Известные экологические проблемы с фреонами и возрастающие требования к безопасности аммиачных холодильных систем вызвали повышение интереса к системам охлаждения с промежуточным хладоносителем. Такие системы принципиально менее эффективны, чем системы непосредственного охлаждения, но обеспечивают повышение промышленной безопасности. Чтобы минимизировать повышение энергозатрат в системах косвенного охлаждения, применяются высокоэффективные теплообменники с тонкими трубами и стенками.
При создании систем косвенного охлаждения весьма ответственным моментом оказывается правильный выбор хладоносителя. Подобрать хладоноситель - это, прежде всего, сравнить имеющиеся на рынке хладоносители по комплексу теплофизических, коррозионных и других свойств. В настоящее время такое сравнение выполнить трудно.
Регламентированной или хотя бы более или менее общепринятой формы представления свойств хладоносителей не существует. Имеющиеся сведения о хладоносителях разбросаны по разным источникам, различаются по номенклатуре и форме представления свойств. Теплофизические свойства в таблицах и графиках представлены при разных и для разных веществ значениях температур и концентраций. Со слов профессора О.Б.Цветкова [1], в литературе до сих пор цитируют данные о свойствах хладоносителей-рассолов, перепечатываемые с изданий конца XIX - начала XX веков, а свойства новых хладоносителей "спрятаны" в блоках расчетных программ, которые, не показывая расчетные формулы и алгоритм расчета, предлагают на выходе марку фирменного оборудования [2, 3].
В качестве хладоносителей могут применяться жидкости - индивидуальные вещества или растворы, если они удовлетворяют ряду требований по физическим, химическим, токсическим и другим свойствам. Вполне однозначно требования к хладоносителям формулируются только с учётом типа и назначения холодильной системы. В частности, требования к хладоносителю для предприятий пищевых отраслей промышленности можно представить в виде:
Обязательные качества:
Физиологическая безвредность и экологическая безопасность, подтвержденные санитарно-гигиеническим заключением Минздрава РФ с указанием пищевой промышленности как возможной области применения;
Температура начала замерзания на 8 К ниже минимальной рабочей температуры;
Нормальная температура кипения выше максимальной температуры оттайки обмерзающих теплопередающих поверхностей;
Стабильность свойств, включая стабильность при повышенных температурах, характерных для режима оттайки.
Важные качества:
Химическая совместимость с металлами и уплотнительными материалами;
Пожаро- и взрывобезопасность;
Положительные результаты производственных испытаний или опыт эксплуатации не менее трех лет;
Невысокая стоимость.
Желательные качества:
Благоприятное сочетание теплофизических свойств - малая вязкость, большая теплопроводность, большая теплоемкость, высокая плотность:
Наличие достоверных сведений о свойствах: данные о теплофизических свойствах предпочтительны в виде аналитических зависимостей от температуры:
Минимальный объем обслуживания при эксплуатации. Хладоносителей, хорошо соответствующим всем перечисленным требованиям, не существует. В настоящих рекомендациях для более подробного сопоставительного анализа взяты хладоносители, в разной степени, удовлетворяющие предъявляемым требованиям, предлагаемые на рынке, а также наиболее известные хладоносители прошлых лет разработки.
Имеющиеся в литературе и в Интернете сведения о теплофизических свойствах и токсичности хладоносителя экосол - водный раствор этилкарбитола - противоречивы. Без дополнительных исследований оценить возможность и рациональность применения экосола на пищевых предприятиях АПК невозможно.
Диоксид углерода, как хладоноситсль для температур ниже минус 30 °С, имеет очень хорошие теплофизические свойства. Вязкость его на два порядка ниже, чем у водного раствора пропиленгликоля. Диоксид углерода обеспечивает высокие коэффициенты теплоотдачи, малые гидравлические потери в системе, исключительную компактность системы трубопроводов. Особенность диоксида углерода - сравнительно высокое давление в системе: в тройной точке давление превышает 0,518 МПа. Рабочее давление в режиме оттайки может достигать 4,5 МПа. Создание контура хладоносителя с таким рабочим давлением требует значительных капитальных затрат.
Диоксид углерода, как хладоноситель, по-видимому, имеет хорошие перспективы, но трудности промышленного использования пока не преодолены. Подробнее об этом в [4, 5, 6,7].
Двухфазные хладоносители "вода-лед" и "водный раствор-лед" сегодня называют бинарным льдом или айсслари (ice-slurry). Использование бинарного льда позволяет по энергетическим характеристикам приблизиться к системам непосредственного охлаждения.
Однако широкому внедрению бинарного льда препятствует ряд обстоятельств:
- использование бинарного льда в качестве хладоносителя ограничено прежде всего температурной областью вблизи 0 °С;
- приготовление бинарного льда более энергоемко, чем простое охлаждение хладоносителя; это закономерно следует из необходимости использовать более низкие температуры испарения хладагента в льдогенераторе по сравнению с температурой в чиллере;
- генератор мелкодисперсного льда требует существенно больших капитальных затрат, чем охладитель хладоносителя; положительные и отрицательные свойства бинарного льда как хладоносителя в существенно разной степени проявляются в разных технических и экономических условиях, например, можно рассчитывать, что системы с бинарным льдом окажутся эффективнее альтернативных систем хладоснабжения, если часть холода можно аккумулировать во время суток с низким тарифом на энергию или если потребность в холоде существенно неравномерна в течение дня; применение бинарного льда нельзя рекомендовать как заведомо предпочтительное типовое решение для сколько-нибудь широкого круга систем хладоснабжения.
Эффективность применения двухфазных хладоносителей - диоксида углерода и бинарного льда в экономических условиях России изучена недостаточно. Соответствующие рекомендации разрабатываются.
Хладоносителями также являются: водные растворы хлоридов кальция, натрия и магния, водные растворы гликолей, карбоната калия, ацетата калия, формиата калия, сложные растворы органических солей.
Теплофизические свойства хладоносителя - плотность, теплоемкость, теплопроводность, вязкость оказывают комплексное влияние на характеристики и, в конечном счете, на энергетическую эффективность холодильно-технологических систем.
Кроме того:
- свойства хладоносителя влияют на коэффициент теплоотдачи и, следовательно, на размеры испарителя холодильной машины и теплообменных аппаратов - потребителей холода;
- свойства хладоносителей определяют разность между температурой хладоносителя и температурой кипения, то есть влияют на величину так называемых потерь от внешней необратимости и, наконец,
- от свойств хладоносителя, преимущественно от его плотности и вязкости, зависят затраты энергии на циркуляцию хладоносителя.
Неоднократно предпринимались попытки представить энергетическую эффективность хладоносителя в виде численного значения некоторого критерия, рассчитываемого по определенному алгоритму с использованием известных данных по теплофизическим свойствам хладоносителя. В [8], например, подобный критерий выведен в предположении, что теплоотдача при турбулентном режиме течения описывается формулой:
Nu = 0,021 · Re0.8 · Pr0.43 · (Pr/Prc)0.25 · ε1.
Как отмечают авторы [8], можно показать, что коэффициент теплоотдачи от потока хладоносителя в этом случае пропорционален комплексу
Кα = λ0.57 · c0.43 · ρ0.8 / μ0.37 (1)
Поскольку коэффициент теплоотдачи определяет размеры теплообменника - очевидно, что хладоноситель, имеющий более высокий Ка, обеспечивает большую эффективность холодильно-технологической системы.
В ряде работ [9, 10, 11] для сравнения эффективности хладоносителей используется комплекс
Ф = λ0.6 · c0.4 · ρ0.8 / 10 · μ0.4
с помощью которого коэффициент теплоотдачи в турбулентном режиме рассчитывается по формуле
α = 0.22 · w0.22 · dэ-0,2 · Ф
Комплекс Ф по форме и по своему существу близок к комплексу Кα и удобен для сопоставления разных хладоносителей в отношении требуемой площади поверхности теплоотдачи теплообменника, в котором скорость потока хладоносителя задана.
В предположении, что гидравлический расчет контура хладоносителя выполняется по методике, принятой в РФ [12], можно показать, что мощность циркуляционного насоса пропорциональна комплексу
КN = μ0.25 / (c2.75·ρ2)
Хладоносители с меньшими значениями КN при прочих одинаковых условиях требуют меньших затрат энергии на циркуляцию.
Отдельные фирмы, например [13], для расчета вместимости Vб расширительного бака в контуре хладоносителя предлагают пользоваться температурным коэффициентом объемного расширения β представляя функцию β = β (t) в графическом виде. При наличии подробных табличных данных и уравнений для плотности ρ = ρ(t) вместимость расширительного бака легко рассчитать без привлечения данных по β.
Vб = [(ρmax — ρmin)/ (ρmax · ρmin)] · m
где
Vб - вместимость расширительного бака, м3;
m - масса хладоносителя, кг;
ρmax и ρmin - значения плотности в кг/м3 при наименьшей и наибольшей температуре в контуре хладоносителя.
Литература.
1. Цветков О.Б. Хладагенты, хладоносители и холодильные масла - ностальгия о будущем/ Материалы докладов и сообщений XI Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ. Том I. СПб., 2006, С. 14-15.
2. Fan coil. McQuay - Version 2.8.4. [Электронный ресурс]: компьютерная программа подбора воздухоохладителей - Режим доступа: http://www.chillers.ru или Холодильщик.RU (рубрика: "Программы и игры").
3. Win Caps. Version 7.80. Grundfos.[Электронный ресурс]: компьютерная программа подбора - Режим доступа: http://www.grundfos.ru - 1 электрон. Опт. Диск (CD-ROM).
4. Дворжак З. Бинарный лед. Холодильный бизнес, № 3, 2000, С.6-9.
5. Мелкокристаллические ледяные суспензии, как основа передовых промышленных технологий: состояние и перспективы./ Фикиин К. и др. - Холодильный бизнес, №7, 2002, C.4-11.
6. Цветков О.Б., Лаптев Ю.А., Колодязная B.C. Одно- и двухфазные жидкие хладоносители. Холодильная техника, № 10, 2001, С.8-12.
7. Man-Hoe Kim. Jostein Pettersen, Clark W. Bullard. Fundamental process and system design issues in CO2 vapor compression systems. 1206 West Green Street, Urbana, IL 1801, USA, 2003.
8. Быков А.В., Калнинь И.М., Крузе А.С. Холодильные машины и тепловые насосы (Повышение эффективности) - М.: Агропромиздат, 1988.
9. Коптелов К.А. Теплофизические и коррозионные свойства хладоносителей контуров промежуточного охлаждения для пищевой промышленности. Холодильный бизнес, №3, 2000, С.26-27.
10. Hillerns F. Thermophysical Properties and Corrosion Behavior of Secondary Coolants. TYFOROP GmbH, Hamburg. This paper is based on a presentation given at 2001 ASНRAE WINTER Meeting, Atlanta, GA, January 28-31 [Электронный ресурс]: доклад - Режим доступа: http://www.tyfo.de.
11. Hillerns F. Thcrmophysikalische Eigenschaften und Korrosionsverhalten von Kaeltetraegern/ Die Kaelte und Klimatechnik, №10, 1999.
12. Миркин А.З., Усиньш В.В. Трубопроводные системы: Справ. изд. - М.: Химия, 1991.
13. Clariant antifrogen - Technical and Safety information. [Электронный ресурс]: Technical calculation program - Режим доступа: http://www.antifrogen.de.
