вещество в установке - фреон R22. Термодинамические свойства фреона такие, как плотность, энтальпию и энтропию, определяли на основе единого уравнения состояния, кубического относительно удельного объема Пателя-Тежа [1].

Величина подогрева газа на всасывании в компрессор определяется из условия, что 25% энергии, потребляемой компрессором передаются на подогрев фреона. Объемный коэффициент подачи компрессора определяется как функция от температуры кипения хладагента и величины подогрева на всасывании [2]. Режим "экономного" охлаждения можно рассматривать при понижении температуры окружающей среды ниже +1°С. Мощность насоса считаем малой по сравнению с мощностью компрессора, поэтому затраты электроэнергии на движение ПТ через трубопроводы не учитываются.

На рис.3 представлена расчетная зависимость потребления электроэнергии от времени года для рассматриваемого случая ("экономное" охлаждение СПТ): 1 - установка СПТ на испарителе и на конденсаторе; 2 - установка СПТ на испарителе; 3 - установка СПТ на конденсаторе; 4 - установка без ПТ("непосредственное" охлаждение). Зависимость tос от времени года принимается как среднемесячное распределение температуры окружающей среды, характерное для московской области.

Рис 3. Суточные затраты электроэнергии для различных систем охлаждения

Интегрируя расход электроэнергии за один год получаем соотношения, характеризующие целесообразность применения СПТ с точки зрения энергозатрат.

Рис 4. Выигрыш в потреблении электроэнергии, % при использовании различных систем охлаждения

В приведенном расчете не рассматривается комбинированный режим охлаждения теплоносителя. Из рис. 4 видно, что применение СПТ с пластинчатым теплообменником становится в один ряд с самыми экономичными и целесообразными способами охлаждения. Можно сделать вывод о перспективности использования систем СПТ для кондиционирования и охлаждения производственных помещений с положительными рабочими температурами. Особую выгоду сулит применение систем СПТ в странах с умеренным и холодным климатом, например, в центральных и северных районах России.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

Patel N.C., Teja A.S. A new cubic eguetion of state for fluid mixteres // Chem. Eng. Sci.-1982.-V.37.-N3.-P.59-64.
Розенфельд Л.М., Ткачев А.Т. Холодильные машины и аппараты. Гос. изд. торговой литературы. М., 1960. - С.173; 656С.