CC BY
3в
естник АПК
Агроинженерия -! № 1(25), 2017 " "
УДК 338.43:621.565.9
17
И. В. Капустин, И. В. Атанов, Д. И. Грицай, Е. И. Капустина Kapustin I. V., Atanov I. V., Gricay D. I., Kapustina E. I.
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ХОЛОДИЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ АПК
ECONOMIC FEASIBILITY OF INCREASING ENERGY EFFICIENCY OF REFRIGERATION EQUIPMENT AT THE ENTERPRISES OF AGROINDUSTRIAL COMPLEX
Приведены различные направления повышения энерго- Given the different directions of increase of efficiency of
эффективности оборудования для переработки продукции equipment for processing of agricultural products. Considered
АПК. Рассмотрены вопросы эффективного использования the issues of energy efficiency in the technological lines of
энергоресурсов в технологических линиях производства production (receipt) of cold, technological and engineering
(получения) холода, виды технологических и инженерных solutions aimed at improving energy efficiency of refrigeration
решений, направленных на повышение энергоэффективно- equipment used on dairy farms and complexes. сти холодильного оборудования, применяемого на молочных фермах и комплексах.
Ключевые слова: энергоэффективность, энергосбе- Key words: energy efficiency, energy conservation, chiller,
режение, холодильные установки, хладагенты, испаритель- chillers, evaporative condensers. ные конденсаторы.
Капустин Иван Васильевич -
кандидат технических наук, профессор
кафедры машин и технологий АПК
ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный
аграрный университет»
г. Ставрополь
Тел.: 8-928-285-51-83
E-mail: elena79-26reg@mail.ru
Атанов Иван Вячеславович -
кандидат технических наук, доцент, проректор
по учебной и воспитательной работе
ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный
аграрный университет»
г. Ставрополь
Тел.: 8-962-445-15-45
E-mail: atanovivan@mail.ru
Грицай Дмитрий Иванович -
кандидат технических наук, доцент, заведующий
кафедрой машин и технологий АПК
ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный
аграрный университет»
г. Ставрополь
Тел.: 8-918-874-06-56
E-mail: gritcay_kirill@mail.ru
Капустина Елена Ивановна -
кандидат экономических наук, доцент кафедры
статистики и эконометрики
ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный
аграрный университет»
г. Ставрополь
Тел.: 8-928-813-29-25
E-mail: elena79-26reg@mail.ru
Kapustin Ivan Vasil'evich -
Ph.D of technical Sciences, professor of department of machine and technology of APK
FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University» Stavropol
Tel.: 8-928-285-51-83 E-mail: elena79-26reg@mail.ru
Atanov Ivan Vyacheslavovich -
Ph.D of technical Sciences, associate professor pro-rector on educational and educate work FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University» Stavropol
Tel.: 8-962-445-15-45 E-mail: atanovivan@mail.ru
Gricay Dmitry Ivanovich -
Ph.D of technical Sciences, associate professor, manager by the department of machine and technology of APK FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University» Stavropol
Tel.: 8-918-874-06-56 E-mail: gritcay_kirill@mail.ru
Kapustina Elena Ivanovna -
Ph.D of economic Sciences, associate professor of department of statistics and ekonometriki FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University» Stavropol
Tel.: 8-928-813-29-25 E-mail: elena79-26reg@mail.ru
Знергоэффективность входит в комплекс приоритетных направлений технологического развития нашей страны. Одна из важнейших стратегических задач, поставленная президентом РФ, предопределяет сокращение на 40 %
энергоемкости отечественной экономики к 2020 году. Реализация данной задачи обеспечит не только экономию ресурсов, повышение конкурентоспособности технологических процессов, существенное ограничение выброса парниковых га-
18
Ежеквартальный
научно-практический
журнал
В
сти ЛПК
Ставрополья
зов в атмосферу, но и решение важнейшей социальной проблемы, связанной со значительным сокращением коммунальных расходов для населения.
Между понятиями «энергоэффективность» и «энергосбережение» существует определенная взаимосвязь, однако сущность их различная. Эффективность означает получение необходимого результата с использованием меньшего количества энергии, тогда как сбережение направлено на потребление меньшего количества энергии или вовсе отказ от ее использования. Эффективность часто приводит к сбережению энергии, но не наоборот [1, 2, 3].
Энергоэффективность направлена на использование меньшего количества энергии для обеспечения того же уровня энергетического обеспечения технологических процессов на производстве.
Агропромышленный комплекс производит продукты питания, которые в большинстве своем без специальной обработки не могут сохранять свои качественные показатели. Поэтому АПК включает в себя предприятия по производству, приему, обработке, переработке и хранению различной продукции пищевого назначения, являющиеся основными потребителями холода (рис. 1) [4, 5].
На предприятиях, связанных с хладопотре-блением, более 60 % энергозатрат поглощает энергоемкий процесс выработки холода (рис. 2). Поэтому для повышения энергоэффективности и сокращения энергопотерь следует в первую очередь решать вопросы эффективного использования энергоресурсов в технологических линиях производства (получения) холода.
Группа основных факторов, влияющих на энергоэффективность процесса производства и использования холода, представлена на рисунке 3.
На предприятиях агропромышленного комплекса применяются холодильные установки различных типов: компрессионные, термоэлектрические и теплоиспользующие (пароэжектор-ные, абсорбционные, сорбционные) [6, 7].
Компрессионные холодильные машины используют для работы энергию предварительно сжатого в компрессоре газа, теплоиспользующие (пароэжекторные и абсорбционные) - теплоту греющего источника, термоэлектрические - непосредственно электрическую энергию. При энергоаудите весьма важно определить параметры холодильных установок, их режим работы, а при эксплуатации обеспечить работу при возможно максимальной загрузке.
/ ЭНЕРГИЯ 1
V (юо%)
\ ПОТРЕБИТЕЛЬ
Рисунок 2 - Распределение потребляемой энергии при выработке и использовании холода
Молокоперерабатывающие заводы и комбинаты
Овощехранилища и склады
Мясоперерабатывающие заводы и комбинаты
Хладокомбинаты
Крупные молочные фермы и комплексы
Рисунок 1 - Основные хладопотребляющие предприятия АПК
в
естник ЛПК
„ _ 4 _ _Агроинженерия
— № 1(25), 2017 г г
Тип холодильного оборудования
Вид хладагента
Способ оттайки испарителей и воздухоохладителей
Система хладоснабжения (централизованная, индивидуальная)
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА и ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ХОЛОДА
Схема охлаждения (с непосредственным охлаждением, с промежуточным хладоносителем)
Вид и привод компрессора
Вид конденсатора
Система автоматизации и контроля
Я410А - 282%
Я507А - 250%
Я407С - 215%
Я404А - 175%
Ш34А -165%
Я22 - 100%
5
>
Рисунок 3 - Основные факторы, влияющие на энергоэффективность процесса производства и использования холода на предприятиях АПК
Рисунок 4 - Сравнительная оценка стоимости «новых» хладагентов по отношению к стоимости фреона Я22
Стратегия выбора хладагента должна обеспечить долгосрочную и надежную перспективу окупаемости вложений в оборудование с последующим получением прибыли и исключение конфликтов системы холодоснабжения с надзорными и контролирующими органами. Это подразумевает применение озонобезопасных и «непарниковых» хладагентов, какими для промышленного холода являются аммиак, диоксид углерода и единичные марки весьма дорогих фреонов.
На пути к этой стратегической цели в реальной практике России тактически оправданным является использование в настоящее время в некоторых системах холодоснабжения фреона Я22 (с учетом того, что его полное запрещение намечено на 2020 г.), а затем неизбежен полный переход на озонобезопасные хладагенты. Тактика переходного периода может базироваться и на универсальном подходе, включающем учет стратегической перспективы. В этом случае проектирование (реконструкция) систем холодоснабжения объектов ведется для озоно-безопасного фреона, например Я507, а эксплуатация до введения запретительных процедур и санкций проводится на Я22.
Наиболее стратегически оправданным представляется путь, по которому идут промышлен-но развитые страны Европы. Он ориентирован на запрет выпуска и использования озонораз-рушающих и «парниковых» фреонов и переход к природным хладагентам (аммиаку и диоксиду углерода).
В настоящее время объективная реальность по промышленному холоду в России складывается из предпочтительного использования в новых холодильных установках фреонов, в меньшей степени - аммиака. Единичные системы
работают на сочетании диоксида углерода с аммиаком либо фреоном (каскадные и двухкон-турные системы) [8, 9].
Характерной отрицательной особенностью «новых» фреонов наряду с их высокой стоимостью (рис. 4) является и то, что для их использования в холодильных машинах необходимы специальные дорогостоящие синтетические масла. Такие фреоны обладают более низкой эффективностью, что приводит к повышенному энергопотреблению компрессоров и холодильных систем в целом. Кроме того, они являются многокомпонентными смесями, в которых в процессе эксплуатации и при утечках могут изменяться концентрации компонентов, что неизбежно приводит к дополнительному снижению их эффективности. В некоторых случаях из-за этого даже при частичной утечке требуется полная перезаправка системы хладагентом, что связано со значительными затратами. Кроме высокой стоимости, «новые» фреоны в большинстве своем имеют высокий потенциал глобального потепления и попадают под ограничения по Ки-отскому протоколу. Например, известные фреоны Я404Д и Я507Д имеют потенциал глобального потепления 3800 и 3900 соответственно, в то время как для СО2 GWP=1, а для аммиака - 0 (рис. 5) [10, 11, 12].
Постановлением Правительства РФ от 20 ноября 2014 года № 1229 в рамках выполнения ограничений по международным договорам предопределены жесткие меры учета и отчетности за поступлением, использованием и хранением озоноразрушающих веществ, в том числе и фреона Я22. Экологическая безопасность должна касаться всех производителей и потребителей холодильной техники, а также проектировщиков, машиностроителей.
Ежеквартальный
научно-практический
журнал
ПОТЕНЦИАЛ ГЛОБАЛЬНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ (GWR) Синтетические хладагенты: R22 -1700 R134A-1300 R404A-3800 R407C-1600 R410A-1890 R507A-3900 Природные хладагенты: R717 (аммиак)-0 R744(диoкcид углерода)-1 R728 (азот)-0
ПОТЕНЦИАЛ РАЗРУШЕНИЯ ОЗОНОВОГО СЛОЯ (ОБР) Синтетические хладагенты: R22-0.05 R134A-0 R404A-0 R407C-0 R410A-0 R507A-0 Природные хладагенты: R717 (аммиак)-0 R744(диoкcид углерода)-0 R728 (азот)-0
Рисунок 5 - Характеристики синтетических и природных хладагентов
Необходимо создать нормативно-правовую базу, регламентирующую применение в холодильных машинах в России рабочих веществ с учетом не только международных соглашений, но главное - с учетом интересов России. Остро стоит вопрос разработки правовых документов, способствующих продвижению на российском рынке прогрессивных технических решений в области холодильной техники и использования экологически безопасных, термодинамически эффективных хладагентов и хла-доносителей.
Альтернативой должен стать переход на более дешевые отечественные энергоэффективные природные хладагенты - аммиак (с минимизацией его заправки в систему хладоснабжения) и диоксид углерода, в особенности в установках каскадного типа. На предприятиях, где требуется низкотемпературный холод, наибольшее распространение получат аммиачные установки непосредственного охлаждения.
Известны и доказаны большие преимущества аммиачной системы с непосредственным кипением аммиака в охлаждающих устройствах, и прежде всего их высокая энергетическая эффективность.
Для России в последние годы характерным является предпочтение фреонов аммиаку в новых системах холодоснабжения и стремление замены аммиака на фреон в реконструируемых установках. Это связано в основном с жесткими требованиями по безопасности аммиачных холодильных установок (АХУ) со стороны Рос-технадзора, МЧС и других контролирующих органов. Однако требования по безопасности эксплуатации фреоновых установок уже близки к существующим по АХУ, тем более что фреоны не имеют запаха и интенсивно вытесняют кислород из замкнутых помещений, а при контакте с огнем они выделяют смертельно опасные газовые компоненты (фосген и др.).
Ведущие специалисты мира в области холодильной техники считают ошибкой выбор в пользу фреона по отношению к аммиаку. Это касается и перевода существующих систем с аммиака на фреон. Очевидным фактом является то, что использование фреонов приводит к повышенному расходу энергоресурсов для получения единицы холода (по сравнению с аммиаком примерно в соотношении 60/40). Исходя из этого понятно, что экономия электроэнергии и замена аммиака фреонами противоречат друг другу [13, 14].
В мировой практике отмечается тенденция применения централизованных систем хладоснабжения.
Система охлаждения оказывает существенное влияние на энергоэффективность данного процесса. Установки с промежуточным хладо-носителем по этому показателю не могут конкурировать с установками с непосредственным охлаждением, однако они открывают возможность использования энергии природного холода, что особенно актуально для северных регионов нашей страны.
В холодильных машинах применяются поршневые, винтовые, ротационные и турбинные компрессоры. Более энергоэффективными и высокопроизводительными являются промышленные компрессоры открытого типа. Винтовые компрессоры, как правило, имеют более высокий КПД при полной нагрузке, в то время как поршневые компрессоры имеют более линейный профиль нагрузки и выше эффективность при частичной нагрузке.
Когда в систему включены несколько компрессоров, система управления мощностью компрессоров должна обеспечивать оптимизацию их работы,что позволит сохранить энергию из-за различий в характеристиках разных типов компрессоров, а также объема их использования.
Другим направлением повышения энергоэффективности холодильного оборудования является правильно выбранный тип и размеры конденсатора. Для снижения температуры конденсации хладагента, что особенно актуально для южных регионов страны, целесообразно применять преимущественно испарительные конденсаторы. Это позволит снизить установленную мощность холодильного оборудования при сохранении необходимой холодопроизводи-тельности, а также уменьшить суммарное энергопотребление в процессе эксплуатации.
Необходимой технической операцией, как правило, является периодическое размораживание (оттайка) испарителя. В большинстве холодильных систем используется таймер на размораживание. Однако более эффективным методом является размораживание по требованию, при котором система сама определяет, когда требуется оттаивание. Информационными сигналами являются температура или перепад давления в испарителе и уровень влажности [15, 16].
Современные системы автоматизации и управления холодильным оборудованием позво-
в
естник АПК
Ставрополья
;№ 1(25), 2017
Агроинженерия
21
ляют повысить его энергоэффективность за счет применения частотных преобразователей скорости вращения электродвигателей, установки электронных терморегулирующих вентилей (ТРВ), программирования «плавающего» давления конденсации и компьютерного управления холодильным оборудованием в локальной сети.
Кроме того, для повышения энергоэффективности в работе холодильного оборудования целесообразно использовать дополнительные устройства, снижающие потери холода. Это теплоизоляция охлаждаемых объемов (помещений, камер и др.), теплообменных аппаратов и коммуникаций, утилизация вырабатываемой теплоты,использование естественного холода.
В Ставропольском государственном аграрном университете проводятся исследования по разработке технологических и инженерных решений, направленных на повышение энергоэффективности холодильного оборудования, применяемого на молочных фермах и комплексах, а также молокоприемных и молокоперерабаты-
вающих пунктах. Работы выполняются в рамках государственных контрактов с министерством сельского хозяйства Ставропольского края, а также по хозяйственным договорам. Разработаны рекомендации по комплектованию технологических схем охлаждения, выбору, настройке и эксплуатации холодильного оборудования. Также разработаны и испытаны в производственных условиях опытные образцы регенератора теплоты емкостного типа и аккумулятора естественного холода с теплообменником.
Производственные испытания проводились на молочных фермах СПК «Путь Ленина» Апана-сенковского района, СПК «Московский» и СПК «Рассвет» Изобильненского района, СПК «Родина» Благодарненского района, СП К «Свобода» и КФХ «Чернолесское» Новоселицкого района. Включение в линию охлаждения регенератора теплоты и аккумулятора естественного холода позволяют на 15...17 % снизить энергозатраты, повышая тем самым энергоэффективность использования холодильного оборудования.
Литература
1. Атанов И. В., Капустин И. В., Ефанов А. В. Снижение расхода электроэнергии в технологических процессах обработки и переработки молока // Вестник АПК Ставрополья. 2014. № 1(13). С. 18-22.
2. Об оценке эффективности деятельности органов местного самоуправления городских округов и муниципальных районов [Электронный ресурс] : указ Президента Российской Федерации от 28.04.2008 № 607. Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс». URL: http:// consultant.ru.
3. Сибикин Ю. Д., Сибикин М. Ю. Технология энергосбережения : учебник. Изд. 3-е, пе-рераб. и доп. М. : Форум : НИЦ ИНФРА-М, 2013. 352 с.
4. Анализ состояния молочного сектора АПК Ставропольского края / В. И. Тру-хачев, И. В. Капустин, Н. З. Злыд-нев, Е. И. Капустина // Вестник АПК Ставрополья. 2016. № 2(22). С. 106-110.
5. Капустина Е. И., Криволапов О. И., Кри-волапов Д. И. Анализ применения средств механизации в молочном скотоводстве и их эффективность // Техника и оборудование для села. 2005. № 1. С. 38-39.
6. Капустин И. В. Проектирование комплексной механизации в животноводстве : учебное пособие. Ставрополь : АГРУС, 2003. 256 с.
7. Капустина Е. И. Снижение затрат на обработку и переработку молока // Сельский механизатор. 2014. № 2(60). С. 11-12.
References
1. Atanov I. V., Kapustin I. V., Efanov A. V. Reducing energy consumption in technological processes of processing and milk processing // Agricultural Bulletin of Stavropol Region. 2014. № 1(13). P. 18-22.
2. On the assessment of efficiency of activity of local governments of city districts and municipal areas: the decree of the President of the Russian Federation from 28.04.2008 № 607. Available at: http://consultant.ru.
3. Sibikin Yu. D., Sibikin M. Yu. Alternative energy-saving production engineering : textbook. Edit. 3th, revised and enlarged. M. : Forum : INFRA-M, 2013. 352 p.
4. Trukhachev V. I. analysis of the status of dairy sector of agriculture of Stavropol Krai / V. I. Trukhachev, V. I. Kapustin, N. Z. Zlydnev, E. I. Kapustina // Agricultural Bulletin of Stavropol Region. 2016. № 2 (22). P. 106-110.
5. Kapustina E. I., Krivolapov O. I., Krivolapov D. I. Analysis of the application of mechanization in dairy farming and their effectiveness // Machinery and equipment for the village. 2005. № 1. P. 38-39.
6. Kapustin I. V. Design of complex mechanization in the stomach-Novosti : a Training manual. Stavropol : AGRUS, 2003. 256 p.
7. Kapustina E. I. Reducing the cost of the treatment and processing of milk // Rural machine operator. 2014. № 2 (60). P. 11-12.
22
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
8. Капустина Е. И. Статистические методы в экологии в природопользовании. Ставрополь, 2015.
9. Эксплуатация транспортно-технологи-ческих машин и комплексов : программа практического обучения /И. В. Капустин, М. В. Данилов, Б. В. Малюченко, Е. В. Зубрилина, Е. В. Герасимов, А. В. Ор-лянский, В. И. Марченко, И. И. Швецов. Ставрополь : АГРУС Ставропольского гос. аграрного ун-та, 2013. 48 с.
10. Агроинженерия : программа практического обучения / И. В. Капустин, М. В. Данилов, Б. В. Малюченко, Е. В. Зубрилина, Е. В. Герасимов, А. В. Орлянский, В. И. Марченко, И. И. Швецов. Ставрополь : АГРУС Ставропольского гос. аграрного ун-та, 2013. 48 с.
11. Учебная программа технологической практики на сельскохозяйственных предприятиях: эксплуатация ТТМИК / С. А. Овсянников, И. В. Капустин, Л. И. Высочкина, Е. В. Герасимов, И. И. Швецов. Ставрополь, 2015. 16 с.
12. Капустина Е. И. Стратегические направления развития молочной отрасли Ставропольского края // Вестник Университета. 2011. № 12. С. 78-81.
13. Капустина Е. И., Погорелова И. В. Методы распределения фонда господдержки и паритетность цен в сферах агропромышленного комплекса // Экономический вектор региона: научно-практический журнал. 2009. № 3. С. 89-94.
14. Капустина Е. И., Ангилеев О. Г. Повышение эффективности использования молочных блоков // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе : сборник научных трудов II Российской научно-практической конференции / Ставропольский государственный аграрный университет ; главный редактор В. И. Трухачев. 2003. С. 202-205.
15. Технологическое и техническое обеспечение процессов машинного доения коров, обработки и переработки молока / В. И. Трухачев, И. В. Капустин, В. И. Буд-ков, Д. И. Грицай. М. : Изд-во «Лань», 2013. 302 с.
16. Техника и технологии в животноводстве / В. И. Трухачев, И. В. Атанов, И. В. Капустин, Д. И. Грицай. Ставрополь : АГРУС, 2015. 404 с.
8. Kapustina E. I. Statistical methods in ecology in environmental management. Stavropol, 2015.
9. Operation of transport and technological machines and complexes: the program of practical training / I. V. Kapustin, M. V. Danilov, B. V. Maluchenko, E. V. Zubrilina, E. V. Gerasimov, A. V. Orlyanskii, V. I. Marchenko, I. I. Shvetsov. Stavropol : AGRUS of Stavropol State Agrarian University, 2013.48 p.
10. Agro engineering: the program of practical training / I. V. Kapustin, M. V. Danilov, B. V. Maluchenko, E. V. Zubrilina, E. V. Gerasimov, A. V. Orlyanskii, V. I. Marchenko, I. I. Shvetsov. Stavropol: AGRUS of Stavropol State Agrarian University, 2013. 48 p.
11. Curriculum technology practice in agricultural enterprises: the operation of TTMIK / S. A. Ovsyannikov, I. V. Kapustin, L. I. Vysochkina, E. V. Gerasimov, I. I. Shvetsov. Stavropol, 2015. 16 p.
12. Kapustina E. I. Strategic directions of development from the dairy industry of the Stavropol territory // Bulletin of the University. 2011. № 12. P. 78-81.
13. Kapustina E. I., Pogorelova I. V. Methods of distribution of the Fund of state support and the parity of prices in the agro-industrial complex // Economic vector of the region: scientific and practical journal. 2009. № 3. P. 89-94.
14. Kapustina E. I., Angeleev O. G. The improved utilization of the dairy units // Physical and technical problems of creation of new technologies in agriculture : collection of scientific works of the II Russian scientific-practical conference / Stavropol state agrarian University ; editor in chief V. I. Trukhachev. 2003. P. 202-205.
15. Technological and technical support to the process of machine milking of cows, treatment and processing of milk / V. I. Trukhachev, I. V. Kapustin, I. V. Budkov, D. I. Gritsay. M. : Publ. «Lan», 2013. 302 p.
16. Equipment and technologies in animal breeding / V. I. Trukhachev, I. V. Atanov, I. V. Kapustin, D. I. Gritsay. Stavropol : AGRUS, 2015. 404 p.
