18.3 Основні принципи енергозбереження

Підвищення енергетичної ефективності холодильних установок - завдання не занадто важке, однак корисне й необхідне для збереження навколишнього середовища. Його можна вирішувати без значних капіталовкладень. Треба лише навести порядок у “будинку”. Розглянемо, насамперед, основні принципи зниження енерговитрат, які лежать на поверхні питання. Вони були розглянуті на 21 Міжнародному конгресі по холоду у Вашингтонові в серпні 2003 року [38].

Створення штучного холоду є наукою про те, як направити тепловий потік “у гірку”, тобто від низьких температур до високих. Холодильна установка відводить тепло з охолоджуваної речовини (холодний резервуар) і віддає його в навколишнє середовище при більше високій температурі (гарячий резервуар). Цей процес аналогічний подачі води в піднятий резервуар для її зберігання. Величина споживання енергії холодильником, грубо говорячи, пропорційна швидкості відводу тепла (кількості нагніченої води) і підйому температури на висоту, до якої накачується вода, через що зростає тепловиділення в навколишнє середовище.

Енергетична ефективність холодильних установок, як правило, виражається коефіцієнтом корисної дії (ККД), що є відношенням потужності відводу тепла до потужності споживаної енергії.

Яким би не був тип використовуваної холодильної установки, основним фундаментальним принципом є зниження величини тепла, що відводиться, і збереження найменшої різниці між Т_к (температурою конденсації) і Т₀ (температурою випару).

Мінімізація величини тепла, що відводиться, здійснюється за допомогою теплоізоляції холодильної камери, низькотемпературних частин холодильної установки, мінімізації інфільтрації навколишнього повітря (наприклад, відкриття дверей і витік) і при зниженні споживання енергії допоміжним устаткуванням, використовуваним при одержанні штучного холоду (наприклад, вентилятори, підйомники). Зниження Т_к – Т₀ здійснюється збільшенням коефіцієнтів теплопередачі в конденсаторі й випарнику до максимуму й мінімізацією втрат тиску холодоагенту в усмоктувальних і відвідних трубах.

18.4 Вплив компонентів системи на ефективність

Холодильний агент. Далеко не всі речовини мають необхідні для холодоагенту властивості, і ще менше витримали перевірку часом і продовжують застосовуватися як холодоагенти. Ідеальний холодильний агент не існує. Вибір холодоагенту - це завжди компроміс між багатьма факторами, включаючими легкість виробництва, вартість, токсичність, займистість, вплив на навколишнє середовище, корозійність, термодинамічні властивості, а також енергетичну ефективність.

Співвідношення тиск - температура є ключовою характеристикою. У загальному випадку, для досягнення енергетичної ефективності бажано, щоб критична точка холодильного агента (температура, вище якої холодоагент не може конденсуватися) була б вище, ніж температура охолодження й викиду тепла.

Також величезне значення для енергетичної ефективності холодильних установок мають “гарні” властивості холодоагенту стосовно до транспортування й теплопередачі, тому що це знижує поточні витрати й дозволяє застосовувати менші різниці температури в конденсаторах і випарниках і, отже, менші енергетичні втрати. Взагалі, найкращими властивостями володіють холодильні агенти з низькою молекулярною масою й з низькою в’язкістю.

Компресор. Свою ефективність компресори втрачають, якщо температура стиску вище необхідної, якщо в усмоктувальній парі присутні крапельки рідкого холодоагенту або якщо усмоктувана пара стала занадто гарячою. Для підтримки енергетичної ефективності є важливими відповідний рівень технічного обслуговування компресора й збереження якості мастильного матеріалу. Для деяких типів компресорів (особливо гвинтових й відцентрових) енергетичну ефективність їхньої роботи з неповним навантаженням важко порівняти з повним навантаженням, тому варто уникати їхньої експлуатації із тривалим неповним навантаженням. Технологія різношвидкісного приводу й поліпшення системи керування можуть мінімізувати витрати енергії, але при цьому підвищити капітальні витрати.

Конденсатор. Для збереження, наскільки це можливо, більш низької температури конденсації холодильного агента потрібно збільшити до максимуму швидкість теплопередачі в конденсаторі й знизити до мінімуму температуру навколишнього середовища. Більш ефективними часто виявляються випарні конденсатори, що відводять тепло від холодоагенту до температури навколишнього повітря по “вологому” термометрі. Наприклад, вологе повітря при 25°С и відносній вологості 60% має температуру 16 °С по “вологому” термометрі. Однак щоб уникнути механічних і біологічних забруднень для цього типу конденсаторів необхідно ретельне технічне обслуговування.

У конденсаторі з водяним охолодженням у сполученні із градирнями також досягається температура навколишнього середовища по "вологому" термометрі, однак тут виникає додаткова різниця температури для передачі тепла від холодильного агента у воду, тому температура конденсації холодильного агента звичайно вище. Якщо не використовується градирня, то в ряді випадків застосування води може виявитися неприйнятним. Застосування конденсаторів з повітряним охолодженням – найменш ефективний метод конденсації, тому що вони відводять тепло в повітря з температурою по “сухому” термометрі, що, як правило, значно вище, ніж температура води або температура по “вологому” термометрі. І все-таки, дня невеликих систем вони використовуються повсюдно, тому що дешеві, прості й вимагають невеликого уходу.

Дуже важливо тримати конденсатори всіх типів у чистоті. Конденсатори, що відводять тепло в атмосферу, повинні бути відкриті для доступу великої кількості свіжого повітря й захищені від будь-якої можливості включення повітря в рециркуляцію. У системах, що працюють на усмоктуванні холодильного агента під тиском меншим, чим атмосферне (наприклад, низькотемпературний аміак або кондиціювання повітря із ГХФУ-123), повинні використовуватися спеціальні спускні вентилі для видалення газів, що не конденсуються, із системи.

Дросельний пристрій. Багатьом дросельним пристроям для регулювання швидкості циркуляції рідкого холодильного агента при заданих умовах роботи необхідна значна різниця тисків. Тому тиск конденсації часто підтримується на штучно високому рівні, навіть при низьких температурах навколишнього середовища. У цьому випадку причиною відмов у роботі є звичайний теплорегулюючий дросельний вентиль, що, найчастіше, вибирається через його низьку вартість. Використання електронних регулюючих вентилів є єдиним рішенням проблеми.

Випарники. Випарники повинні бути сконструйовані для роботи при мінімальній економічній температурній різниці для того, щоб температура кипіння холодильного агента була максимально високою, наскільки це можливо для даної температури охолодження речовини. Збільшення температури відводу тепла, крім того, зменшує потужність необхідного компресора. На енергетичну ефективність можуть значно вплинути не тільки розміри випарника, але й розподіл холодильного агента, організація, циркуляція й швидкість, використання розвинених поверхонь, швидкість повітря (для повітроохолоджувачів). Повітроохолоджувачі, що працюють при температурі нижче точки “роси”, необхідно регулярно разморажувати для відновлення експлуатаційних якостей. Розморожування електрообігріванням - найбільш простий спосіб, але менш ефективний. Тому підходить лише для невеликих установок. За розморожування электрообогреюм доводиться платити, щонайменше, двічі – за те, щоб увести тепло електрообігрівання в установку і, щоб вивести його з її. Потенційно ефективними є охолоджувачі з розморожуванням водою, гарячим газом і циркуляцією теплої рідини. Однак, якию б не була установка, дуже важливо оптимізувати частоту й тривалість розморожування для того, щоб уникнути непотрібного розморожування.

Сполучні трубопроводи. Ефективність може знизитися, якщо труби не підходять по розміру або встановлені таким чином, що викликають непотрібне падіння тиску або затримують повернення масла (наприклад, надмірні вигини й фітинги).

Контроль і регулювання. Холодильна установка з добре сконструйованими компонентами працює ефективно, якщо всі вони правильно підібрані й відрегульовані. При виборі систем регулювання не завжди приймалася в увагу енергетична ефективність установки.

Для збільшення енергетичної ефективності потрібно, по можливості, уникати наступного: збільшення продуктивності гвинтового компресора вище оптимальної за рахунок регулювання золотника; байпасирования гарячого газу в компресора; дроселювання між випарниками й компресорами; регулювання потужності випарника шляхом недостатньої подачі холодильного агента; занадто частого розморожування; регулювання тиску конденсації без гострої потреби.