Как использовать рекуперацию тепла в промышленной холодильной системе

Многие предприятия ищут эффективные способы снизить затраты на электроэнергию и внедрить более прогрессивные методы в свою деятельность. Включение рекуперации тепла в системы объекта может помочь сберечь такие ресурсы, как вода и электроэнергия. И место, где можно использовать рекуперацию тепла — это промышленная холодильная установка.

Как правило, холодильная система предприятия выступает автономной системой, сепарированной от водоснабжения. Каждая из них имеет свою собственную экосистему. Но с помощью дополнительных внедрений в проект, эти системы можно интегрировать таким образом, чтобы снизить затраты на электроэнергию.

Использование систем охлаждения и коммунальных услуг для рекуперации тепла может снизить потребление энергии и связанные с ней затраты. Например, любое тепло, сгенерированное из систем, можно использовать для нагрева воды или отопление. Несмотря на то, что каждая система имеет разные установки, это не только помогает уменьшить энергию, которая обычно используется для нагрева воды, но и снизить потребление воды, когда система не работает.

Прежде чем составлять план по рекуперации тепла из промышленной холодильной системы, важно сначала в целом понять какие компоненты применяются: компрессор, конденсатор и испаритель.

Компрессорзабирает хладагент от более низкого давления и сжимает его до более высокого. Этот процесс требует энергии. Сжатие хладагента также значительно повышает его температуру.

Оттуда пар превращается из перегретого газа в жидкость. Для этого необходимо удалить тепло, которое было добавлено в процессе сжатия. Отвод тепла от сжатия осуществляется через конденсатор.

Затем жидкость конденсатора поступает в испаритель и превращается из насыщенной жидкости обратно в насыщенный пар. Пар возвращается в компрессор, где повторяется весь цикл.

(Рисунок 1).

На рынке представлено множество типов компрессоров, включая спиральные, дисковые, поршневые и винтовые. В рамках этой статьи мы обсудим винтовые компрессоры. Есть два типа винтовых компрессоров: двухвинтовые и одновинтовые.

Большинство винтовых компрессоров требуют впрыска масла. В них используется большая система охлаждения масла, что означает, что впрыскиваемое масло используется, а затем восстанавливается в маслоотделителе. Оно проходит через маслоохладитель, чтобы снова охладить его до более низкой температуры впрыска, а затем впрыскивается обратно в компрессор. Используя одновинтовой компрессор, можно получить дополнительное тепло для применения в другом месте.

(На рисунке 2 показан пример одновинтового компрессора с маслоохладителем с водяным охлаждением.)

Системы охлаждения производят тепло конденсатора, тепло перегретого пара и тепло масла. Все эти типы тепла необходимо удалить из системы. В наиболее распространенных типах,  перегрев и изменение состояния в конденсаторе обычно охлаждаются несколькими способами:

1. Испарительный конденсатор обдувает воздухонасыщенный змеевик. Хладагент проходит через змеевик, воздух и вода отводят тепло от хладагента, и состояние меняется с пара на жидкость. Часть воды испаряется, воздух накапливает тепло и выходит.
2. Водяное охлаждение — вода подается из градирни или другого источника и используется для охлаждения газа и его конденсации. Вода возвращается в градирню или воздухоохладитель, чтобы охладить ее (используя больше энергии для охлаждения), а затем возвращается в конденсатор и продолжает этот цикл.
3. Системы с хладагентом используют некоторое количество хладагента и физически впрыскивают его (впрыск жидкости) в компрессор для охлаждения масла и нагнетания, но при этом по-прежнему требуется конденсатор. Жидкость охлаждает масло, но ничего не делает для конденсатора.

При рассмотрении того, как компрессор работает в процессе охлаждения, много тепла в базовой холодильной системе с винтовым компрессором можно использовать в другом месте. То, как это используется, зависит от отрасли. По сути, самый простой способ — это вернуть тепло для нагрева воды, поскольку большинству предприятий требуется горячая вода. Например, необходимость для промывки и очистки.

Некоторым перерабатывающим предприятиям и холодильным камерам требуется теплый гликоль / вода для нагрева змеевика под полом морозильной камеры. Обычно это делается для предотвращения промерзания грунта земляного полотна, а также для предотвращения повреждений бетона (пучения и растрескивания) и образования ледяных пятен. Таким образом поддерживается температура грунта земляного полотна и площади пола чуть выше нуля.

Для предприятий, которые хотят использовать тепло от базовой холодильной системы с винтовым компрессором, для ранее упомянутых применений, существует несколько способов проектирования промышленной холодильной системы с использованием рекуперации тепла, что может потребовать дополнительное оборудование.

Для новых систем необходимо определить потребность в горячей воде и посмотреть, можно ли использовать отработанное тепло охлаждения в системе горячего водоснабжения. Как в новых, так и в существующих системах должен быть расчет на такое расширение.

Например, потребуются водная система, резервуар для хранения и насос для подачи воды. Затем воду нужно будет откачать к источнику тепла и вернуть в резервуар для хранения горячей воды.

Для рекуперации тепла может потребоваться модернизация существующей системы. Для этого нужен ремонт, новое оборудование иили изменение типа конденсатора и теплообменников.

Есть дополнительные факторы, которые следует оценить, чтобы восстановить тепло: тип и параметры хладагента, чистый результат рекуперации тепла в зависимости от того, сколько тепла создается. Этот анализ должен проводиться квалифицированным специалистом, чтобы оценить существующую систему охлаждения и водоснабжения и определить жизнеспособность проекта.

Например, сначала консультант оценивает тип хладагента. Если в системе используется аммиак, можно предположить, что необходима промежуточная система, и следует принять меры предосторожности для подготовки к потенциальной утечке. Аммиак не должен попадать в воду, поэтому желательно установить водяной теплообменник. Это может снизить эффективность, но, тем не менее, является хорошей мерой предосторожности. Если есть опасения, что аммиак может попасть в систему горячего водоснабжения, следует установить дополнительный теплообменник.

Использование аммиачной системы может привести к большим капитальным затратам, но важно принять превентивные меры, чтобы аммиак и вода не смешивались.

Во-вторых, можно получить больше тепла, предварительно повысив параметры холодильной системы. При анализе этого варианта консультант может посоветовать вам подумать о том, насколько важна рекуперация энергии. При повышении температуры конденсации достигаются более высокие температуры нагнетания воды. Но для этого в компрессор будет поступать больше энергии, поэтому важно убедиться, что рекуперированная энергия того стоит.

Если затраты на электроэнергию относительно низкие и использование пропана или природного газа стоит столько же или выше, есть смысл генерировать больше тепла с помощью компрессора, чем обычно.

В зависимости от типа конденсатора — например, в испарительной системе — вода уже расходуется впустую. Для охлаждения используется больше воды, чем в системе горячего водоснабжения. Таким образом, используя рекуперацию тепла в этой ситуации, можно значительно снизить потребление воды установкой за счет рекуперации тепла.

Кроме того, все эти элементы, включая конденсатор и маслоохладители на компрессорах, используют некоторый тип энергии и больше воды, которую необходимо прокачивать. Насосные и электрические вентиляторы также являются частью испарительных систем.

В системах с воздушным охлаждением установлены вентиляторы с электроприводом. Таким образом, используя воду из системы для рекуперации тепла, можно снизить затраты на энергию, поскольку для нагрева воды требуется меньше энергии. Уменьшается не только энергия холодильной системы, но и энергия, необходимая для нагрева воды.

При оценке использования энергии и возможных затрат на оборудование для перенаправления воды на рекуперацию тепла от промышленного охлаждения может оказаться эффективным способом снижения затрат на энергию для предприятия.