РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ СХЕМЫ ХОЛОДОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЯ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ СХЕМЫ ХОЛОДОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЯ
ПО ПРОИЗВОДСТВУ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Научная статья

Кулагин С.М.¹, Крупнов Е.И.², Ометова М.Ю.³, Рыбкина Г.В.^4, *

^{1, 2, 3, 4} Ивановский государственный политехнический университет, Иваново, Россия

* Корреспондирующий автор (omtetova_m[at]rambler.ru)

Аннотация

Предложена энергоэффективная схема холодоснабжения предприятия по производству полимерных материалов. На данном предприятии холод требуется для обеспечения требуемых параметров микроклимата и качественного протекания технологического процесса. В качестве источника холодоснабжения в работе предложена схема чиллер с драйкуллером. Установка дополнительного теплообменного устройства на нагнетательной линии холодоносителя позволяет сократить потребление электрической энергии. Для утилизации «бросовой» теплоты от холодильного центра предложена схема утилизации теплоты с использованием парокомпрессионного теплового насоса, теплообменное оборудование, которого рассчитывалось с учетом теплоты фазового перехода. Определен экономический эффект предлагаемых проектных решений.

Ключевые слова: системы холодоснабжения, холодильный центр, тепловой насос, энергосбережение, парокомпрессионный цикл, драйкуллер.

DEVELOPMENT OF AN ENERGY-EFFICIENT COOLING SCHEME FOR A POLYMERIC MATERIAL MANUFACTURING ENTERPRISE

Research article

Kulagin S.M.¹, Krupnov E.I.², Ometova M.Yu.³, Rybkina G.V.^4, *

^{1, 2, 3, 4} Ivanovo State Polytechnic University, Ivanovo, Russia

* Corresponding author (omtetova_m[at]rambler.ru)

Abstract

The current article presents an energy-efficient scheme of refrigeration supply of a polymeric material manufacturing enterprise. The enterprise uses cold to ensure the required parameters of the microclimate and high-quality operation of the technological process. The study proposes a chiller and dry cooler scheme as a source of refrigeration. The installation of an additional heat exchanger on the cold carrier supply line reduces the consumption of electrical energy. For the utilization of “discarded” heat from the refrigeration center, the study proposes a scheme for heat utilization using a steam compression heat pump, heat exchange equipment, which was calculated taking into account the heat of the phase transition. The research identifies the economic effect of the proposed design solutions.

Keywords: refrigeration system, cooling center, heat pump, energy efficiency, vapor compression cycle, dry cooler.

Введение

С 2006 года в РФ активно развивается отечественный рынок по производству полимерных материалов, для производства которых требуются энергоемкие системы холодоснабжения. Потребление энергии системами холодоснабжения на данный момент составляет 17 % от мирового потребления, а к 2030 году прогнозируется увеличение этого показателя до 25 %. [1]. Снижение энергоемкости систем холодоснабжения является актуальной задачей, решение которой позволит повысить качеств выпускаемой продукции при снижении себестоимости.

На практике применяются различные схемы холодоснабжения производственных помещений: схемы холодоснабжения с буферной емкостью, системы холодоснабжения с фрикулингом, чиллер с льдогенератором и др. [2], [3], [4], и др. Удачные решения по холодоснабжению одних помещений оказываются неприемлемыми на другом объекте.

Целью данной работы является разработка эффективной системы холодоснабжения предприятия по производству полимерных материалов и эффективной системы утилизации теплоты от холодильных систем. Кроме создания требуемых параметров воздушной среды, на предприятие холод требуется для охлаждения технологического оборудования.

Объектом исследования данной статьи является предприятие по производству биаксиально ориентированной полипропиленовой пленки. Нормативные документы регламентируют проектировать системы холодоснабжение с применением естественных и искусственных источников холода [5], [6]. Основные потребители холода на предприятии – технологический процесс, фанкойлы, приточные установки и теплообменное оборудование. Холодильный центр предприятия должен обеспечивать заданные режимы холодоснабжения каждого потребителя.

Общая потребность в холоде данного предприятия составляет 3873 кВт, из них 1400 кВт требуется на технологический процесс. Холодильный центр на предприятии потребляет 1600 кВт энергии для производства холода. Основные элементы технологической схемы производства полимерного материала: главный эктструдер, соэкструдер, МDO, TDO, PRS-намотчик. Каждый из элементов дополняется системой водоподготовки.

Для решения поставленной задачи предложено запроектировать трехконтурный холодильный центр (рис. 1):

• первый контур, объединяющий источник холода (холодильные установки), насосные установки и промежуточные теплообменники. Контур имеет температуру холодоносителя 7/12 ºС. В качестве холодоносителя применяется водный раствор 50% пропиленгликоля, расход 320 м³/ч;
• второй контур, объединяющий потребителей холода, насосную установку и промежуточный теплообменник. Контур имеет температуру холодоносителя 10/16 ºС. В качестве холодоносителя применяется вода в количестве 140 м³/ч.
• третий контур, объединяющий потребителей холода, насосную установку и промежуточный теплообменник. Контур имеет температуру холодоносителя 20/26 ºС. В качестве холодоносителя применяется вода, в количестве 100 м³/ч.

При температуре наружного выше + 5°С применяется летний режим работы холодильного центра. В теплый период года естественные источники холода не участвуют в системе холодоснабжение (драйкулеры отключены), охлаждение производится за счет искусственных источников [7].

Циркуляцию холодоносителя в контуре, обеспечивают циркуляционные насосы, расположенные на 1-ом уровне холодильного центра, и обслуживают первичный контур теплообменников. Циркуляционные насосы оборудуются частотными преобразователями.

Холодоноситель контуров фэнкойлов, приточных установок и технологического оборудования – вода. Циркуляцию в этих контурах холодоснабжения обеспечивают циркуляционные насосы, расположенные на 2-ом уровне холодильного центра.

Для поддержания заданных температур 10/16˚C и 20/26˚C в контурах фэнкойлов, приточных установок и технологического оборудования, предусмотрены два пластинчатых теплообменника. Для компенсации изменения объема холодоносителя предусмотрены расширительные мембранные баки.

Энтропийно-статистический анализ парокомпрессионного контура, который выполнялся в программном комплексе Solkane 7.0 показал, что в качестве искусственного источника холодоснабжения целесообразно использовать фреон R134a (тетрафторэтан), который обладает высокой удельной энтальпией и относительно высокой объемной способностью переноса теплоты.

Рис. 1 – Принципиальный трехконтурный центр

При работе холодильного центра от компрессоров выделяется большое количество теплоты, которое в количестве 14000 кВт выбрасывается в окружающую среду. На предприятии по производству полимерных материалов одновременно с потребностью в холоде существует потребность в тепловой энергии. Разработка энергосберегающих решений по утилизации «бросового» тепла от холодильного центра является актуальной задачей [7], [8]. Следует отметить, что график работы теплового насоса и потребности предприятия по производству полимерной пленки в горячей воде совпадают. Потребность данного предприятия в горячей воде для обработки поверхностей составляет 12000 кВт.

Система утилизации теплоты конденсации холодильного центра строится следующим: рядом с чиллером устанавливается парокомпрессионный тепловой насос, который забирает холодоноситель со стороны линии нагнетания компрессора, рис. 2. Основное назначение теплового насоса утилизировать теплоту конденсации и направлять ее для нагрева воды до температуры 60⁰ С.

Рис. 2 – Схема утилизации тепла конденсации холодильного центра: 1-Компрессор; 2-Воздушный конденсатор; 3– Испаритель; 4– Термо-регулирующий вентиль; 5– Соленоидный вентиль; 6-Фильтр осушитель;7– Вентиль; 8– Ресивер; 9– Реле высокого давления; 10– Реле давления сдвоенное; 11– Водяной конденсатор;
12– Промежуточный теплообменник

При определении поверхностей нагрева испарителя и конденсатора коэффициент теплоотдачи рассчитывался с учетом фазовых переходов хладагента [9], [10]. В табл. 1, 2 представлены теплотехнические характеристики испарителя и конденсатора, соответственно с учетом теплоты фазового перехода.

Таблица 1 – Теплотехнические характеристики испарителя теплового насоса

Таблица 2 – Теплотехнические характеристики конденсатора теплового насоса

Заключение

1. Для предприятия по производству полимерных материалов предложена схема холодоснабжения основными элементами, которой являются чиллер с драйкуллером. Предлагаемая система обеспечивает различные режимы холодоснабжения отдельных потребителей холода. При этом системы создания микроклимата обеспечивают требуемые параметры воздушной среды без дополнительного увлажнения приточного воздуха.
2. Установка дополнительного теплообменного устройства – драйкуллера на нагнетательной линии первого контура позволяет экономить до 35% электрической энергии.
3. Расчет поверхностей нагрева парокомпрессионного теплового насоса с учетом теплоты фазового перехода позволяет сократить размеры тепломассообменнных поверхностей соответственно, испарителя на 24%, конденсатора – на 18%.
4. Использование парокомпрессионного теплонасосного оборудования для нагрева воды, позволяет экономить до 40% электрической энергии по сравнению с традиционными схемами приготовления горячей воды, например, водяными котлами.