Утилизация теплоты

Утилизация теплоты уже много лет широко применяется в тепло­энергетике — подогреватели питательной воды, экономайзеры, воздухо­подогреватели, газотурбинные регенераторы и т. д., но в холодильной технике ей уделяется еще недостаточное внимание. Это можно объяс­нить тем, что обычно сбрасывается теплота низкого потенциала (при тем­пературе ниже 100°С), поэтому для ее использования необходимо вво­дить в холодильную систему дополнительные теплообменники и прибо­ры автоматики, что усложняет ее. При этом холодильная система стано­вится более чувствительной к изменению внешних параметров.

В связи с энергетической проблемой, в настоящее время проекти­ровщики, в том числе и холодильного оборудования, вынуждены более внимательно анализировать традиционные системы в поисках новых схем с регенерацией теплоты конденсации.

Если холодильная установка имеет воздушный конденсатор, можно использовать нагретый воздух непо­средственно после конденсатора для обогрева помещений. Можно полез­но использовать и теплоту перегретых паров хладагента после компрес­сора, имеющих более высокий температурный потенциал.

Впервые схемы утилизации теплоты были разработаны европей­скими фирмами, так как в Европе сложились более высокие цены на электроэнергию в сравнении с ценами в США.

Комплектное холодильное оборудование фирмы ’’Костан” (Ита­лия), разработанное в последние годы, с системой утилизации теплоты воздушных конденсаторов применяется для отопления торгового зала магазинов типа ’’Универсам”. Такие системы позволяют сократить общее энергопотребление в магазине на 20—30%.

Основная цель — использование максимально возможного количе­ства теплоты, выделяемой холодильной машиной в окружающую среду. Теплота передается либо непосредственно потоком теплого воздуха пос­ле конденсатора в торговый зал магазина во время отопительного сезо­на, либо в дополнительный теплообменник-аккумулятор (теплота пере­гретых паров хладагента) для получения теплой воды, которая исполь­зуется для технологических нужд в течение всего года.

Опыт эксплуатации систем по первому способу  показал, что они просты в обслуживании, но сравнительно громоздки, исполь­зование их связано с необходимостью установки дополнительных вен­тиляторов для перемещения большого количества воздуха и воздуш­ных фильтров, что в конечном итоге приводит к росту приведенных затрат. Учитывая это, предпочтение отдают более сложным схемам, несмотря на то, что их реализация усложняет эксплуатацию.

Наиболее простой схемой с теплообменником-аккумулятором — является схема с  поcледовательным соединением конденсатора и акку­мулятора. Эта схема работает следующим образом. При тем­пературах воды на входе в теплообменник-аккумулятор и температура окру­жающего воздуха, равных 10°С, температура конденсации tK сос­тавляет  20 С. В течение короткого времени (например, в течение ночи) вода в аккумуляторе нагревается до 50°С, a t повышается до 30°С. Объясняется это тем, что общая производительность конденсатора и аккумулятора понижается, так как при нагреве воды уменьшается первоначальный температурный напор в аккумуляторе.

Повышение  на 10°С вполне допустимо, однако при неблагоприятных сочетаниях высокой температуры  и малого потребления воды может наблюдаться и более значительное повышение температуры кон­денсации. Эта схема имеет следующие недостатки при эксплуатации: колебания давления конденсации; периодическое значительное пони­жение давления в ресивере, которое приводит к нарушению питания испарителя жидкостью; возможное обратное перетекание жидкости в воздушный конденсатор во время остановки компрессора, когда t значительно ниже температуры в ресивере.

Установка регулятора давления конденсации  позво­ляет предотвращать обратное перетекание конденсата из ресивера в воз­душный конденсатор, а также поддерживать необходимое давление конденсации, например, соответствующее  25 °С.

При повышении tw до 50°С и tок до 25 °С регулятор давленияполностью открывается, при этом падение давления в нем не превышает 0,001 МПа.

Если и t снижаются до 10°С, то регулятор давления закрыва­ется и внутренняя полость воздушного конденсатора, а также часть зме­евика теплообменника-аккумулятора заполняются жидкостью. При по­вышении t до 25°С регулятор давления вновь открывается и жидкость из воздушного конденсатора выходит переохлажденной. Давление над поверхностью жидкости в ресивере будет равно давлению конденсации минус падение давления в регуляторе , причем давление в ресивере мо­жет стать настолько низким (например, соответствовать tK < 15°С), что жидкость перед подачей к регулирующему вентилю не будет переох­лажденной. В этом случае необходимо ввести в схему регенеративный теплообменник.

Для поддержания давления в ресивере в схему также вводится диф­ференциальный клапан. При tк= 20°С и tок — 40°С диф­ференциальный клапан закрыт, падение давления в трубопроводах воздушного конденсатора, теплообменника-аккумулятора и регулятора давления незначительно.

При понижении до 0°С, a t до 10°С жидкость перед регулятором давления  будет иметь температуру примерно 10°С. Падение давления в регуляторе давления  станет значительным, откроется дифференци­альный клапан 6 и горячий пар будет поступать в ресивер.

Однако и это полностью не исключает проблемы отсутствия пере­охлаждения жидкости в ресивере. Необходимы обязательная установка регенеративного теплообменника либо использование ресивера специ­альной конструкции. В этом случае холодная жидкость из конденсатора направляется непосредственно в жидкостный трубопровод. Такого же эффекта можно достигнуть установкой вертикального реси­вера, в котором более холодная жидкость опускается на дно, а горячий пар поступает в верхнюю часть.

Расположение регулятора давления  в схеме между теплообменни­ком-аккумулятором и воздушным конденсатором. предпочти­тельно по следующим причинам: зимой может потребоваться много вре­мени на достижение необходимого давления конденсации; в компрес­сорно-конденсаторном агрегате редко бывает достаточной длина трубо­провода между конденсатором и ресивером; в существующих установках необходимо отключать сливной трубопровод, чтобы встроить теп­лообменник-аккумулятор. По этой схеме устанавливается и обратный клапан .

Разработаны  схемы с параллельным соединением воздушных конденсаторов для поддержания в одном помещении температуры 20°С, а в другом, где часто открываются зимой двери, — 10°С. Такие схемы также требуют установки регуляторов давления и дифференциальных клапанов.

Параллельно включенные конденсаторы с утилизацией теплоты в летнее время обычно не работают, и давление в них несколько ниже, чем в основном конденсаторе. Вследствие неплотного закрытия соленоид­ных и обратных клапанов возможны рециркуляция жидкости и заполне­ние конденсатора-утилизатора. Во избежание этого в схеме предусмат­ривают байпасный трубопровод, через который периоди­чески включается конденсатор с утилизацией теплоты по сигналу реле времени.

Колебания тепловой нагрузки основного конденсатора и конден­саторов с утилизацией теплоты связаны с необходимостью использова­ния в таких схемах ресивера большей вместимости, чем в холодильных машинах без утилизации теплоты, либо установки дополнительного ресивера параллельно первому, что заставляет увеличивать количество хладагента для заправки системы.

Анализ  различных схем утилизации теплоты с использова­нием стандартных теплообменников коаксиального типа (труба в трубе) при полной конденсации в них и использовании лишь теплоты перегре­ва паров показывает, что установка работает экономичнее при полной конденсации в регенераторе теплоты лишь при непрерывном и стабиль­ном использовании теплой воды.

  Холодильная машина работает по двум цик­лам (с температурой кипения — 10°С и разными температурами конден­сации 35 и 55°С). В качестве регенератора теплоты используется допол­нительный противоточный водяной теплообменник, передающий тепло­ту перегрева паров хладагента при температурном напоре холодопроизводительности компрессора 10 кВт и потребляемой мощ­ности 2,1 кВт (Тк = 35°С) в основном конденсаторе можно нагреть воду (при расходе ее 0,012 кг/с) с 10 до 30°С, а затем в регенераторе по­высить температуру воды с 30 до 65 °С. В цикле с  55°С при холодопроизводительности 10 кВт и по­требляемой мощности 3,5 кВт в основном конденсаторе воды (при расходе 0,05 кг/с) нагревается с 10 до 50°С, и затем в дополнительном теплообменнике-регенераторе вода (при расходе 0,017 кг/с) нагрева­ется с 50 до 91°С. В первом случае полезно используется 13,7%, во вто­ром - 52% всей подводимой энергии.

Во всех случаях при выборе системы утилизации теплоты холо­дильной машины необходимо определить следующее:

• холодопроизводительность компрессора и тепловую нагрузку на конденсатор;
• режим работы холодильной машины в летний и зимний периоды; возможность использования утилизированной теплоты; взаимосвязь между необходимой теплотой для обогрева помещения и нагрева воды;
• требуемую температуру теплой воды и расход ее по времени; надежность работы холодильной машины в режиме получения холода.
• Опыт эксплуатации систем утилизации теплоты показывает, что первоначальные капитальные затраты на такую систему в крупных магазинах окупаются в течение 5 лет, поэтому внедрение их экономически целесообразно.