3.5. Другие схемы холодильных установок

В этом разделе рассмотрена часть возможных схем парокомпрессионных холодильных установок, которые рассматривались в журналах "ХТ" в период с 2000 по 2014 годы.

В последнее время в холодильной технике наблюдается тенденция к более широкому использованию так называемых природных хладагентов, т.е.

диоксида углерода (СО₂) и аммиака (NH₃).

Применение хладагента СО₂ (R744) в холодильной технике обусловлены тем, что показатель его парникового эффекта GWP =1 существенно ниже ГФУ (гидрофторуглеродов), а потенциал разрушения озонового слоя для СО₂ составляет ODP = 0. Кроме того, хладагент R744 обладает следующими дополнительными достоинствами: дешевизна и доступность; отличные термодинамические свойства; высокий холодильный коэффициент (СОР) для некоторых областей применения; нетоксичность, негорючесть; совместимость с минеральными маслами, электроизоляционными и конструкционными материалами; простота в обслуживании. Возможны три следующих схемы и холодильных циклов при использовании СО₂:

• обычный транскритический холодильный цикл (рис.3.19, а);

• с убкритический цикл, в котором СО₂ является промежуточным хладоносителем (рис.3.19, б);

• субкритический каскадный цикл с СО₂ в нижней ветви (рис.3.19, в).

5.1. Схема и теоретический цикл с газоохладителем

В схеме на рис.3.19, а вместо конденсатора используется газоохладитель, который представляет собой совершенно другое устройство, чем конденсатор. Цикл для этой схемы (рис.3.20) существенно отличается от обычного цикла с конденсацией при постоянной температуре. Здесь для отвода теплоты в окружающую среду при достаточно высокой температуре необходимы давления выше критического, которое для СО₂ составляет 73,84 бар.

Расчетами установлено [17], что для каждой температуры на выходе из газоохладителя существует оптимальное давление нагнетания, при котором холодильный коэффициент максимальный.

Такой тенденции не наблюдается в циклах с обычными хладагентами, где, как известно, чем ниже давление конденсации, тем выше холодильный коэффициент. Также отмечено, что наличие промежуточного охлаждения повышает холодильный коэффициент.

Таким образом, давление нагнетания компрессора, температура на выходе из газоохладителя и характеристики промежуточного охлаждения – это основные параметры, которые следует учитывать при проектировании системы с реализацией транскритического цикла охлаждения по схеме рис.3.19, а. Следует отметить, что введение в схему дополнительного теплообменника, работающего по циклу Майсоценко, позволит существенно повысить эффективность транскритического цикла охлаждения.

Транскритический цикл применяется в холодильных системах с бустер-компрессором на СО₂ в диапазоне температур кипения от -35⁰С до температур конденсации +40⁰С, что соответствует давлениям от 12 до 90бар.

Чаще всего субкритический цикл применяют при каскадной схеме холодоснабжения. Как правило в верхней ветви каскада используют R717 или R134а, а в нижней ветви – R744 в диапазоне температур кипения от -35⁰С до -10⁰С, что соответствует давлениям от 12 до 26,5бар.

Специалисты Итальянской компании Dorin Spa [18] провели сравнительный анализ следующих трех схем холодоснабжения для магазиностроения (климат региона г. Москва): стандартная на хладагенте R404а, с бустер-компрессором (транскритический цикл СО₂) и каскадная с R744 – в нижней. При этом были рассмотрены агрегаты холодопроизводительностью Q₀ = 150кВт для t₀ = -10⁰С и Q₀ = 50кВт для t₀ = -35⁰С.

Расчеты показали, что наиболее энергосберегающей является схема холодоснабжения с бустер-компрессором (транскритический цикл R744). При ее эксплуатации экономится 17% энергии по сравнению со стандартной схемой холодоснабжения на хладагенте R404а.

Как показала практика, наиболее перспективные области применения агрегатов на R744:

• магазиностроение (отношение давлений р₀/р_к = 26/90бар и 12/90бар);

• холодильный транспорт (р₀/р_к = 12/85бар);

• горячее водоснабжение/тепловые насосы (р₀/р_к = 40/120бар);

• системы кондиционирования воздуха (р₀/р_к = 40/120бар).

При этом для обеспечения низких температур охлаждаемых объектов применяют каскадные холодильные установки (рис.5.1, в).

3.5.2. Схема каскадно-компаундной установки

Принципиальная схема каскадно-компаундной установки показана на рис.3.21.Верхняя ветвь такой установки представляет собой автономную холодильную машину, работающую при температуре кипения t₀₂=-15…- -18 ⁰С. Хладагентом может быть R22, R404A, R134A и R717(аммиак).

Нижняя ветвь каскадной установки представляет собой одноступенчатую холодильную машину, работающую на диоксиде углерода при температуре кипения t₀ =-50… -40 ⁰С, оснащённую двумя ресиверами, в 1^ом из которых (РКЦ-1) поддерживается давление Р₀₁, соответствующее температуре

t₀ =-50…-40 ⁰С, а во 2^ом (РКЦ-2) давление Р₀₂ соответствующее t₀ =-10…-12 ⁰С. При этом РКЦ-1 играет роль циркуляционного, а РКЦ-2 является компаундным.

Давление, соответствующее требуемой температуре кипения в РКЦ-1, обеспечивается компрессором, работающим на диоксиде углерода, а давление, соответствующее заданной температуре кипения в компаундном ресивере РКЦ-2 – аммиачным (или фреоновым) компрессором.

Д авление, соответствующее требуемой температуре кипения в РКЦ-1, обеспечивается компрессором, работающим на диоксиде углерода, а давление, соответствующее заданной температуре кипения в компаундном ресивере РКЦ-2 – аммиачным (или фреоновым) компрессором.

Пар диоксида углерода конденсируется в КД-Ж за счёт отвода тепла кипящим аммиаком (фреоном) и сливается в компаундный ресивер РКЦ-2, где накапливается.

Часть жидкого диоксида углерода из ресивера РКЦ-2 дросселируется в РВ ветви СО₂ и направляется в циркуляционный ресивер РКЦ-1, где влажный пар и жидкость. Жидкость насосом НЦ-1 подаётся к технологическим аппаратам ТА-1, которые охлаждаются за счёт отбора теплоты кипящим диоксидом углерода. Полученная парожидкостная смесь диоксида углерода возвращается в циркуляционный ресивер РКЦ-1, где жидкость отделяется и снова насосом НЦ-1 возвращается к охлаждаемым объектам, а отделившийся пар смешивается с паром, образовавшимся при дросселировании после РВ1 и всасывается компрессором КМ-1, сжимается до давления, соответствующего температуре t =-10…-12 ⁰С и направляется в компаундный циркуляционный ресивер РКЦ-2. Другая часть жидкого диоксида углерода из компаундного ресивера РКЦ-2 направляется к охлаждающим приборам ТА-2, отвод теплоты в которых также осуществляется диоксидом углерода, кипящим при температуре t₀ =-10…-12 ⁰С. Полученная парожидкостная смесь диоксида углерода после охлаждающих приборов возвращается в компаундный ресивер РКЦ-2.

Оставшаяся в компаундном ресивере часть жидкого диоксида углерода используется для охлаждения перегретого пара СО₂, поступающего в компаундный ресивер после сжатия в компрессоре КМ-1. Для этого вдоль нижней поверхности через жидкий слой диоксида углерода осуществляется барботирование перегретого пара СО₂.

Предлагаемое решение обеспечивает работу системы при минимально допустимом количестве заправляемого аммиака (или фреона), т.е. выполняются условия максимальной безопасности.

3.5.3. Схема двухступенчатой холодильной установки комбинированного типа

В коммерческом холоде используют двухступенчатые установки комбинированного типа с переохлаждением на базе одноступенчатых компрессоров (рис. 3.22.). Такие установка монтируются, как правило, в холодильных системах с разнотемпературными потребителями холода.

Низкотемпературные компрессоры 1, работающие на низкотемпературные испарители 6, нагнетают всасываемый пар в промежуточный коллектор 8.

Среднетемпературные компрессоры 2 работают на среднетемпературный испаритель 7, нагнетая всасываемый из этого испарителя пар вместе с паром из промежуточного коллектора и пара из переохладителя 5 в конденсатор 3. Жидкий хладагент, поступающий из ресивера 4, переохлаждается в переохладителе 5 частью хладагента, направляемого из ресивера 4 и кипящего при давлении пара в промежуточном коллекторе 8, которое приблизительно совпадает с давлением всасывания среднетемпературной ступени. Такие установки имеют очень высокую эффективность.

3.5.4. Подача хладагента в испарители циркуляционным насосом

Недостаток схемы питания испарителей под напором столба жидкости очень существенен для низкотемпературных установок (при температуре кипения ниже –40…–50⁰С). Кроме того, при резком повышении тепловой нагрузки возникает опасность гидравлического удара. Поэтому на крупных установках эту схему не применяют. При подаче жидкости в испарители циркуляционным насосом (рис. 3.23) эти недостатки устраняются. В рассматрив аемой схеме регулятора для заполнения отдельных испарителей не требуется. Стабилизация оптимального заполнения достигается за счет избытка количества подаваемой жидкости. Количество жидкости, подаваемой насосом из циркуляционного ресивера в испаритель, более чем в 2…3 раза превышает количество жидкости, выкипающей при максимальной тепловой нагрузке. Неиспарившаяся жидкость вновь сливается в циркуляционный ресивер. При снижении тепловой нагрузки увеличивается количество неиспарившейся («вторичной») жидкости, а заполнение остается стабильным (оптимальным). Диаметр трубки Т достаточно велик, чтобы обеспечивать отвод пара из испарителей в отделитель жидкости ОЖ и далее в компрессор, не препятствуя стеканию вторичной жидкости в ресивер. Отделитель пара ОП, установленный перед насосом, обеспечивает бесперебойную его работу.

Снижение тепловой нагрузки вызывает переполнение циркуляционного ресивера и может привести к попаданию жидкости в ОЖ и компрессор. Поэтому регулирование заполнения ЦР необходимо. В качестве регулятора используется реле уровня ЭСУ в комплекте с соленоидным вентилем СВ. Когда уровень достигнет верхнего датчика, реле ЭСУ отключает СВ, и подача жидкости через РВ прекращается. При достижении нижнего датчика СВ снова открывает подачу хладагента в ЦР.

Преимущества насосной схемы по сравнению со схемой заполнения испарителя под напором столба жидкости, следующие:

• более низкая температура кипения (из-за отсутствия влияния столба жидкости);

• увеличение коэффициента теплопередачи за счет большей скорости циркулирующей через испаритель жидкости;

• меньшая вероятность попадания жидкости в компрессор (ОЖ при работе практически пустой).

3.5.5. Комбинированная подача хладагента в испарители

Для более равномерного распределения жидкости в испарителях насосные схемы иногда применяют в сочетании с заполнением испарителей под напором столба жидкости (рис.3.24). Для этого на каждом этаже ставят уровнедержатели У. Жидкость подается насосом в верхний уровнедержатель и из него поступает во все испарители этого этажа. По переливной трубке избыток жидкости попадает в нижний уровнедержатель и т.д. Из последнего уровнедержателя жидкость снова сливается в циркуляционный ресивер.

Основные способы повышения энергоэффективности холодильных установок

В последние годы, когда обострилась необходимость повышения эффективности холодильных, наиболее обсуждаемыми стали высокоэффективные установки, в которых реализован один или сразу все следующие факторы повышения их текущего и среднегодового холодильного коэффициента:

• применение компрессоров, воздушных конденсаторов и маслоохладителей с инверторным регулированием производительности;

• работа компрессоров с минимальным перепадом рабочих давлений или с т.н.  «плавающей» температурой конденсации;

• работа конденсаторов с минимальным перепадом температур;

• использование в установках хладагентов R134a, ХР10, R717(NH₃), R744(CO2) и др., а также специализированных под них компрессоров, обеспечивающих более высокий СОР, по сравнению с традиционным решением;

• применение в установках различных систем переохлаждения жидкого хладагента;

• применение в установках различных систем промежуточного дросселирования жидкого хладагента;

• применение затопленных испарителей;

применение регенеративных теплообменников.