CC BY
17УДК 621.56/58
М. А. Колосов, И. М. Артемов
КАСКАДНАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА С ВАКУУМНОЙ СТУПЕНЬЮ НА ВОДЕ
Рассмотрена инновационная двухкаскадная холодильная установка с вакуумной нижней ступенью, использующая в качестве рабочего тела воду. Вакуумная ступень смонтирована в едином блоке, который включает в себя уникальный по размерам турбокомпрессор, концевой теплообменник-конденсатор, камеру с мешалкой и другие элементы. Такое конструктивное решение позволило создать экологичные холодильные установки, которые обеспечивают высокие показатели эффективности в сочетании со снижением роли озоноразрушающих и парниковых рабочих тел. На базе таких установок уже сегодня разрабатываются высокопроизводительные рефрижераторы, генераторы жидкого льда и снегогенераторы.
E-mail: kolosov@power.bmstu.ru; artemov@himholod.ru
Ключевые слова: парокомпрессионный цикл, ступень сжатия, каскадная холодильная установка, каскад охлаждения, вакуумный блок, вода как хладагент, жидкий лед, экологическая безопасность, энергетическая эффективность.
В последние годы вода в качестве рабочего тела холодильных машин находит весьма ограниченное применение, например, в пароэжек-торных или абсорбционных холодильных машинах. Это связано с высокой температурой тройной точки воды (0,01 °С), низкими давлениями кипения и проблемами конструирования компрессоров для этих условий. Однако ужесточение экологических требований и появление на рынке более эффективных машин создают предпосылки для реализации новых циклов, использующих воду в качестве хладагента.
Таким примером применения воды в качестве хладагента может служить двухкаскадная холодильная установка с вакуумно-испари-тельной нижней ступенью, в которой вода охлаждается и частично замораживается. В нижней ступени вода испаряется в вакуумной камере, поглощая большое количество теплоты, при условиях, близких к тройной точке воды, т.е. при давлении примерно 600 Па и при температуре около 0 °С. Вода выступает в этом цикле и как рабочее тело, и как аккумулятор произведенного холода. Продуктом работы такой холодильной установки является жидкий лед (бинарный лед, ледяная шуга, ise slurry) — гомогенная смесь кристаллов льда и воды, которая перекачивается как жидкость и имеет прекрасные хладоаккумулирую-щие показатели.
Использование каскадного цикла при температуре замерзания воды теоретически совершенно неоправданно. Однако использование встроенной конструкции турбокомпрессора и теплообменника-конденсатора в сочетании с низкими давлениями испарения и большим объемом перекачиваемых водяных паров делают такое техническое оформление цикла эффективным и оправданным.
Рис. 1. Принципиальная конструкция вакуумного блока
Процессы вакуумно-испарительного цикла на нижней ступени охлаждения локализованы в одном вакуумном сосуде (вакуумном блоке), который показан на рис. 1. В нем смонтированы: вакуумный насос-турбокомпрессор 2 с приводом от электродвигателя ЭД 1, промежуточный теплообменник-конденсатор 3 и мешалка-гомогенизатор 5 с приводом от мотора (М) в нижней части вакуумной камеры 4. На входе в турбокомпрессор размещен обогреваемый отбойник-сепаратор кристаллов льда и капель воды 6. По каналу 7 в вакуумную камеру 4 поступают и распыляются свежие порции воды. Образующийся жидкий лед откачивается из вакуумного блока центробежным насосом 8. Для охлаждения пара после компрессора по каналу 9 поступает и по каналу 10 отводится хладоноситель.
В нижней части вакуумного блока находится камера, в объеме которой происходит непрерывное испарение и кристаллизация воды. Свежие порции воды поступают в эту камеру и распыляются через инжекторы. При инжектировании и дросселировании эта вода частично испаряется, поглощая значительное количество энергии. Поэтому другая часть воды охлаждается и при условиях ниже тройной точки кристаллизуется. Образуется смесь воды со льдом (жидкий лед), которая непрерывно перемешивается мешалкой и частично откачивается насосом наружу из вакуумного блока.
Водяной пар, образующийся в процессе инжектирования, перемещается вверх к турбине (показано стрелкой) и сжимается односту-
пенчатым турбокомпрессором, размещенным в верхней части вакуумного блока. После этого в теплообменнике-конденсаторе горячие пары охлаждаются и частично конденсируются хладагентом, например, охлажденной водой, которая может поступать как от чиллера, так и просто из градирни, если это позволяют условия окружающей среды. Мешалка-гомогенизатор 5 в нижней части вакуумной камеры 4 предотвращает слипание кристаллов льда и формирует гомогенную структуру жидкого льда. Такой процесс можно считать полуоткрытым, поскольку со свежими порциями воды в вакуумный блок поступает некоторое количество неконденсирующихся газов, которые должны непрерывно откачиваться дополнительной системой вакуумирования.
В случае объединения этого вакуумно-испарительного цикла на воде с традиционной парокомпрессионной холодильной машиной можно говорить о двухкаскадном холодильном цикле получения жидкого льда. Для интенсификации процесса кристаллизации воды и снижения адгезии, т.е. налипания ледяной корки на внутренних поверхностях вакуумной камеры, в воду добавляется соль. Поэтому в нижней, вакуумной ступени реализуется охлаждение на уровне примерно от —3 до +1 °С в зависимости от содержания соли. Верхняя ступень обеспечивает охлаждение теплообменника-конденсатора на уровне от 8 до 12 °С и завершает перенос теплоты кристаллизации воды к окружающей среде.
Расчеты показывают, что эффективность подобных холодильных установок увеличивается с ростом их единичной мощности и становится оптимальной при холодопроизводительностях свыше 1000 кВт. В этом случае эффективность и экономичность таких установок превосходят показатели всех других типов льдогенераторов и традиционных холодильных установок.
Для откачки из вакуумной камеры водяных паров в больших объемах необходим вакуумный насос большой производительности, в роли которого эффективно можно использовать только турбокомпрессор. Поэтому в установке используется радиально-осевой центробежный турбокомпрессор с большим (более 2 м) колесом (рис. 2). Колесо, вращающееся с частотой до 5600 об/мин, выполняется сборным, с лопатками из углепластика, входные кромки которых усилены титаном.
Турбокомпрессор размещен непосредственно внутри вакуумного блока, работает на относительно невысоких степенях сжатия при минимуме потерь давления, которые в условиях вакуума играют определяющую роль. Поэтому он обеспечивает высокую эффективность всего нижнего каскада.
Теплообменник-конденсатор, охлаждающий и частично конденсирующий водяные пары после турбокомпрессора, может быть выполнен как рекуператор или регенератор (смесительный холодильник).
Рис. 2. Внешний вид колеса центробежного турбокомпрессора
В первом случае пары охлаждаются хладоносителем или непосредственно хладагентом через теплообменную поверхность, а во втором случае - при непосредственном контакте горячих водяных паров с холодной водой, распыляемой в объеме (см. рис. 1). В этом случае для охлаждения может использоваться холодная вода из градирни или даже из открытого водоема. Для интенсификации теплообмена воды с разреженным паром объем регенератора заполняется насадкой, например типа колец Рашига. Если же требуется надежная работа такой установки или поблизости нет источника холодной воды, то используется чиллер.
Принципиальная схема двухкаскадного снегогенератора с вакуумно-испарительной ступенью на воде и парокомпрессионным чиллером приведена на рис. 3. В нижнем каскаде охлаждения хладагентом служит вода, а в верхнем каскаде используется озонобезопасный хладагент, например Я134а. Холодильная машина верхнего каскада работает при высокой температуре испарения и поэтому не требует больших затрат энергии и использует минимум дополнительного оборудования.
Образующийся в вакуумной камере жидкий лед перекачивается центробежным насосом наружу к сепаратору снега. В процессе подпитки водой в вакуумный блок поступают воздух и другие растворенные в воде газы. Поэтому нижний каскад дополняется системой вакууммирования и удаления неконденсирующихся газов.
Чтобы уменьшить количество водяных паров, откачиваемых из вакуумной камеры, минимизировать работу сжатия в нижней ступени охлаждения и повысить ее эффективность, теплую воду, по-
Рис. 3. Схема холодильного цикла каскадной установки
ступающую на подпитку, перед инжектированием в вакуумную камеру смешивают с холодной водой из сепаратора снега. Поэтому в вакуумную камеру поступает и дросселируется вода с температурой, близкой к 0 °С. При дросселировании до давления тройной точки вода частично замерзает и в объеме вакуумной камеры образуется взвесь пара, капель воды и кристаллов льда. Кристаллы льда и капли воды оседают вниз вакуумной камеры и перемешиваются мешалкой-гомогенизатором. Использование этого гомогенизатора и подогрев внутренних конструкций и стенок камеры предупреждают намерзание льда на внутренних стенках.
Рис. 4. Вакуумный блок для системы кондиционирования
В настоящее время вакуумные блоки подобного типа производятся под маркой VIM (VACUUM ICE MAKER) фирмой IDE (www.ide-tech.com). На рис. 4 показан такой блок в составе крупнотоннажного льдогенератора, используемого для аккумуляции холода в системе кондиционирования крупного отеля в Японии. Использование жидкого льда в системах кондиционирования эффективно вследствие значительного (в 7-10 раз) увеличения его способности воспринимать теплоту. Удельная способность жидкого льда воспринимать теплоту составляет 160... 20 кДж/кг в зависимости от содержания кристаллов, что существенно больше значения (^20 кДж/кг), характерного для воды или других традиционных незамерзающих хладоносителей.
В последние время подобные установки стали использоваться для крупнотоннажного производства искусственного снега (рис. 5). В этом случае установка дополняется гравитационным сепаратором снега, куда "жидкий лед" перекачивается из вакуумной камеры (см. рис. 3). В верхней части такого сепаратора концентрируется влажный снег, а в нижней части — жидкость, холодная вода. Вода из нижней части возвращается в вакуумный блок, а снег сверху скребком сталкивается в накопитель мокрой снежной массы, которая быстро подсыхает и приобретает все свойства естественного снега. Для удаления следов соли на поверхности кристаллов, снег в сепараторе отмывается прохлад-
Рис. 5. Вакуумный блок VIM в составе снегогенератора
ной водой. Кристаллы льда при этом дополнительно скругляются и уменьшаются, что несколько улучшает качество снега.
Охлаждение и кристаллизация воды в таких снегогенераторах происходит в основном за счет испарения самой воды, за счет теплоты ее фазового перехода. При таком охлаждении сводится к минимуму большинство потерь, что и обеспечивает высокую эффективность замораживания воды. Удельные энергетические затраты таких снегоге-нераторов в 4-5 раз ниже, чем у других типов всепогодных снегогене-раторов. Вакуумный блок может, но редко, применяться индивидуально, а чаще его инсталлируют в установки в качестве нижнего каскада охлаждения.
Пока такие установки имеют ограниченный опыт применения и, как правило, эксплуатируются в опытно-промышленном режиме. Их эксплуатация может проводиться только квалифицированными специалистами, хорошо понимающими особенности их рабочих процессов.
Технические характеристики снегогенератора производительностью 560 т снега в сутки приведены ниже. Снег в таких снегогенераторах получается отличного качества, так называемый весенний снег, практически не отличается от естественного и имеет высокие
плотность, прочность, отлично слипается и подходит для всех зимних видов спорта.
Характеристика снегогенератора производительностью 560 т снега в сутки
Массовая производительность, т/сут......................................................................560
Объемная производительность, м3/сут..................................................................1020
Диаметр зерен производимого снега, мм..............................................................0,5... 1,0
Полезная холодопроизводительность, кВт............................................................1750
Энергопотребление системы, кВт............................................................................235
Общее энергопотребление установки, кВт..........................................................650
Удельный расход электроэнергии, кВт-ч/тонну снега......................................27,9
Описанная каскадная холодильная установка с вакуумной ступенью на воде сочетает в себе высокие показатели эффективности со снижением роли озоноразрушающих и парниковых газов и поэтому может служить примером современного инновационного решения в области умеренного холода. Отличительная особенность таких установок - их высокая эффективность и большая единичная мощность. Они лучше всего подходят для крупных потребителей холода или жидкого льда: крупных пищевых и рыбоперерабатывающих предприятий, припортовых холодильников; для оснежения открытых лыжных трасс и т.д. С 2009 г. такие снегогенераторы эксплуатируются на двух европейских горнолыжных курортах: Церматт (Швейцария) и Пит-цталь (Австрия). Областью их применения, кроме того, могут быть системы кондиционирования крупных офисных центров или шахт с разветвленной сетью, с большим числом зон и аппаратов охлаждения. Использование жидкого льда в качестве хладагента позволяет снизить капитальные и эксплуатационные затраты на кондиционирование и положительно влияет на экологию окружающей среды. В некоторых системах кондиционирования использование жидкого льда может не иметь альтернативы.
Статья поступила в редакцию 27.06.2012
