Парокомпрессионные холодильники. 
Периферийное оборудование заводов пластмасс

Наиболее обширный класс холодильных установок — водоохладители парокомпрессионного типа — имеют в своей основе замкнутую систему, где циркуляция хладагента осуществляется компрессором. Промышленные водоохладители охлаждают теплоноситель (вода, тосол) и подают его по замкнутому гидравлическому контуру на потребителя. Этот теплоноситель идет на охлаждение оснастки термопластавтоматов, экструдеров, грануляторов, термоформовочных машин, вальцов каландров и т. д. Кроме того, выпускаются специальные системы для охлаждения гидравлического масла, используемого в литьевом и выдувном оборудовании.

Принцип работы водоохладителя (рис. 1.3) базируется на непрерывных процессах смены агрегатного состояния вещества с жидкого на парообразное и наоборот в замкнутом контуре.

Рис. 1.3. Схема процесса переноса тепла в холодильном блоке:

I—2 — изоэнтропийное сжатие паров хладагента в компрессоре;

• 2—3 — охлаждение перегретого пара; 3—4 — конденсация хладагента;
• 4—5 — переохлаждение хладагента; 5—6 — дросселирование (переход из жидкого состояния в парожидкостную смесь); б—7 — испарение хладагента; 7—8 — перегрев хладагента

В системе циркулирует жидкий хладагент, имеющий низкую температуру кипения. В составе контура — два теплообменника. Один из них испаритель, внутри него создается низкое давление, при котором жидкость кипит и испаряется, отбирая тепло окружающей среды (воды, которую требуется охладить). Затем перегретый хладагент в парообразном состоянии передается из испарителя в компрессор, где давление среды повышается. Таким образом, создаются условия для конденсации хладагента или перехода его в жидкую фазу. В конденсаторе парообразный хладагент переходит в жидкое состояние, отдавая тепло окружающей среде (кипению хладагента сопутствует поглощение тепловой энергии, конденсации — ее выделение). Затем жидкость поступает в терморегулирующий вентиль, где давление снова снижается. В испаритель попадает смесь жидкости и пара. Цикл повторяется [7].

Основная классификация водоохладителей учитывает используемый вид охлаждения и способ установки. Водоохладители разделяют на три вида:

• • с воздушным охлаждением;
• • с водяным охлаждением;
• • с комбинированным охлаждением.

Водоохладители охватывают большой диапазон мощностей холодопроизводительности: от нескольких киловатт до нескольких тысяч киловатт и различаются, кроме того:

• • по [4] конструктивному исполнению (со встроенным или выносным конденсатором, моноблочные или двухблочные);
• • наличию гидравлического контура;
• • типу используемого компрессора;
• • наличию встроенных систем энергосбережения;
• • типу испарителя;
• • схемам подключения.

Типовая конструкция промышленного водоохладителя (рис. 1.4) включает контур хладагента и водяной контур, которые подсоединены к трубопроводу, осуществляющему доставку воды к потребителям и обратно.

Рис. 1.4. Принципиальная схема водоохладителя

Контур хладагента, или холодильный блок, — это основная часть установки охлаждения жидкости. В холодильном блоке хладагент с помощью базовых агрегатов (компрессор, конденсатор, терморегулирующий вентиль и теплообменник-испаритель) осуществляет перенос тепла круговым процессом.

Контур хладагента состоит из следующих элементов:

• • герметичный или полугерметичный компрессор (может быть несколько);
• • конденсатор;
• • ресивер;
• • терморегулирующий вентиль;
• • фильтр-осушитель;
• • соединительные трубопровод и патрубки;
• • органы контроля и управления.

Водяной контур включает в себя:

• • насосы высокого или среднего давления для охлажденной воды;
• • накопительный бак;
• • запорную арматуру;
• • соединительные трубопровод и патрубки.

Общим элементом для обоих контуров водоохладителя является испаритель, который осуществляет охлаждение жидкого теплоносителя при работающем компрессоре [8].

В промышленные водоохладители устанавливаются испарители преимущественно двух типов: пластинчатые из нержавеющей стали, а также кожухотрубные.

Пластинчатые испарители состоят из рядов стальных пластин, расположенных «елочкой». Внутри теплообменника хладагент и вода движутся навстречу друг другу по независимым контурам циркуляции. У них очень высокая эффективность теплообмена. Они компактны и небольшие по массе, более устойчивы к замораживанию в случае поломки, чем другие типы испарителей.

Типичный кожухотрубный теплообменник представляет собой стальной цилиндр. Внутри цилиндра установлены решетки с развальцованными медными, например, U-образными трубками, в которых испаряется хладагент. Трубки чаще всего делаются из меди и имеют диаметр 12 мм. Внутри они оребрены для увеличения внутренней поверхности теплообмена. Хладагент, поступая из нижней части испарителя, циркулирует по трубкам и, проходя по ним, забирает тепло у охлаждаемой жидкости.

Представляет интерес модификация кожухотрубного испарителя, конструкция которого выполнена из медных трубок, размещенных внутри цилиндрической полимерной камеры, установленной в стальной бак, покрытый оболочкой из вспененного полимерного материала для защиты от возникновения конденсата (рис. 1.5).

Пар, выходящий из испарителя, сжимается компрессором от давления испарения до давления конденсации.

В современных конструкциях водоохладителей используются преимущественно спиральные, поршневые либо винтовые компрессоры с приводом от электромотора постоянного тока, на котором установлено электронное устройство защиты от перегрева во время работы.

Рис. 1.5. Кожухотрубный испаритель

При использовании устройств с мощностью охлаждения до 100 кВт можно применять водоохладители, укомплектованные спиральными компрессорами. Холодильники с большей мощностью охлаждения должны иметь винтовые компрессоры с постоянным контролем нагрузки, что гарантирует высокую надежность агрегата при низких эксплуатационных затратах. Кроме того, надежность работы обеспечивается наличием ряда защитных функций, среди которых можно отметить систему прогрева картера компрессора, сушку фильтра, датчики потока, высокого и низкого давления, термостат антизамерзания, контроль сухого хода компрессора, датчики уровня масла и клапаны защиты от возврата жидкого хладагента в компрессор. Компрессоры монтируют на резиновых виброопорах и устанавливают в шумоизолирующей камере, которая должна легко открываться для обслуживания [4].

Конденсаторы, устанавливаемые в водоохладителях, могут быть как с водяным, так и с воздушным охлаждением.

Конденсаторы с воздушным охлаждением представляют собой батарею, изготовленную из медных трубок с алюминиевым оребрением. Такая конструкция обеспечивает большую площадь поверхности теплообмена.

Водоохлаждаемые конденсаторы могут быть кожухотрубными или пластинчатыми.

Корпус кожухотрубного конденсатора изготавливается из углеродистой (нержавеющей) стали с медными трубками внутри.

Пластинчатые конденсаторы состоят из тонких гофрированных пластин из нержавеющей стали.

В холодильниках с воздушным охлаждением конденсатора устанавливаются осевые вентиляторы с двигателем, снабженным защитой от перегрузок и встроенной тепловой защитой. Вентиляторы закрывают защитной решеткой. В качестве привода в последнее время для уменьшения электропотребления и снижения уровня шума используются бесщеточные электромоторы с инвертером. Их преимуществом является высокая эффективность, низкая температура и компактные размеры двигателя, независимость числа оборотов от частоты и напряжения, простота подключения. Их недостаток: осевой вентилятор создает достаточно маленький напор воздуха, что позволяет устанавливать оборудование только на открытом месте, таком как крыша, стена здания и т. п.

В водоохладителях, предназначенных для установки внутри помещений, используются центробежные нагнетающие вентиляторы для отвода нагретого воздуха из помещения или вывода в другие помещения для обогрева в холодное время года.

Конструкция водоохладителя с водяным охлаждением конденсатора не предусматривает установки воздушного вентилятора.

Терморегулирующий вентиль — это регулятор, положение регулирующего органа которого обусловлено температурой в испарителе и задача которого заключается в регулировании количества хладагента, подаваемого в испаритель, в зависимости от перегрева паров хладагента на выходе из испарителя.

Ресивер в контуре служит резервным накопителем фреона для обеспечения стабильной работы установки охлаждения жидкости.

Как известно, тепловая нагрузка не является стабильной величиной и может изменяться в зависимости от сезона или времени суток. В тех случаях, когда холодопроизводительность водоохладителя начинает значительно превышать существующую потребность, холодильный агрегат переходит на работу в импульсном режиме — включаясь и выключаясь через короткие промежутки времени. Все это со временем может привести к износу и выходу из строя компрессора. Для того чтобы этого избежать, в систему монтируется накопительный бак. Его объем зависит от возможного количества теплоносителя в водоохладителе и предполагаемых тепловых нагрузок. Аккумулирующий бак помогает увеличить теплоемкость, а также объем теплоносителя, что в итоге приводит к увеличению интервалов между включением-выключением компрессора.

Необходимое давление воды в трубопроводах обеспечивается циркуляционным насосом.

Водоохладители имеют электрическую панель управления. Их работа контролируются микропроцессором с соответствующим программным обеспечением. Они снабжаются визуальной и звуковой сигнализацией [4].

В стандартном исполнении чиллеры используются преимущественно для охлаждения воды или водных растворов гликоля при температурах ниже 0 °C.

Типы хладоносителей, которые допускается использовать в установках охлаждения жидкости, определяются материалом, из которого изготовлен испаритель [9]. Для испарителей установок обычно применяют следующие материалы:

• • в пластинчато-паяных теплообменниках пластины выполняются из нержавеющей стали и скрепляются друг с другом припоем на основе сплавов меди;
• • в кожухотрубных испарителях корпус изготовляется из углеродистой стали, а трубки из меди.

При использовании для охлаждения рассолов (хлорида натрия, хлорида кальция) в установках применяют испарители из специальных материалов:

• • для изготовления установок с пластинчатыми испарителями рекомендуется титан;
• • для установок с кожухотрубными испарителями — сплав меди с никелем.

Для увеличения срока службы кожухотрубных испарителей возможно изготовление трубок из нержавеющей стали.

В табл. 1.3 и на графиках (рис. 1.6) приведены зависимости температуры замерзания от концентрации для наиболее часто применяемых хладоносителей.

Таблица 1.3

Зависимость температуры замерзания от концентрации хладоносителя.

Окончание табл. 1.3

Рис. 1.6. Зависимость температуры замерзания смесей вода — этиленгликоль и вода — пропиленгликоль от содержания гликолей

Основные рекомендации по использованию жидких теплоносителей для водоохладителей следующие.

• 1. Не допускается присутствие ионов аммония NHJ в воде, поскольку они оказывают вредное воздействие на медь. Это один из самых важных факторов, влияющих на срок службы медных труб. Наличие нескольких десятых мг/л со временем вызывает сильную коррозию меди.
• 2. Ионы хлора С1~ оказывают вредное воздействие на медь, вызывая точечную коррозию. По возможности их надо удерживать на уровне ниже 10 мг/л.
• 3. При наличии более 30 мг/л ионов сульфатов S0₄ может возникать точечная коррозия.
• 4. Не допускается наличие ионов фторидов (менее 0,1 мг/л).
• 5. Следует избегать наличия ионов Fe₂ и Fe₃ при заметных уровнях растворенного кислорода. Допускается менее 5 мг/л растворенного железа при растворенном кислороде менее 5 мг/л.
• 6. Растворенный кремний: кремний ведет себя в воде как кислотный элемент и также может вызывать коррозию. Допустимое содержание менее 1 мг/л.
• 7. Жесткость воды: ТН > 2,8 К. Могут быть рекомендованы значения от 10 до 25. Это способствует осаждению окалины, что может ограничить коррозию меди. Слишком большие величины ТН могут со временем приводить к закупорке трубопроводов. Желателен суммарный алкалиметрический титр (ТАС) ниже 100.
• 8. Необходимо избегать любого резкого изменения насыщения воды кислородом. Обескислороживание воды путем смешивания ее с инертным газом так же вредно, как перенасыщение ее кислородом путем смешивания воды с чистым кислородом. Нарушение насыщения воды кислородом способствует дестабилизации гидроокисей меди и увеличению частиц.
• 9. Чем выше удельное сопротивление, тем медленнее образуется коррозия. Желательны значения более 3000 Ом/см. Нейтральная среда благоприятна для получения максимальных значений удельного сопротивления. Можно рекомендовать значения электрической проводимости в диапазоне 200—6000 Ом/см.
• 10. Идеальный вариант, когда нейтральный pH при 20—25°С (7 < < pH < 8) [9].
• 11. Производительность системы при использовании водно-гликолевой смеси значительно ниже, чем при использовании только воды. Следовательно, необходима большая поверхность теплообмена и, соответственно, большие размеры водоохладителя.
• 12. Использование водно-гликолевой смеси для теплообменников с вентиляторным обдувом нежелательно, поскольку при этом необходим дополнительный теплообменник между блоком холодной воды, разработанным для системы, использующей водно-гликолевую смесь, и контуром холодной воды.

Качественная и бесперебойная работа холодильника, стабильность подачи воды на охлаждение, способность поддерживания температуры воды на заданном уровне зависят от нескольких ключевых факторов. Одним из них является мощность охлаждения, которую водоохладитель способен обеспечить, причем большое влияние на это оказывает температура окружающей среды: при ее повышении на 5 °C мощность охлаждения снижается на 5%, в то время как уменьшение температуры воды на 1 °C снижает холодопроизводительность на 3%.

Для оценки эффективности работы охлаждающего устройства необходимо учитывать соотношение мощности охлаждения и общей установленной мощности. Для холодильников, имеющих воздушное охлаждение, этот показатель равняется 2—3, для специализированных промышленных холодильников — более 6 (в зависимости от климатических условий и требуемой температуры охлаждаемой воды) [2].

Эффективность работы холодильника с воздушным охлаждением напрямую зависит от размеров установленного в нем конденсатора. То же самое можно сказать и о работе испарителя.

Современные модели холодильников отличаются низким потреблением электроэнергии и высокой экологичностью.

Модульное исполнение отдельных моделей позволяет присоединять новые холодильники по мере необходимости.

Современные холодильные устройства, как правило, оборудованы электронными устройствами измерения и регулирования температуры, управления работой всех систем холодильника с выводом информации об этой работе и о нарушениях в функционировании агрегата на дисплей блока управления.

В местностях, характеризующихся низким качеством оборотной воды (высокая жесткость, механические или биологические включения), использование такой воды служит причиной загрязнений каналов охлаждения оборудования и оснастки. Это может привести к значительному снижению эффективности охлаждения, а иногда и к преждевременному выходу из строя водопроводящих устройств. Наличие в холодильнике бака для воды позволяет обеспечить замкнутый цикл охлаждения и отказаться от использования проточной воды.

Ниже приведены описания некоторых типовых схем включения водоохладителей на предприятиях по переработке пластмасс.

Водоохладители с воздушным охлаждением конденсатора (моноблок) рекомендуется размещать внутри помещений. Подача и отвод воздуха для охлаждения конденсатора осуществляется посредством воздуховодов. Основные достоинства моноблочных холодильников — отсутствие наружных блоков и возможность всесезонной эксплуатации. Кроме этого, исполнение на единой раме повышает надежность конструкции (рис. 1.7).

Водоохладители с выносными конденсаторами воздушного охлаждения (двухблочные) представляют собой двухконтурную систему, в которой конденсатор выполнен в виде обособленного блока, установленного на открытом воздухе, вне помещений. Конденсатор охлаждается осевыми вентиляторами. Преимущества установок — можно задействовать неэксплуатируемые площадки, нет проблем с шумом. Минусы — требуется обслуживание испарителя, необходим сезонный слив воды. Иногда применяют двухконтурные схемы, где в качестве промежуточного теплоносителя используют незамерзающие жидкости.

Водоохладители с водяным охлаждением конденсатора устанавливают внутри помещений. Для охлаждения конденсатора используют устройство замкнутого контура с охлаждением промежуточного теплоносителя в градирне. Основные преимущества — всесезонная эксплуатация, экономичность за счет рекуперации тепла конденсации (рис. 1.8) [7].

Рис. 1.7. Схема подключения водоохладителя с воздушным охлаждением

Рис. 1.8. Схема подключения водоохладителя с водяным охлаждением

Чиллеры с водяным охлаждением применяют при наличии воды для охлаждения конденсатора (проточная вода, либо вода от градирни).

Для отвода тепла от технологического оборудования могут использоваться как одноконтурные (рис. 1.9, а), так и двухконтурные (рис. 1.9, б) холодильные установки с водяным охлаждением конденсатора.

Одноконтурные установки проще, надежнее, но могут подавать в зоны охлаждения охлаждающую воду только одной температуры. В двухконтурных системах охлажденная вода может подаваться с различной температурой на разные охлаждаемые участки. Так, на рис. 1.9, б на охлаждение экструдера и на охлаждение системы калибрования экструзионной профильной линии может подаваться вода с различной температурой [6].

Рис. 1.9. Схемы одноконтурной (а) и двухконтурной (б) холодильных

установок:

• 1 — конденсатор воздушного охлаждения; 2 — компрессор; 3 — испаритель;
• 4 — насос конденсатора воздушного охлаждения; 5 — насос испарителя;
• 6 — рабочий насос; 7 — фильтр; 8 — бак теплой воды; 9 — промежуточный бак; 10 — бак охлажденной воды; 11 — экструдер; 12 — калибровочный стол;
• 13 — гибридный кондиционер воздушно-водяного охлаждения;
• 14 — насос гибридного кондиционера; 15 — сливная воронка