19.12.2017

Повышение энергоэффективности холодильных установок при уменьшении температурного напора в теплообменниках

В.В. Шишов, главный инженер Группы компаний «Фармина»
(журнал "Холодильная Техника" №7, 2017 г.)

Постоянно растущие тарифы на электроэнергию (Минэкономразвития РФ в прогнозе социально-экономического развития России на 2016–2019 гг прогнозировал рост цен на электроэнергию в 2017 г - на 7,1%, в 2018 г — на 5,4–5,9%, в 2019 г - на 5,1–5,6%) и требования по снижению вредного воздействия на окружающую среду сделали повышение энергоэффективности оборудования в холодильной индустрии и кондиционировании воздуха устойчивой тенденцией последних лет. С развитием технологий работы велись в основном в области компрессоростроения, систем автоматического управления холодильными установками (ХУ) и поиска новых энергоэффективных и экологически безопасных хладагентов (ХА). Однако существует еще один способ повышения эффективности, на который следует обратить пристальное внимание, – снижение температурных напоров ∆t в теплообменниках (ТО), например, благодаря увеличению площади их поверхности. Малые значения степени термодинамического совершенства систем кондиционирования  ηт = 0.09 - 0.12  объясняются общепринятыми необоснованно высокими температурными напорами в ТО. Как видно из энтропийно - статистического анализа, основная доля энергетических потерь приходится на ТО [1]. Увлечение уменьшением размеров ТО, а, следовательно, и их стоимости приводит к резкому повышению эксплуатационных расходов.

   В течение многих десятилетий в холодильной технике не меняются рекомендации по выбору температур кипения и конденсации в зависимости от внешних условий, т.е. температур в охлаждаемом объекте и окружающей среды. По общепринятым рекомендациям температурный напор ∆tкд в конденсаторе (КД) воздушного охлаждения составляет 10…20 К. Максимальное значение ∆tкд определяется также пределом безопасной эксплуатации компрессора (КМ) при тяжелых погодных условиях, так как превышение этого параметра ведет к уменьшению ресурса работы КМ из - за роста степени сжатия и температуры нагнетания, которой следует уделять пристальное внимание, при возможности устанавливая на КМ защитные температурные реле. Напримерпри температуре окружающей среды tос = +35 0С температура конденсации при ∆tкд = 20 К будет tкд = +55 0С, что близко к предельной для КМ при работе на R 404А.

    При уменьшении ∆tкд, с одной стороны, растет годовое потребление электроэнергии вентиляторами КД, однако с другой– снижается давление конденсации, что ведет к снижению годового энергопотребления компрессорного агрегата. В итоге общее энергопотребление ХУ снижается настолько, что, несмотря на повышение стоимости КД с меньшим ∆tкд, появляется возможность обеспечить малый срок окупаемости. При использовании алюминиевого микроканального КД с воздушным охлаждением с ∆tкд = 8 K по сравнению с КД с ∆tкд = 15 K окупаемость составит менее полугода [2].

Преимущества алюминиевых ТО обеспечиваются более интенсивным теплообменом и уменьшением стоимости материала, габаритов и массы, замене устаревшей технологии пайки на современную.

    Повышая температурный напор можно уменьшить площадь КД, но следует учитывать, что это приведет к большим эксплуатационным расходам, поскольку рост температуры конденсации на 1 К увеличивает расход электроэнергии приблизительно на 3 %. С другой стороны, при уменьшении ∆tкд с 15 до 8 К КД с теплопроизводительностью 300 кВт окупится в течение года.

   При современном соотношении цены электроэнергии и ТО и общей тенденции на увеличение стоимости энергоносителей необходимо обратить серьезное внимание на выбор размера КД. При подборе КД с воздушным охлаждением следует придерживаться критериев, отличных от общепринятой рекомендации, согласно которой температура конденсации должна быть выше температуры окружающей среды на 10–20 K. Наиболее целесообразно будет ограничить верхнюю границу рекомендованного ∆tкд значением 10 K, а нижнюю определять на основании технико -экономического расчета, отдавая предпочтение КД с большой площадью поверхности теплообмена.

    Не менее важным фактором является выбор температурного напора в воздухоохладителе (ВО), обычно температуру в охлаждаемой камере задает технолог. Существуют четыре стандартных температурных условия SC согласно требованиям EN 328. Как видно из энтропийно - статистического анализа, энергетические потери в ХУ зависят не только от температурных режимов работы, но и от ХА и холодильного цикла, которые не учитываются в приведенных требованиях.

   В одноступенчатом цикле с ХА R 404А для поддержания температуры в камере - 25 0С, температуре конденсации tк = + 45 0С, адиабатном КПД КМ ηад = 0.65, перегреве в ВО Δtп = 7 К , увеличивая температурный напор с рекомендуемого 6 К до 10 К, можно уменьшить площадь ВО, но следует учитывать, что холодильный коэффициент ε в этом случае упадет на 9.6 % [3], а удельная объемная холодопроизводительность уменьшится на 17.4 %, т.е. придется применять КМ большего типоразмера. Уменьшение рекомендуемого температурного напора в ВО с понижением температуры кипения вызвано резким уменьшением удельной объемной холодопроизводительности ХА при низких температурах кипения. Выбор температуры кипения – дело серьезное, поскольку, чем ниже давление всасывания, тем хуже возвращается масло из системы в КМ. При вакууме в кожухе герметичного КМ возможен пробой электрической изоляции статора. При этом увеличивается степень сжатия в КМ (следует следить, чтобы температура нагнетания не превышала 135 0С).

  

Список литературы:

1.Шишов В.В.Энтропийно - статистический анализ холодильных циклов для систем кондиционирования // Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. Сер. Машиностроение. 2012. № 8. С. 143 – 156. [Спец. выпуск.]

2.Шишов В.В., Талызин М.С. Повышение энергоэффективности холодильных установок при уменьшении температурного напора в конденсаторах с воздушным охлаждением

// Теплоэнергетика.2015. №9. С. 1-4.

3. Шишов В.В. Рекомендации по температурным напорам // Холодильная техника. 2014. № 9. С. 41.