Энергетическая эффективность в холодильной промышленности
Россия, как и другие продвинутые страны, столкнулась с проблемой энергодефицита. Аварии, а также отключение электроснабжения, нехватка либо отсутствие теплоснабжения — все это требует решения, решения быстрого. Впрочем чтобы запустить дополнительные мощности, требуется затрачивать годы на строительство электростанций либо станций, которые генерируют тепло. Комбинированное производство тепловой, электрической и холодильной энергии (тригенерация) представляет на сегодняшний день 1 из наиболее современных технологических решений в плане и повышения энергетической эффективности, решения экологических проблем.
Оптимизация потребления энергии является серьезной задачей, ее решение важно и с экономической точки зрения, в отношении улучшения экологии.
В жилых зданиях распределение энергопотребления выглядит следующим образом: 57% энергии идет на отопление помещений, 25% — на производство горячей санитарной воды и 11% — на питание электробытовых приборов.
Если не забывать, что значительная доля энергии расходуется на отопление, а также приготовление горячей санитарной воды, нужно знать, каковы последствия использования тепловой энергии, в том числе, какова степень загрязнения атмосферы, которая обусловлена производством тепла на бытовое отопление. Для минимизации негативного воздействия на экологию, а также уменьшения финансовых расходов представляется, что, кроме разработки совершенно новых альтернативных видов экологически безопасного топлива, следует шире эксплуатировать современные технологии, которые в определенных ситуациях могут существенно повысить производительность и улучшить применение источников энергии.
Системы когенерации (комбинированное производство тепла и электроэнергии) и тригенерации (комбинированное производство тепла, холода, а также электроэнергии) представляют из себя максимально эффективный и рациональный способ использования традиционных источников энергии (ископаемое горючее) и возобновляемых источников энергии (биогаз и солнечная энергия).
К примеру, системы когенерации в сочетании с холодильным оборудованием абсорбционного типа являются удачным выходом в ситуации, когда нужно обеспечить регенерацию и преобразование избыточного тепла в холодильную энергию.
Поэтому, системы тройного действия (рис. 1) являются эффективным решением для удовлетворения все время растущего спроса на электроэнергию, тепло и холод именно благодаря преимуществам, которые открывают современные газовые технологии, а также поправки, которые внесены в экологический регламент.
Рис. 1. Схема образования трех форм энергии в процессе тригенерации:
1 — горючее; 2 — тригенерация; 3 — тепло; 4 — электроэнергия;
5 — холод; 6 — потери тепла; 7 — потери при передаче
В промышленности и для высокого уровня обслуживания административных объектов, где продолжительность работы в годовом исчислении превосходит 4 тысячи часов, применяется когенерация.
В бытовой сфере тепло, производимое комбинированной энергосистемой, предназначается, главным образом, для отопления любых помещений, и, обычно, период реальной потребности в тепле ограничивается зимними месяцами, к примеру, в странах с умеренным климатом. В то же время, существует значительная потребность в холодоснабжении для кондиционирования тех же помещений в летний период. Именно в данных случаях, имея комбинированную энергосистему, регенерированное тепло можно эксплуатировать для производства холодильной энергии либо охлаждающей воды для системы кондиционирования либо промышленных процессов.
Система тригенерации состоит из системы комбинированного производства тепла, а также электроэнергии, которая соединена с 1 либо несколькими холодильными агрегатами (рис. 2). Тепловая часть представляет собой парогенератор с рекуперацией тепла, для питания которого применяются выхлопные газы первичного мотора, обычно, который оснащен газовой турбиной. Первичный мотор соединен с генератором переменного тока, обеспечивающим производство электрической энергии.
Дополнительно в системе предусмотрен аварийный контур, куда в случае необходимости можно сбрасывать пар для утилизации избыточного тепла в случае перегрева либо переохлаждения.
Рис. 2. Принципиальная схема комбинированного генератора тройного действия:
1 — выхлопные газы; 2 — двигатель; 3 — охлаждение двигателя; 4-5 — теплообменники;
6 — охлаждение газов; 7 — генератор переменного тока; 8 -испарительная башня;
9 — холодильная машина; 10 — охлажденная вода; 11 — электроэнергия
Для кондиционирования помещений применяется холодильная машина (чиллер) адсорбционного или абсорбционного типа, которая зимой дает тепло, а летом холод.
И, в конце концов, для охлаждения конденсационной воды холодильной машины предусмотрена испарительная башня (градирня).
В адсорбционной системе в качестве рабочей жидкости в холодильную машину адсорбционного типа заливается вода.
Принцип адсорбции состоит в использовании гигроскопичного материала, как правило кремнеземного геля (кремнегеля) в твердом состоянии, который может забирать водяной пар и отдавать его при подаче тепла.
В фазе влагоудаления химически обработанный пористый материал адсорбирует влагу, которая задерживается на ламелях адсорбционной крыльчатки, до всего насыщения, после чего такой адсорбер подлежит восстановлению. В фазе восстановления выполняется продувка через адсорбер горячего воздуха, после чего скопившаяся вода испаряется и выводится совместно с воздушным потоком. Большое превосходство такой системы в том, что она успешно работает также и при низких температурах.
Тепло, которое требуется для отвода воды, может иметь относительно невысокую температуру, порядка 50°С, что осуществляет возможным применение этой технологии, в том числе, в системах охлаждения посредством солнечной энергии.
Адсорбционная установка состоит из блоков высокого и низкого давления. В блоке низкого давления (около 0.01 бар) расположен испаритель, который обеспечивает испарение при пониженной температуре, равной приблизительно 12°С. В помещении, которое нужно охладить, температура воздуха выше температуры испарения (расчетное значение температуры внутреннего воздуха в помещении составляет 26°С в летний период), этой теплоты достаточно для испарения жидкого хладагента.
В блоке высокого давления расположен конденсатор. Температура конденсации жидкости должна быть выше температуры воздуха на улице (в летний период температура наружного воздуха достигает 35-40°С), достаточная величина давления — 0.1 бар.
Испаритель, а также конденсатор разделяются 2 камерами, выполняющими функцию компрессионных паровых машин, с происходящими в них термохимическими процессами. Камеры подвижны и поочередно присоединяются то к испарителю, то к конденсатору. К камере, движущейся к конденсатору, подается тепло, из камеры, движущейся от испарителя,— тепло отводится.
В качестве рабочего тела абсорбционных установок применяется раствор хладагента и абсорбента, которые образуют рабочую пару. За минувшие годы было предложено много таких пар, впрочем только 2 из них получили широкое распространение в промышленных процессах: аммиак — фреон, вода — абсорбент, вода — бромистый литий.
В таблице приведены кое-какие главные характеристики рабочих пар, используемых в абсорбционном цикле.
Основные характеристики рабочих пар
Характеристика | H2O-NH3 | H2O-LiBr |
| Моно | Моно | Двойное |
| Температура испарения, °С | Низкая
от 0 до −30 | До 5 | До 5 |
| Уровень давления в машине | Выше атмосферного давления | Функционирование в частичном в вакууме | Функционирование в частичном в вакууме |
| Холодильная мощность, кВт | 20-2500 | 300-5000 | 300-5000 |
| Температура горячей воды, °С | 100-120 | 120-132 | 150-160 |
| Коэффициент преобразования тепловой энергии (СОР) | 0,6-0,7 | 0,5-0,6 | 0,9-1,1 |
Специальная система работающих поочередно автоматических клапанов разрешает поддерживать между конденсатором и испарителем необходимый перепад давления и осуществлять переключение режимов работы камер. В нормальных рабочих условиях с температурой горячего источника около 80°С коэффициент преобразования энергии достигает 0.6. Работоспособность машин гарантируется в температурном диапазоне до 60°С. Диапазон мощности таких холодильных машин составляет от 50 до 500 кВт.
Достоинства адсорбционной системы — в простоте, а также надежности. Если не забывать, что нет никакой опасности кристаллизации, пределов для температуры холодильной воды не существует. В машине нет жидкостного насоса, ее энергопотребление невелико.
Недостатками системы можно считать ее немаленькие габариты, а также вес. На сегодня только несколько азиатских производителей выпускают адсорбционные холодильные машины, по этой причине цены таких машин остается все еще относительно довольно высокой.
Достоинства процесса тригенерации
Выигрыш от установки систем тригенерации состоит, главным образом, в экономии энергоресурсов и, как следствие,— в уменьшении выброса в атмосферу загрязняющих веществ. В сравнении с иными технологиями общая эффективность систем тригенерации намного выше, по этой причине экономия энергоресурсов при их использовании достигает 60%. К примеру, у такого предприятия сферы услуг, как гипермаркет, имеется постоянная и одновременная потребность в существенных объемах электрической энергии, холодильной энергии для целей кондиционирования, а также тепловой энергии — для отопления. Лучшие модели систем тригенерации на испытаниях продемонстрировали чрезвычайно высокую общую производительность — до 86%, часть из которой — 42% — приходится на электрическую энергию.
Полугерметичные поршневые компрессоры от компании Bitzer широко используются во всех сферах производства, применяющих охлаждение, глубокую заморозку и аэрокондиционирование. Поршневые компрессоры современного типа «Поколение 2» успешно работают как на хлор-содержащих, так и на HFC хладагентах. На современном рынке 
Сегодня компания Bitzer, крупнейший европейский производитель холодильного оборудования, предлагает четыре типа винтовых компрессоров: 
Подшипники скольжения широко применяются в компрессоростроении; например, в 
Цилиндры воздушных компрессоров представляют собой детали сложной геометрической формы с полостями для размещения поршня, штока с уплотнениями, а также клапанов. Цилиндры первых двух ступеней многоступенчатых компрессоров выполняют из чугуна, последующих ступеней — из различных материалов в зависимости от конечного давления. Заготовки цилиндров, как правило, получают литьем в песчаные формы. Цилиндры первой и второй ступеней могут выполняться без гильз, а цилиндры последующих ступеней в большинстве случаев с гильзами, уплотняемыми резиновыми кольцами.