Системы утилизации тепла в холодильных установках

Во всем мире и прежде всего в странах Западной Европы и США широко применяются технические решения, позволяющие снизить стоимость жизненного цикла холодильной установки. Это и применение электронных расширительных вентилей, и оптимизация давления конденсации в зависимости от температуры наружного воздуха, и установка давления всасывания холодильной машины в зависимости от нагрузки на нее, и управление компрессорами и вентиляторами конденсатора с помощью преобразователей частоты, позволяющих существенно уменьшить потребление энергии. В России активное внедрение подобных решений долгое время сдерживалось из-за заметно более низких, чем на Западе, цен на энергоносители, не позволявших окупить дополнительные капиталовложения в относительно короткий срок. Однако в последние годы технологии энергосбережения становятся все более и более актуальными и в нашей стране.

Системы утилизации тепла конденсации холодильной машины стоят особняком от перечисленных выше решений, поскольку позволяют экономить не электроэнергию, потребляемую непосредственно системой холодоснабжения, а дают возможность снизить затраты других систем, используемых на объекте.

Если рассматривать термодинамику цикла, то можно увидеть, что есть две основные возможности снять теплоту. Первая — использовать перегрев сжатого в компрессоре газа. Вторая — утилизировать теплоту конденсации хладагента.

При использовании перегрева сжатого газа в холодильном контуре устанавливается дополнительный теплообменник. В этом случае можно утилизировать до 20% всего тепла, сбрасываемого установкой. Так как температура хладагента в конце процесса сжатия может превышать 100 °C, среда (воздух или вода) нагревается до 80–90 °C.

При утилизации теплоты конденсации можно снять намного больше тепла, но тепла низкопотенциального, позволяющего нагреть воду или воздух лишь до 30 градусов.

Для чего может быть использовано утилизированное тепло? Наиболее очевидное применение — воздушное отопление зимой. В простейшем варианте установка имеет два параллельно установленных конденсатора, один — на улице (он работает в теплое время года), а второй — внутри помещения (он подогревает воздух в холода). В недорогом исполнении такое решение не имеет никакой регулирующей автоматики. Перевод из зимнего режима в летний производится вручную отключением соответствующего конденсатора, при помощи запорных клапанов. Более сложные варианты имеют один конденсатор, установленный в помещении, и систему, направляющую поток воздуха либо на улицу, либо внутрь помещения. Управление распределением потока может быть как ручным, так и автоматическим.

В настоящее время набирает популярность применение утилизированного тепла для подогрева воды, идущей на различные технические нужды.

Как правило, и для отопления, и для нагрева воды используют перегрев сжатого газа, так как температуры, которую можно получить при утилизации тепла конденсации хладагента, недостаточно. Использование перегрева газа позволяет нагреть воду до 40–50 °C и выше. В случае когда холодильная машина не обеспечивает нужной производительности или же не может работать постоянно, а емкости бака-аккумулятора для поддержания температуры недостаточно, применяют электрические нагреватели или газовые бойлеры.

Интересной разновидностью подобных систем являются каскадные установки с высокотемпературным тепловым насосом в качестве верхнего контура, который подогревает воду до 65–80 °C. Такая вода может использоваться для санитарной обработки поверхностей (при этой температуре погибает большинство бактерий), в химическом производстве. При большой потребности в горячей воде для промышленных нужд целесообразно применение систем с транскритическим циклом на СО2. Они менее эффективны по сравнению с традиционными, но позволяют нагревать воду до более высокой температуры.

Для применения систем утилизации тепла желательно, чтобы графики работы холодильной машины и потребности в горячей воде по возможности совпадали. Поэтому наиболее целесообразно использовать эти системы там, где холод вырабатывается постоянно. Например, на предприятиях пищевой промышленности, где горячая вода необходима для мойки помещений. Интересным представляется применение систем подобного рода на ледовых катках. Горячая вода здесь может использоваться для защиты грунта под охлаждаемой плитой от замерзания, а также для различных технологических нужд. Оценке экономической эффективности применения систем утилизации на промышленных предприятиях была посвящена статья в журнале «МИР КЛИМАТА» № 52.

Все больший интерес к подобным системам проявляют магазины и торговые сети. Еще бы — при относительно небольших дополнительных капитальных затратах системы рекуперации тепла позволяют обеспечить горячей водой целый супермаркет!

Интересен американский опыт использования теплоты перегрева конденсаторов молокоохладителей на фермах. Принципиальная схема установки показана на рис. 1. Вода, поступающая из водопровода, нагревается горячим газом и поступает в подогреватель, где ее температура увеличивается до требуемого значения. Эксплуатация таких установок в течение года позволила в три раза снизить расход энергии на нагрев воды. Особо заметный экономический эффект был получен там, где подогрев осуществлялся жидким топливом.

Следует отметить, что система утилизации тепла может быть установлена и на уже действующей холодильной машине. Так, канадская служба по вопросам энергетической эффективности The Office of Energy Efficiency (OEE) опубликовала отчет о модернизации системы холодоснабжения кухни одного из крупных медицинских центров Канады. Линии нагнетания всех 10 компрессоров объединили в одну и установили на ней пластинчато-паяный теплообменник, в котором вода подогревалась с 10 °C до 30 °C и направлялась в газовый бойлер, где доводилась до необходимой температуры. Благодаря применению утилизации годовое потребление газа снизилось на 40%, срок окупаемости системы составил 2,3 года. В нашей стране успешный опыт модернизации действующей установки был осуществлен компанией «Простор-Л» на ледовой арене «Локомотив» в Ярославле. Система утилизации тепла, вырабатывающая горячую воду для технологических нужд, была установлена спустя полтора года после сдачи объекта в эксплуатацию. Благодаря ее применению расход горячей воды из городской сети сократился в десять раз, а сама система окупилась менее чем за два года.

Важно отметить, что системы утилизации тепла обычно выполняются по индивидуальным проектам под конкретную задачу. Крайне важно правильно подобрать все компоненты системы и без ошибок ее спроектировать. Теплообменник-утилизатор, как правило, имеет пластинчатую конструкцию, хотя на больших установках применяются и кожухо-трубные теплообменники. Если в конструкции предусмотрено наличие предконденсатора, необходим его точный подбор с целью недопущения конденсации хладагента. При использовании одновременно нескольких источников тепла, например, средне- и низкотемпературных центральных холодильных машин, важно предусмотреть такую их компоновку в машинном отделении, которая позволит обеспечить удобную прокладку трубопроводов для горячей воды и доступ к системам автоматики и запорной арматуре.

В качестве примера использования утилизации тепла в промышленности рассмотрим систему, которую применил один из лидеров холодильного бизнеса — компания ООО «Термокул» (г. Москва) (рис. 2). Горячая вода вырабатывается системой холодоснабжения камеры шоковой заморозки. Вода, получаемая в результате нагрева, используется для размораживания мяса, оттаивания камеры шоковой заморозки и мытья полов после завершения смены. Ее можно использовать и для других нужд. В данной системе на линии нагнетания перед основным конденсатором смонтирован предконденсатор (рис. 3), представляющий собой пластинчато-паяный теплообменник фирмы «Данфосс». Суммарное тепло перегрева горячего газа, выделяемое системой холодоснабжения на базе трех винтовых компрессоров Bitzer HSN 8571, составляет 450 кВт. Предконденсатор позволяет утилизировать до 400 кВт тепла. Вода, имеющая температуру 8 °C, нагревается до 40 °C с производительностью 11 кубометров в час, что позволяет полностью удовлетворить все технологические потребности. Для компенсации снижения производительности при отключениях компрессоров в системе установлен бак-накопитель объемом 3 кубических метра.

Применение такого технического решения позволяет экономить на электроэнергии и прокладке инженерных коммуникаций, что является очень важным для предприятия.

Статью подготовили Сергей Бучин и Сергей Смагин



наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест