Системы холодоснабжения

Холодоснабжением называется процесс создания и доставки до потребителей искусственного холода. Вырабатывается холод в холодильных машинах. Чаще всего это водоохлаждающие машины (чиллеры), в которых происходит охлаждение хладоносителя (воды или растворов пропилен/этиленгликолей) до требуемой температуры.

Потребители холода могут быть различные.

Это могут быть системы комфортного и промышленного кондиционирования: фанкойлы, секции охлаждения центральных кондиционеров, стойки охлаждения для серверных.

Потребителями холода могут быть аппараты и механизмы участвующие в различных производственных процессах. Большая часть таких производств относится к пищевой промышленности, где холод необходим при производстве молочной, мясной и рыбной продукции, а так же для низкотемпературной обработки ягод, фруктов, грибов. Так же холод востребован в производстве изделий из пластмасс и резины, и в ряде других производств.

Ну и классическим применением холода является его использование в холодильных (среднетемпературных) и морозильных (низкотемпературных) камерах (складах).

Холодоснабжение является сложной инженерной системой, и её создание обязательно потребует разработку проекта. Большое количество существующих схем холодоснабжения, разнообразие фреонов и производителей холодильного оборудования, различные требования, предъявляемые к холодильным системам, требуют тщательной проработки проекта. Создание системы холодоснабжения без проекта невозможно.

ООО "ИСТ" оказывает услуги по проектированию, монтажу, пуско-наладке и сервисному обслуживанию систем холодоснабжения, как в комплексе с системами кондиционирования, так и раздельно. В соответствии с требованиями заказчика мы можем спроектировать и смонтировать систему холодоснабжения, наиболее выгодно отвечающую всем запросам клиента.

Система холодоснабжения используется для отвода тепла от процесса или установки. Существует много типов систем холодоснабжения, которые используются в различных сферах промышленности. Чтобы наилучшим образом оптимизировать эффективность системы холодоснабжения, следует использовать «системный подход» для определения потенциальной экономии и повышения производительности. При таком подходе рассматривается вся система охлаждения, включая насосы, двигатели, вентиляторы, форсунки, наполнение, потери при дрейфе, потери при испарении, продувка, скорость подпитки, химикаты, скорости потока, температуры, перепад давления, а также методы эксплуатации и технического обслуживания. Сосредоточив внимание на всей системе, а не на отдельных компонентах, система может быть настроена таким образом, чтобы избежать неэффективности и потерь энергии. Системы холодоснабжения не работают при одном условии все время, а нагрузка на систему изменяется в зависимости от циклических требований, условий окружающей среды и изменений технологических требований.

Рис. 1. Принцип работы системы холодоснабжения

КАК ДОБИТЬСЯ ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ?

Чтобы определить, можно ли добиться повышения эффективности в системе холодоснабжения, следует понимать типы систем, их сильные и слабые стороны. системы холодоснабжения доступны во многих типах конструкции и конструкции, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. В общем, все системы холодоснабжения будут использовать комбинацию нескольких из этих конструктивных особенностей.

Рис. 2 Классическая схема работы чиллер-моноблок

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ СИСТЕМЫ ХОЛОДОСНАБЖЕНИЯ:

ОТКРЫТАЯ ИЛИ ЗАКРЫТАЯ СИСТЕМА

Открытая или закрытая система, указывает, разрешено ли охлаждающей жидкости контактировать с окружающей средой или нет.

Открытые системы - технологическая среда находится в контакте с окружающей средой. Применяется только для мокрой системы, но может быть однократной или рециркуляционной.

• Градирни с принудительной и естественной тягой, градирни с поперечным потоком (вода / воздух)
• Охлаждающие пруды используют испарение для отвода тепла перед повторным использованием в процессе.
• Некоторые системы, такие как воздухоохладитель с мокрой поверхностью, сочетают открытую и закрытую конструкцию.

Закрытые системы - технологическая среда находится внутри труб или теплообменника и не контактирует с окружающей средой. Может быть влажной или сухой системой и может быть однократной или рециркуляционной конструкцией.

• Теплообменники типа кожухотрубный или пластинчато-рамный.
• Трубчатый вентилятор-охладитель - жидкость в трубах, обдувающая трубки для охлаждения.

Рис. 3 Чиллер с выносным конденсатором

ПРОХОДНОЙ ИЛИ РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ ДИЗАЙН 

Проходной или рециркуляционный дизайн указывает, будет ли первичная охлаждающая жидкость возвращена в исходный источник или возвращена процессу для повторного использования. Система прямого охлаждения может содержать одну из этих конструктивных особенностей, тогда как система косвенного охлаждения может содержать и то, и другое.

Один раз - охлаждающая жидкость проходит через теплообменник один раз, прежде чем возвращается к его источнику.

• Река / озеро / океан / море для обработки и возврата к источнику.
• Это самая простая и эффективная система в использовании, хотя высокие температуры нагнетания должны находиться в допустимых пределах.
• Чувствителен к загрязнениям, накипи, коррозии и потреблению. Использует большое количество воды и рискует добавить добавки в источник воды.

Рециркуляция - первичная охлаждающая жидкость используется повторно, в результате чего тепло поглощается в одном теплообменнике, а затем передается во второй охлаждающей жидкости во вторичном теплообменнике.

• Устраняет воздействие на окружающую среду для водоснабжения

ПРЯМЫЕ ИЛИ КОСВЕННЫЕ СИСТЕМЫ

Прямые или косвенные системы, также известные как первичные и вторичные системы. Этот термин указывает, где основная технологическая среда отводит тепло непосредственно в окружающую среду или вторичную среду.

Прямая - система с одним теплообменником или градирней, и только технологическая среда и охлаждающая жидкость.

Косвенная - между технологической средой и первичной охлаждающей жидкостью имеется как минимум два теплообменника и закрытая вторичная охлаждающая жидкость. Системы косвенного охлаждения применяются там, где следует строго избегать утечки технологических веществ в окружающую среду.

• КПД не такой высокий, как прямой из-за дополнительной ступени теплообменника
• Обычный на атомных станциях или с опасными химическими веществами

Рис. 4 Схема работы чиллера с воздушным конденсатором и сухой градирней

ВЛАЖНАЯ ИЛИ СУХАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ

Влажная или сухая система охлаждения относится к тому, используется ли охлаждающая вода или окружающий воздух в качестве первичной охлаждающей среды.

Сухая система - использует нагнетаемый воздух над трубой с жидкой технологической средой.

• Применяется только к закрытым системам
• Типично для областей без источника охлаждающей воды
• Фанкойлы с трубчатыми ребрами / вентиляторы - жидкость в трубах, воздух, обдувающий трубки для охлаждения

Мокрая система - включает использование рабочей жидкости, охлаждаемой воздухом в открытой градирне, или охлаждаемой водой в закрытом теплообменнике.

• Градирни - испарительный теплообмен. Включаются градирни поперечного потока, гиперболические башни. Охлаждаемая жидкость находится в контакте с потоком охлаждающего воздуха, и возникают некоторые потери при испарении.
• Кожухотрубные или пластинчато-рамочные теплообменники

Выбранный тип системы холодоснабжения может также уменьшить или устранить воздействие на окружающую среду. Воздушно-водяная градирня может использоваться вместо однократной системы холодоснабжения, чтобы минимизировать потребление воды или загрязнение термальной воды. Или кулер с плавниковым вентилятором может снизить потребление воды, особенно в сухих местах. В разрешениях на воздух и воду обычно указываются определенные конструктивные особенности, такие как тип системы холодоснабжения, максимально допустимый объем отвода и температура нагнетания для однопроходных систем, скорость дрейфа градирни, а в других разрешениях может указываться потребление воды, расход охлаждающей воды.

Рис. 5 Схема с конденсатором водяного охлаждения

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ

Повышение эффективности доступно с каждой конструкцией системы холодоснабжения. Новые системы имеют наибольший потенциал для оптимизации с использованием новейших технологий, хотя существующие системы также имеют потенциал, но, как правило, будут ограничены проблемами компоновки и конструкции. Выбранный тип системы холодоснабжения требует тщательной оценки на этапе проектирования проекта с использованием многих входных данных, включая затраты, планировку и размер, доступность воды, энергопотребление, энергоэффективность, условия окружающей среды, времена года и погоду и многие другие в зависимости от проекта. Ежегодные колебания местных температур воды и воздуха оказывают наибольшее влияние на эффективность системы холодоснабжения. Эффективность системы является функцией затрат энергии и ресурсов, необходимых для работы системы, в зависимости от достигнутого охлаждения. Электричество используется для работы вентиляторов и насосов, и другие расходы включают в себя расходы на воду, а также нормативные расходы и штрафы.

• Градирни - влажные испарительные системы ограничены температурой воздуха влажной колбы, а сухие системы - температурой воздуха сухой колбы, которые колеблются в течение года. Эти ограничения могут привести к тому, что установка будет работать с меньшей мощностью или с более низкой эффективностью охлаждения. Охлаждающая способность может быть увеличена путем добавления дополнительных охлаждающих ячеек или исправления ошибок в размерах конструкции.
• Вентиляторы и насосы. Вентиляторы, воздуходувки и насосы могут работать на холостом ходу или работать медленно во время благоприятных погодных условий или низкой нагрузки установки для снижения энергопотребления. Приводы с регулируемой скоростью (также называемые приводами с регулируемой скоростью или ASD) обычно используются на вентиляторах, двигатели нагнетателя и насоса, поскольку они значительно повышают энергоэффективность системы холодоснабжения при частичных нагрузках по сравнению с непрерывной работой. Простое обращение с использованием законов сродства предполагает, что уменьшение скорости насоса или вентилятора вдвое уменьшит его потребность в энергии на 7/8. Системы с однократным прохождением - эти системы могут быть оштрафованы из-за нарушений предела отвода тепла. В качестве альтернативы они могут испытывать пониженную охлаждающую способность из-за низкого уровня воды или из-за отсутствия штрафов за температуру нагнетания, что приводит к снижению эффективности и производительности установки.
• Автоматизация - современные средства управления предлагают способы повышения эффективности за счет постоянного мониторинга основных параметров системы с автоматической настройкой насосов и вентиляторов.
• Температура охлаждающей среды. Эффективность систем охлаждения зависит от температуры среды, до которой отводится тепло. Более холодные среды легче переносят тепло, поэтому необходим меньший поток охлаждающей среды, что снижает потребность в энергии накачки / выдувания. Во многих случаях температура источников воды ниже, чем температура окружающего воздуха, поэтому использование систем охлаждения на водной основе может быть более энергоэффективным.
• Температура подвода теплообменника - Разница температур между охлаждаемой рабочей жидкостью (когда она выходит из охладителя) и входящей охлаждающей средой называется температурой подвода4. Для проектировщиков важно не указывать температуры захода на посадку, меньшие, чем требуется, поскольку меньшие температуры захода на посадку требуют большей охлаждающей способности (например, большее охлаждающее оборудование, более высокие скорости потока). Системы с водяным охлаждением, как правило, имеют меньшую температуру сближения, чем системы с воздушным охлаждением, потому что легче отводить тепло в воду, чем воздух. Следовательно, системы с водяным охлаждением могут быть предпочтительнее в ситуациях, когда требуются небольшие подходящие температуры, как с точки зрения стоимости, так и с точки зрения энергоэффективности.

НА ЧТО СЛЕДУЕТ ОБРАТИТЬ ВНИМАНИЕ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИСТЕМЫ:

Доступно для промышленных масштабов ?

да / нет

Можно ли до оснащать ?

да / нет

Многолетний опыт работы в отрасли:

 < 20 лет

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТЕХНОЛОГИИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИСТЕМЫ ХОЛОДОСНАБЖЕНИЯ:

• Cпектр применения. Вверх и вниз по течению, сжатие СПГ, закачка газа, газлифт, охлаждение углеводородного газа и смазочного масла, добыча, переработка нефти, электростанции и транспорт.
• Эффективность. Эффективность может быть измерена по потребляемой мощности для насосов и вентиляторов, а также по подпитке водой и показателям химической обработки.
• Дополнительные расходы: теплообменники, градирни, элементы управления, соединения, элементы управления, впускной и выпускной трубопроводы, впускные фильтры, приборы, клапаны, вентиляторы, насосы, баки, химикаты, резервирование, а также расходы на установку, запуск и ввод в эксплуатацию. 
• Эксплуатационный расходы:  включают в себя текущее обслуживание, такое как очистка труб и пластин, устранение утечек, восстановление насосов, замена заполнения градирен. Дополнительные расходы или упущенная выручка связаны со временем простоя станции, когда оборудование находится в автономном режиме. Эксплуатационные расходы включают электроэнергию для насосов, вентиляторов, органов управления и химикатов для очистки воды.
• Время выполнения инженерных и монтажных работ: 1-24 месяца.
• Типичный объем описания работ. Системы холодоснабжения используются в самых разных областях применения. Типичный проект будет учитывать использование систем холодоснабжения при первоначальном планировании проекта, определять рабочие условия и оценивать условия на месте, окружающую среду, планировку, доступную воду, энергопотребление, эксплуатацию, применимые нормативы, в дополнение к энергоэффективности, прежде чем выбрать тип охлаждения система. Существующие системы с изношенным или устаревшим оборудованием могут быть улучшены, если взглянуть на новую технологию, которая работает более эффективно после полной оценки системы.
• Технические аспекты:
  • Оптимизация первичного процесса в первую очередь, повторное использование тепла 
  • Диапазон работы системы, потоки и температуры 
  • Наличие воды для охлаждения 
  • Температура воды, температура сухого и влажного воздуха 
  • Разрешения, связанные с водой, землей, выбросами 
  • Доступно земельное пространство, местоположение участка, ориентация 
  • Мощность, вода, шум и химическое потребление
• Оперативность в обслуживание:
  • Сложность системы
  • Уровень автоматизации
  • Надежность
  • Потребности в обслуживании​
• Сокращение выбросов парниковых газов. Повышение эффективности систем охлаждения уменьшает количество потребляемой энергии, что приводит к снижению выбросов парниковых газов.
• Экологический аспекты:
  • Водные ресурсы и доступность 
  • Защита водных организмов при заборе воды 
  • Температура нагнетания 
  • Химические вещества для воды 
  • Утечка и биологические риски 
  • Может потребоваться изучение воздействия на рыбу 
  • Уменьшение шлейфа 
  • Дноуглубительные работы, связанные с установкой отвода трубопроводов 
  • Разрешительные требования 
  • Требования к шуму​

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Оптимизация конструкции основного процесса и модификаций управления позволят сэкономить энергию на внешнем интерфейсе и могут избежать или уменьшить потребность в системах холодоснабжения. Уменьшая количество невосстанавливаемого тепла, отводимого в окружающую среду, установка может снизить потребность в системах охлаждения и повысить общую эффективность установки. Добавление вентиляторов и насосов с переменным расходом позволит масштабировать работу и повысить эффективность системы холодоснабжения.

ОПЕРАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ / РИСКИ

• системы холодоснабжения требуют регулярной очистки, обслуживания и плановых капитальных ремонтов для работы с высокой эффективностью. Это может варьироваться от простых профилактических работ по техническому обслуживанию (то есть промывки) до ремонта, который требует снятия пучка труб с кожуха теплообменника для очистки или даже замены целых градирен. Это время простоя также следует учитывать при определении размеров теплообменников.
• Если потребность в охлаждении увеличивается или была недооценена при установке, система охлаждения должна быть искажена или добавлена ​​дополнительная мощность за счет увеличения площади поверхности теплопередачи и производительности насоса.
• Различные системы холодоснабжения могут работать при высоких давлениях и температурах или с опасными жидкостями, поэтому необходимо соблюдать надлежащие рабочие процедуры, чтобы избежать рисков для персонала и перебоев в работе системы.
• Некоторые системы холодоснабжения, такие как градирни, имеют узкий диапазон рабочих BEP и могут работать менее эффективно при более высоких и более низких расходах по сравнению с номинальными расходами.

ВОЗМОЖНОСТИ / БИЗНЕС-КЕЙС

Доступно множество конструкций систем холодоснабжения. Некоторые из них могут быть настроены при монтаже для конкретных применений, а также для стандартных конструкций, которые доступны с минимальным временем выполнения заказа при меньших затратах. Ниже перечислены несколько причин для обновления или добавления систем охлаждения:

• Модернизация существующего оборудования до более новых, более эффективных конструкций
• Правильный размер оборудования из-за начального перепроизводства
• Необходимы новые системы из-за изменений в нормативных документах, использования воды и температуры сточных вод
• Сокращение потребления энергии, подпитки, выбросов парниковых газов и выбросов
• Замените существующее оборудование из-за износа и снижения эффективности
• Дополнительная холодопроизводительность за счет увеличения производительности установки
• Отраслевые исследования
• Автоматический дисковый фильтр поддерживает чистоту охлаждающей воды в университете

СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ ВОДЫ

Применение автоматической системы фильтрации в градирне с поперечным потоком для удаления твердых частиц и контроля уровня загрязнения. Большинство градирен должны иметь какую-либо систему очистки воды, чтобы добавлять ингибиторы коррозии, регулировать рН и противообрастающую обработку в охлаждающую воду, а также систему продувки водой. Но, несмотря на эти меры, градирни улавливают частицы из воздуха, которые попадают в бассейн градирни, что приводит к проблемам с коррозией, снижению эффективности охлаждения и времени простоя. Накопление частиц создает возможность для роста водорослей и другого биологического происхождения.

Массив дисковых фильтров добавляется в систему, чтобы вытягивать воду из бассейнов градирни, фильтровать ее и возвращать в систему. Система оснащена функцией автоматической обратной промывки, которая поддерживает фильтры в чистоте и сокращает объем технического обслуживания. Система фильтров снижает потребление воды растениями за счет продувки бассейна и уменьшает использование химикатов для очистки воды. Этот тип градирни очень распространен в системах охлаждения электростанций и многих других применениях. А фильтрация воды в бассейне часто упускается из виду при проектировании систем холодоснабжения. Хотя дополнительное оборудование добавляет некоторые новые затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание, система фильтров снижает риск снижения пропускной способности теплопередачи, повышает эффективность установки и снижает общие затраты на эксплуатацию и охлаждение системы холодоснабжения.